BAB II LANDASAN TEORI. 2.1 Sistem Pendinginan Tidak Langsung (Indirect System)

BAB II LANDASAN TEORI

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1 Sistem Pendinginan Tidak Langsung (Indirect System)

Melinder (2010) menjelaskan sistem refrigerasi tidak langsung yang

menggunakan secondary refrigerant telah lama banyak digunakan di Swedia sebagai ice rinks dan pompa kalor dan saat ini banyak digunakan di supermarket untuk cold storage, cooling cabinet dan freezer. secondary refrigerant digunakan

sebagai media transfer energi kalor dari evaporator ke produk yang didinginkan.

Beberapa persyaratan yang harus dipenuhi dalam pemilihan secondary

refrigerant diantaranya harus memiliki sifat-sifat termofisik yang baik, nilai kalor spesifik dan konduktifitas termal yang tinggi tetapi kekentalannya rendah pada kondisi temperatur pengoperasian. Sehingga dengan demikian diharapkan mampu sebagai media transport energi kalor yang besar dengan perubahan temperatur yang kecil.

2.2 Sifat-Sifat Secondary Refrigerant Secondary refrigerant adalah cairan yang digunakan sebagai fluida perpindahan panas yang mengubah suhu tanpa berubah menjadi fasa yang lain. Secondary refrigerant yang biasa digunakan adalah air, calcium chloride dan sodium chloride brine, ethylene dan propylene glycol, methanol (methyl alcohol), dan glycerin. Ada beberapa persyaratan yang harus dipenuhi oleh secondary refrigerant yang ideal diantaranya : 1. Kalor spesifik yang tinggi 2. Konduktivitas termal yang baik 3. Tidak beracun 4. Tidak mudah terbakar

Laporan Tugas Akhir Rancang Bangun Sistem Refrigerasi Kompresi Uap Dengan Menggunakan Secondary Refrigerant Untuk Produk Sayuran (Brocolli) Jurusan Teknik Refrigerasi dan Tata Udara

4


Tabel 2.1 Campuran air dengan secondary refrigerant (ASHRAE, 2003)

Description

Concentration as Freezing Temperature Of : (%)

-15oC

-30oC

-40oC

Ethylene Glycol/Water

30.5

45.5

52.8

Propylene Glycol/Water

33.0

48.0

54.0

Ethyl Alcohol/water

24.5

40.9

53.1

Methyl Alcohol/Water

20.0

33.6

41.0

Glycerol/Water

39.5

56.0

63.0

Ammonia/Water

10.8

17.7

21.1

Potassium Carbonat/Water

27.0

36.6

-

Calcium Chloride/Water

17.9

25.4

28.3

Magnesium Chloride/Water

14.0

20.5

-

Sodium Chloride/Water

18.8

-

-

Potassium Acetate/Water

24.0

34.0

39.0

Potassium Formate/Water

24.0

36.0

41.0

Fluida pendingin seperti air-garam merupakan jenis brine yang sangat baik, tidak beracun, mudah didapat namun memiliki tingkat korosi yang sangat tinggi sehingga perlu dicari alternatif lain, maka salah satu pilihanya adalah campuran ethylene glycol dengan air. Ethylene glycol adalah senyawa air tertentu yang larut, digunakan untuk menekan titik beku air. Biasanya ethylene glycol disebut cairan anti-freeze, karena mempunyai titik beku yang rendah. Tidak seperti brine, ethylene glycol tidak korosif dan bisa digunakan untuk pipa tembaga, alumunium dan steel. Karena itu ethylene glycol banyak digunakan di skala industri.

.

Ethylene glycol masih dominan digunakan karena memiliki sifat termodinamika yang baik dan biaya relatif terjangkau, namun karena sifat racun


5


yang dimiliki ethylene glycol, maka dikurangi penggunaannya untuk pasar yang

lebih besar.

Contoh aplikasi ethylene glycol: 1. Mesin pembuat es balok

2. Ice Rink

3. Heat Pump 4. Cold storage 5. Kulkas 6. Freezer

2.3 Landasan Teori

2.3.1 Sistem Refrigerasi Kompresi Uap Sistem refrigerasi umumnya menggunakan sistem refrigerasi kompresi uap, menggunakan kompresor sebagai alat pemompa refrigeran bertekanan rendah yang masuk pada sisi hisap (suction). Di kompresor refrigeran dikompresi, kemudian dikeluarkan pada sisi keluaran (discharge) dan masuk ke kondenser. Dari kondenser refrigeran mengalir ke alat ekspansi. Setelah melalui alat ekspansi refrigeran mengalami penurunan tekanan sehingga temperaturnya turun. Dari alat ekspansi refrigeran masuk ke evaporator. Di evaporator refrigeran menarik kalor dari lingkungan sekitarnya (kabin dan produk) sehingga kabin menjadi dingin. Dari evaporator refrigeran akan masuk kembali ke kompresor melalui saluran hisap. Proses yang dialami refrigeran berulang, membentuk siklus tertutup yang dikenal sebagai siklus refrigerasi kompresi uap. Siklus refrigerasi kompresi uap sederhana mempunyai empat proses dasar yaitu: 1. Proses kompresi. 2. Proses Kondensasi. 3. Proses Ekspansi. 4. Proses Evaporasi. Proses tersebut terjadi pada komponen utama sistem refrigerasi, seperti yang dapat dilihat pada Gambar 2-1 berikut.


6


Gambar 2.1 Diagram perpipaan sistem refrigerasi kompresi uap

Proses sistem refrigerasi pada Gambar 2.1 dapat digambarkan pada diagram

pressure-enthalpy (p-h diagram), seperti pada Gambar 2.2 berikut ini. Pressure (bar absolute)

Pc

Pe

3

4 h3 = h4

Gambar 2.2

2

1

h1 h2 Enthalpy (kJ/kg)

Siklus sistem refrigerasi kompresi uap sederhana

2.3.2 Proses kompresi Proses ini terjadi di kompresor, fasa yang masuk ke kompresor adalah uap jenuh, dengan tekanan dan temperatur yang rendah. Kerja diberikan pada refrigeran dengan cara dipompakan agar tekanannya naik sehingga temperaturnya pun ikut naik. Proses ini menyebabkan uap refrigeran menjadi uap superheat yang akan keluar dari kompresor dengan tekanan tinggi, selanjutnya uap refrigeran yang bertemperatur tinggi dan bertekanan tinggi akan masuk ke kondenser. Proses kompresi berlangsung di kompresor adalah:


7


W= ̇ .w w = ( h2 – h1 )

W = ̇ . ( h2 – h1 )…………………….……………………………...(2.1)

dengan,

W = Kerja kompresi (kW)

̇ = Laju aliran massa refrigeran (kg/s)

h 1 = Enthalpy refrigeran masuk kompresor (kJ/kg)

h2 = Enthalpy refrigeran keluar kompresor (kJ/kg)

2.3.3 Proses kondensasi Proses ini terjadi di kondenser, karena temperatur refrigeran lebih tinggi dari temperatur lingkungan, maka kalor dari refrigeran akan dilepas melalui dinding pipa kondenser ke lingkungan sekitar. Proses pelepasan atau perpindahan kalor secara konveksi dari refrigeran ini dapat dilakukan secara konveksi alami (natural) maupun secara konveksi paksa dengan bantuan fan. Pada saat uap refrigeran yang berasal dari discharge kompresor masuk ke kondenser maka uap (superheat) tersebut akan didinginkan dan diembunkan pada tekanan konstan. Kalor yang dilepas di kondenser : Qc = ̇ . qc qc = h2 - h3 Qc = ̇ . (h2-h3)……………………………………………………(2.2) dengan, Qc = Kalor yang dilepas di kondenser (kW)


8


̇ = Laju aliran massa refrigeran (kg/s)

h2 = Enthalpy refrigeran keluar kompresor (kJ/kg)

h3 = Enthalpy refrigeran keluar kondenser (kJ/kg)

2.3.4 Proses ekspansi

Proses ini terjadi di katup ekspansi, setelah refrigeran melepas kalor di kondenser, refrigeran berfasa cair yang berasal dari kondenser 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. Proses ekspansi

terjadi dalam keadaan entalpi konstan, sehingga h3 = h4. 2.3.5 Proses evaporasi Proses ini terjadi di evaporator, temperatur refrigeran di dalam pipa evaporator lebih rendah dari ruang refrigerasi, sehingga terjadi proses penguapan pada fluida refrigeran karena menyerap kalor dari beban pendingin yang ada di dalam ruang refrigerasi. Setelah masuk ke evaporator, refrigeran akan berubah fasa dari fasa campuran menjadi fasa uap jenuh. Kalor yang diserap di evaporator : Qe = ̇ . qe qe = h1 – h4 Qe = ̇ . (h1 – h4)…………………………….………(2.3) dengan, Qe = Kalor yang diserap di evaporator (kW) ̇ = Laju aliran massa refrigeran (kg/s) h1 = Enthalpy refrigeran keluar evaporator (kJ/kg) h4 = Enthalpy refrigeran masuk evaporator (kJ/kg)


9


2.3.6 Kemampuan kerja / Performansi sistem

Kemampuan kerja sistem refrigerasi dinyatakan oleh besaran yang

dinamakan COP (Coeficient of Performance). COP ini dipengaruhi oleh tekanan dan temperatur kerja dari sistem itu sendiri.

Efek refrigerasi per unit massa (qe) = h1-h4 (kJ/kg)……………………….…..(2.4)

Kerja spesifik per unit massa (w)= h2-h1 (kJ/kg)……………………….……. (2.5)

Efek pemanasan (kondensasi) per unit massa (qc) = h2-h3 (kJ/kg)……………....(2.6)

Prestasi aktual mesin refrigerasi dapat diketahui dengan menghitung nilai COP

yang dapat dicapai dengan persamaan sebagai berikut q e h1 - h4   w h2 - h1  ………………………...…………………………...…..(2.7)

COPa 

dengan, COPa

= Coeficient of Performance aktual

qe

= Efek

refrigerasi per unit massa

(kJ/kg)

w

= Kerja

spesifik per unit massa

(kJ/kg)

sementara prestasi ideal mesin refrigerasi dihitung berdasarkan nilai COPCarnot sebagai berikut COPC 

Te ………………..……...……………………….……………(2.8) Tk - Te

dengan,

Te

= Temperatur evaporasi

(K)

Tk

= Temperatur kondensasi

(K)


10


Efisiensi sistem refrigerasi dapat dihitung dengan membandingkan nilai COPaktual

dengan nilai COPideal, yaitu:

  R

COPa  100% COPC …..………...……………………………………..….…..(2.9)

dengan, ηR

= Efisiensi refrigerasi

a = Coeficient of Performance aktual COP

COPC = Coeficient of Performance Carnot

2.4 Komponen Sistem Refrigerasi Kompresi Uap 2.4.1

Kompresor Kompresor merupakan komponen yang sangat penting dalam sistem

refrigerasi

kompresi uap. Karena kompresor merupakan jantung dari sistem

refrigerasi. kompresor bekerja untuk mengkompresi refrigeran agar tekanan naik sehingga temperaturnya juga mengalami kenaikan dan refrigeran dapat mengalir dari suatu bagian ke bagian yang lain dari sistem. Refrigeran dihisap melalui katup suction kompresor dengan tekanan yang rendah. Setelah itu refrigeran ditekan/dikompresi, sehingga dihasilkan refrigeran uap bertekanan tinggi, dan siap disirkulasikan ke sistem melalui katup discharge. 2.4.2 Kondenser Kondenser merupakan alat penukar kalor. Kondenser dalam suatu sistem refigerasi digunakan untuk melepaskan kalor dari refrigeran, sehingga refrigeran berubah fasa dari uap menjadi cair. Kalor yang dilepas di kondenser merupakan kalor yang diserap di evaporator dan kalor dari akibat kerja kompresi. Refrigeran bertekanan tinggi yang masuk ke kondenser melalui discharge line dikondensasikan di dalam kondenser sehingga refrigeran yang keluar dari


11


kondenser diharapkan berubah fasa dari fasa uap ke fasa cair. Faktor-faktor yang

menentukan kapasitas kondenser adalah luas permukaan kondenser, debit media

pendingin, dan perbedaan temperatur media pendingin dengan temperatur lingkungan.

2.4.3 Alat Ekspansi Alat ekspansi pada sistem refrigerasi sangatlah penting sebagai alat yang berfungsi untuk menurunkan tekanan refrigeran cair yang berasal dari kondenser di mana tekanan pada saluran keluaran kondenser ini sangatlah tinggi sehingga

harus diturunkan. Penurunan tekanan ini diharapkan untuk menurunkan

temperatur refrigeran di evaporator karena titik didih refrigeran akan turun seiring dengan turunnya tekanan pada refrigeran tersebut. Alat ekspansi yang digunakan untuk sistem refrigerasi kompresi uap dengan menggunakan secondary refrigerant ini adalah jenis alat ekspansi Thermostatic expansion valve (TXV). 2.4.4 Evaporator Evaporator merupakan komponen yang digunakan untuk perpindahan kalor antara refrigeran dengan ruang atau benda yang akan didinginkan. Di evaporator refrigeran akan mengalami proses penguapan atau perubahan fasa dari cair menjadi uap. Evaporator yang digunakan dalam sistem refrigerasi kompresi uap dengan menggunakan secondary refrigerant ini berupa pipa polos yang dililitkan di dalam silinder. 2.5 Komponen Pendukung Pada Sistem Refrigerasi 2.5.1 Liquid Receiver Liquid receiver berfungsi sebagai penyimpan cairan refrigeran yang berasal dari kondenser sehingga refrigeran yang mengalir ke liquid line telah dipastikan menjadi cair semuanya. Liquid receiver ini ditempatkan sesudah kondenser.


12


2.5.2 Filter Dryer

Filter dryer berfungsi untuk menyaring refrigeran dari kotoran dan

mengeringkan refrigeran dengan cara menyerap uap air yang terkandung dalam refrigeran.

2.5.3 Sight Glass Alat ini dipasang setelah filter drier dan berguna untuk melihat apakah refrigeran sudah cukup atau belum, jika belum cukup maka refrigeran perlu ditambah lagi agar sistem dapat berjalan dengan baik. Disamping itu, alat ini

berfungsi untuk mengamati apakah refrigeran yang melewati sight glass benar

benar cair atau tidak. 2.5.4 Solenoid Valve Fungsi dari solenoid valve adalah untuk menghentikan atau meneruskan cairan refrigeran

dalam sistem refrigerasi. Pengaturannya dilakukan oleh

kumparan yang dialiri arus listrik. Solenoid valve biasanya dipasang pada liquid line yang berfungsi untuk menjaga refrigeran terperangkap disisi tekanan tinggi dan menurunkan kerja kompresor pada saat awal dijalankan. 2.5.5 High Low Pressure Stat (HLP) Saklar pemutus tekanan berfungsi melindungi sistem refrigerasi dari tekanan yang terlalu tinggi atau terlalu rendah, yaitu dengan membuka kontak/terminal listrik sehingga rangkaian listriknya terputus. Setelah sistem tekanannya tidak berbahaya lagi, titik kontak saklar pemutus tekanan akan menutup sehingga kompresor dapat bekerja kembali. Saklar pemutus tekanan tinggi dan rendah merupakan gabungan dari kedua pemutus tekanan tinggi dan tekanan rendah yang disatukan dalam satu rumah. Saklar pemutus tekanan tinggi akan melindungi sistem dari tekanan yang terlalu tinggi sedangkan saklar pemutus tekanan rendah akan memutuskan aliran listrik apabila tekanan pada sisi tekanan rendah turun melebihi batas tekanan yang telah ditentukan.


13


Saklar pemutus tekanan tinggi dan rendah mempunyai kontak DPST

(double pole single throw), yaitu dua kontak SPST (single pole single throw)

yang disatukan. Saklar pemutus tekanan rendah kontaknya menutup pada waktu tekanan evaporator bertambah tinggi. Saklar pemutus tekanan tinggi kontaknya membuka pada waktu tekanan kompresor sangat tinggi.

Kompresor akan terus bekerja apabila tekanan buang dan tekanan isap kompresor berada dalam batas yang normal. Apabila tekanan buang kompresor naik sampai melebih batas tekanan yang telah ditentukan saklar pemutus tekanan membuka dan menghentikan kompresor. akan

2.5.6 Thermostat Thermostat merupakan komponen yang berfungsi untuk pengatur temperatur atau berfungsi sebagai pengaman. Apabila suhu ruangan atau kabin turun atau telah tercapai temperatur yang diinginkan, maka kontaknya akan membuka dan mematikan kompresor dan setelah suhu ruangan atau kabin naik, maka kontaknya akan menutup kembali dan kompresor akan hidup kembali. 2.5.7 Pressure Gauge Pressure gauge adalah alat bantu mekanik yang berfungsi sebagai penunjuk tekanan kerja sistem. Namun yang diukur bukanlah tekanan kerja absolute melainkan tekanan kerja alat ukur atau gauge. 2.6 Komponen Pendukung Kelistrikan 2.6.1 MCB (Main Circuit Breaker) MCB adalah suatu alat yang digunakan untuk pengaman terhadap beban berlebih atau arus hubungan singkat. Jika terjadi arus berlebih atau hubungan singkat, MCB ini akan bekerja memutuskan rangkaian tegangan, sehingga sistem menjadi aman dari kerusakan yang akan timbul dari sistem kelistrikan. 2.6.2 Switch Switch merupakan komponen pendukung kelistrikan yang berfungsi untuk


14


menghidupkan dan mematikan sistem secara manual.

2.6.3 Relay Relay merupakan komponen listrik yang fungsinya seperti saklar namun

komponen ini dikendalikan dari rangkaian lainnya. Dalam sebuah relay terdapat

lilitan koil dan kontak NC (normally closed) dan NO (normally opened). 2.6.4 TDR (Time Delay Relay) TDR (Time Delay Relay) sering disebut juga relay timer atau relay penunda

batas waktu. Fungsi dari peralatan kontrol ini adalah sebagai pengatur waktu bagi

peralatan yang dikendalikannya. Kumparan pada timer akan bekerja selama mendapat sumber arus. Apabila telah mencapai batas waktu yang diinginkan maka secara otomatis timer akan mengunci. 2.6.5 Voltmeter Voltmeter berfungsi untuk mengukur besarnya tegangan listrik yang dipakai pada sistem. 2.6.6 Ampere Meter Ampere meter berfungsi untuk mengukur besarnya arus listrik yang mengalir pada sistem. 2.6.7 Pilot Lamp Pilot lamp digunakan sebagai indikator bahwa sistem atau komponen yang dihubungkan paralel dengannya sudah bekerja. 2.7 Perhitungan Beban Pendinginan 2.7.1 Beban Konduksi Melalui Dinding (wall gain load) Besarnya kalor yang masuk ruangan melalui dinding dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut:


15


Q = U x A x ∆T………………………………………………… ….(2.10)

dengan,

Q

= Kalor yang masuk ke ruangan melalui dinding, Watt

U

= Koefisien perpindahan panas meyeluruh, W/m² K

∆T

= Beda temperatur melalui dinding, oC

A

= Luas penampang, m²

2.7.2 Beban Produk

Beban pendinginan produk ini dapat dihitung dengan persamaan: …………………………………………………………(2.11)

dengan, m

: massa produk (Kg)

Cp

: Kalor spesifik produk (Kj/Kg K)

ΔT

: perbadaan temperatur awal dan akhir produk (K)

n

: chilling time produk (lamanya waktu yang dibutuhkan untuk menurunkan temperatur dari temperatur awal ke

temperatur

yang diinginkan) (Sumber: J.P. HOLMAN, Perpindahan Kalor Edisi Keenam, erlangga, Jakarta, 1991)

2.7.3 Beban Motor Penggerak Beban dari motor (pompa, fan, dan lain-lain) tergantung pada posisi motor dan beban yang digerakkannya. Beban dari motor, rata-rata dalam 24 jam, bisa dihitung dengan persamaan: Qmtr = Po x Fm x

………………………………………………………….(2.12)

dengan, Qmtr

= Beban kalor dari motor

Po

= Daya output motor (W)

Fm

= Faktor koreksi, tergantung pada posisi motor dan beban yang digerakannya, bisa dibaca di tabel Dossat 10-13

tm

= Lamanya motor bekerja (jam)


16



17

BAB II LANDASAN TEORI. 2.1 Sistem Pendinginan Tidak Langsung (Indirect System)

Recommend Documents