PRINSIP DASAR REFRIGERASI

BAB 2

LANDASAN TEORI

2.1Prinsip Dasar Refrigeration

Refrigeration adalah metode perpindahan panas (method of removing heat). Ilmu pengetahuan refrigeration berdasarkan bahwa suatu zat cair dapat diuapkan pada temperatur berapa saja yang diinginkan dengan merubah tekanan diatasnya.

Air dapat mendidih pada temperatur berapa saja bila tekanan diatasnya yang berhubungan dengan temperatur didih yang diinginkan bisa dipertahankan. Zat cair yang mendidih pada temperatur rendah adalah medium yang baik untuk memindahkan panas.

Dalam sistem refrigerasi, refrigerant harus dialirkan ke evaporator atau koil pendingin dalam bentuk cair, karena ia hanya bisa menyerap panas hanya dengan penguapan. Refrigerant akan meninggalkan evaporator dalam bentuk uap, dan ia harus dicairkan kembali agar bisa digunakan kembali.

Untuk mengembunkan uap refrigerant, panas laten yang harus dilepaskan oleh refrigerant selama pengembunan harus dipandahkan ke medium yang lain. Medium yang biasa digunakan adalah air atau udara. Temperatur air atau udara udara yang digunakan harus lebih rendah daripada temperatur pengembunan dari refrigerant.

Uap refrigerant yang meninggalkan evaporator harus dinaikkan tekanannya sampai mencapai suatu tekanan, dimana temperatur pengembunan lebih tinggi dari pada temperatur air atau udara yang tersedia. Setalah tekanan uap refrigerant dinaikkan cukup tinggi, ia akan mencair didalam kondensor dengan menggunakan air atau udara yang temperaturnya relatif agak tinggi. Satu-satunya alasan digunakannya kompresor dan kondensor dalam sistem refrigeration adalah agar refrigerant dapat dipakai berulang-ulang.

Sistem refrigerasi ditunjukkan pada Gambar 2-1. dimana diagram Mollier (pressure-enthalpy diagram) ditunjukkan pada Gambar 2-2. Setelah meninggalkan tabung penampung, refrigerant cair mengalir melalui katup ekspansi, yang tidak lain adalah katup jarum. Kompresor mempertahankan perbedaan tekanan refrigerant antara evaporator dan kondensor. Tanpa katup ekspansi, perbedaan tekanan ini tidak bisa dipertahankan. Katup ekspansi memisahkan daerah tekanan rendah dan tekanan tinggi dalam sistem. Katup ekspansi bekerja sebagai alat untuk menurunkan tekanan (pressure reducing valve) karena tekanan cairan refrigerant turun ketika melewati katup ini.

Cairan yang mengalir melalui evaporator semuanya menguap karena menyerap panas yang mengalir melalui dinding evaporator. Panas ini berasal dari udara atau medium lain yang didinginkan. Setelah meninggalkan evaporator, uap refrigerant mengalir ke kompresor dimana tekanannya dinaikkan sampai suatu titik dimana ia dapat diembunkan dengan air atau udara yang temperaturnya relatif agak tinggi.

Setelah ditekan oleh kompresor, uap refrigerant mengalir ke kondensor. Disini dinding dari kondensor didinginkan oleh air atau udara, akibatnya uap menjadi cair. Panas laten dipindahkan dari uap refrigerant yang sedang mengembun ke air atau udara melalui dinding kondensor. Dari kondensor, refrigerant cair mengalir kembali ke receiver dan siklus refrigeration diulang kembali.

Gambar 2-1 Sistem Refrigerasi

Keterangan :

1-2 : Kompresi Isobaris2-3: Kondensasi Isentropis3-4: Ekspansi Isobaris4-1: Evaporasi Isoentalpi

Gambar 2-2 Diagram Mollier

2.2Komponen-Komponen Mesin Pendingin

Pada umumnya mesin pendingin mempunyai empat komponen utama, yaitu:

1. Kompresor

2. Kondensor

3. Evaporator

4. Katup ekspansi

2.2.1Kompresor

Fungsi dari kompresor adalah untuk memindahkan uap refrigerant dari evaporator ke kondensor. Ketika torak (piston) bergerak kebawah, ia akan mengisap uap refrigerant dari evaporator kedalam silinder. Ketika torak bergerak keatas, ia akan menekan uap sampai batas atas dari langkahnya, volume dari uap diperkecil atau dengan kata lain uap dimampatkan. Jelas bahwa kompresor harus memindahkan uap refrigerant dari evaporator secepatnya ia menguap.

Bila refrigerant menguap lebih cepat dari pada kemampuan dari kompresor untuk memindahkannya, uap yang terkumpul secara berlebihan akan menambah tekanan didalam evaporator. Bila ini terjadi, titik didih dari cairan akan naik. Akibatnya, kemungkinan tidak bisa diperoleh temperatur yang rendah dari udara atau air yang mengalir melalui evaporator.

Gambar 2-3 Typical 8-Cylinder Compresor

Gambar 2-4 Hermatic Compresor2.2.2Kondensor

Pada suatu mesin pendingin ruangan, panas dari ruangan diserap oleh cairan refrigerant yang sedang menguap didalam evaporator. Panas yang diserap di evaporator ditambah dengan panas yang merupakan kerja dari kompresor harus dipindahkan atau dibuang. Untuk memindahkan atau membuang panas tersebut diperlukan suatu alat pembuang panas yang disebut kondensor.

Pada dasarnya ada dua jenis alat pembuang panas, yaitu:

1. Kondensor dengan pendinginan udara (Air cooled condenser)

2. Kondensor dengan pendinginan air (water cooled condenser)

Gambar 2-5 Double Tube Condensor

Gambar 2-6 Shell-and-Tube Condensor2.2.3Evaporator

Evaporator adalah alat untuk mendidihkan/menguapkan refrigerant didalam pipa-pipa dan kemudian mendinginkan fluida yang lewat di luar pipa tersebut. Evaporator yang mendidihkan refrigerant di dalam pipa biasa disebut evaporator ekspansi langsung (direct ekspansi evaporators). Evaporator ekspansi langsung yang digunakan untuk pengkondisian udara biasanya disuplai oleh katup ekspansi yang mengatur aliran cairan sedemikian sehingga uap refrigerant meninggalkan evaporator dalam keadaan panas lanjut.

Gambar 2-7 Direct Expansion Shell and Tube Evaporator2.2.4Katup ekspansi

Katup ekspansi mempunyai dua kegunaan, yaitu: menurunkan tekanan refrigerant cair dan mengatur aliran refrigerant ke evaporator. Jenis-jenis katup ekspansi, yaitu: pipa kapiler, katup ekspansi berpengendali-lanjut-panas (superheat-controlled exspansi valve), katup apung (floating valve), dan katup ekspansi tekanan konstan (constant-pressure expansion valve).

Gambar 2-8. Large Selenoid valve Gambar 2-9. Small Selenoid Valve

Gambar 2-10. Typical Valves used in Refrigerations System2.3Macam-Macam Sistem Pengkondisian Udara

Untuk memilih suatu sistem, perencana harus memperhatikan kelebihan dan kekurangan sistem itu sendiri yang mana disesuaikan dengan kebutuhan. Kriteria-kriteria yang harus diperhatikan dalam suatu sistem adalah: performance, capacity, first cost, operating cost, dll.

Pemilihan sistem biasanya secara sendirinya terbatas oleh kebutuhan itu sendiri. Hal-hal yang membatasi pilihan antara lain: cooling load, zoning requirements, heating dan ventilation serta arsitektur bangunan.

1. All-air system. Prinsipnya adalah mendinginkan ruangan dengan hanya menggunakan udara dingin/conditioned yang disalurkan kedalam ruangan. All air system dapat dibagi atas dua jenis yaitu single duct (cooling dan heating melalui satu duct) dan dual duct (cooling dan heating dengan duct terpisah). Untuk single duct dapat dibagi menurut kemampuan pengaturan pendinginan atas : constant volume (CV) dan variable air volume (VAV), CV berfungsi untuk mengatur pendinginan yaitu temperatur udara dingin yang diubah sedangkan pada VAV flow, udara dingin yang diubah. Kelebihan sistem ini antara lain : lokasi mesin dan perangkat utama lainnya terpisah dari ruangan yang dikondisikan sehingga memudahkan pemeliharaan, terdapat banyak sekali pilihan dalam merangkai sistem ini, dapat memanfaatkan free cooling menggunakan udara luar, pilihan zooning, fleksibilitas dan kontrol kelembaban yang luas. Kekurangan sistem ini adalah: memerlukan ruang ducting yang cukup, pada bangunan bertingkat diperlukan tambahan shaft untuk ducting, perlu bekerja sama dengan arsitektur untuk mendapatkan tempat untuk mesin.

Gambar 2-11 Skema CV All-Air System

Gambar 2-12 Skema VAV All-Air System2. Air-and-water systems. Sistem ini memperoleh pendinginan dari menyalurkan udara dingin dan air ke suatu terminal dalam ruangan, udara sebagai pendingin utama (primary air) dan air sebagai pendingin sekunder (secondary water). Terminal dalam ruangan dapat berupa: air and water induction units, fan-coil units, radiant panels. Sistem ini digunakan untuk bagian eksterior gedung yang tidak terlalu memerlukan kontrol kelembaban.

Gambar 2-13 Air and Water Induction Unit3. All-water system. System ini menggunakan air sebagai media pendingin maupun pemanas, udara ruang dapat dipanaskan atau didinginkan dengan cara konduksi, konveksi, maupun radiasi. Beberapa cara sistem ini adalah: baseboard radiation, wall, floor, ceiling panels, bare pipe, fan-coil units. Sistem ini banyak terdapat pada hotel, apartemen, gedung perkantoran.

Gambar 2-14. Fan Coil Unit4. Unitary refrigerant-based systems for air conditioning. Sistem ini memiliki semua komponen yang diperlukan sebuah air conditioner yang terintegrasi dalam satu unit lengkap (unitary). Sistem ini diproduksi massal dengan masing-masing komponen dipilih, dirakit, dites oleh pihak pabrikan. Sistem ini secara umum dapat diaplikasikan untuk semua kebutuhan. Kelebihan sistem ini adalah: kontrol individu setiap ruangan mudah, murah, terserah pemakai, produksi pabrik dengan pilihan komponen yang kemampuan dan kualitasnya lebih terjamin, tidak memerlukan ruangan khusus yang besar, siap langsung digunakan, biaya awal yang murah. Kekurangannya adalah: tidak ada pilihan kemampuan karena telah tergantung pabrikan pembuat, efisiensi lebih rendah, pemakaian energi lebih besar dibandingkan unit sentral, ventilasi tetap tergantung mesin, pemeliharaan unit lebih banyak

Gambar 2-15. Unitary Air Conditioner2.4Cara Menentukan Beban Pendinginan (Cooling Load)

Dalam air conditioning dikenal beberapa istilah jumlah aliran panas yaitu:

1. Space heat gain. Jumlah aliran panas pada waktu tertentu adalah jumlah panas yang mengalir masuk dan atau dihasilkan dalam suatu ruangan pada waktu tertentu tersebut. Heat gain dapat dibedakan berdasarkan cara aliran panasnya (radiasi matahari melalui permukaan transparan; penerangan dan peralatan didalam ruangan; konduksi panas melalui dinding dan atap; konduksi panas melalui partisi, plafon dan lantai; panas yang dihasilkan penghuni; pertukaran panas akibat ventilasi dan infiltrasi udara luar; dan lain-lain) dan jenis panasnya (sensible; latent).

2. Space cooling load. Jumlah panas yang harus dikeluarkan dari ruangan untuk menjaga temperatur dalam ruangan konstan. Total space heat gain pada waktu tertentu tidak langsung menjadi total space cooling load pada waktu tersebut. Hal ini dikarenakan panas dari radiasi tidak langsung menjadi cooling load melainkan diserap oleh permukaan-permukaan dan objek-objek dalam ruangan dahulu. Setelah mereka menjadi lebih panas dari udara ruangan, panas baru dilepaskan ke udara ruangan dengan cara konveksi.

3. Space heat extraction rate. Jumlah panas yang dikeluarkan dari ruangan akan sama dengan space cooling load apabila temperatur ruangan dijaga konstan. Biasanya dalam sistem air conditioning perubahan kecil temperatur ruangan masih diizinkan (temperature swing) sehingga space heat extraction rate tidak sama dengan space cooling load.

4. cooling coil load. Jumlah panas yang harus dikeluarkan oleh cooling coil yang melayani beberapa ruangan. Akan sama dengan jumlah space cooling load (jumlah heat extraction rate bila temperatur dijaga konstan) ruangan-ruangan yang dilayani coil ditambah dengan beban-beban external.

Teknik perhitungan space cooling load yang diperkenalkan oleh ASHRAE sampai saat ini ada tiga yaitu :

1. Total equipment temperature differential/time averaging method (TETD/TA). Konsepnya menggunakan teknik respon faktor untuk berbagai tipe dinding dan atap untuk menghitung nilai TETD sebagai fungsi dari sol-air temperature dan temperatur ruangan yang ingin dipertahankan. Berbagai komponen space heat gain dihitung dengan TETD yang bersangkutan dan hasilnya ditambahkan dengan elemen internal heat gain, menghasilkan instantaneous total rate of space heat gain. Ini diubah menjadi instantaneous cooling load dengan teknik time-averaging (TA), terhadap komponen radiasi heat gain untuk waktu tertentu berdasarkan nilai waktu sebelumnya.

2. Transfer function methode (TFM). Konsepnya adalah menggunakan koefisien conduction transfer function (CTF), sol air temperature dan temperatur ruangan yang diinginkan dipertahankan untuk menghitung space heat gain permukaan eksterior non-transparan. Solar heat gain dan internal load dihitung untuk langsung pada waktu pembebanan. Kemudian digunakan koefisien room transfer function (RTF) untuk mengkonefersikan heat gain yang mengandung komponen radiasi menjadi cooling load, dengan menghitung storage effect dan nilai cooling load pada waktu sebelumnya.

3. CLTD/SCL/CLF Method. Metode ini menggunakan data penghitungan dengan TFM untuk mendapatkan data cooling load temperature diffrential (CLTD). Juga dikembangkan reset untuk memperoleh data-data cooling load factor (CLF) dan solar cooling load (SCL). Dengan metode ini perhitungan cooling load dapat dilakukan dalam satu langkah perhitungan.

2.5Metode TETD

Perhitungan heat gain pada ruang perkantoran menggunakan metode TETD. Secara ringkas cara perhitungan sebagai berikut:

Atap dan dinding (roofs and walls)q = A x U x TETD

q = heat flow, Btu per hr

A = Area, ft2

U = Over-all heat transfer coefficientTETD = Total equivalent temperature difference Partisi, ceilling, dan lantai

q = A x U x TD

TD = (t2 t1) = Difference in temperature between the bounding surface, F

Kaca

q = {A} x {[direct radiation] x [shade factor] + [convection] x [type factor]}

A =Area, ft2 Manusia (people)

qs = n x sensible heat gain ql = n x latent heat gain

qs = q sensibleql = q latentn = Number of people in space Penerangan

q = Watt x 3.4 x Allowance factor Ventilasi dan infiltrasi

qs = 1.08 x Q x (to - ti) ql = 0.7 x Q x (HRo - HRi)

Q = Air flow rate, cfm

to = Outside air temperaturti = Room air temperatur HRo = Humadity ratio of outside air, grains per lb HRi = Humadity ratio of room air, grains per lb2.6Perencanaan Saluran Udara

Perencanaan ducting untuk semua aplikasi harus mempertimbangkan faktor-faktor berikut, yaitu: ketersediaan ruangan, space air diffusion, tingkat kebisingan, biaya investasi awal, dll. Hal-hal yang penting bagi sistem saluran udara adalah mengalirkan udara dengan laju tertentu kelokasi-lokasi yang telah ditentukan, ekonomis untuk setiap pembiayaan awal, pembiayaan kerja kipas, dan harga ruang bangunan yang ditempati.

2.6.1Metode Perencanaan Saluran Udara

Sampai saat ini dikenal tiga metode perancangan saluran udara (ducting), yaitu:

1. Metode kecepatan (Velocity method)

Metode kecepatan, dalam metode ini terlebih dahulu dipilih/ditentukan kecepatan di dalam saluran utama dan cabang-cabang, kemudian dihitung penurunan tekanan pada semua aliran. Kipas dipilih sedemikian rupa sehingga dapat membangkitkan tekanan yang mencukupi kebutuhan pada saluran yang penurunan tekanannya terbesar.

2. Metode gesekan sama (Equal friction method)

Di dalam metode gesekan sama (equal friction method), friksi unit (unit friction) dijaga konstan sepanjang sistem ini. Untuk menentukan kerugian gesek (friction loss) didalam sistem saluran pipa, friksi unit sama dengan panjangnya saluran pipa yang sejenisnya bekerja.

3. Metode tekanan total (Static regain method)2.6.2Prosedur Perencanaan Saluran Udara

Dalam menentukan perencanaan saluran udara terdiri dari beberapa langkah, yaitu:1. Mempelajari plan bangunan dan mengatur outlet untuk supply dan return agar didapat distribusi yang merata. Menyesuaikan jumlah supply air terhadap heat gains, losses dan kebocoran. Menyesuaikan jumlah supply air, return air dan exhaust air untuk mendapatkan tekanan ruangan yang diinginkan.

2. Memilih ukuran outlet dari katalog produk.

3. Sketsa sistem ducting dengan menghubungkan supply dan return dengan mesin. Tempat yang tersedia biasanya sangat menentukan layout dan ukuran ducting.

4. Membagi sistem menjadi bagian-bagian dan memberi nomor untuk setiap bagian. Ducting harus dibagi bila jumlah aliran, ukuran dan bentuk ducting berubah. Fitting dikelompokkan ke bagian didepannya (sesuai arah aliran).

5. Menentukan ukuran ducting dengan metode yang dipilih. Hitung kerugian tekanan total dan pilih fan yang sesuai.

6. Menggambarkan sistem secara detail. Bila jalur ducting dan fitting banyak berubah maka harus dihitung kembali kerugian tekanannya dan memilih ulang fan yang sesuai.

7. Mengubah ukuran pada bagian-bagian tertentu untuk mengatur keseimbangan tekanan sistem.

8. Analisa hasil perencanaan terhadap kemungkinan sumber kebisingan

AL WAHIDI

WAHID HUSNA MULIA

6/18/2013

HYPERLINK "wahidmulia.blogspot.com" 2013

PRINSIP DASAR REFRIGERASI

WAHID HUSNA MULIA | htttp://www.wahidmulia.blogspot.com