Bab II Tinjauan Pustaka 2.1. Alat Pengkondisian...

24
6 Bab II Tinjauan Pustaka 2.1. Alat Pengkondisian Udara Alat Pengkondisian udara pada bangunan mengatur mengenai kelembaban, pemanasan dan pendinginan udara didalam suatu ruangan. Pengkondisian ini bertujuan untuk memberikan kondisi udara yang nyaman bagi orang yang berada didalam suatu ruangan tersebut. Dengan berkembangnya informasi dan teknologi sekarang ini banyak dijumpai alat pengkondisian udara pada ruangan dengan menggunakan refrigeran hidrokarbon seperti musicool yang ramah lingkungan dan tidak merusak lapisan ozon dibandingkan refrigeran sintetik. Alat pengkondisian udara pada AC split yang umum dipakai terdiri dari kompresor, kondensor, evaporator, katup ekspansi dan refrigeran sebagai fluida pendinginnya. Susunan atau rangkaian komponen untuk AC split terlihat seperti pada Gambar 2.1 (http://dc271.4shared.com/doc/1k9wH6L4/preview.html). Gambar 2.1 Instalasi AC split

Transcript of Bab II Tinjauan Pustaka 2.1. Alat Pengkondisian...

Page 1: Bab II Tinjauan Pustaka 2.1. Alat Pengkondisian Udaradigilib.unimus.ac.id/files/disk1/154/jtptunimus-gdl-sulistiyoc... · sebagai media pada perpindahan panas dari obyek ... Refrigeran

6

Bab II

Tinjauan Pustaka

2.1. Alat Pengkondisian Udara

Alat Pengkondisian udara pada bangunan mengatur mengenai

kelembaban, pemanasan dan pendinginan udara didalam suatu ruangan.

Pengkondisian ini bertujuan untuk memberikan kondisi udara yang nyaman bagi

orang yang berada didalam suatu ruangan tersebut. Dengan berkembangnya

informasi dan teknologi sekarang ini banyak dijumpai alat pengkondisian udara

pada ruangan dengan menggunakan refrigeran hidrokarbon seperti musicool yang

ramah lingkungan dan tidak merusak lapisan ozon dibandingkan refrigeran

sintetik. Alat pengkondisian udara pada AC split yang umum dipakai terdiri dari

kompresor, kondensor, evaporator, katup ekspansi dan refrigeran sebagai fluida

pendinginnya. Susunan atau rangkaian komponen untuk AC split terlihat seperti

pada Gambar 2.1 (http://dc271.4shared.com/doc/1k9wH6L4/preview.html).

Gambar 2.1 Instalasi AC split

Page 2: Bab II Tinjauan Pustaka 2.1. Alat Pengkondisian Udaradigilib.unimus.ac.id/files/disk1/154/jtptunimus-gdl-sulistiyoc... · sebagai media pada perpindahan panas dari obyek ... Refrigeran

7

2.2. Prinsip Kerja

Prinsip kerja kondisi refrigeran dari sistem pengkondisian udara pada AC

split di tunjukan seperti pada Gambar 2.2 (http://cvastro.com/cara-kerja-sistem-ac-

ruangan.htm).

Gambar 2.2 Kondisi Refrigeran di Setiap Komponen

Refrigeran uap bertekanan rendah dan bersuhu rendah dihisap kompresor

melalui katup hisap lalu dikompresi menjadi refrigerant uap bertekanan tinggi dan

bersuhu tinggi pada kompresor dan dikeluarkan melalui katup buang menuju

kondensor, sehingga pada kondensor tekanan refrigeran mejadi turun begitu juga

dengan suhu karena pada kondensor terjadi pelepasan panas dan refrigeran

berubah fasa menjadi cair. Sebelum memasuki katup ekspansi, refrigeran terlebih

dahulu dilewatkan suatu penyaring (filter drier) yang berfungsi sebagai penyaring

kotoran tetapi tidak berpengaruh pada suhu dan tekanan. Refrigeran cair

bertekanan rendah yang keluar dari katup ekspansi kemudian memasuki

evaporator, disini terjadi penyerapan kalor dari udara yang dilewatkan pada sirip-

sirip evaporator, sehingga refrigeran berubah fasa menjadi refrigerant uap.

Selanjutnya memasuki kompresor melalui sisi hisap, demikian ini berlangsung.

Page 3: Bab II Tinjauan Pustaka 2.1. Alat Pengkondisian Udaradigilib.unimus.ac.id/files/disk1/154/jtptunimus-gdl-sulistiyoc... · sebagai media pada perpindahan panas dari obyek ... Refrigeran

8

2.3. Komponen Utama

Pada alat pengkondisian udara secara umum terdapat 5 (lima) komponen

utama, yaitu evaporator, kompresor, kondensor, katup ekspansi dan filter drier.

Untuk gambar komponen utama pada alat pengkondisian udara dapat dilihat sperti

pada Gambar 2.3 (http://dc271.4shared.com/doc/1k9wH6L4/preview.html).

Gambar 2.3 Komponen Utama Alat Pengkondisian Udara

2.3.1. Evaporator

Evaporator adalah perangkat air conditioner yang terbuat dari lingkaran

tembaga yang dililit dengan serpihan aluminium yang berbentuk kisi-kisi tipis dan

rapat yang berfungsi debagai sarana merubah udara ruangan menjadi dingin

karena sirkulasi yang dibantu oleh blower indoor. Untuk gambar evaporator dapat

dilihat seperti pada Gambar 2.4.

Gambar 2.4 Evaporator

Page 4: Bab II Tinjauan Pustaka 2.1. Alat Pengkondisian Udaradigilib.unimus.ac.id/files/disk1/154/jtptunimus-gdl-sulistiyoc... · sebagai media pada perpindahan panas dari obyek ... Refrigeran

9

2.3.2. Kompresor

Kompresor adalah alat yang paling penting dalam sebuah rangkaian air

conditioner dimana kompressor merupakan alat yang berfungsi merubah uap

bertekanan rendah dan bertemperatur rendah dari evaporator menjadi uap

bertekanan tinggi dan temperatur tinggi menuju kondensor. Untuk gambar

kompresor dapat dilihat seperti pada Gambar 2.5.

Gambar 2.5 Kompresor

2.3.3. Kondensor

Kondensor adalah alat yang mempunyai struktur yang sangat mirip

dengan evaporator namun berfungsi untuk mencairkan refrigeran uap bertekanan

tinggi dan bertemperatur tinggi dari kompresor dengan melepas panas yang di

bantu fan. Untuk gambar kondensor dapat dilihat seperti pada Gambar 2.6.

Gambar 2.6 Kondensor

Page 5: Bab II Tinjauan Pustaka 2.1. Alat Pengkondisian Udaradigilib.unimus.ac.id/files/disk1/154/jtptunimus-gdl-sulistiyoc... · sebagai media pada perpindahan panas dari obyek ... Refrigeran

10

2.3.4. Filter Drier

Filter drier adalah alat yang berfungsi sebagai penyaring kotoran yang

mungkin ada dalam sistem air conditioner. Untuk gambar filter dryer dapat dilihat

seperti pada Gambar 2.7 (http://www.cruiseac.com/filter-drier.php).

Gambar 2.7 Filter Drier

2.3.5. Katup Ekspansi

Katup ekspansi merupakan komponen penting dalam sistem air

conditioner. Katup ini dirancang untuk mengontrol aliran cairan pendingin

melalui katup orifice yang merubah wujud cairan menjadi uap ketika zat

pendingin meninggalkan katup pemuaian dan memasuki evaporator Untuk

gambar katup ekspansi dapat dilihat seperti pada Gambar 2.8

(http://www.partsnetcn.com/id/expansion-valve-191.html).

Gambar 2.8 Katup Ekspansi

2.4. Refrigeran

Refrigeran adalah substansi yang dipakai dalam sistem pengkondisian

udara. Refrigeran yang akan dibicarakan di sini adalah refrigeran primer yaitu

refrigeran yang dipakai dalam sistem, bukan refrigeran sekunder yang berperan

sebagai media pada perpindahan panas dari obyek pendinginan.

Page 6: Bab II Tinjauan Pustaka 2.1. Alat Pengkondisian Udaradigilib.unimus.ac.id/files/disk1/154/jtptunimus-gdl-sulistiyoc... · sebagai media pada perpindahan panas dari obyek ... Refrigeran

11

Persyaratan refrigeran ideal antara lain (Arismunandar Wiranto, Saito

Heizo, 2005) :

1. Tekanan penguapan harus cukup tinggi.

Sebaiknya refrigeran memiliki temperatur penguapan pada tekanan yang

lebih tinggi, sehingga dapat dihindari kemungkinan terjadinya vakum pada

evaporator dan turunnya efesiensi volumetric karena naiknya perbandingan

kompresi.

2. Tekanan pengembunan yang tidak terlampau tinggi.

Apabila tekanan pengembunan rendah, maka perbandingan kompresinya

menjadi lebih rendah sehingga penurunan prestasi kompresor dapat

dihindarkan. Selain itu, dengan tekanan kerja yang lebih rendah, mesin dapat

lebih aman karena kemungkinan terjadinya kebocoran, kerusakan, ledakan

dan sebagainya.

3. Kalor laten penguapan harus tinggi.

Refrigeran yang memiliki kalor laten penguapan yang tinggi lebih

menguntungkan karena kapasitas refrigerasi yang sama, jumlah refrigeran

yang bersikulasi lebih kecil.

4. Volume spesifik (terutama dalam fasa gas) yang cukup kecil.

Refrigerasi yang memiliki kalor laten penguapan yang tinggi lebih

menguntungkan karena kapasitas refrigerasi yang sama, jumlah refrigeran

yang bersikulasi lebih kecil.

5. Koefisien prestasi harus tinggi.

Dari segi karakteristik termodinamika dari refrigerant, koenfisien presentasi

merupakan parameter terpenting untuk menentukan biaya operasi.

6. Konduktivitas termal yang tinggi.

Sifat ini mempengaruhi kinerja penukar kalor (evaporator dan kondensor).

Refrigeran dengan konduktivitas termal tinggi, lebih diinginkan dalam suatu

refrigerasi. Oleh karena itu dapat menghasilkan kinerja penukar kalor yang

baik (pada beda temperatur yang kecil antara penukar kalor (refrigeran) dan

lingkungan, mampu menghasilkan laju perpindahan panas yang besar).

7. Viskositas yang rendah dalam fasa cair maupun fasa gas.

Page 7: Bab II Tinjauan Pustaka 2.1. Alat Pengkondisian Udaradigilib.unimus.ac.id/files/disk1/154/jtptunimus-gdl-sulistiyoc... · sebagai media pada perpindahan panas dari obyek ... Refrigeran

12

Refrigeran dengan viskositas rendah lebih baik dalam sistem refrigerasi,

karena dalam alirannya akan mengalami tahanan yang kecil. Hal tersebut

akan memperkecil kerugian tekananya dalam pipa.

8. Konstanta dielektrika dari refrigerant yang kecil, tahanan listrik yang besar,

serta tidak menyebabkan korosi pada material isolator listrik.

9. Refrigeran tidak beracun dan berbau merangsang.

10. Refrigeran tidak boleh mudah terbakar dan mudah meledak

11. Refrigerant hendaknya stabil dan tidak bereaksi dengan material yang dipakai

dan juga tidak menyebabkan korosi.

12. Refrigerant harus mudah dideteksi, jika terjadi kebocoran

13. Harganya tidak mahal dan mudah diperoleh.

Refrigeran dalam perdagangan telah diklasifikasikan oleh ASRE

(American Sociaty Of refrigerant Enginering). Standard ASRE membagi

refrigerant dalam beberapa kelompok penting yaitu refrigeran halokarbon,

refrigeran anorganik dan refrigeran hidrokarbon.

2.4.1. Refrigeran Halokarbon

Refrigeran jenis ini tersusun dari campuran satu atau lebih atom halogen

seperti fluorine, chlorine, iodine dan bromine. Beberapa refrigeran yang termasuk

kelompok ini dapat dilihat pada Tabel 2.1, Tabel 2.2 dan Tabel 2.3

(Arismunandar Wiranto, Saito Heijo, 2000).

1. Methana series

Table 2.1 Methana series

Penomoran Nama kimia Nama kimia

11

12

13

22

23

32

Trikloromonofluoromethana

Diklorodifluoromethana

Monoklorotrifluoromethana

Monoklorodifluorometahana

Trifluoromethana

Difluoromethana

CCl3F

CCl2F2

CClF3

CHClF2

CHF3

CH2F2

Page 8: Bab II Tinjauan Pustaka 2.1. Alat Pengkondisian Udaradigilib.unimus.ac.id/files/disk1/154/jtptunimus-gdl-sulistiyoc... · sebagai media pada perpindahan panas dari obyek ... Refrigeran

13

2. Ethana series

Tabel 2.2 Ethana series

Penomoran Nama kimia Rumus kimia

113

114

125

134a

141b

142b

152a

1,1,2-trichlorofluoromethana

1,2-dichlorodifluoromethana

Pethafluoroethana

1,1,1,2-tetrafluoroethana

1,1-dichloro-1-fluoroethana

1-chloro-1,1-difluoroethana

1,1-difluoroethana

CCl2FCClF2

CClF2CClF2

CHF2CF3

CH2FCF2

CH3CClF

CH3CClF2

CH3CHF2

3. Azetropic blend

Tabel 2.3 Azetropic blend

Penomoran Komposisi Rumus kimia

500

502

503

504

26,2% R-152a dan 73,8% R-12

51,2% R-115 dan 48,8% R-22

40,1% R-23 dan 59,9% R-13

48,2% R-32 dan 52,8% R-115

CCl2F2/CH3CHF2

CHCl2F2/CCF2CF3

CHF3/CClF3

CH2F2/CF3CClF2

2.4.2. Refrigeran Anorganik

Refrigeran ini banyak digunakan pada awal alat pengondisia udara, yang

termasuk refrigeran anaorganoik ini antara lain dapat dilihat pada Tabel 2.4

(Stoecker, Wilbert F, Jones Jerold W, Supratman Hara, 1992).

Page 9: Bab II Tinjauan Pustaka 2.1. Alat Pengkondisian Udaradigilib.unimus.ac.id/files/disk1/154/jtptunimus-gdl-sulistiyoc... · sebagai media pada perpindahan panas dari obyek ... Refrigeran

14

Tabel 2.4 Refrigeran Anorganik

Penomoran Nama kimia Rumus kimia

717

718

729

744

764

Ammonia

Air

Udara

Karbon dioksida

Sulfur dioksida

NH3

H2O

-

CO2

SO2

2.4.3. Refrigeran Hidrokarbon

Banyak senyawa hidrokarbon yang cocok digunakan sebagai refrigeran,

khususnya dipakai pada industri perminyakan dan petrokimia, yang termasuk

kelompok refrigeran hidrokarbon dapat dilihat pada Tabel 2.5 (Bejo Nugroho,

2002).

Table 2.5 Refrigeran Hidrokarbon

Penomoran Nama kimia Rumus kimia

50

170

290

600

600a

1150

1270

Methana

Ethana

Propana

n-butana

Isobutana

Ethylena

Propylena

CH4

C2H6

C3H8

CH3CH2CH2CH3

CH(CH3)3

CH2=CH2

CH3CH=CH2

Page 10: Bab II Tinjauan Pustaka 2.1. Alat Pengkondisian Udaradigilib.unimus.ac.id/files/disk1/154/jtptunimus-gdl-sulistiyoc... · sebagai media pada perpindahan panas dari obyek ... Refrigeran

15

2.5. Refrigeran yang digunakan didalam Pengujian

2.5.1. Refrigeran R-22

Refrigerant R-22 termasuk dalam refrigeran halokarbon, refrigeran ini

banyak digunakan karena mempunyai kelebihan diantaranya tidak berbau, tidak

mudah terbakar dan sangat stabil. Nama kimia dari R-22 adalah

monoklorodifuorometana dengan rumus kimia CHCFL2. R-22 merupakan sistem

penomoran dalam kelompok halokarbon mengikuti pola sebagai berikut : angka

pertama darikanan adalah jumlah atom flourin dalam ikatan, angka kedua dari

kanan merupakan jumlah atom hidrogen ditambah angka satu dan angka ke tiga

darikanan adalah jumlah atom karbon dikurangi satu (Stoecker, Wilbert F, Jones

Jerold W, Supratman Hara, 1982). Untuk sifat fisik dan termodinamika R-22

dapat dilihat pada Tabel 2.6 (Ginanjar, 2013).

Tabel 2.6 Sifat Fisik dan Termodinamika R-22

Propertis

Normal boiling point (NBP), oC

Temperatur kritis, oC

Tekanan kritis, psia

Panas jenis cairan jenuh pada 37.8 oC, Kj/Kg

Panas jenis uap jenuh pada 37.8 oC, Kj/Kg

Tekanan cairan jenuh pada 37.8 oC, Psia

Kerapatan cairan jenuh pada 37.8 oC, kg/m

3

Kerapatan uap jenuh pada 37.8 oC, kg/m

3

Kerapatan uap jenuh pada NBP, kg/m3

Konduktivitas Termal cairan jenuh pada 37.8 oC, w/mk

Konduktivitas Termal uap jenuh pada 37.8 oC, w/mk

Viskositas cairan jenuh pada 37.8 oC, uPa-s

Viskositas uap jenuh pada 37.8 oC, uPa-s

R-22

-40.80

96

723.7

1.325

0.9736

210.7

1138

62.46

4.705

0.0778

0.0211

84.58

9.263

Page 11: Bab II Tinjauan Pustaka 2.1. Alat Pengkondisian Udaradigilib.unimus.ac.id/files/disk1/154/jtptunimus-gdl-sulistiyoc... · sebagai media pada perpindahan panas dari obyek ... Refrigeran

16

2.5.2. Refrigeran Musicool MC-22

Refrigeran Musicool MC-22 adalah refrigeran dengan bahan dasar

hidrokarbon yang dihasilakan dari kilang migas yang dirancang sebagai pengganti

refrigeran sintetik R-22 yang masih memiliki potensi merusak lingkungan dalam

hal penipisan lapisan ozon dan pemansan global (Global Warming) (Raharjo,

Samsudi, 2010).

Komposisi refrigeran musicool terdiri dari 99,7% adalah propana, 0,15%

adalah butana, dan 0,15% adalah iso butana. Karena 99,7% komposisi refrigeran

musicool adalah propana, maka musicool dapat disebut juga sebagai propana

(Firdaus, 2010).

Refrigeran musicool MC-22 mempunyai sifat-sifat sebagai berikut

(Raharjo, Samsudi, 2010) :

1. Refrigeran musicool tidak berbau dan tidak berwarna serta tidak beracun.

2. Rfrigeran musicool tidak mudah terbakar karena hanya kecil kemungkinan

untuk terbakar.

3. Sifat kecepatan penguapan refrigeran musicool sangat cepat serta kecilnya

volume gas musicool terhadap udara.

4. Tekanan yang diterima AC lebih ringan atau lebih rendah dengan

menggunakan refrigeran musicool dibanding saat menggunakan refrigeran

sintetik.

Untuk sifat fisik dan termodinamika MC-22 dapat dilihat pada

Tabel 2.7 (Ginanjar, 2013).

Page 12: Bab II Tinjauan Pustaka 2.1. Alat Pengkondisian Udaradigilib.unimus.ac.id/files/disk1/154/jtptunimus-gdl-sulistiyoc... · sebagai media pada perpindahan panas dari obyek ... Refrigeran

17

Tabel 2.7 Sifat Fisik dan Termodinamika MC-22

Propertis

Normal boiling point (NBP), oC

Temperatur kritis, oC

Tekanan kritis, psia

Panas jenis cairan jenuh pada 37.8 oC, Kj/Kg

Panas jenis uap jenuh pada 37.8 oC, Kj/Kg

Tekanan cairan jenuh pada 37.8 oC, Psia

Kerapatan cairan jenuh pada 37.8 oC, kg/m

3

Kerapatan uap jenuh pada 37.8 oC, kg/m

3

Kerapatan uap jenuh pada NBP, kg/m3

Konduktivitas Termal cairan jenuh pada 37.8 oC, w/mk

Konduktivitas Termal uap jenuh pada 37.8 oC, w/mk

Viskositas cairan jenuh pada 37.8 oC, uPa-s

Viskositas uap jenuh pada 37.8 oC, uPa-s

MC-22

-32.90

115.5

588.6

2.701

2.003

134.4

503.5

17.12

1.642

0.0898

0.0194

103.6

7.997

2.6. Retrofit

Retrofit adalah cara mengganti atau memasukan refrigeran lama dengan

refrigeran yang baru. Misal dari bahan pendingin jenis sintetik dengan bahan

pendingin hidrokarbon pada unit mesin pendingin. Pada proses retrofit hal-hal

yang perlu dilakukan yaitu pengambilan data awal dan pengecekan kinerja

kemudian recovery (pengambilan refrigeran lama), selanjutnya pemvakuman

sistem, pengisian refrigeran dan pemeriksaan kinerja akhir setelah retrofit

(Widodo, 2009).

Sebelum kita melakukan retrofit perlu diketahui terlebih dahulu prosedur

umum retrofit dengan refrigeran hidrokarbon (Widodo, 2009) :

1. Ruang kerja harus berventilasi cukup.

Page 13: Bab II Tinjauan Pustaka 2.1. Alat Pengkondisian Udaradigilib.unimus.ac.id/files/disk1/154/jtptunimus-gdl-sulistiyoc... · sebagai media pada perpindahan panas dari obyek ... Refrigeran

18

2. Dilarang merokok saat bekerja.

3. Hindari percikan api dalam radius minimal 10 meter dari daerah pengisian

atau pembuangan refrigeran.

4. Menonaktifkana saklar listrik radius 2 meter dari daerah kerja pada saat

pengisian atau pembuangan refrigeran .

5. Siapkan pemadam kebakaran manual (dari jenis powder).

6. Gunakan sarung tangan, kacamata dan peralatan keamanan yang lain untuk

keselamatan kerja.

Adapun beberapa prosedur yang harus dilakukan pada saat melakukan

retrofit dengan menggunakan refrigeran hidrokarbon sebagai berikut (Widodo,

2009) :

1. Usahakan memperhatikan prosedur umum bekerja dengan refrigeran

hidrokarbon.

2. Lakukan pemeriksaan fisik pada unit indoor dan unit outdoor pada alat

pengkondisian udara.

3. Lakukan pemeriksaan fungsi komponen (catat performasi jika mungkin).

4. Lakukan pemeriksaan terhadap instalasi listrik seperti isolasi, saambungan

kabel dan instalasi pemipaan pastikan tidak ada yang bocor.

5. Recovery.

6. Pemvakuman sistem.

Recovery adalah proses pengambilan refrigeran dari dalam unit alat

pengkondisian udara dipindahkan kedalam tabung penampung dengan bantuan

mesin recovery. Refrigeran harus ditampung sesuai dengan jenisnya tidak boleh

dicampur dan dibuang ke udara bebas (Widodo, 2009).

Recovery dilakukan dengan langkah-langkah sebagai berikut :

1. Siap kan mesin recovery, manifold gauge, tabung penampung dan peralatan

pendukung lainya.

2. Matikan alat pengkondisian udara dan tunggu 5 sampai 10 menit.

3. Siapkan manifold gauge dan sambungkan selang warna merah pada posisi

tekanan tinggi, selang warna biru pada sisi tekanan hisab dan selang warna

kuning disambungkan pada mesin recovery.

Page 14: Bab II Tinjauan Pustaka 2.1. Alat Pengkondisian Udaradigilib.unimus.ac.id/files/disk1/154/jtptunimus-gdl-sulistiyoc... · sebagai media pada perpindahan panas dari obyek ... Refrigeran

19

4. Siapkan mesin recovery lakukan proses recovery berlahan-lahan dan hati-hati

dengan memperhatikan tekanan pada mesin recovery. Untuk lebih

mempermudah recovery berikan pendingin pada tabung penampung.

2.7. Analisa Sistem Kompresi Uap

2.7.1. Siklus Carnot

Siklus carnot secara termodinamika bersifat reversible secara skema

siklus mesin kalor carnot dapat dilihat seperti pada Gambar 2.9 (Stoecker,

Wilbert F, 1992).

kalor dari sumber bersuhu tinggi

2

3

Kompresor Turbin

1 4

Kalor ke penguap (lingkungan) bersuhu rendah

Suhu (oK)

2 3

1 4

Enntropi (Kj/kg K)

Gambar 2.9 Skema Mesin Carnot

Mesin Carnot menerima energi kalor pada suhu tinggi dan merubah

sebagian menjadi kerja, kemudian mengeluarkan sisanya sebagai kalor pada

temperatur yang lebih rendah. Siklus refrigasi Carnot merupakan kebalikan dari

siklus mesin Carnot. Karena siklus refrigasi menyalurkan energi dari suhu rendah

Page 15: Bab II Tinjauan Pustaka 2.1. Alat Pengkondisian Udaradigilib.unimus.ac.id/files/disk1/154/jtptunimus-gdl-sulistiyoc... · sebagai media pada perpindahan panas dari obyek ... Refrigeran

20

menuju suhu yang lebih tinggi. Siklus refrigasi membutuhkan kerja luar untuk

mendapatkan kerja. Diagram peralatan, diagram entalpi suhu dari siklus refrigasi

dapat dilihat seperti pada Gambar 2.10 (Stoecker, Wilbert F, 1992).

Kalor menuju lingkungan yang bersuhu tinggi

3

2 Kerja

Katup Ekspansi Kompresor

Kerja

4 1

Kalor dari sumber bersuhu rendah

Suhu (oK) Siklus proses refrigerasi carnot :

3 2 1-2 kompresi adiabatic

2-3 pelepasan kalor isotermal

4 1 3-4 ekspansi adiabatic

4-1 pemanasan kalor isothermal

Entropi (Kj/kg K)

Gambar 2.10 Siklus Refrigerasi Carnot dan Diagram Siklus Refrigerasi

Tujuan utama sistem refrigasi carnot adalah proses 4-1 penyerapan dari

sumber bertemperatur rendah. Seluruh proses lainnya pada siklus tersebut dibuat

sedemikian rupa sehingga energi bertemperatur rendah dapat dikeluarkan ke

lingkungan yang bertemperatur lebih tinggi.

Kondensor

Evaporator

Kerja bersih

Page 16: Bab II Tinjauan Pustaka 2.1. Alat Pengkondisian Udaradigilib.unimus.ac.id/files/disk1/154/jtptunimus-gdl-sulistiyoc... · sebagai media pada perpindahan panas dari obyek ... Refrigeran

21

2.7.2. Siklus Kompresi Uap Teoritis

Siklus teoritis mengasumsikan bahwa uap refrigeran yang keluar dari

evaporator dan masuk kompresor merupakan uap jenuh pada tekanan dan

temperatur penguapan, refrigeran yang keluar kondensor dan masuk ke katup

ekspansi berupa caiaran jenuh pada tekanan dan temperatur pengembunan. Untuk

skema siklus kompresi uap teoritis dapat dilihat seperti pada Gambar 2.11

(Stoecker, Wilbert F, 1992).

3 2

Katup ekspansi

1

4 Kompresor

Suhu (oK)

Entalpi (Kj/kg)

Suhu (oK)

Entropy (Kj/kg K)

Gambar 2.11 Siklus Kompresi Uap Teoritis

Kondensor

Evaporator

Page 17: Bab II Tinjauan Pustaka 2.1. Alat Pengkondisian Udaradigilib.unimus.ac.id/files/disk1/154/jtptunimus-gdl-sulistiyoc... · sebagai media pada perpindahan panas dari obyek ... Refrigeran

22

Beberapa proses yang bekerja pada siklus refrigerasi :

1. Proses kompresi, berlangsung dari titik 1-2. Pada siklus teoritis diasumsikan

refrigeran tidak mengalami perubahan kondisi selama mengalir di jalur hisap.

Pada proses ini uap refrigeran pada tekanan evaporasi dikompresi sampai

pada tekanan kondensasi. Proses kompresi diasumsikan isentropik sehingga

pada diagram tekanan entalpi, titik 1-2 berada pada satu garis entropi konstan.

Pada titik 2 uap refrigeran berada pada kondisi superheat. Proses kompresi

memerlukan kerja luar, entalpi uap naik yaitu dari h1 ke h2. Besarnya

kenaikan ini sama dengan besarnya kerja mekanis yang dilakukan pada uap

refrigeran.

2. Proses kondensasi, proses 2-2’ dan 2’-3 terjadi di kondensor. Uap panas

refrigeran yang keluar dari kompresor didinginkan sampai pada temperatur

kondensasi dan kemudian di kondensasikan. Titik 2 adalah kondisi refifigeran

yang keluar dari kompresor. Pada titik 2’ refrigeran berada pada kondisi uap

jenuh pada tekanan dan temperatur kondensasi. Jadi proses 2-2’ merupakan

proses pendinginan sensible dari temperatur keluar kompresor menuju

temperatur kondensasi. Proses ini terjadi pada tekanan konstan. Jumlah panas

yang dipindahkan selama proses ini adalah beda entalpi antara titik 2 dan 2’.

Proses 2’-3 adalah proses kondensasi uap didalam kondensor. Proses

kondensasi terjadi pada tekanan konstan. Jumlah panas yang dipindahkan

selama proses ini adalah beda entalpi antara 2’-3. Besarnya panas total yang

dikeluarkan di kondensor adalah jumlah antara panas yang dikeluarkan pada

proses 2- 2’ ditambah panas yang dikeluarkan pada proses 2’- 3. Panas total

ini berasal dari panas yang diserap oleh refrigeran yang menguap di dalam

evaporator dan panas yang masuk karena adanya kerja mekanis pada

kompresor.

3. Proses Ekspansi, berlangsung dari titik 3-4. Pada siklus standar diasumsikan

tidak terjadi perubahan kondisi cairan refrigeran yang mengalir di dalam jalur

cairan sampai ke throttling device. Kondisi refrigeran masuk ke alat

pengontrol dinyatakan oleh titik 3. Pada proses ini terjadi penurunan tekanan

refrigeran dari tekanan kondensasi titik 3 menjadi tekanan evaporasi titik 4.

Pada Waktu cairan di ekspansikan melalui alat ekspansi ke evaporator,

Page 18: Bab II Tinjauan Pustaka 2.1. Alat Pengkondisian Udaradigilib.unimus.ac.id/files/disk1/154/jtptunimus-gdl-sulistiyoc... · sebagai media pada perpindahan panas dari obyek ... Refrigeran

23

temperatur refrigeran juga turun dari temperatur kondensasi ke temperatur

evaporasi. Hal ini disebabkan oleh terjadinya penguapan sebagian cairan

refrigeran selama proses ekspansi. Proses 3-4 merupakan proses ekspansi

adiabatik di mana entalpi fluida tidak berubah disepanjang proses. Refrigeran

pada titik 4 berada pada kondisi campuran cair dan uap.

4. Proses Evaporasi, pada proses 4-1 adalah proses penguapan refrigeran pada

evaporator atau disebut juga efek refrigerasi (RE). Proses ini berlangsung

pada temperatur dan tekanan tetap.

2.7.3. Siklus Kompresi Uap Nyata

Siklus kompresi uap yang sebenarnya terjadi (nyata) berbeda dari siklus

teoritis. Perbedaan ini muncul karena adanya asumsi-asumsi yang ditetapkan di

dalam siklus standar. Pada siklus nyata terjadi pemanasan lanjut uap refrigeran

yang meninggalkan evaporator sebelum masuk ke kompresor. Pemanasan lanjut

ini terjadi akibat tipe peralatan ekspansi yang digunakan atau dapat juga karena

penyerapan panas di jalur masuk antara evaporator dan kompresor. Refrigeran cair

sebenarnya juga mengalami subcooling sebelum masuk alat ekspansi. Perbedaan

siklus kompresi uap yang sebenarnya terjadi (nyata) dengan siklus teoritis dapat

dilihat seperti pada Gambar 2.12 (Stoecker, Wilbert, 1992).

Tekanan (kPa)

bawah dingin

3 penurunan tekanan 2’

3’ 2

siklus standar siklus nyata

4’ 1’

penurunan tekanan 1 panas lanjut

Entalpi kJ/kg

Gambar 2.12 Perbandingan antara siklus standard dan siklus nyata

Page 19: Bab II Tinjauan Pustaka 2.1. Alat Pengkondisian Udaradigilib.unimus.ac.id/files/disk1/154/jtptunimus-gdl-sulistiyoc... · sebagai media pada perpindahan panas dari obyek ... Refrigeran

24

2.8. Efek Kenaikan Tekanan Hisap Kompresor Terhadap Kinerja Alat

Pengkondisian Udara

Semakin besar tekanan hisap kompresor maka semakin besar pula

Coeffisient Of Performance (COP), peningkatan COP disebabkan karena adanya

peningkatan efek refrigerasi dan penurunan dari kerja kompresor yang dihasilkan

akibat perubahan enthalpi pada sisi masuk dan keluaran kompresor, begitu juga

pada kondisi keluaran kondensor terjadi penurunan enthalpi, hal tersebut

disebabkan karena perubahan tekanan.

Semakin besar tekanan hisap kompresor maka efek refrigerasinya semakin

besar pula, akibat dari peningkatan enthalpi pada titik hisap kompresor atau titik

pada keluaran evaporator dan penurunan enthalpi pada titik sebelum masuk

evaporator, yang disebabkan oleh perningkatan tekanan hisap kompresor.

Tekanan hisap kompresor berbanding terbalik dengan daya kompresor

diakibatkan oleh semakin kecil perubahan tekanan sehingga menyebabkan

perubahan enthalpi dan perubahan penurunan laju aliran massa sehingga daya

kompresor juga semakin menurun (Adi Purnawan, Suarnadwipa, I K.G.

Wirawan, 2010).

2.9. Persamaan Matematika Siklus Kompresi Uap

2.9.1. Persamaan Energi Aliran Staedy

Pada sistem refrigerasi, laju aliran massa tidak berubah dari waktu ke

waktu (kalaupun ada hanya perubahan kecil), karena itu laju aliran dapat steady

yang dilukiskan secara simbolis yang dapat dilihat pada Gambar 2.13.

Keseimbangan energinya dapat dinyatakan sebagai berikut: besarnya energi yang

masuk bersama aliran di titik 1 ditambah dengan besarnya energi yang

ditambahkan berupa kalor dikurangi dengan besarnya energi yang ditambahkan

berupa kalor dikurangi dengan besarnya energi yang meninggalkan sistem pada

titik 2 sama dengan besarnya perubahan energi di dalam volume kendali.

Ungkapan matematika untuk keseimbangan energi ini adalah dirumuskan seperti

pada Persamaan 2.1 (Stoecker, Wilbert F, 1992).

Page 20: Bab II Tinjauan Pustaka 2.1. Alat Pengkondisian Udaradigilib.unimus.ac.id/files/disk1/154/jtptunimus-gdl-sulistiyoc... · sebagai media pada perpindahan panas dari obyek ... Refrigeran

25

d

dEWgz

vhmqgz

vhm

2

2

221

2

1

221 ................(2.1)

Gambar 2.13 Keseimbangan energy pada seluruh volume atur yang sedang

mengalami laju alirana steady

Dimana :

m = Laju aliran massa refrigeran [kg/s]

h = Entalpi [J/Kg]

v = Kecepatan [m/s]

z = Ketinggian [m]

g = Percepatan gravitasi = [9,81 m/s2]

Q = Laju aliran energi dalam bentuk kalor [w]

W = Laju aliran energi dalam bentuk kerja [w]

E = Energi dalam sistem [j]

Oleh karena dibatasi pada masalah proses aliran steady. Maka tak ada

perubahan harga E terhadap waktu, karena itu dE/d = 0, dan persamaan energi

aliran steady menjadi seperti pada Persamaan 2.2.

Wgzv

hmqgzv

hm

2

2

221

2

1

221 ..........................(2.2)

Page 21: Bab II Tinjauan Pustaka 2.1. Alat Pengkondisian Udaradigilib.unimus.ac.id/files/disk1/154/jtptunimus-gdl-sulistiyoc... · sebagai media pada perpindahan panas dari obyek ... Refrigeran

26

2.9.2. Proses Kompresi

Proses kompresi dianggap berlangsung secara adiabatik artinya tidak ada

panas yang dipindahkan baik masuk ataupun keluar sistem. Dengan demikian

harga q = 0. Perubahan energi kinetik dan potensial juga diabaikan, sehingga kerja

kompresi dirumuskan seperti pada Persamaan 2.3 dan Persamaan 2.4 (Stoecker,

Wilbert F. 1992).

W =

m (h2-h1) ......................................................................... (2.3)

Wc = refm

(h2-h1) ..........................................................................(2.4)

Di mana:

Wc = Daya kompresor [kj/s]

h1 = Entalpi refrigeran pada titik 1 [kj/kg]

h2 = Entalpi refrigeran pada titik 2 [kj/kg]

refm

= Laju aliran massa refrigeran [kg/s]

2.9.3. Proses Evaporasi dan Kondensasi

Pada proses evaporasi dan kondensasi perubahan energi kinetik dan

energi potensial diabaikan sehingga harga v2/2 dan g.z pada titik 1 dan titik 2

dianggap 0. Dari gambar 2.25 dan persamaan 2.1, laju aliran kalor pada proses

evaporasi (kapasitas pendinginan) dirumuskan seperti pada Persamaan 2.5

(Stoecker, Wilbert F, 1992).

Qe = refm

(h1-h4) ............................................................................(2.5)

Di mana:

Qe = Laju perpindahan kalor evaporasi (kapasitas pendinginan) [kw]

h1 = Entalpi refrigeran pada titik 1 [kj/kg]

h2 = Entalpi refrigeran pada titik 4 [kj/kg]

refm

= Laju aliran massa refrigeran [kg/s]

Page 22: Bab II Tinjauan Pustaka 2.1. Alat Pengkondisian Udaradigilib.unimus.ac.id/files/disk1/154/jtptunimus-gdl-sulistiyoc... · sebagai media pada perpindahan panas dari obyek ... Refrigeran

27

Laju aliran kalor pada proses kondensasi (kapasitas pengembunan)

dirumuskan seperti pada Persamaan 2.6 (Stoecker, Wilbert F, 1992).

Qk = refm

(h2-h3) ............................................................................(2.6)

Di mana:

Qk = Laju perpindahan kalor kondensasi (kapasitas pengembunan) [kw]

h1 = Entalpi refrigeran pada titik 2 [kj/kg]

h2 = Entalpi refrigeran pada titik 3 [kj/kg]

refm

= Laju aliran massa refrigeran [kg/s]

2.9.4. Throttling Process

Proses ini terjadi pada pipa kapiler atau pada katub ekspansi. Pada proses

ini tidak ada kerja yang dilakukan atau ditimbulkan sehingga w = 0. Perubahan

energi kinetik dan potensial dianggap nol. Proses dianggap adiabatik sehingga q =

0. Persamaan energi aliran menjadi seperti pada Persamaan 2.7 (Stoecker, Wilbert

F, 1992).

h3 = h4 [kj/kg] ............................................................................(2.7)

2.9.5. Efek Refrigerasi

Efek refrigerasi adalah besarnya kalor yang diserap oleh refrigeran dalam

evaporator pada proses evaporasi, dirumuskan seperti pada Persamaan 2.8

(Stoecker, Wilbert F, 1992).

RE = h1-h4 ............................................................................(2.8)

Di mana:

RE = Efek refrigasi [kj/kg]

h1 = Entalpi refrigeran pada titik 1 [kj/kg]

h4 = Entalpi refrigeran pada titik 4 [kj/kg]

Page 23: Bab II Tinjauan Pustaka 2.1. Alat Pengkondisian Udaradigilib.unimus.ac.id/files/disk1/154/jtptunimus-gdl-sulistiyoc... · sebagai media pada perpindahan panas dari obyek ... Refrigeran

28

2.9.6. Koefisien Kinerja (COP)

Koefisien kinerja dari sistem refrigerasi adalah perbandingan besarnya

panas dari ruang pendingin (efek refrigerasi) dengan besarnya kerja yang

dilakukan kompresor. Koefisien kinerja (COP) dirumuskan seperti

padaPersamaan 2.9 (Stoecker, Wilbert F, 1992).

12

41

hh

hhCOP

............................................................................(2.9)

Sedangkan untuk kerja aliran massa udara dapat ditentukan dari hukum

kontinuitas seperti pada Persamaan 2.15 dan Persamaan 2.16 (Stoecker, Wilbert

F, 1992).

Q = A.V ………..........................................................................(2.15)

. ( . )m Q AV

..........................................................................(2.16)

Di mana:

Q = Debit aliran udara [m3/det]

A = Luas penampang [m2]

V = Kecepatan udara [m/det]

= Massa jenis udara [kg/m3)

m = Laju aliran massa udara [kg/det]

2.10. Efektivitas Perpindahan Panas

Efektifitas perpindahan panas merupakan perbandingan laju perpindahan

pana yang sebenarnya terhadap laju perpindahan maksimum yang mungkin

terjadi. Panas yang diserap oleh evaporator untuk mendidihkan refrigeran sebesar

jumlah efektifiltas perpindahan panas yang diberikan oleh udara. Sehingga

menaikan suhu refrigeran sebagai penyebab turunnya temperatur udara pada

keluaran evaporator.

Besarnya nilai efektifitas perpindahan panas dapat dihitung dengan

mengunakan Persamaan 2.17 (William C Reynolds, 1996).

Page 24: Bab II Tinjauan Pustaka 2.1. Alat Pengkondisian Udaradigilib.unimus.ac.id/files/disk1/154/jtptunimus-gdl-sulistiyoc... · sebagai media pada perpindahan panas dari obyek ... Refrigeran

29

maks

Laju perpindahan kalor sesungguhnya Q

Laju perpindahan kalor maksimum yang mungkin Q

….(2.17)

Laju perpindahan kalor yang mungkin dapat dihitung dengan

mengunakan Persamaan 2.18.

masukcmasukhcmaks TTCQ

..................................................(2.18)

Sedangkan, laju perpindahan kalor sesungguhnya dapat dihitung dengan

mengunakan Persamaan 2.19.

keluarcmasukhh TTCQ

..............................................................(2.19)

Di mana:

ε = Efektifitas perpindahan panas

Ch = mh.cph, Laju aliran kapasitas panas [kj/s oC]

Cc = mc.cpc, Laju aliran kapasitas dingin [kj/s oC]

Th = Temperatur panas [oC]

Tc = Temperatur dingin [oC]