BAB II Dasar Teori
BAB II
DASAR TEORI
2.1 Florist Cabinet
Florist cabinet merupakan suatu alat yang digunakan untuk proses
pendinginan bunga. Florist cabinet beragam dalam ukuran dan konstruksi. Biasanya florist cabinet ini berbentuk seperti rak untuk ukuran kecil atau walk-in cooler untuk ukuran yang besar. Florist cabinet ini berbeda dengan kabin
makanan, dengan 3 prinsip yaitu:
1. Temperatur kabin umumnya 38°F (3°C) dan 40°F (4°C), namun temperatur kabin ini akan tergantung pada temperatur penyimpanan bunga yang disimpan dalam kabin. 2. Insulasi biasanya 1 – 2 inch (2.5 – 5 cm). 3. Florist cabinet biasanya dibuat dengan permukaan kaca yang lebar dengan display bunga potong (cut flower).
Gambar 2.1 Florist Cabinet (Sumber Gambar: Althouse, Modern Refrigeration and Air Conditioning Hal. 552)
Laporan Tugas Akhir
5
BAB II Dasar Teori
Kelembaban sangat penting dalam florist cabinet. Biasanya RH yang
dipakai adalah 90% - 95% tetapi 80% juga sering digunakan. Kebanyakan florist
cabinet mempunyai alat penghilang bau untuk mencegah bunga terkontaminasi. Biasanya digunakan ethylene purifier untuk penghilang bau ini dan untuk
menetralisasikan gas etilin yang terdapat pada bunga. (Sumber: Althouse, Modern
Refrigeration and Air Conditioning Hal. 552). 2.2 Prinsip Dasar
Pada prinsipnya, sistem refrigerasi kompresi uap sesuai dengan namanya
merupakan sistem yang mempergunakan kompresor sebagai alat kompresi
refrigeran, yang dalam keadaan bertekanan rendah akan menyerap kalor dari tempat yang didinginkan, kemudian masuk pada sisi penghisap (suction) dimana uap refrigeran tersebut ditekan di kompresor sehingga berubah menjadi uap bertekanan tinggi yang dikeluarkan pada sisi keluaran (discharge). Dari proses ini kita menentukan sisi bertekanan tinggi dan sisi bertekanan rendah. Siklus
refrigerasi
kompresi
uap
merupakan
suatu
sistem
yang
memanfaatkan aliran perpindahan kalor melalui refrigeran. Proses utama dari kompresi uap adalah: 1. Proses kompresi 2. Proses kondensasi 3. Proses ekspansi 4. Proses evaporasi Seluruh proses diatas dapat ditelusuri dengan menggunakan diagram tekanan-entalpi (pressure-entalphy, p-h) yang dikenal dengan diagram Mollier. (Sumber: Dossat, Principles of Refrigeration Second Edition Chapter 7).
Laporan Tugas Akhir
6
BAB II Dasar Teori
Gambar 2.2 Diagram Mollier R-134a
2.3 Sistem Refrigerasi Kompresi Uap Ideal Sistem refrigerasi kompresi uap ideal mengacu kepada konsep dari sistem Carnot. Pada sistem ini akan diperoleh jumlah energi masuk akan sama dengan energi yang diperoleh untuk dimanfaatkan. Pada kondisi semacam ini tidak ada perubahan berarti yang mempengaruhi unjuk kerja sistem. Akan tetapi siklus ideal ini dapat menghasilkan efisiensi yang tinggi, yang tidak dapat dilampaui oleh siklus refrigerasi kompresi uap aktual. Siklus refrigerasi kompresi uap ideal ini penting diketahui karena:
Sebagai siklus refrigerasi standar.
Sebagai pemberi petunjuk bahwa temperatur-temperatur siklus refrigerasi perlu dijaga agar menghasilkan efisiensi maksimum.
(Sumber: Arora, Refrigeration and Air Conditioning Chapter 2).
Laporan Tugas Akhir
7
BAB II Dasar Teori
Gambar 2.3 Sistem Refrigerasi Kompresi Uap (Sumber Gambar: Althouse, Modern Refrigeration and Air Conditioning Hal. 27)
Adapun cara kerja sistem refrigerasi kompresi uap adalah pertama-tama, kompresor mengisap uap refrigeran dari sisi keluar evaporator, tekanan dan temperatur diusahakan tetap rendah agar refrigeran senantiasa berada dalam fasa gas. Didalam kompresor, uap refrigeran ditekan (dikompresi) sehingga tekanan dan temperatur tinggi. Energi yang diperlukan untuk kompresi diberikan oleh motor listrik atau penggerak awal lainnya. Jadi, dalam proses kompresi energi diberikan kepada uap refrigeran. Pada waktu uap refrigeran dihisap masuk ke dalam kompresor, temperatur masih rendah akan tetapi selama proses kompresi berlangsung, temperatur dan tekanan naik. Setelah proses kompresi, uap refrigeran (fluida kerja) mengalami proses kondensasi pada kondensor. Uap refrigeran yang bertekanan dan bertemperatur tinggi pada akhir kompresi dapat dicairkan dengan media pendinginnya fluida air atau udara. Dengan kata lain, uap refrigeran memberikan panasnya (kalor laten pengembunan) kepada air pendingin atau udara pendingin melalui dinding Laporan Tugas Akhir
8
BAB II Dasar Teori
kondensor. Karena air atau udara pendingin menyerap panas dari refrigeran, maka
temperaturnya menjadi lebih tinggi pada waktu keluar dari kondensor. Selama
refrigeran mengalami perubahan dari fasa gas (uap) ke fasa cair, tekanan dan temperatur konstan, oleh karena itu pada proses ini refrigeran mengeluarkan
energi dalam bentuk panas.
Untuk menurunkan tekanan refrigeran cair dari kondensor dipergunakan katup ekspansi atau pipa kapiler. Melalui katup ekspansi, refrigeran mengalami proses evaporasi, yaitu proses penguapan cairan refrigeran pada tekanan dan temperatur rendah, proses ini terjadi pada evaporator. Selama proses evaporasi
refrigeran memerlukan atau mengambil energi dalam bentuk panas dari
lingkungan atau sekelilingnya, sehingga temperatur sekeliling turun dan terjadi proses pendinginan. Proses-proses tersebut jika digambar kedalam digram p-h (Mollier Chart)
Pressure (bar absolute)
menjadi:
3
Pc
Pe
4 h3 = h4
2
1
h1 h2 Enthalpy (kJ/kg)
Gambar 2.4 Siklus Refrigerasi Kompresi Uap Ideal
1. Siklus 1-2 ( Proses Kompresi) Proses ini terjadi di kompresor dan fasa refrigeran yang masuk ke kompresor adalah uap jenuh, dengan tekanan dan temperatur yang rendah. Kerja diberikan pada refrigeran dengan cara dipompa agar tekanannya naik sehingga temperaturnya pun ikut naik. Pada fasa ini uap refrigeran berubah dari fasa uap bertekanan dan bertemperatur rendah menjadi uap bertekanan dan bertemperatur tinggi.
Laporan Tugas Akhir
9
BAB II Dasar Teori
Disini, temperatur refrigeran lebih tinggi dari temperatur lingkungan
tempat kompresor tersebut ditempatkan. Kerja yang diberikan pada refrigeran
akan menyebabkan kenaikan tekanan, sehingga temperatur refrigeran akan lebih dari temperatur lingkungan. besar
Kerja yang dilakukan kompresor dapat diketahui dengan cara:
W = m . qw………………………………………..(1)
W = m . (h2 – h1)………………………………….(2)
dengan, W
= Kerja yang dilakukan kompresor (kJ/s)
m
= Laju aliran massa (kg/s)
h1
= Entalpi masukan kompresor (kJ/kg)
h2
= Entalpi keluaran kompresor (kJ/kg)
2. Siklus 2-3 (Proses Kondensasi) Proses ini terjadi di kondensor, karena temperatur refrigeran lebih tinggi daripada temperatur lingkungan, maka kalor dari refrigeran panas akan dilepas melalui dinding pipa kondensor ke lingkungan sekitar. Proses pelepasan atau perpindahan kalor secara konveksi dari refrigeran ini dapat dilakukan secara konveksi alami (natural) maupun secara konveksi paksa melalui fan. Pada saat uap refrigeran yang berasal dari discharge kompresor masuk kondensor maka uap tersebut akan mengembun pada keadaan saturasi. Selama dalam kondensor, baik tekanan ataupun temperatur akan tetap tinggi, namun refrigeran akan berubah fasa menjadi fasa cair. Kalor yang dilepas kondensor diketahui dengan cara:
Qc = m . (h2 – h3) ………………………………….(3) dengan, Qc
= Kalor yang dilepas kondensor (kJ/s)
m
= Laju aliran massa (kg/s)
h2
= Entalpi masukan kondensor (kJ/kg)
Laporan Tugas Akhir
10
BAB II Dasar Teori
h3
= Entalpi keluaran kondensor (kJ/kg) Untuk menghasilkan efek refrigerasi terus menerus, uap refrigeran harus
diembunkan di kondensor pada laju sama dengan cairan refrigeran diuapkan di
evaporator. Ini artinya bahwa kalor harus keluar dari sistem pada kondensor pada
laju sama dengan kalor masuk ke sistem di evaporator dan saluran suction juga di kompresor sebagai hasil dari kerja kompresi. Akibatnya peningkatan laju penguapan akan meningkatkan keperluan laju perpindahan kalor pada kondensor.
3. Siklus 3-4 (Proses Ekspansi)
Proses ini terjadi di katup ekspansi. Setelah refrigeran melepas kalor di kondensor, refrigeran berfasa cair yang berasal dari kondensor akan mengalir menuju katup ekspansi untuk diturunkan tekanan dan temperaturnya. Diharapkan temperatur yang akan terjadi lebih rendah dari pada temperatur lingkungan, sehingga dapat menyerap kalor pada saat berada di evaporator. Dalam proses ekspansi ini tidak terjadi proses penerimaan ataupun pelepasan energi sehingga dapat dikatakan di proses ini terjadi secara isoentalphy. 4. Siklus 4-1 (Proses Evaporasi) Proses ini terjadi di evaporator, dimana temperatur refrigeran di evaporator dibuat lebih rendah dari ruang refrigerasi. Agar terjadi proses penguapan maka dibutuhkan kalor, kalor tersebut diambil dari lingkungan sekitar. Setelah refrigeran diekspansikan menjadi cairan tekanan jenuh dan tekanan rendah, refrigeran akan masuk menuju evaporator. Setelah masuk di evaporator, refrigeran akan berubah fasa dari fasa campuran (cair-uap) menjadi fasa uap jenuh. Kalor yang diserap di evaporator dapat diketahui sebagai berikut:
Qe = m . qe……………………………………………(4)
Qe = m . (h1 – h4)…………………………………….(5) dengan,
Laporan Tugas Akhir
11
BAB II Dasar Teori
Qe
= Laju aliran massa (kg/s)
m
h1 h4
= Kalor yang diserap evaporator (kJ/s)
= Entalpi keluaran evaporator (kJ/kg) = Entalpi masukan evaporator (kJ/kg) Berdasarkan besaran-besaran diatas maka akan didapat prestasi siklus
kompresi uap standar atau yang biasa disebut dengan COP (Coefficient of
Performance) sistem. COP didapat dari perbandingan antara efek refrigerasi dengan kerja kompresi.
Untuk menghitung besarnya COP dapat digunakan persamaan sebagai
berikut:
a. COPactual adalah perbandingan kalor yang diserap oleh evaporator dari lingkungan terhadap kerja yang dilakukan oleh kompresor. Dapat diketahui bahwa : COPactual
Qe W
...........................................(6)
sehingga berdasarkan persamaan 4 dan 1 dapat diturunkan menjadi : ......................................(7)
b. COPcarnot adalah perbandingan temperatur evaporasi dibandingkan dengan selisih temperatur kondensasi dan evaporasi. Satuan temperatur yang digunakan dalam rumus COPcarnot adalah Kelvin
COPcarnot
Tevaporasi ...........................(8) Tkondensasi Tevaporasi
c. Efisiensi refrigerasi adalah perbandingan antara COPactual dan COPcarnot. Efisiensi
COPactual COPcarnot
........................................(9)
(Sumber: Dossat, Principles of Refrigeration Second Edition Chapter 7)
Laporan Tugas Akhir
12
BAB II Dasar Teori
2.4 Sistem Refrigerasi Kompresi Uap Aktual
Sistem refrigerasi kompresi uap aktual berbeda dengan sistem refrigerasi
kompresi uap ideal yang telah dijelaskan sebelumnya. Siklus refrigerasi kompresi uap aktual mengalami pengurangan efisiensi dibandingkan dengan siklus ideal. Perbedaan penting antara siklus ideal dan aktual terletak pada penurunan tekanan
di dalam kondensor dan evaporator, dalam cairan refrigeran yang keluar dari kondensor (subcooling) dan dalam uap panas lanjut (superheat) yang keluar dari evaporator. Siklus ideal dianggap tidak mengalami penurunan tekanan pada kondensor dan evaporator. Tetapi pada siklus aktual, terjadi penurunan tekanan
karena adanya gesekan.
Akibat dari adanya penurunan tekanan ini kerja kompresi pada siklus aktual menjadi lebih besar dibandingkan dengan kerja kompresi pada siklus ideal. Cairan subcooling di kondensor adalah peristiwa normal dan fungsinya adalah untuk memastikan bahwa refrigeran yang masuk alat ekspansi benar-benar cair. Uap superheat biasanya terjadi di evaporator dan fungsinya untuk memastikan bahwa refrigeran yang memasuki kompresor berfasa uap. Perbedaan terakhir pada siklus aktual adalah kompresi yang tidak lagi isentropik, dan terdapat ketidakefisienan yang disebabkan oleh gesekan dan kerugian-kerugian lain. (Sumber: Stoecker, Wilbert F., Refrigeration and Air Conditioning 2nd Edition Hal. 191). Dalam grafik, siklus refrigerasi kompresi uap aktual dapat terlihat sebagai berikut:
Gambar 2.5 Siklus Refrigerasi Kompresi Uap Aktual (Sumber Gambar: 2005 ASHRAE Handbook Fundamental Chapter 1 Thermodynamics and Refrigeration Cycles)
Laporan Tugas Akhir
13
BAB II Dasar Teori
2.5 Komponen Utama Sistem Refrigerasi
Komponen yang digunakan pada sistem refrigerasi kompresi uap
umumnya terdapat empat komponen. Jika salah satu dari keempat komponen tersebut tidak ada atau tidak terpenuhi, maka sistem tidak akan dapat bekerja sama
sekali. Berikut akan dibahas satu-persatu kegunaan alat-alat tersebut diatas.
2.5.1 Kompresor
Kompresor merupakan jantung dari sistem refrigerasi kompresi uap. Kompresor akan menekan uap refrigeran yang berasal dari suction line hingga
menaikkan temperatur dan tekanan uap refrigeran tersebut yang selanjutnya
dialirkan ke kondensor melalui discharge line. Berdasarkan cara kerjanya kompresor dibagi menjadi lima, yaitu: Kompresor Torak (Reciprocating Compressor) Kompresor Putar (Rotary Compressor) Kompresor Sentrifugal (Centifugal Compressor) Kompresor Sekrup (Screw Compressor) Kompresor Scroll Sedangkan berdasarkan penempatan motornya kompresor ini terbagi menjadi tiga macam, yaitu: Kompresor Hermetik Kompresor Semi Hermetik Kompresor Open Type Masing-masing kompresor di atas mempunyai keunggulan tersendiri tergantung dari pemakaiannya. Secara umum pemakaian jenis-jenis kompresor tersebut ditentukan oleh besarnya kapasitas, penggunaannya, instalasinya, dan jenis refrigeran yang digunakan. (Sumber: Althouse, Modern Refrigeration and Air Conditioning Chapter 4).
Laporan Tugas Akhir
14
BAB II Dasar Teori
2.5.2 Kondensor
Kondensor adalah suatu alat yang digunakan untuk proses perpindahan
panas. Pada kondensor akan terjadi proses kondensasi, dimana refrigeran akan berubah fasa dari uap menjadi cair. Proses kondensasi terjadi karena uap
refrigeran yang bertekan dan bertemperatur tinggi akan melepas kalor
kelingkungan atau media pendingin. Berdasarkan cara pendinginannya, kondensor dibagi menjadi tiga, yaitu: Kondensor berpendingin udara (Air Cooled Condenser) Kondensor berpendingin air (Water Cooled Condenser) Kondensor berpendingin air dan udara (Evaporative Condenser)
(Sumber: Dossat, Principles of Refrigeration Second Edition Chapter 14). 2.5.3 Alat Ekspansi Alat ekspansi merupakan komponen utama dalam mesin pendingin yang digunakan untuk menurunkan tekanan refrigeran cair secara enthalpi konstan. Beberapa jenis alat ekspansi yang digunakan dalam sistem refrigerasi kompresi uap yaitu terdiri atas: Katup ekspansi manual (Manual/Hand Expansion Valve, HXV) Katup ekspansi otomatik (Automatic Expansion Valve, AXV) Katup ekspansi elektronik (Electric Expansion Valve, EXV) Katup ekspansi termostatik (Thermostatic Expansion Valve, TXV) Katup ekspansi termal elektrik (Thermal Electric Expansion Valve, TEXV) Pipa kapiler (Capillary Tube) Katup apung tekanan tinggi (High Side Float Valve, HSFV) Katup apung tekanan rendah (Low Side Float Valve, LSFV) (Sumber: Dossat, Principles of Refrigeration Second Edition Chapter 17).
Laporan Tugas Akhir
15
BAB II Dasar Teori
2.5.4 Evaporator
Evaporator merupakan komponen utama dalam mesin pendingin yang
berfungsi untuk menyerap kalor dari udara sekitar atau beban kalor yang berada disekitarnya dan mengubah fasa refrigeran dari cair menjadi uap.
Menurut konstruksinya evaporator dapat dibedakan menjadi beberapa tipe:
1. Pipa dengan sirip (finned tube) 2. Pipa telanjang (bare tube) 3. Permukaan pelat (plate surface) 4. Tabung dengan pipa (shell and tube)
Sedangkan menurut cara kerjanya evaporator dibagi menjadi dua:
1. Evaporator kering (dry or direct evaporator) 2. Evaporator Banjir (flooded evaporator) Selain itu evaporator juga dapat dibagi berdasarkan pemakaiannya, yaitu: 1. Ekspansi langsung (direct expansion) 2. Ekspansi tidak langsung (indirect expansion) (Sumber: Dossat, Principles of Refrigeration Second Edition Chapter 11). 2.6 Komponen Pendukung Sistem Refrigerasi Dalam sistem refrigerasi, komponen pendukung ini dapat dibedakan menjadi tiga macam yaitu: 1. Komponen pendukung mekanik 2. Komponen pendukung listrik 2.6.1 Komponen Pendukung Mekanik 1. Filter Drier Filter Drier terdiri atas silica gel yang berfungsi sebagai penyerap uap air dan screen yang terdiri dari kawat kassa yang sangat halus yang berfungsi untuk menyaring kotoran.
Laporan Tugas Akhir
16
BAB II Dasar Teori
2. Sight Glass
Sight glass dipasang setelah filter drier dan berguna untuk melihat apakah
refrigeran sudah cukup atau belum. Jika belum cukup maka refrigeran perlu ditambah agar sistem dapat berjalan dengan baik. Selain itu alat ini juga berfungsi
untuk mengamati apakah refrigeran yang melewati sight glass benar-benar cair
atau tidak. 3. Liquid Receiver
Liquid receiver berfungsi sebagai penyimpan cairan refrigeran yang
berasal dari kondensor sehingga refrigeran yang mengalir ke liquid line telah
dipastikan menjadi cair semua. Liquid receiver ditempatkan setekah kondensor (di liquid line) fungsinya menampung cairan refrigeran pada saat pump down. 4. Accumulator Accumulator fungsinya sama dengan liquid receiver yaitu sebagai penyimpan cairan refrigeran. Hanya bedanya pada fasa zat yang diambil. Dengan kata lain cairan refrigeran berada di bagian dasar dari akumulator. Hal ini mencegah agar refrigeran cair tidak masuk ke kompresor. 2.6.2
Komponen Pendukung Listrik
1. MCB (Mini Circuit Braker) MCB digunakan sebagai pengaman terhadap beban lebih atau arus hubung singkat. Jika terjadi arus beban lebih/hubung singkat, MCB ini akan bekerja memutuskan rangkaian dari sumber tegangan. 2. Saklar On / Off Saklar berfungsi untuk memutuskan atau menghubungkan arus pada rangkaian listrik.
Laporan Tugas Akhir
17
BAB II Dasar Teori
3. Pilot Lamp
Digunakan sebagai indikator bahwa sistem atau komponen yang
mendukung sistem sudah bekerja.
4. Volt Meter
Berfungsi untuk mengukur besarnya tegangan listrik yang dipakai pada sistem.
5. Ampere Meter
Berfungsi untuk mengukur besarnya arus listrik yang mengalir pada sistem.
6. Thermostat Thermostat berfungsi untuk memutus aliran listrik untuk menjaga kompresor ketika suhu yang telah diatur terlalu tinggi atau terlalu rendah. 7. High-Low Pressure (HLP) HLP berfungsi untuk memutus aliran listrik untuk menjaga kompresor ketika tekanan yang telah diatur terlalu tinggi atau terlalu rendah. 2.7 Refrigeran Refrigeran merupakan fluida yang dapat diubah fasanya dari fasa cair ke fasa gas atau sebaliknya. Refrigeran ini dipakai sebagai media pendingin yang akan menyerap kalor dari lingkungan (di evaporator) dan melepasnya ke lingkungan (di kondensor). Syarat-syarat refrigeran idealnya adalah: Sifat Kimia: Kesehatan, keselamatan dan lingkungan Tingkat peracunan rendah Tidak mudah terbakar Tidak merusak lingkungan
Laporan Tugas Akhir
18
BAB II Dasar Teori
Sifat Termofisika:
Temperatur kritis dan titik didih yang sesuai dengan kondisi kerja
Kapasitas panas penguapan tinggi Viskositas rendah
Konduktivitas termal tinggi
Lain-lain: Bercampur dengan oli tetapi tidak beraksi Titik beku rendah Kompatibilitas dengan material sistem Mudah dideteksi jika bocor
Pertimbangan memilih refrigeran: Mempunyai titik didih yang rendah, harus lebih rendah daripada temperatur evaporator yang direncanakan. Mempunyai tekanan kondensasi yang rendah. (Tekanan kondensasi yang tinggi memerlukan kompresor yang besar dan kuat, juga pipa-pipanya harus kuat dan kemungkinan bocor besar). Mempunyai tekanan penguapan yang sedikit lebih tinggi dari atmosfir. Apabila terjadi kebocoran, udara luar tidak dapat masuk kedalam sistem. Mempunyai kalor laten uap yang besar, agar jumlah panas yang diambil oleh evaporator dari ruangan jadi besar. Apabila terjadi kebocoran, mudah diketahui dengan alat-alat yang sederhana. Harganya murah. (Sumber: Althouse, Modern Refrigeration and Air Conditioning Chapter 9).
Laporan Tugas Akhir
19
