BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Pendahuluan
Refrigerasi adalah proses pengambilan kalor atau panas dari suatu benda atau
ruang tertutup untuk menurunkan temperaturnya. Kalor adalah salah satu bentuk dari
energi, sehingga mengambil kalor pada suatu benda sama dengan mengambil
sebagian energi dari molekul-molekulnya.
Suatu mesin refrigerasi akan mempunyai tiga sistem terpisah, yaitu: Sistem refrigerasi. Sumberdaya untuk menggerakkan kompressor, yang biasanya berupa motor listrik. Sistem kontrol untuk menjaga suhu benda atau ruangan seperti yang diinginkan. Mesin refrigerasi dapat berupa lemari es pada rumah tangga, mesin pembeku
(freezer), pendingin buah dan sayuran pada supermarket, mesin pembuat es krim, mesin pembuat es balok, mesin pembeku daging dan ikan., dan sebagainya. Peralatan ini bisa dijumpai dari skala kecil pada rumah tangga hingga skala besar pada aplikasi komersial dan industri. Di samping itu, sistem refrigerasi kompresi uap juga digunakan pada aplikasi tata udara. Pada aplikasi tata udara untuk hunian manusia, mesin yang digunakan dapat ditemui mulai dari skala kecil seperti AC window dan AC split, sampai dengan skala menengah dan besar seperti packaged rooftop air conditioner, water-coolled chiler, dan air-cooled chiller. 2.2 Siklus Refrigerasi Kompresi Uap Siklus mesin refrigerasi kompresi uap adalah sistem refrigerasi yang paling banyak digunakan pada mesin pendingin, karena sistem refrigerasi ini mempunyai komponen-komponen yang lebih sederhana jika dibandingkan dengan sistem refrigerasi yang lain. Komponen – komponen utama yang terdapat pada sistem refrigerasi kompresi uap adalah: kompresor, kondensor, katup ekspansi atau pipa kapiler, dan evaporator, seperti diperlihatkan pada Gambar 2.1. II-1
II-2
Kompresor mengisap refrigeran yang diuapkan di dalam evaporator.
Uap
refrigeran tersebut kemudian ditekan sampai mencapai tingkat keadaan mudah
diembunkan di dalam kondensor, sehingga refrigerant menjadi cair yang akan menuju alat katup ekspansi dan kemudian masuk kembali di dalam evaporator.
Proses- proses termodinamika siklus refrigerasi kompresi uap ideal
dapat
digambarkan pada Gambar 2.2.
Gambar 2.1 Diagram instalasi mesin pendingin kompresi uap
Gambar 2.2 Diagram proses sistem pendingin kompresi uap
Proses 1-2: Proses kerja kompresi isentropik di dalam kompresor. Proses 2-3: Proses kondensasi (pengembunan) di dalam kondensor pada tekanan tetap. Proses 3-4: Proses penurunan tekanan di dalam pipa kapilar atau katup ekspansi berlangsung pada entalpi tetap. Proses 4-1: Proses evaporasi (penguapan) di dalam evaporator pada tekanan tetap dan dihasilkan efek pendinginan.
II-3
2.3 Komponen Utama Mesin Pendingin
Seperti sudah disebutkan di atas bahwa ada 4 komponen utama dari suatu mesin
pendingin/refrigerasi, yaitu:
1. Evaporator
2. Kompressor 3. Kondenser
4. Alat Ekspansi (Metering Device)
Semua komponen tersebut dihubungkan oleh suatu sistem pemipaan seperti ditunjukkan pada gambar 2.3.
Gambar 2.3 Sistem pemipaan pada siklus refrigerasi
Dari gambar di atas terlihat rangkaian pemipaan dari suatu sistem refrigerasi. Evaporator dihubungkan dengan kompresor melalui saluran isap atau suction line. Dari kompreor dihubungkan ke kondenser melalui saluran buang atau discharge line. Kemudian dari kondenser dihubungkan ke katup ekspansi atau expansion valve. Pada saluran yang menghubungkan antara kondenser dan katup ekspansi biasa di pasang filter dryer untuk menyaring kotoran dan menghilangkan uap air yang kemungkinan masih tertinggal pada sistem refrigerasi. Terakhir katup ekspansi dihubungkan dengan evaporator.
II-4
2.3.1 Evaporator
Evaporator adalah komponen yang digunakan untuk mengambil kalor dari
ruangan atau suatu benda yang bersentuhan dengannya. Pada evaorator terjadi pendidihan (boiling) atau penguapan (evaporation), atau perubahan fasa refrigeran dari cair menjadi uap. Refrigeran umumnya mempunyai titik didih yang rendah.
Sebagai contoh, refrigeran 22 (R22) memiliki titik didih -41 oC. Dengan demikian,
refrigeran mampu menyerap kalor pada temperatur yang sangat rendah.
Gambar 2.4 Evaporator
Evaporator dapat berupa koil telanjang tanpa sirip (bare pope coil), koil bersirip (finned coil), pelat (plate evaporator), shell and coil, atau shell and tube evaporator. 2.3.2 Kompressor Kompresor dikenal sebagai “jantung” dari suatu sistem refrigerasi dan digunakan untuk menghisap dan menaikkan tekanan uap refrigeran yang berasal dari evaporator. Bagian pemipaan yang menghubungkan antara evaporator dengan kompressor dikenal dengan saluran hisap (suction line). Penambahan tekanan uap denga kompresor ini dimaksudkan agar refrigeran dapat mengembun pada temperatur yang relatif tinggi. Refrigeran yang keluar dari kompresor masih berfasa uap dengan tekanan tinggi. Perbandingan antara absolut tekanan buang (discharge pressure) dan tekanan isap (suction pressure) disebut dengan rasio kompressi (compression ratio).
II-5
Gambar 2.5 Kompressor
Kompresor
pada
sistem
refrigerasi
dapat
berupa
kompresor
torak
(reciprocating compressor), rotary, screw, dan centrifugal. Kompresor yang paling umum dijumpai dan terdapat dalam berbagai tingkat kapasitas adalah kompresor torak. Refrigeran yang masuk ke kompresor harus benar-benar berfasa uap. Adanya cairan yang masuk ke kompresor dapat merusak piston, silinder, piston ring, dan batang torak. 2.3.3 Kondenser
Gambar 2.6 Kondenser
Kondenser berfungsi untuk mengembunkan atau mengkodensasikan refrigeran bertekana dan bertemperatur tinggi dari kompresor. Pemipaan yang menghubungkan
II-6
kompresor dengan kondenser dikenal dengan saluran buang (discharge line). antara
Dengan demikian, pada kondenser terjadi perubahan fasa refrigeran dari uap menjadi
cair. Perubahan fasa dari uap ke cair ini selalu disertai dengan pembuangan kalor ke lingkungan. Pada kondenser berpendingin udara (air cooled condenser), pembuangan
kalor dilakukan ke udara. Pada kondenser berpendingin air (water cooled condenser), pembuangan kalor dilakukan ke air.
2.3.4 Alat Ekspansi (Metering Device)
Gambar 2.7 Alat ekspansi (Metering Device)
Komponen ini berfungsi memberi catu cairan refrigeran dalam tekanan rendah evaporator sesuai dengan kebutuhan. Pada alat ekspansi terjadi penurunan tekanan refrigeran akibat adanya penyempitan aliran. Alat ekspansi dapat berupa pipa kapiler, katup ekspansi termostatik (TXV, Thermostatic Expansion Valve). 2.4 Komponen Pendukung Mesin Pendingin 2.4.1
Solenoid Valve
Gambar 2.8 Solenoid valve
II-7
Pada sistem refrigerasi, solenoid valve atau katup ekspansi dapat digunakan
untuk menyekat aliran refrigeran pada saat sistem tidak sedang bekerja.
2.4.2
Filter Dryer
Gambar 2.9 Filter dryer
Komponen ini berfungsi menyaring kotoran dan menghilangkan uap air yang kemungkinan masih tertinggal pada sistem refrigerasi. Filter dryer dipasang pada liquid line, yakni saluran yang menghubungkan antara keluaran kondenser dengan alat eskpansi. 2.4.3
Sight Glass
Gambar 2.10 Sight glass
Alat ini digunakan untuk mengamati secara visual kondisi refrigeran pada liquid line. Apabila pada sight glass terlihat ada gelembung, berarti kondensasi pada kondenser tidak berlangsung secara sempurna. Selain itu, dari warna yang tampak pada alat ini dapat dilihat apakah refrigeran pada sistem refrigeran masih mengandung uap air atau tidak.
II-8
2.4.4 Access Port/Service Port
Gambar 2.11 Access port
Alat ini digunakan untuk keperluan pemvakuman dan pengisian refrigeran. Alat
ini juga bisa digunakan untuk keperluan pumpdown.
2.4.5
Liquid Receiver
Gambar 2. 12 Liquid receiver
Alat ini digunakan untuk menampung refrigeran cair yang berasal dari kondenser. Liquid receiver dipasang pada liquid line, sebelum filter dryer dan sight glass. 2.4.6 Refrigeran
Gambar 2.13 Refrigeran R-134a
II-9
Refrigeran adalah senyawa yang dapat berubah fasa secara cepat dari uap
menjadi cair, atau pun sebaliknya. Jenis bahan pendingin sangat beragam. Setiap jenis
bahan pendingin memiliki karakteristik yang berbeda. CFC (Chloro-Fluoro-Carbon) alias R22 memegang peranan penting dalam
sistem refrigerasi, sejak ditemukan pada tahun 1930. Hal ini dikarenakan CFC memiliki
properti fisika dan termal yang baik sebagai refrigeran, stabil, tidak mudah terbakar, tidak beracun dan kompatibel terhadap sebagian besar bahan komponen dalam sistem refrigerasi.
R-134a sebagai salah satu alternatif memiliki beberapa properti yang baik, tidak
beracun, tidak mudah terbakar dan relatif stabil. R-134a juga memiliki kelemahan di
antaranya, tidak bisa dijadikan pengganti R-12 secara langsung tanpa melakukan modifikasi sistem refrigerasi (drop in subtitute), relatif mahal, dan masih memiliki potensi sebagai zat yang dapat menyebabkan efek pemanasan global karena memiliki Global Warming Potential (GWP) yang signifikan. Selain itu R-134a sangat bergantung kepada pelumas sintetik yang sering menyebabkan masalah dengan sifatnya yang higroskopis. Tabel 2.1 Perbandingan sifat-sifat dasar refrigeran R-12 dengan R-134a
II-10
Persyaratan bahan pendingin (Refrigerant):
1. Tidak beracun, berwarna dan berbau
2. Bukan termasuk bahan yang mudah terbakar. 3. Bukan penyebab korosif 4. Dapat bercampur dengan minyak pelumas kompresor
5. Memiliki struktur kimia yang stabil 6. Memiliki titik didih yang rendah 7. Memiliki tekanan kondensasi yang rendah 8. Memiliki tingkat penguapan yang rendah 9. Memiliki kalor laten yang rendah
10. Memiliki harga yang relatif murah. 2.5 Komponen/Peralatan Kontrol Peralatan kontrol pada sistem refrigerasi umumnya digunakan untuk pengaman dan menjaga temperatur/kelembaban yang konstan pada harga yang diinginkan. 2.5.1 Thermostat
Gambar 2.14 Termostat
Termostat merupakan alat kontrol yang digunakan untuk menjaga temperatur ruangan atau produk pada kisaran harga yang diinginkan. 2.5.2 HLPSTAT HLPSTAT (High-Low Pressurestat) adalah alat kontrol yang memiliki fungsi menjaga sistem agar bekerja pada kisaran tekanan yang diinginkan. Alat ini pada dasarnya memiliki dua bagian utama, yaitu HPSTAT dan LPSTAT. HPSTAT (High
II-11
Pressurestat) berfungsi menhentikan kerja sistem refrigerasi apabila tekanan buang
kompresor (discharge pressure) terlalu tinggi. LPSTAT (Low Pressurestat) berfungsi
menghentikan kerja sistem refrigerasi apabila tekanan isap kompresor (suction pressure) terlalu rendah. Tekanan buang yang terlalu tinggi maupun tekanan isap
yang terlalu rendah, keduanya akan merugikan.
2.5.3 Motor Overload Protection
Semua kompresor yang berjenis hermetik harus dilengkapi dengan pengaman yang dapat melindungi motor dari pemanasan yang berlebihan apapun penyebabnya.
Pengaman jenis ini pada umumnya dirancang untuk dapat dipasang langsung pada motor dan memiliki hantaran termal yang baik. Dengan demikian, peralatan ini tidak
saja sensitif terhadap pemanasan akibat arus yang berlebih, namun juga pemanasan yang diakibatkan oleh tekanan buang yang terlalu tinggi dan sebab-sebab lainnya. Pengaman ini berbeda dengan starting relay, yang hanya dapat memberikan pengaman terhadap arus berlebih, namun tak dapat melindungi motor dari pemanasan yang berlebihan. 2.6 Kinerja Sistem Refrigerasi Kompresi Uap 2.6.1 Proses Kompresi Proses ini berlangsung pada kompresor, dimana uap refrigeran dari evaporator dengan tekanan dan temperatur yang rendah akan dihisap oleh kompresor melalui saluran isap (suction) dan selanjutnya refrigeran akan dimampatkan sehingga tekanannya menjadi tinggi, dan refrigeran bertekanan dan bertemperatur tinggi ini akan melalui saluran keluar (discharge) dan keluar dari kompresor. Proses ini terjadi secara isentropik, yaitu proses dilakukan pada entropi yang konstan dan berdasarkan proses siklus pada gambar diagram P-h diatas, besarnya kalor yang diperlukan adalah :
wk = ( h2 - h1 )......................................................................(1) dimana :
wk = Besarnya kerja kompresi ( kJ/kg ) h1 = Entalpi refrigeran saat masuk kompresor ( kJ/kg ) h2 = Entalpi refrigeran saat keluar kompresor ( kJ/kg )
II-12
2.6.2 Proses Kondensasi Uap refrigeran yang bersuhu dan bertekanan tinggi yang keluar dari kompresor
akan mengembun di kondensor sehingga dengan demikian terjadi perubahan fasa refrigeran dari refrigeran uap menjadi refrigeran cair. Untuk dapat melakukan proses pengembunan tersebut refrigeran akan melepaskan kalor ke lingkungan (udara). Proses kondensasi ini berlangsung dalam keadaan tekanan konstan (isobarik ). Besarnya kalor yang dilepaskan refrigeran di kondensor dinyatakan sebagai berikut:
qc = ( h2 - h3 )..................................................................(2)
Dimana :
h2 = Entalpi refrigeran saat masuk kondensor( kJ/kg )
qc = Besarnya kalor yang dilepaskan ke kondensor ( kJ/kg ) h3 = Entalpi refrigeran saat keluar kondensor ( kJ/kg )
2.6.3 Proses Ekspansi Refrigeran yang telah mengalami kondensasi pada kondensor akan berfasa cair dan akan masuk katup ekspansi atau pipa kapiler yang berfungsi sebagai pengatur laju aliran refrigeran dan menurunkan tekanan. Dalam katup ekspansi ini akan berlangsung proses secara entalpi tetap (isoentalpi) yang berarti pada proses ini tidak terjadi perubahan entalpi tetapi terjadi perubahan tekanan dan suhu, sehingga :
h3 = h4 ............................................................................(3) 2.6.4 Proses Evaporasi Proses evaporasi ini berlangsung pada evaporator. Tekanan dan suhu cairan refrigeran yang diturunkan pada katup ekspansi, didistribusikan secara merata ke dalam pipa evaporator, oleh distributor refrigeran. Dalam hal tersebut refrigeran akan menguap dan menyerap kalor dari udara ruangan yang dialirkan melalui permukaan luar pipa evaporator. Jadi, cairan refrigeran menguap secara berangsur – angsur karena menerima kalor sebanyak kalor laten penguapan, selama mengalir di dalam setiap pipa koil evaporator. Selama proses penguapan itu, di dalam pipa akan terdapat campuran refrigeran dalam fasa campuran cair dan gas. Dalam keadaan tersebut, tekanan dan suhu penguapannya tetap. Oleh karena itu suhu dapat dicari dengan mengukur tekanan refrigeran di dalam evaporator. Besarnya kalor yang diserap oleh evaporator adalah :
qe = ( h1 - h4 )...................................................................(4) Dimana :
qe = Besarnya kalor yang diserap di evaporator ( kJ/kg ) h1 = Entalpi refrigeran saat keluar dari evaporator ( kJ/kg )
II-13
h4 = Entalpi refrigeran saat masuk ke evaporator ( kJ/kg )
2.6.5 Koefisien Kinerja, COP
Koefisien
kinerja,
COP
dapat
diartikan
sebagai
perbandingan
yang
sesungguhnya terjadi antara besarnya kalor yang diserap di evaporator dengan kerja
yang dilakukan oleh kompresor. Besarnya COP dapat dihitung dengan persamaan :
COP =
–
..............................................................(5)
2.6.6 Laju Massa Refrigeran Laju massa refrigeran, mRef (kg/s) adalah perbandingan antara besarnya
kapasitas/beban pendinginan (kW) dengan efek pendinginan (kJ/kg) yang dihasilkan,
mRef (kg/s) =
......................................(6)
2.6.7 Daya Kompresor Daya kompresor, wk (kW) dapat dihitung dengan persamaan,
wk [kW] = mRef [kg/s]. wk [kJ/kg] .............................................(7)
