A. MESIN PENDINGIN

1. Prinsip-Prinsip Dasar Sistem Refrigerasi

Sistem refrigerasi adalah suatu sistem yang menjadikan kondisi temperatur suatu ruang dibawah temperatur suatu ruang dibawah temperatur semula (menjadikan temperatur dibawah temperatur siklus). Pada prinsipnya kondisi temperatur rendah yang dihasilkan oleh suatu sistem refrigerasi diakibatkan oleh penyerapan panas pada reservoir dingin (low temperature source) yang merupakan salah satu bagian sistem refrigerasi tersebut. Panas yang diserap bersama-sama energi (kerja) yang diberikan kerja luar dibuang pada bagian sistem refrigerasi yang disebut reservoir panas (high temperature sink).

2. Siklus Kompresi Uap

Siklus kompresi uap adalah suatu siklus dimana fluida kerja secara berganti-ganti diuapkan dan diembunkan, dengan suatu proses kompresi uap diantara dua proses tersebut.

3. Peralatan–peralatan Mesin Pendingin

3.1 Kompresor

Kompresor merupakan jantung sistem kompresi uap. Tiga jenis kompresor untuk refrigeran adalah jenis bolak-balik, rotari, dan sentrifugal. Kompresor bolak-balik dan sentrifugal sudah banyak dibahas pada bab terdahulu, bagian ini akan membahas kompresor rotari. Kompresor rotari umumnya berukuran daya sangat rendah, walaupun untuk penerapan tekanan rendah seperti kompresor tingkat rendah dalam sistem dua tingkat, kompresor rotari dibuat dalam ukuran sampai ratusan daya kuda

.3. 2 Kondensor

Peralatan ini menerima refrigeran panas–lanjut dari kompresor, membebaskan panas, kemudian mencairkan refrigeran. Kondensor adalah bagian terpenting dari pembuangan panas dalam sistem refrigerasi. Fluida berlebih seperti udara atau air membawa panas, jenis fluida ini menentukan jenis kondensor pendinginan udara atau pendinginan air.

a. Kondensor pendinginan air

Dalam kategori kondensor pendinginan air terdapat kondensor selonsong dan buluh horisontal, selongsong dan buluh vertikal, selongsong dan koil, pipa ganda dan evaporatif. Yang sering digunakan dalam jenis pendinginan air adalah kondensor selongsong dan buluh horisontal.

b. Kondensor pendinginan udara

Selain pembuangan panas ke air, kondensor dapat membuang panas ke udara. Kondensor pendinginan udara biasanya terbuat dari koil bersirip yang diluarnya udara dihembuskan dan refrigeran mengembun dalam buluh (Gambar 5.10). Dalam praktek unit refrigerasi berdaya sangat rendah menggunakan kondensor berpendingin udara karena kesederhanaannya. Sampai beberapa tahun yang lalu penggunaannya dibatasi untuk sistem sampai sekitar dua daya kuda, namun kini kondensor jenis ini dapat dijumpai untuk pemakaian dalam sistem sampai 100 ton.

4. Peralatan Ekspansi

Setelah kompresor dan kondensor peralatan dasar sistem kompresi uap adalah peralatan ekspansi. Dua fungsi peralatan ekspansi adalah menurunkan tekanan cairan refrigeran, dan harus bisa mengatur aliran refrigeran ke evaporator. Jenis yang umum sebagai peralatan ekspansi

adalah pipa kapiler (capillary tube), katup ekspansi termostatik (thermostatic expansion valve), low–side float valve, dan katup ekspansi tekanan konstan (constant pressure expansion valve).

4.1 Pipa Kapiler

Pipa kapiler digunakan hampir pada semua sistem refrigerasi dengan daya sangat kecil, dan sekarang digunakan secara luas untuk sistem lebih besar dari 5 daya kuda. Pipa kapiler adalah suatu pipa panjangnya 2 sampai 20 ft dengan diameter dalam dari 0,025 sampai 0,090 in. Istilah “pipa kapiler” kurang sesuai penamaannya, karena lubangnya terlalu besar untuk memungkinkan kejadian secara kapiler. Cairan refrigeran memasuki pipa kapiler, dan ketika mengalir melalui pipa, refrigeran mengalami penurunan tekanan karena gesekan dan percepatan. Sebagian cairan secara cepat berubah menjadi uap ketika refrigeran mengalir melalui pipa.

4.2 Katup Apung (Float Valve)

Katup apung adalah jenis katup ekspansi yang menjaga cairan pada ketinggian tetap dalam tabung. Hanya jenis katup apung low-side float valve yang akan dibahas disini, menjaga ketinggian cairan refrigeran didalam evaporator tetap. Saklar apung akan membuka penuh ketika ketinggian cairan turun dibawah titik kontrol dan menutup penuh ketika ketinggian mencapai titik kontrol akan memberikan unjuk kerja bersih yang sama sebagai suatu jenis modulasi dari katup kontrol. Low-side float valve, dengan menjaga ketinggian cairan dalam evaporator tetap, selalu menetapkan kondisi seimbang dari aliran antara kompresor dan dirinya sendiri. Bila beban refrigeran naik, temperatur dan tekanan penguapan naik, yang secara sesaat memungkinkan kompresor memompa pada laju aliran massa yang lebih besar kemudian katup mengumpankan. Katup mereaksi untuk menjaga ketinggian tetap dengan pelebaran pembukaan rata-ratanya. Bila beban refrigeran turun,

tekanan hisap turun dan ketinggian naik, yang menyebabkan katup menutup sebagian

.4.3 Katup Ekspansi Termostatik

Jenis peralatan ekspansi yang paling dikenal untuk sistem refrigerasi ukuran menengah adalah katup ekspansi termostatik. Nama “termostatik” dapat menyalah artikan karena kontrol adalah dilakukan bukan oleh temperatur dalam eveporator, tapi oleh jumlah gas hisap panas lanjut yang meninggalkan evaporator. Katup ekspansi termostatik mengatur laju aliran cairan refrigeran dalam kesebandingan dengan laju penguapan dalam evaporator.

5. Evaporator

Suatu evaporator dalam sistem refrigerasi adalah penukar panas yang memindahkan panas dari zat yang didinginkan ke refrigeran menguap. Tujuan sistem refrigerasi adalah membebaskan panas dari udara, air, atau beberapa benda yang lain. Pembebasan itu dilakukan oleh evaporator.

5.1 Koil Konveksi Bebas

Prinsip pemakaian koil konveksi bebas adalah rumah cold-storage dimana sepanjang pipa tanpa sirip atau bersirip dihubungkan bersama dan dipasang dekat bagian atas ruang atau sepanjang dinding. Katup ekspansi mengumpankan cairan refrigeran kedalam buluh-buluh dan cairan menguap dengan panas yang diterima dari udara yang menglir turun diluar koil. Pipa tanpa sirip sangat umum, walaupun pipa dengan tingi, sirip tipis kadang digunakan untuk meninkatkan luas permukaan. Saat ini, blower coils sedang bersaing kuat dengan evaporator konveksi bebas.

5.2 Flooded Evaporator

Suatu jenis evaporator flooded dapat dilihat pada. Dalam evaporator ini, cairan memasuki float-type expansion valve dari kiri dan mengalir turun dan kedalam buluh-buluh serpentin. Ketika cairan mengalir keatas melalui buluh-buluh, panas dari luar mendidihkan cairan sehingga campuran cairan dan uap menggelembung dari buluh-buluh kedalam surge drum. Fungsi surge drum adalah memisahkan cairan dari uap, cairan kembali ke evaporator dan uap ke kompresor. Surge drum juga memisahkan gas yang dihasilkan di katup ekspansi sehingga gas ini tidak menambah penurunan tekanan dalam evaporator. Bila cairan bersinggungan dengan permukaan evaporator dalam operasi normal, eveporator jenis ini menggunakan luas permukaan secara efektif. Namun evaporator jenis ini mempunyai kelemahan dengan adanya minyak yang terjebak, dan minyak yang dibawa kompresor harus dibersihkan dalam saluran keluar kompresor.

5.3 Liquid Chiller.

Evaporator jenis selongsong atau plat digunakan untuk mendinginkan cairan. Dalam evaporator jenis selongsong refrigeran dapat ditempatkan dalam selongsong dan cairan dipompa melalui buluh-buluh, atau refrigeran dapat menguap dalam buluh-buluh dengan cairan mengalir melalui selongsong Dengan refrigeran dalam selongsong, cairan dijaga pada ketinggian beberapa inch dibawah bagian atas selongsong untuk menyediakan luas yang cukup bagi cairan dan uap untuk memisah. Untuk evaporator biasanya katup ekspansi termostatik mengumpankan cairan kedalam buluh-buluh. Cairan mengalir melalui selongsong mengitari sekat-sekat, yang menaikkan turbulensi dan koefisien perpindahan panas menyeluruh. Evaporator ini adalah jenis dry karena ketika memakai katup ekspansi termostatik beberapa buluh memanas lanjutkan uap refrigeran bukannya menguapkan cairan

.

5.4 Direct Expansion Coil

Direct expansion coil adalah jenis evaporator yang terlalu berbeda, kecuali jenis evaporator dry, konveksi paksa atau bebas. Dinamakan coil adalah karena refrigeran mendinginkan udara secara langsung tanpa mendinginkan air terlebih dahulu dalam liquid chiller dimana air dingin mengalir ke koil kemudian mendinginkan udara. Katup ekspansi termostatik mengumpankan dari atas yang biasanya dilakukan dalam sistem Refrigeran 12 dan Refrigeran 22 untuk memperbaiki pengembalian minyak ke kompresor. Udara dihembuskan melalui luar buluh-buluh, yang biasanya bersirip.

B. Mesin Panas ( Heat Engine )

Mesin panas adalah sistem yang bekerja secara siklus, dan melalui permukaan-permukaan batasannya, energi dalam bentuk panas dan kerja yang dapat mengalir. Tujuannya mengubah panas menjadi kerja. Mesin panas mengalami proses – proses secara periodik kembali kekeadaan semula (reversible). Sebagai contoh yaitu PEMBANGKIT TENAGA UAP, fluida kerjanya adalah H2O yang mengalir secara kontiniu dan stasioner melalui ketel (dalam bentuk air dan kemudian menguap), mengalir ke turbin. Keluar dari turbin sebagai uap air pada temperatur dan tekanan rendah. H2O (uap air) masuk ke Condenser, disini H2O (uap air) berubah menjadi air kembali, dan air ini di pompa kembali ke ketel. Proses ini berlangsung secara periodik.

Gambar 1. Instalasi Pembangkit Tenaga

Menurut Hukum Termodinamika I :

Atau

Maka, Effisiensi Termik dari siklus tertutup ini adalah :

Disini dapat dilihat bahwa, sistem menerima panas pada temperatur tinggi, kemudian panas dibuang oleh sistem temperatur rendah, dan kerja dilakukan pada lingkungan. Kita ambil “dua mesin pemanas”, yang tujuan utamanya adalah mengubah panas menjadi kerja dan melakukan kerja pada lingkungan.

Gambar 2. Mesin panas dan pompa panas

Untuk mesin panas :

Untuk pompa panas :