BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Sumber energi baik itu yang habis ataupun dapat diperbarui hingga saat ini

semakin menipis ketersediannya. Air, mineral, batubara, dll, dikonsumsi manusia

secara berlebihan untuk berbagai kebutuhan. Kondisi ini tentunya sangat

mengancam keberlangsungan hidup manusia, dan jika krisis ini terus berlanjut

maka manusia akan semakin sulit bertahan hidup dan mengalami kemunduran

kualitas hidup. Listrik yang merupakan energi primer yang dibutuhkan manusia

saat ini pun semakin langka.

Gejala-gejala krisis seperti pemadaman listrik oleh perusahaan penghasil listrik

di Indonesia khususnya, semakin sering terjadi yang mengakibatkan terganggunya

aktivitas manusia di waktu produktif. Kejadian ini menunjukan bahwa pasokan

listrik di Negara ini belum dapat terpenuhi secara massif, yang disebabkan

kurangnya sumber daya yang memadai. Melihat permasalahan tersebut, maka

sangat dibutuhkan alternatif sumber daya penghasil listrik yang dapat

dimanfaatkan dengan efisien. Perkembangan teknologi di era ini, banyak

menghasilkan gagasan mengenai pemanfaatan sumber energi terbuang, salah satu

contohnya adalah energi terbuang dari suatu mesin refrigerator atau AC.

Panas terbuang dari suatu mesin pendingin dapat terbuang begitu saja ke

lingkungan dengan sia-sia. Sementara energi panas dapat digunakan untuk

menghasilkan listrik, sehingga kekurangan pasokan listrik dapat tertutupi jika

konsep ini dilakukan secara massif oleh banyak orang. Pada praktikum ini, kita

akan mempelajari bagaimana panas terbuang suatu mesin pendingin AC dapat

dikonversi menjadi tenaga listrik dan dapat dimanfaatkan untuk kebutuhan sehari-

hari.

1.2. Identifikasi Masalah

Penjelasan latar belakang diatas, maka dapat diidentifikasi masalah yaitu

bagaimana prinsip kerja mesin AC, dan bagaimanakah cara mengubah energi

panas terbuang mesin AC menjadi energi listrik?

1.3. Tujuan Percobaan

1. Memahami prinsip kerja AC

2. Memahami cara kerja mesin AC

3. Memahami konversi energi

4. Menentukan temperature air di dalam tangki pemanas

1.4. Metoda Percobaan

Metoda percobaan yang dilakukan pada percobaan ini adalah metoda

eksperimen, yaitu mengambil data dari mesin AC pengubah energy panas menjadi

energy listrik, dan menganalisa parameter-parameter yang ada. Kemudian

digunakan pula metoda riset kepustakaan, yaitu mengumpulkan dasar teori untuk

mendukung analisa.

1.5. Sistematika Penulisan

Bab I : Berisi latar belakang, identifikasi masalah, tujuan percobaan, metoda

(kerangka percobaan), sistimatika penulisan, waktu dan tempat percobaan.

Bab II : Menjelaskan tentang dasar teori yaitu meliputi prinsip kerja AC dan

konversi energy.

Bab III : Berisi alat-alat yang digunakan pada percobaan dan prosedur

percobaan.

Bab IV : Berisi pembahasan tugas pendahuluan yang diberikan pada modul.

1.6. Waktu dan Tempat Percobaan

Waktu percobaan : Selasa, 7 April 2015

Tempat Percobaan : Laboratorium Fisika Energi FMIPA Unpad

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Mesin Air Conditioning (AC)

Air Conditioning (AC) atau alat pengkondisi udara merupakan modifikasi

pengembangan dari teknologi mesin pendingin. Alat ini dipakai bertujuan untuk

memberikan udara yang sejuk dan menyediakan uap air yang dibutuhkan bagi

tubuh. AC juga dimanfaatkan sebagai salah satu cara dalam upaya peningkatan

produktivitas kerja dan kenyamanan manusia dalam beraktivitas dalam ruangan.

Tingkat kenyamanan suatu ruang juga ditentukan oleh temperatur, kelembapan,

sirkulasi dan tingkat kebersihan udara.

Untuk dapat menghasilkan udara dengan kondisi yang diinginkan, maka

peralatan yang dipasang harus mempunyai kapasitas yang sesuai dengan beban

pendinginan yang dimiliki ruangan tersebut.Untuk itu diperlukan survey dan

menentukan besarnya beban pendinginan. Secara garis besar beban pendinginan

terbagi atas dua kelompok,yaitu beban pendinginan sensibel dan beban

pendinginan laten. Beban pendinginan sensibel adalah beban panas yang

dipengaruhi oleh perbedaan suhu, seperti beban panas yang lewat kontruksi

bangunan, peralatan elektronik, lampu, dll. Sedangkan beban pendinginan laten

adalah beban yang dipengaruhi oleh adanya perbedaan kelembaban udara.

Gambar 2.1. Rangkaian mesin AC

2.2. Prinsip Kerja Mesin Pendingin AC

2.2.1. Siklus Aliran Refrigran

Mesin pendingin udara ruangan (Air Conditioner/AC) adalah alat yang

menghasilkan dingin dengan cara menyerap udara panas sekitar ruangan. Proses

udara menjadi dingin adalah akibat dari adanya pemindahan panas. Sedangkan

bahan yang digunakan sebagai bahan pendingin dalam mesin pendingin disebut

refrigeran. Di dalam Air Conditioner dibagi menjadi 2 ruang. Ruang dalam dan

ruangluar. Dibagian ruang dalam udaranya dingin karena adanya proses

pendinginan. Dibagian ruang luar digunakan untuk melepaskan panas ke udara

sekitar.

Secara umum gambaran mengenai prinsip kerja AC adalah:

· Penyerapan panas oleh evaporator

· Pemompaan panas oleh kompresor

· Pelepasan panas oleh kondensor

Prinsip kerjan AC tidak berbeda jauh dengan prinsip pada kulkas, hanya saja

pada AC pemindahan panas diperlukan energi tambahan yang ekstra besar karena

yang udara didinginkan skalanya lebih besar dan banyak. Didalam mesin Air

Conditioner (AC) bentuk refrigeran berubah-ubah bentuk dari bentuk gas ke

bentuk cairan. Pada kompresor refrigeran masih berupa uap, tekanan dan

panasnya dinaikkan dengan cara dimampatkan oleh piston dalam silinder

kompresor. Kemudian uap panas tersebut didinginkan pada saluran pipa

kondensor agar menjadi cairan. Pada saluran pipa kondenser diberi kipas untuk

mempercepat proses pendinginan. Proses pelapasan panas ini disebut teknik

pengembunan. Selanjutnya cairan refrigeran dimasukkan ke dalam evaporator dan

dikurangi tekanannya sehingga menguap dan menyerap panas udara sekitar. Di

dalam AC bagian dalam ruangan, udara dingin disebarkan menggunakan kipas

blower. Dalam bentuk uap (gas) refrigeran dihisap lagi oloeh kompresor.

Demikian proses tersebut berulang terus sampai gas habis terpakai dan harus diisi

kembali.

(a) (b)

Gambar 2.2. (a) Diagram alur AC (b) Diagram aliran refrigerant

2.2.2. Siklus Aliran Udara

Dibagian ruang dalam yang udara di sekitarnya panas akan digantikan oleh

udara yang telah didinginkan melalui kipas blower. Udara panas akan terserap

masuk ke dalam kipas blower dan didinginkan didalam ruang kipas blower.

Gambar 2.3. Siklus aliran udara AC

Di bagian luar ruangan terdapat kondesor yang melepas panas refrigerant setelah

proses pemampatan kompresor. Untuk mempercepat proses pelepasan panas maka

ditambahkan kipas.

2.3. Komponen Utama Mesin Pendingin AC

2.3.1. Refrigerant

Untuk terjadinya suatu proses pendinginan diperlukan suatu bahan yang mudah

dirubah bentuknya dari gas mendadi cair atau sebaliknya (refrigeran) untuk

mengambil panas dari evaporator dan membuangnya dikondensor. Karakteristik

thermodinamika antara lain meliputi temperature penguapan, tekanan penguapan,

temperatur pengembunan, dan tekanan pengembunan.

2.3.2. Kompresor

Kompresor atau pompa isap mempunyai fungsi yang vital. Dengan adanya

kompresor, refrigerant bisa mengalir ke seluruh sistem pendingin. Sistem kerjanya

adalah dengan mengubah tekanan, sehingga terjadi perbedaan tekanan yang

memungkinkan refrigeran mengalir (berpindah) dari sisi bertekanan rendah ke sisi

bertekanan tinggi. Ketika bekerja, refrigerant yang dihisap dari evaporator

dengan suhu dan tekanan rendah dimampatkan sehingga suhu dan tekanannya

naik. Gas yang dimampatkan ini ditekan keluar dari kompresor lalu dialirkan ke

kondensor, tinggi rendahnya suhu dikontrol dengan thermostat.

2.3.3. Evaporator (Penguap)

Evaporator adalah komponen pada sistem pendingin yang berfungsi sebagai

penukar kalor, serta bertugas menguapkan refrigeran dalam sistem, sebelum

dihisap oleh kompresor. Panas udara sekeliling diserap evaporator yang

menyebabkan suhu udara disekeliling evaporator turun. Suhu udara yang rendah

ini dipindahkan ketempat lain dengan jalan dihembus oleh kipas, yang

menyebabkan terjadinya aliran udara. Ada beberapa macam evaporator sesuai

tujuan penggunaannya dan bentuknya dapat berbeda-beda.

Hal tersebut disebabkan karena media yang hendak didinginkan dapat berupa

gas, cairan atau padat. Maka evaporator dapat dibagi menjadi beberapa golongan,

sesuai dengan refrigeran yang ada di dalamnya, yaitu : jenis ekspansi kering, jenis

setengah basah, jenis basah, dan sistem pompa cairan.

2.3.4. Kondensor

Kondensor berfungsi untuk membuang kalor yang diserap dari evaporator dan

panas yang diperoleh dari kompresor, serta mengubah wujud gas menjadi cair.

Banyak jenis kondensor yang dipakai, untuk kulkas rumah tangga digunakan

kondensor dengan pendingin air. Jenis lain kondensor berpendingin air memiliki

pipa-pipa yang dapat dibersihkan.

2.3.5. Katup Ekspansi

Katup ekspansi ini dipergunakan untuk menurunkan tekanan dan untuk

mengekspansikan secara adiabatik cairan yang bertekanan dan bertemperatur

tinggi sampai mencapai tingkat tekanan dan temperatur rendah, atau

mengekspansikan refrigeran cair dari tekanan kondensasi ke tekanan evaporasi,

refrigerant cair diinjeksikan keluar melalui oriffice, refrigerant segera berubah

menjadi kabut yang tekanan dan temperaturnya rendah. Selain itu, katup ekspansi

juga sebagai alat kontrol refrigerasi yang berfungsi :

1. Mengatur jumlah refrigeran yang mengalir dari pipa cair menuju evaporator

sesuai dengan laju penguapan pada evaporator.

2. Mempertahankan perbedaan tekanan antara kondensor dan evaporator agar

penguapan pada evaporator berlangsung pada tekanan kerjanya.

2.3.6. Kipas

Fungsi kipas pada AC digunakan untuk mengalirkan udara dalam sistem. Kipas

yang sering digunakan dalam sistem AC yaitu kipas sentrifugal (blower) dan

kipas propelar. Kipas sentrifugal atau blower diletakkan di dalam ruangan. Fungsi

blower adalah meniup udara dingin di dalam ruangan. Sedangkan kipas propelar

diletakkan di luar ruangan tugasnya membuang udara panas pada sisi belakang

atau aplikasi kondensor.

2.3.7. Motor Listrik

Pada AC, motor listrik dipakai sebagai penggerak kompresor, pompa dan

kipas. Pengubahan energi listrik menjadi energi mekanik dilakukan dengan

memanfaatkan sifat-sifat gaya magnetik.

2.3.8. Thermostat

Thermostat adalah sebuah alat untuk mendeteksi temperatur ruangan operasi agar

tetap pada kondisi temperatur yang diinginkan. Alat pendeteksi yang digunakan

biasanya berupa bimetal yang sensitif terhadap perubahan temperatur ruangan.

Dan alat ini tidak menggunakan arus listrik.

2.4. Termodinamika Sistem Refrigerasi

Pada sistem pendingin, terjadi siklus refrigerasi uap carnot yang merupakan

kebalikan dari siklus daya uap carnot.

Gambar 2.4. Siklus refrigerasi uap carnot

Pada siklus, refrigeran bersirkulasi melalui urutan beberapa komponen. Semua

proses secara internal reversibel. Perpindahan kalor antara refrigeran dan setiap

bagian terjadi tanpa perubahan temperatur, dan tidak ada terjadi ireversibilitas

eksternal. Refrigeran masuk ke evaporator dalam bentuk 2 fase yaitu campuran

cairan dan uap pada titik 4.

Pada evaporator sebagian refrigeran berubah fase dari cair ke uap karena

perpindahan kalor dari daerah yang bertemperatur TC ke refrigeran. Temperatur

dan tekanan refrigeran tetap konstan selama proses dari titik 4 ke titik 1.

Refrigeran kemudian di kompresi secara adiabatik dart titik 1, dimana refrigeran

berada pada kondisi 2 fase campuran cair-uap, ke titik 2 dimana fase menjadi uap

jenuh. Selama proses ini temperatur refrigeran naik dari TC ke TH, dan tekanan

juga naik.

Kemudian refrigeran masuk ke kondenser dimana fase refrigeran akan berubah

menjadi cairan jenuh karena terjadi perpindahan kalor kepada daerah yang

bertemperatur TH. Temperatur dan tekanan tetap konstan selama proses 2 ke 3.

Refrigeran kembali kekondisi pada saat masuk evaporator melalui proses ekspansi

adiabatik pada turbin yaitu titik 3 ke titik 4. Pada proses ini temperatur turun dari

TH ke TC dan juga terjadi penurunan tekanan.

Karena siklus refrigerasi uap Carnot terdiri dari proses reversibel, luas daerah

pada diagaram T-s adalah besar perpindahan kalor. Luas daerah 1-a-b-4-1 adalah

kalor yang ditambahkan ke refrigeran dari daerah dingin dan luas daerah 2-a-b-3-2

adalah kalor yang dilepaskan ke daerah panas. Daerah tertutup 1-2-3-4-1 adalah

perpindahan kalor bersih yang dipindahkan dari refrigeran.

Koefisien performansi (COP) atau β dari siklus refrigerasi adalah:

β=˙Q /¿ m

Wc /m−Wt /m¿

¿Tc(Sa−Sb)

(T H−Tc )−(Sa−Sb)

(1)

2.4.1. Refrigerasi Kompresi Uap

Pada sisi evaporator, laju keseimbangan energi dan massa adalah :

(2)

Laju keseimbangan energi dan massa pada kompresor :

(3)

Pada sisi kondenser :

(4)

Akhirnya refrigeran memasuki katup throtle atau katup ekspansi. Proses ini

disebut proses throttling dimana:

(5)

Tekanan refrigeran menurun karena ekspansi adiabatik ireversibel dan

terjadi kenaikan entropi. Refrigeran keluar dari katup pada titik 4 sebagai

campuran 2 fase cair-uap.

Koefisien performansi sistem seperti gambar 3 adalah :

(6)

2.4.2. Kerja Sistem Kompresi Uap

Pada siklus kompresi uap ideal maka siklusnya adalah 1-2s-3-4-1 pada diagram T-

s pada gambar 2.5.

Gambar 2.5. Gambar diagram T-S siklus kompresi uap

Siklus terdiri dari proses-proses berikut:

Proses 1-2s : kompresi isentropik refrigeran dari titik 1 ke tekanan kondenser pada

titik 2s

Proses 2s-3 : perpindahan kalor dari refrigeran ketika mengalir pada tekanan

konstan melewati kondenser.

Proses 3-4 : proses throttling dari titik 3 ke campuran 2 fase cair-uap.

Proses 4-1 : perpindahan kalor ke refrigeran ketika mengalir pada tekanan konstan

melalui evaporator.

Semua proses diatas secara internal adalah reversibel kecuali pada proses

throttling. Walaupun ada proses ireversibel ini, siklus dianggap ideal. Siklus 1-2-

3-4-1 merupakan siklus aktual dimana terjadi proses ireversibel pada proses

kompresi dari 1 ke 2 dan membutuhkan kerja input yang lebih besar. Efisiensi

kompresor isentropik dirumuskan :

(7)

Hal-hal lain yang merupakan penyimpangan dari kondisi ideal adalah jatuh

tekanan ketika refrigeran mengalir melalui evaporator, kondenser dan sambungan-

sambungan pipa dari berbagai komponen.

BAB III

METODA PERCOBAAN

3.1. Alat dan Bahan Percobaan

1. Seperangkat peralatan mesin air conditioner (AC)

Mesin AC yang digunakan adalah tipe split dengan kapasitas 1 hp,

adapun data spesifikasi dari mesin ini adalah sebagai berikut :

Model DG-09Gz

Kapasitas 1 hp (9000 btu/h) = 2636,98 W

Daya listrik 980 Watt

Jenis Refrigerant R-22

Tekanan kondensor = 2,7 Ma

Tekanan evaporator = 0,65 Mpa

Arus listrik = 4,5 – 5,5 Ampere

Tegangan listrik = 220 – 240 V

2. Alat ukur temperatur ruang

3. Alat ukut kelembaban

4. Alat ukur tegangan dan alat ukur arus

5. Alat ukur waktu

6. Alat ukur penukar panas. Alat ukur penukar panas yang digunakan dari

bahan tembaga dan mempunyai konfigurasi koil tipe heliks dengan

diameter pipa ¼ inchi dan panjang 12 m

7. Tangki air

3.2. Prosedur Percobaan

1. Menyusun alat seperti gambar 4

2. Mengukur debit aliran di beberapa titik pengukuran

3. Mengamati kenaikan temperature air dalam tangki terhadap waktu

4. Mengukur COP (Coefisien of performance)sebelum dihubungkan

dengan pemanas. (COP mesin AC menunjukkan perbandingan antara

besarnya kapasitas pendingin dengan daya kompesor)

5. Mengukur COP setelah dihubungkan dengan pemanas

Gambar 4. Blok diagram mesin AC beserta alat pemanasnya

t (menit) T1 (˚C) T2 (˚C) T3 (˚C) T4 (˚C) T5 (˚C) T6 (˚C) P1 (psi) P2 (psi) P3 (psi) V (V) I (A)0 37 51 22 28 38 26 46 155 205 220 2.23 34 60 26 29 49 30 50 185 210 220 2.26 35 63 26 29 39 65 52 190 215 220 2.29 36 65 26 30 39 36 54 195 220 220 2.2

12 36 67 26 30 39 35 54 196 222 220 2.215 37 69 26 30 47 37 55 200 225 220 2.218 37 70 26 30 49 38 55.5 200 225 220 2.221 37 71 26 30 48 39 56 200 225 220 2.224 38 72 26 30 42 42 56 200 225 220 2.227 38 72 26 30 53 41 56 200 227 220 2.230 38 72 26 30 38 55 56.5 200 227 220 2.2

BAB IV

DATA DAN PEMBAHASAN

4.1. Data Percobaan

4.1.1. Pengoperasian AC Sebagai Pendingin Ruangan

t (menit) T1 (˚C) T2 (˚C) T3 (˚C) T4 (˚C) P1 (psi) P2 (psi) P3 (psi) V (V) I (A)0 34 39 24 28 49 185 202 220 2.23 42 50 24 28 53 195 205 220 2.26 47 56 24 28 54 198 213 220 2.29 51 61 25 29 55 200 215 220 2.212 53 64 25 29 56 202 217 220 2.215 54 66 25 29 57 205 220 220 2.218 55 68 26 29 57 205 220 220 2.221 56 69 26 30 57 206 220 220 2.224 56 69 26 30 57 206 220 220 2.227 57 70 26 30 57.5 207 222 220 2.230 57 70 26 30 58 207 222 220 2.2

4.1.2. Pengoperasian AC Sebagai Pendingin Ruangan dan Pemanas Air

t (menit) h1 h2 h4 β0 256.743 257.746 81.1607 174.9993 258.348 259.953 81.1607 110.3746 259.351 261.157 81.1607 98.66599 260.154 261.466 82.4478 135.493

12 260.555 261.98 82.4478 125.01715 260.756 262 82.4478 143.33518 260.957 262.01 82.4478 169.4721 261.157 262.01 83.735 208.07924 261.157 262.01 83.735 208.07927 261.358 262.02 83.735 268.31330 261.358 262.02 83.735 268.313

t (menit) h1 h2 h4 β0 257.345 260.154 81.1607 62.71383 256.743 261.96 82.4478 33.40696 256.943 261.978 82.4478 34.66229 257.144 261.99 83.735 35.7839

12 257.144 262 83.735 35.710315 257.345 262.01 83.735 37.212718 257.345 262.02 83.735 37.133121 257.345 262.03 83.735 37.053924 257.545 262.03 83.735 38.756627 257.545 262.03 83.735 38.756630 257.545 262.03 83.735 38.7566

4.2. Pengolahan Data

4.2.1. Perhitungan COP dan Grafik COP terhadap Waktu

COP dihitung dengan persamaan sebagai berikut :

β=h1−h4

h2−h1

4.2.1.1. COP Pendingin Ruangan

4.2.1.2. COP Pendingin Ruangan dan Pemanas Air

4.2.1.3. Grafik COP Terhadap Waktu

4.2.2. Grafik Suhu terhadap Waktu

4.2.2.1. Pendingin Ruangan

0 5 10 15 20 25 30 350

10

20

30

40

50

60

70

80

Grafik Suhu terhadap waktu

T1T2T3T4

t (menit)

T (˚

C)

4.2.2.2. Pendingin Ruangan dan Pemanas Air

4.3. Analisa

DAFTAR PUSTAKA

1. Hardianto, Y. 2014. Sistem Refrigasi. http://eprints.undip.ac.id/41112/3/BAB

_II.pdf

2. Yunus, Asyari D. 2010. Termodinamika Teknik II. http://ft.unsada.ac.id/ wp-

content/uploads/2010/02/bab3-tm2.pdf

3. Anonim. 2003. Teknik Dasar AC. http://psbtik.smkn1cms.net/elektro/ jaringan

_akses_pelanggan/teknik_dasar_ac.pdf

0 5 10 15 20 25 30 350

10

20

30

40

50

60

70

80

Grafik Suhu terhadap Waktu

T1T2T3T4T5T6

t (menit)

T (˚

C)