BAB II LANDASAN TEORI
2.1 Pengertian Umum Chiller
atau
mesin
refrigerasi
adalah
peralatan
yang
biasanya
menghasilkan media pendingin utama untuk bangunan gedung, dengan mengkonsumsi energi secara langsung berupa energi listrik, termal atau mekanis, untuk menghasilkan air dingin (chilled water) dan membuang kalor ke udara (atmosfir) melalui menara pendingin (cooling tower) atau kondensor. Air dingin yang dihasilkan selanjutnya didistribusikan ke mesin penukar kalor yaitu FCU (Fan Coil Unit) atau AHU (Air Handling Unit). Dalam sistem pengkondisian udara, chiller berfungsi untuk memproduksi air sejuk yang akan didistribusikan ke AHU dan FCU. Komponen udara chiler yaitu kompresor, kondensor, katup ekspansi dan evaporator. 2.2 Sistem Pengkondisian Udara sentral Sistem pengkondisian udara sentral banyak digunakan pada gedunggedung besar. Udara ruangan didinginkan oleh suatu mesin refrigerasi, kemudian disalurkan ke ruangan-ruangan melalui saluran udara (ducting). Pada rsistem ini letak ruang AHU, mesin chiller, dan menara pendingin terpisah dengan ruangan-ruangan yang akan dikondisikan.
6
1. Komponen sistem pengkondisian udara sentral Komponen utama sistem pengkondisian sentral yaitu mesin chiller, menara pendingin, dan terminal unit. Pompa diperlukan sebagai pendorong fluida kerja yang bersikulasi pada sistem ini. Komponenkomponen tambahan yang diperlukan agar sistem ini bekerja dengan lebih baik
diantaranya
adalah
thermostat,
pressurestat,
humiditystat,
thermometer, pressure gauge, flow switch, serta peralatan-peralatan kontrol lainnya.
1 3
2
Gambar 2.1 Komponen sistem pengkondisian udara sentral Keterangan gambar: 1. Flow switch 2. Pressure gauge 3. Termometer 2. Terminal Unit Terminal unit dipasang pada sistem pengkondisian udara yang memiliki banyak ruangan dengan fungsi yang berbeda-beda. Pemasangan terminal unit dipilih karena faktor ekonomis. Bila salah satu ruangan yang
7
dikondisikan tidak memerlukan pendinginan, maka hanya terminal unit itu saja yang matikan sehingga kerja chiller berkurang dan menghemat daya listrik. Yang termasuk dalam terminal unit yaitu: -
AHU (air handling unit)
-
FCU (fan coil unit)
-
Unit ventilasi
-
VAV (variable air volume)
AHU (air handling unit) AHU merupakan terminal unit yang digunakan untuk mendinginkan atau memanaskan ruangan. Unit ini menggunakan air sebagai media penukar kalor dan dipakai pada beban pendinginan yang besar. Unit ini biasanya ada 2 macam, yaitu unit pendingin dan pemanas (cooling and heating) dan unit pendingin saja (cooling only). Air dingin diproduksi oleh mesin chiller sedang air panas diproduksi oleh boiler. Pada AHU udara ruangan dihisap melalui saluran udara dan dicampur dengan udara luar pada ruang koil pendingin, kemudian udara didistribusikan keruangan melalui saluran udara. Komponen-komponen pada AHU yaitu: casing, koil pendingin, filter udara dan fan blower.
Gambar 2.2 Detail AHU (Sumber: https://filterac.wordpress.com/2013/07/06/posisi-pre-filter/)
8
FCU (fan coil unit) Prinsip kerja FCU sama dengan prinsip kerja AHU, namun kapasitas pendinginan dari FCU lebih kecil dari AHU. FCU di tempatkan langsung di dalam ruangan yang dikondisikan. Komponen FCU terdiri dari casing, koil pendingin, filter udara dan fan blower.
Gambar 2.3 Detail FCU (Sumber: http://www.caice.co.uk/home/content/cheetah-fan-coilunits.html)
2.3 Komponen Utama Sistem Pendingin 1. Kompresor Kompresor atau pompa isap mempunyai fungsi yang vital. Dengan adanya kompresor, refrigeran bisa mengalir ke seluruh sistem pendingin. Sistem kerjanya adalah dengan mengubah tekanan, sehingga terjadi perbedaan tekanan yang memungkinkan refrigeran mengalir (berpindah) dari sisi bertekanan rendah ke sisi bertekanan tinggi.
9
Gambar 2.4 Kompresor pada chiller (Sumber: http://www.thermalcare.com/central-chillers/tc-series-centralchillers.php) Ketika bekerja, refrigeran yang dihisap dari evaporator dengan suhu dan tekanan rendah dimampatkan sehingga suhu dan tekanannya naik. Gas yang dimampatkan ini ditekan keluar dari kompresor lalu dialirkan ke kondensor. Jenis kompresor yang banyak digunakan adalah kompresor torak, kompresor rotary, kompresor sudu, dan kompresor sentrifugal. a. Kompresor torak (Reciprocating compressor) Pada saat langkah hisap piston, gas refrigeran yang bertekanan rendah ditarik masuk melalui katup hisap yang terletak pada piston atau di kepala kompresor. Pada saat langkah buang, piston menekan refrigeran dan mendorongnya keluar melalui katup buang, yang biasanya terletak pada kepala silinder. b. Kompresor rotary Rotor adalah bagian yang berputar didalam stator, rotor terdiri dari dua baling-baling. Langkah hisap terjadi saat katup mulai terbuka dan berakhir setelah katup tertutup. Pada waktu katup sudah tetutup dimulai langkah tekan sampai katup pengeluaran membuka,
10
sedangkan pada katup secara bersamaan sudah terjadi langkah hisap, demikian seterusnya. c. Kompresor sudu Kompresor jenis ini kebanyakan digunakan untuk lemari es, freezer, dan pengkondisan udara rumah tangga, juga digunakan sebagai kompresor pembantu pada bagian tekanan rendah sistem kompresi bertingkat besar. 2. Kondensor Kondensor memindahkan kalor dari refrigerant ke lingkungan agar uap referigrant yang bertekanan dan bersuhu tinggi mudah dicairkan. Uap referigerant yang bertekanan dan bersuhu tinggi dari kompresor diambil panasnya oleh air pendingin atau udara pendingin yang ada di kondensor, sehingga uap referigerant mengembun dan mencair. Uap referigerant ynag telah mencair kemudian dialirkan ke evaporator melalui katup ekspansi. Berdasarkan media pendinginannya kondensor dibagi menjadi 3 macam, yaitu a. Kondensor berpendingin air (Water cooled condensor) Water cooled condensor dibedakan menjadi 3 jenis yakni shell and tube, shell and coil, double tube. 1) Shell and Tube Salah satu jenis alat penukar kalor yang menurut kontruksinya dicirikan oleh adanya sekumpulan pipa (tabung) yang dipasangkan didalam shell (pipa galvanis) yang berbentuk silinder dimana 2 jenis fluida saling bertukar kalor yang mengalir secara terpisah (air dan freon). 2) Shell and Coil Terdiri dari sebuah cangkang yang dilas elektrik dan berisi koil air, kadang-kadang juga dengan pipa bersirip.
11
3) Double Tube Refrigeran mengembun diluar pipa dan air mengalir dibagian dalam pipa pada arah yang berlawanan. Double tube digunakan dalam hubungan dengan cooling tower dan spray pond. b. Kondensor berpendingin udara (air cooled condensor) Dalam Air-cooled condensor, kalor dipindahkan dari refrigeran ke udara dengan menggunakan sirkulasi alamiah atau paksa. Kondensor dibuat dari pipa baja, tembaga dengan diberi sirip untuk memperbaiki transfer kalor pada sisi udara. Refrigeran mengalir didalam pipa dan udara mengalir diluarnya. Air-cooled condensor hanya digunakan untuk kapasitas kecil seperti refrigerator dan small water cooler. c. Kendensor berpendingin air dan udara (air and water cooled condensor/Evaporative condensor) Refrigeran pertama kali melepaskan kalornya ke air kemudian air melepaskan kalornya ke udara dalam bentuk uap air. Udara meninggalkan uap air dengan kelembaban yang tinggi seperti dalam cooling tower. Oleh karena itu kondensor evaporative menggabungkan fungsi dari sebuah kondensor dan cooling tower. Evaporative condensor banyak digunakan dipabrik amoniak. Kondensor yang digunakan disini adalah jenis water cooled kondensor tipe shell and tube, karena lebih mudah dalam menganalisa temperatur jika dibandingkan dengan Air cooled condensor yang sering terjadi fluktuasi pada temperaturnya. Water cooled condensor ini ditempatkan di antara kompresor dan alat pengatur bahan pendingin
(pipa
kapiler).
Posisinya
ditempatkan
berhubungan
langsung dengan udara luar agar gas di dalam kondensor juga didinginkan oleh suhu ruangan. Gas yang berasal dari kompresor memiliki suhu dan tekanan tinggi, ketika mengalir di dalam pipa kondensor, gas mengalami
12
penurunan suhu hingga mencapai suhu kondensasi kemudian mengembun. Wujud gas berubah menjadi cair dengan suhu rendah sedangkan tekanannya tetap tinggi. 3. Evaporator Evaporator berfungsi menyerap panas dari lingkungan dan disalurkan ke referigrant, sehingga referigrant cair akan menjadi uap. Uap refrigerant yang bertekanan rendah yang bertekanan rendah dikumpulkan dalam penampung uap kemudian dihisap oleh kompresor. Panas udara sekeliling diserap evaporator yang menyebabkan suhu udara disekeliling evaporator turun. Suhu udara yang rendah ini dipindahkan ketempat lain dengan jalan dihembus oleh kipas, yang menyebabkan terjadinya aliran udara.
Gambar 2.5 Evaporator pada chiller Ada
beberapa
macam
evaporator,
sesuai
dengan
tujuan
penggunaannya dan bentuknya dapat berbeda-beda. Hal tersebut disebabkan karena media yang hendak didinginkan dapat berupa gas, cairan atau padat. Maka evaporator dapat dibagi menjadi beberapa golongan, sesuai dengan refrigeran yang ada di dalamnya, yaitu : jenis ekspansi kering, jenis setengah basah, jenis basah, dan sistem pompa cairan.
13
a. Jenis ekspansi kering Dalam
jenis
ekspansi
kering,
cairan
refrigeran
yang
diekspansikan melalui katup ekspansi pada waktu masuk ke dalam evaporator sudah dalam keadaan campuran cair dan uap, sehingga keluar dari evaporator dalam keadaan uap air. b. Evaporator jenis setengah basah Evaporator jenis setengah basah adalah evaporator dengan kondisi refrigeran diantara evaporator jenis ekspansi kering dan evaporator jenis basah. Dalam evaporator jenis ini, selalu terdapat refrigeran cair dalam pipa penguapnya. c. Evaporator jenis basah Dalam evaporator jenis basah, sebagian besar dari evaporator terisi oleh cairan refrigeran. Perpindahan Kalor di dalam Evaporator Perpindahan panas yang terjadi pada evaporator adalah konveksi paksa yang terjadi di dalam dan di luar tabung serta konduksi pada tabungnya. Perpindahan panas total yang terjadi merupakan kombinasi dari ketiganya. Harga koefisien perpindahan panas menyeluruh dapat ditentukan dengan terlebihi dahulu menghitung koefisien perpindahan kalor pada sisi refrigeran dan sisi udara yang telah dijelaskan sebelumnya. Selanjutnya koefisien perpindahan panas total dihitung berdasarkan luas permukaan dalam pipa dan berdasarkan luas permukaan luar pipa. 4. Katup ekspansi Komponen utama yang lain untuk mesin refrigerasi adalah katup ekspansi. Katup ekspansi berfungsi menurunkan tekanan dan temperatur cairan referigrant sampai tekanan dan temperaturnya menjadi rendah, sehingga cairan referigrant mudah menguap. Katup ekspansi ini dipergunakan untuk menurunkan tekanan dan untuk mengekspansikan secara adiabatik cairan yang bertekan dan bertemperatur tinggi sampai mencapai tingkat tekanan dan temperatur rendah, atau mengekspansikan
14
refrigeran cair dari tekanan kondensasi ke tekanan evaporasi, refrigeran cair diinjeksikan keluar melalui oriffice, refrigeran segera berubah menjadi kabut yang tekanan dan temperaturnya rendah. Selain itu, katup ekspansi juga sebagai alat kontrol refrigerasi yang berfungsi : a. Mengatur jumlah refrigeran yang mengalir dari pipa cair menuju evaporator sesuai dengan laju penguapan pada evaporator. b. Mempertahankan perbedaan tekanan antara kondensor dan evaporator agar penguapan pada evaporator berlangsung pada tekanan kerjanya.
Gambar 2.6 Katup ekspansi (Sumber: http://nasateknik76.blogspot.com/2011/09/dasar-sistemrefrigasi-air-conditioning.html) Ada beberapa jenis katup ekspansi, diantaranya : a. Automatic expansion valve b. Thermostatic expansion valve c. Katup apung sisi tekanan tinggi d. Katup apung sisi tekanan rendah e. Manual expansion valve f. Pipa kapiler g. Thermoelektric expansion vavlve 15
h. Elektronic expansion valve Katup ekspansi yang biasanya digunakan adalah katup ekspansi thermostatic yang dapat mengatur laju aliran referigrant yang masuk kedalam evaporator. Untuk mesin-mesin AC kapasitas kecil menggunakan katub ekspansi jenis pipa kapiler karena beban yang didinginkan relative konten dan harganya relative murah. 2.4 Mesin chiller Dalam sistem pengkondisian udara, chiller berfungsi untuk memproduksi air sejuk yang akan didistribusikan ke AHU dan FCU. Komponen udara chiler yaitu kompresor, kondensor, katup ekspansi dan evaporator. Berdasarkan media pendingin referigrant yang dipakai, chiller dibagi menjadi 2 macam, yaitu : chiller berpendingin udara (Air cooled chiller) dan chiller berpendingin air (Water Cooled Chiller).
Gambar 2.7 Chiller Air cooled (Sumber: http://audit-energi.blogspot.com/)
16
Chiller berpendingin udara menggunakan udara sebagai media pendingin referigrant. Tipe ini digunakan untuk beban pendingin yang relative rendah (dibawah 500 ton). Keuntungan dari tipe ini diantaranya adalah:
a. Harga lebih murah dan perawatan lebih mudah. b. Biaya desain dan pemasangan lebih murah karena tidak menggunakan menara pendingin (cooling tower).
Gambar 2.8 Komponen chiller air cooled (Sumber: http://www.advantageengineering.com/fyi/207/advantageFYI207.php)
Gambar 2.9 Chiller Water cooled
17
Chiller berpendingin air menggunakan air sebagai media pendingin referigrant. Tipe ini digunakan untuk kapasitas yang lebih besar. Tipe ini memerlukan menara pendingin (cooling tower) untuk mendinginkan air pendingin referigrant. Keuntungan tipe ini adalah: a. Memiliki efisiensi yang tinggi sehingga menghemat daya listrik yang dipakai. b. Umur pakai relative lebih lama dibandingkan tipe berpendingin udara. Sedangkan kelemahan yang dimiliki tipe ini yaitu harganya lebih mahal dan perawatannya lebih sulit.
Gambar 2.10 Komponen chiller water cooled (Sumber: http://www.advantageengineering.com/fyi/206/advantageFYI206.php) Temperatur air yang bersirkulasi dalam chiller pada umumnya adalah: a. Air keluar dari evaporator pada suhu 41°F – 45°F b. Air masuk ke evaporator pada suhu 50°F - 54°F c. Air keluar dari kondensor pada suhu 99°F - 104°F
18
d. Air masuk kek kondensor pada suhu 90°F Besarnya laju aliran air (water flow rate) dalam kondensor dan evaporator dapat ditentukan dengan rumus berikut: 𝐺𝑃𝑀𝐸𝑉𝐴𝑃 =
𝑇𝑂𝑁𝑆 𝑥 24 ∆𝑇
…………………………..………………… (2.1)
𝐺𝑃𝑀𝐾𝑂𝑁𝐷 =
𝑇𝑂𝑁𝑆 𝑥30
…………………………..………………… (2.2)
∆𝑇
Dimana : GPM
= laju aliran (Gallons per Minute).
∆T
= beda temperatur (°F), umumnya diambil ±10°F.
TONS
= beban pendingin (Tons Referigrant / TR)
GPM EVAP
= laju aliran air dalam evaporator (GPM)
(Sumber : HVAC Equation, data, and rules of thumb Handbook). 2.5 Menara Pendingin (Colling Tower)
Gambar 2.11 Menara pendingin Menara pendingin (cooling tower) berfungsi mendinginkan air dari kondensor chiller. Berdasarkan arah laju udara dan laju airnya, menara pendingin dibedakan menjadi 2 macam, yaitu cross flow (XF) dan counter flow (CF). sedangkan berdasarkan percepatan fannya cooling tower terdiri dari:
19
-
Force draft (FD) horizontal dan vertikal
-
Induced draft (ID)
Komponen – komponen utama cooling tower, yaitu: -
Fill
-
Struktur (Framework)
-
Casing
-
Upper basin
-
Louver
-
Fan dan Motor
Gambar 2.12 Komponen menara pendingin (Sumber: http://www.harrisoncoolingtower.com/frp_circle_cooling_tower.html) 2.6 Beban pendingin Beberapa faktor yang perlu diperhatikan pada waktu melakuan perhitungan beban pendinginan dan penentuan perlengkapan sistem tata udara serta sistem control, antara lain: penggunaan atau fungsi ruang, jenis konstruksi bangunan, pola beban pengkondisian, kondisi dalam ruangan.
20
Pada tahap perencanaan, perhitungan beban pendinginan yang tepat harus dilakukan karena hasil perhitungan beban pendinginan yang tepat akan menjadi dasar untuk pemilihan jenis dan kapasitas peralatan pendinginan. Beban kalor gedung secara umum ada 2 macam, yaitu kalor sensible dan kalor laten. Beban kalor sensibel dan laten dalam ruangan berasal dari beban pendingin luar (external cooling load), dan beban pendingin dalam (internal cooling load). 1. Beban Kalor Sensibel Kalor sensibel adalah kalor yang berhubungan dengan perubahan temperatur dari udara. Penambahan kalor sensibel yang secara langsung masuk dan ditambahkan ke dalam ruangan yang dikondisikan melalui konduksi, konveksi, dan radiasi. a. Beban pendinginan luar (external cooling load) Beban pendinginan ini terjadi karena adanya penambahan kalor dari ruangan melalui selubung bangunan (building envelope), atau kerangka bangunan (building shell) dan dinding partisi. Sumber kalor luar yang termasuk dalam beban ini adalah: 1) Beban kalor melalui kaca Perolehan panas melalui kaca dan tirai dihitung pada saat terjadi perpindahan panas terbesar. Perolehan panas ini disebabkan oleh panas sinar matahari yang diserap oleh kaca dan beda temperatur antara kondisi luar ruang dan dalam ruangan. 2) Beban Kalor Melalui Dinding Perolehan panas (Heat Gain) melalui dinding dihitung pada saat terjadi perpindahan panas terbesar. Perolehan panas ini disebabkan oleh panas sinar matahari yang diserap oleh permukaan dinding dan oleh beda temperatur antara kondisi luar ruang dan dalam ruangan.
21
3) Beban Kalor Melalui Langit – langit Perhitungan beban kalor langit–langit dihitung pada saat perpindahan panas terbesar melalui atap yang terkena radiasi matahari. 4) Beban Kalor Melalui Infiltrasi Ruangan Perhitungan beban kalor melalui infiltrasi ruangan dihitung sesuai kecepatan udara yang masuk kedalam ruangan, selain kecepatan udara, infiltrasi juga dipengaruhi oleh kerapatan jendela dan pintu. b. Beban pendinginan dalam (internal cooling load) Beban ini terjadi karena dilepaskannya kalor sensibel maupun kalor laren dari sumber yang ada dalam ruangan yang dikondisikan. Sumber kalor yang masuk dalam beban ini adalah : 1) Penghuni Jumlah orang didalam gedung diperkirakan sekitar 50 orang, dengan perbandingan 50:50 jumlah perempuan 25 orang dan jumlah laki-laki 25 orang. Besarnya beban sensibel jika penghuninya duduk santai dapat diketahui. 2) Lampu Jumlah lampu didalam gedung ini ada beberapa jenis lampu diasumsikan menggunakan lampu yang setara. Besarnya beban sensibel lampu neon dapat diketahui. 3) Komputer Jumlah komputer didalam gedung mempengaruhi dari beban pendingin juga, besarnya beban sensibel komputer dan monitor dapat diketahui juga dengan perhitungan yang bergantung dari banyaknya komputer di gedung tersebut. 4) Beban Sensibel Ruangan Besarnya beban sensibel ruangan (RSH) akan didapat dengan menambahkan angka keamanan sebesar 2%. Didalam suatu
22
ruangan tentu terdapat kebocoran udara yang berasal dari peralatan atau kondisi udara yang tidak terkondisikan, maka disebut dengan beban tambahan (RSHS). 5) Beban udara ventilasi Beban ventilasi merupakan tambahan udara atau penambahan konsentrasi oksigen dari luar untuk mengurangi bau-bauan yang ada dalam ruangan. 2. Beban Kalor Laten Kalor laten adalah kalor yang berhubungan dengan perubahan fasa dari air. Penambahan kalor laten (laten heat gain) terjadi apabila ada penambahan uap air pada ruangan yang dikondisikan, misalnya karena penghuni ruangan atau peralatan yang menghasilkan uap. a. Infiltrasi Infiltrasi merupakan besarnya udara luar yang masuk kedalam ruangan mempengaruhi suhu udara dan tingkat kelembaban di ruangan tersebut. b. Penghuni Jumlah orang didalam gedung diperkirakan sekitar 50 orang, dengan perbandingan 50:50 jumlah perempuan 25 orang dan jumlah laki-laki 25 orang. Besarnya beban laten jika penghuninya duduk santai dapat diketahui dari (Carrier, hal.100 Tabel 48). Beban kalor laten perlu adanya penambahan angka keamanan sebesar 2%, maka besarnya beban disebut beban laten ruangan (RLH). c. Ventilasi Ventilasi merupakan tambahan udara atau penambahan konsentrasi oksigen dari luar atau sirkulasi dari luar ruangan.
23
2.7 Termodinamika Sistem Refrigerasi 1. Siklus Refrigerasi Carnot Siklus refrigerasi carnot merupakan kebalikan dari mesin carnot. Mesin carnot menerima energi kalor dari temperatur tinggi, energi kemudian diubah menjadi suatu kerja dan sisa energi tersebut dibuang ke sumber panas pada temperatur rendah. Sedangkan siklus refrigerasi carnot menerima energi pada temperatur rendah dan mengeluarkan energi pada temperatur tinggi. Oleh sebab itu pada siklus pendingin diperlukan penambahan kerja dari luar. Untuk Daur Refigerasi carnot ditunjukan pada Gambar 2.13.
Gambar 2.13 Daur refrigerasi carnot (Sumber: Hamidah,Retno 2010) Proses-proses yang membentuk daur refrigerasi carnot : a. Proses kompresi adiabtik (1-2) b. Proses pelepasan kalor isothermal (2-3) c. Proses ekspansi adiabatik (3-4) d. Proses penyerapan kalor isothermal (4-1) Tujuan utama dari daur ini adalah penyerapan kalor dari sumber bersuhu rendah pada proses 4-1 yaitu penyerapan kalor isothermal.
24
2. Siklus Kompresi Uap Standar (Teoritis) Siklus kompresi uap standar merupakan siklus teoritis, dimana pada siklus tersebut mengasumsikan beberapa proses sebagai berikut : a. Proses Kompresi Proses kompresi berlangsung dari titik 1 ke titik 2. Pada siklus sederhana diasumsikan refrigeran tidak mengalami perubahan kondisi selama mengalir dijalur hisap. Proses kompresi diasumsikan isentropik sehingga pada diagram tekanan dan entalpi berada pada satu garis entropi konstan, dan titik 2 berada pada kondisi super panas. Proses kompresi memerlukan kerja dari luar dan entalpi uap naik dari h1 ke h2, besarnya kenaikan ini sama dengan besarnya kerja kompresi yang dilakukan pada uap refrigeran. b. Proses Kondensasi Proses 2-3 merupakan proses kondensasi yang terjadi pada kondensor, uap panas refrigeran dari kompresor didinginkan oleh air sampai
pada
temperatur
kondensasi,
kemudian
uap
tersebut
dikondensasikan. Pada titik 2 refrigeran pada kondisi uap jenuh pada tekanan dan temperatur kondensasi. Proses 2-3 terjadi pada tekanan konstan, dan jumlah panas yang dipindahkan selama proses ini adalah beda entalpi antara titik 2 dan 3. c. Proses Ekspansi Proses ekspansi berlangsung dari titik 3 ke titik 4. Pada proses ini terjadi proses penurunan tekanan refrigeran dari tekanan kondensasi (titik 3) menjadi tekanan evaporasi (titik 4). Pada waktu cairan di ekspansi melalaui katup ekspansi atau pipa kapiler ke evaporator, temperatur refrigeran juga turun dari temperatur kondensat ke temperatur evaporasi. Proses 3-4 merupakan proses ekspansi adiabatik dimana entalpi fluida tidak berubah disepanjang proses. Refrigeran pada titik 4 berada pada kondisi campuran-uap.
25
d. Proses Evaporasi Proses 4-1 adalah proses penguapan yang terjadi pada evaporator dan berlangsung pada tekanan konstan. Pada titik 1 seluruh refrigeran berada pada kondisi uap jenuh. Selama proses 4-1 entalpi refrigeran naik akibat penyerapan kalori dari ruang refrigerasi. Besarnya kalor yang diserap adalah beda entalpi titik 1 dan titik 4 biasa disebut dengan efek pendinginan. Tekanan entalpi siklus kompresi uap standart ditunjukan pada Gambar 2.14.
Gambar 2.14 Diagram tekanan entalpi siklus kompresi uap standar (Sumber: Hamidah,Retno 2010) 3. Siklus Kompresi Uap Aktual Siklus kompresi uap yang sebenarnya (aktual) berbeda dari siklus standar (teoritis). Perbedaan ini muncul karena asumsi yang ditetapkan dalam siklus standar. Pada siklus aktual terjadi pemanasan lanjut uap refrigeran yang meninggalkan evaporator sebelum masuk ke kondensor. Pemanasan lanjut ini terjadi akibat tipe peralatan ekspansi yang di gunakan atau dapat juga karena penyerapan panas dijalur masuk (suction line) antara evaporator dan kompresor. Demikian juga pada refrigeran cair
26
mengalami pendinginan lanjut atau bawah dingin sebelum masuk katup ekspansi atau pipa kapiler. Keadaan diatas adalah peristiwa normal dan melakukan fungsi yang diinginkan untuk menjamin bahwa seluruh refrigeran yang memasuki kompresor atau alat ekspansi dalam keadaan 100 % uap atau cair. Perbedaan yang penting antara daur nyata (aktual) dan standar terletak pada penurunan tekanan dalam kondensor dan evaporator. Daur standar dianggap tidak mengalami penurunan tekanan pada kondensor dan evaporator, tetapi pada daur nyata terjadi penurunan tekanan karena adanya gesekan antara refrigeran dengan dinding pipa. Akibat dari penurunan tekanan ini, kompresor pada titik 1 dan 2 memerlukan lebih banyak kerja dibandingkan dengan daur standar. Untuk silkus aktual dan siklus standar ditunjukan pada gambar 2.15.
Gambar 2.15 Perbandingan siklus aktual dan siklus standar (Sumber: Hamidah,Retno 2010) Garis 4-1’ diperlihatkan penurunan tekanan yang terjadi pada refrigeran pada saat melewati suction line dari evaporator ke kompresor. Garis 1-1’ diperlihatkan terjadinya panas lanjut pada uap refrigeran yang ditunjukkan dengan garis yang melewati garis uap jenuh. Proses 1’-2’ adalah proses
27
kompresi uap refrigeran didalam kompresor. Pada siklus teoritis proses kompresi diasumsikan isentropik, yang berarti tidak ada perpindahan kalor diantara refrigeran dan dinding silinder. Pada kenyataannya proses yang terjadi bukan isentropik maupun politropik. Garis 2’-3 menunjukkan adanya penurunan tekanan yang terjadi pada pipa-pipa kondensor. Sedangkan pada garis 3-3’ menunjukkan tekanan yang terjadi dijalur cair. 2.8 Diagram Psikometrik dan Sifat Udara Basah Sifat termal dari udara basah pada umumnya ditunjukan dengan mempergunakan diagram psikometrik. dalam hal tersebut dipakai beberapa istilah dan simbol antara lain sebagai berikut : a. Temperatur bola kering (DB) Temperatur tersebut dapat dibaca pada thermometer dengan sensor kering dan terbuka. Namun, penunjukan tidaklah tepat karena adanya pengaruh radiasi panas, kecuali jika sensornya memperoleh ventilasi yang cukup baik. b. Temperatur bola basah (WB) Dalam hal ini digunakan thermometer dengan sensor yang dibalut dengan kain basah untuk menghilangkan pengaruh radiasi panas. Namun perlu diperhatikan bahwa melalui sensor harus terjadi aliran udara sekurang-kurangnya 5 m/s. c. Perbandingan Kelembaban (W) Kelembaban spesifik atau ratio kelembaban (), dinyatakan dalam besaran masa uap air yang terkandung di udara per satuan masa udara kering yang diukur dalam gram per kilogram dari udara kering (gr/kg) atau grain/lb. Pada tekanan barometer tertentu, kelembaban spesifik merupakan fungsi dari suhu titik embun. Tetapi karena penurunan tekanan barometer menyebabkan volume persatuan masa udara naik, maka kenaikan tekanan barometer akan menyebabkan kelembaban spesifik menjadi turun.
28
d. Kelembaban Relatif (RH) Kelembaban relatif (RH), dinyatakan dalam persen (%), merupakan perbandingan antara tekanan parsial aktual yang diterima uap air dalam suatu volume udara tertentu (tekanan uap moist) dengan tekanan parsial yang diterima uap air pada kondisi saturasi pada suhu udara saat itu (Psat). Pada umumnya untuk suhu ruangan agar nyaman, ditentukan RH=56%. e. Volume Spesifik ( v) Volume spesifik adalah volume udara campur dengan satuan meterkubik per kilogram udara kering. Dapat juga dikatakan sebagai meterkubik campuran udara kering, karena volume yang diisi oleh masing-masing substansi f. Entalpi (h) Entalpi adalah energi kalor yang dimiliki oleh suatu zat pada suatu temperatur tertentu. Apabila proses dengan tekanan tetap diatas ditambahkan batasan dengan meniadakan kerja yang dilakukan terhadap bahan, misalnya pada sebuah kompresor maka jumlah kalor yang diberikan atau dilepaskan persatuan massa adalah perubahan entalpi dari bahan itu. Tabel dan grafik untuk berbagai bahan sudah tersedia. Nilai entalpi ini didasarkan pada sejumlah bidang datar data yang dipilih secara bebas. Sebagai contoh, bidang datar data untuk air dan uap air (steam) adalah suatu nilai entalpi bagi air pada suhu 0 ºC . Berlandaskan pada bidang datar tersebut entalpi air pada suhu 100 ºC adalah 419,06 kJ/kg dan uap air pada (steam) pada 100 ºC adalah 2676 kJ/kg. g. Tekanan ( p ) Tekanan adalah gaya normal (tegak lurus) yang diberikan oleh suatu fluida persatuan luas benda yang terkena gaya tersebut. Tekanan absolut adalah tekanan diatas nol (tekanan pengukuran (gauge pressure) diukur atas tekanan atmosfer tempat (nol tekanan pengukuran = tekanan atmosfer ditempat atmosfer tersebut). Satuan dipakai untuk tekanan adalah newton permeter kuadrat (N/m), juga disebut pascal (Pa). Newton adalah satuan
29
gaya. Tekanan atmosfer standart adalah 1,01325 X 105 N/m². Tekanan dapat diukur dengan instrument seperti terukur tekanan (pressure gauges) atau manometer yang diperlihatkan secara skematik, dipasang pada suatu saluran udara. Oleh karena salah satu ujung manometer terbuka ke atmosfer
maka,
pergeseran
muka
air
dalam
manometer
hanya
menunjukkan tekanan pengukuran. 2.9 Analisa Thermodinamika Water Chiller Analisa thermodinamika chiller berpendingin air menggunakan suatu siklus refrigerasi kompresi uap, yaitu dengan menggunakan bantuan dari diagram tekanan-entalphi refrigeran dan menggunakan persamaan-persamaan dibawah ini: 1. COP (Coefficient of Performance) Istilah performansi
di dalam sistim
refrigerasi lebih
dikenal
dengan "koefisien prestasi" (Coefficient Of performance, disingkat dengan COP), identik dengan efisiensi di dalam mesin kalor. Kalau efisiensi harganya lebih kecil dari 1, maka koefisien prestasi harganya lebih besar dari 1. Makin besar harga koefisien presatsi ini maka dikatakan sistem tersebut
makin
baik
prestasinya.
Koefisien
prestasi
merupakan
perbandingan antara efek refrigerasi dengan kerja kompresi yang terjadi di dalam kompresor. Besaran koefisien prestasi (COP) ini merupakan besaran tanpa dimensi (dimensionless). Besarnya nilai COP didapat dari rumus: COP =
h1 − h4 h2 − h1
…………………………..………………… (2.3)
Dimana : h1 − h4 = efek refrigrasi h2 − h1 = daya kompresor (Sumber: Stoecker, Wilbert. F. (1989). Refrigerasi dan Pengkondisian Udara.)
30
2. Laju aliran masa refrigeran Karena semakin banyaknya kombinasi antara pipa dan vessel pada pembuatan chiller, grafik laju aliran tidak lagi dikeluarkan. Maka untuk menghitung besarnya laju aliran pada berbagai macam vessel maka dipakai nilai laju aliran desain dan penurunan tekanan desain, yaitu: GPMdesain = k x √PDdesain GPMaktual = k x √PDaktual
maka
k=
GPMdesain √PDdesain
…………..………………… (2.4)
3. Kalor yang diserap evaporator dan kondensor -
Maka besar kalor yang diserap evaporator:
GPM𝑎𝑘𝑡𝑢𝑎𝑙 = -
TR x 24 GPM𝑎𝑘𝑡𝑢𝑎𝑙 x ∆T maka TR = ∆T 24
… (2.5)
Besarnya kalor yang diserap kondensor:
GPM𝑎𝑘𝑡𝑢𝑎𝑙 =
TR x 30 GPM𝑎𝑘𝑡𝑢𝑎𝑙 x ∆T maka TR = ∆T 30
… (2.6)
4. Kerja yang dilakukan kompresor dengan proses kompresi isentropik P komp.
= mr x (h2 - h1)
……..………………………… (2.7)
Dimana nilai mr didapat dari persamaan energi antara kalor yang diserap air sama dengan kalor yang diberikan refrigeran: ……………..………………………… (2.8)
Qevap air = Qevap TR = mr x (h1 - h4) mr =
TR (h1 − h4 )
……………..………………………… (2.9)
5. Kerja yang dilakukan kompresor dengan proses kompresi isentropik: ……………..………………………… (2.10) Wkomp. = h2 − h1 6. Daya yang dibutuhkan kompresor untuk siklus refrigerasi: Pkomp. = mr x (h2 − h1 )
…..………………………… (2.11)
7. Laju aliran volume air pengkondensasi (condensing/cooling water) Vcooling water =
Qkond. 1(kkal/lt°C) x ∆Tcooling tower
……… (2.12)
31
