BAB II LANDASAN TEORI

4

BAB II LANDASAN TEORI

2.1 Sistem Pompa Kalor Robert C. Webber, seorang insinyur Amerika, dinobatkan sebagai pembuat pompa kalor pertama pada awal tahun 1940-an. Webber mendapat ide untuk pompa panas secara tidak sengaja ketika dia sedang bereksperimen dengan freezer, dan membakar tangannya setelah tidak sengaja menyentuh pipa outlet dari sistem pendinginan. Tangan yang terbakar memberikan ide untuk mekanika dasar tentang bagaimana ia akan membangun pompa kalor. Sistem pompa kalor adalah suatu sistem yang menjadikan kondisi temperatur suatu ruang atau media kerja berada diatas temperatur lingkungan atau proses pemindahan panas dari temperatur rendah ke temperatur tinggi dengan melakukan kerja terhadap sistem. Pada prinsipnya kondisi temperatur rendah yang dihasilkan diakibatkan oleh penyerapan panas pada reservoir dingin (low temperature source) ditambah dengan energi (kerja) yang diberikan kerja luar lalu di buang pada reservoir panas (high temperature source) . Dalam sistem pompa kalor dikenal dua siklus yaitu siklus kompresi uap dan siklus kompresi aktual (absorbsi). Refrigeran adalah zat yang digunakan sebagai fluida kerja dalam proses penyerapan panas, dalam prosesnya refrigerant dapat berubah wujud menjadi uap apabila menerima panas dan berwujud cair apabila melepas panas . Pada dasarnya prinsip kerja sistem pompa kalor sama dengan sistem refrigerasi hanya objek atau tujuanya yang berbeda. Prinsip pompa kalor adalah untuk menaikkan temperature suatu ruang atau media kerja, sedangkan prinsip refrigerasi menurunkan temperature ruangan atau media kerja.

2.2 Siklus Pompa Kalor Kompresi Uap Pompa kalor siklus kompresi uap merupakan jenis pompa kalor yang paling sering digunakan saat ini. Pompa kalor ini terdiri dari empat komponen utama yaitu kompresor, kondensor, katup ekspansi dan evaporator. Dalam siklus ini uap refrigeran bertekanan rendah akan ditekan oleh kompresor sehingga menjadi uap

5

refrigeran bertekanan tinggi, dan kemudian uap refrigeran bertekanan tinggi diembunkan menjadi cairan refrigeran bertekanan tinggi dalam kondensor. Kemudian cairan refrigeran tekanan tinggi tersebut tekanannya diturunkan oleh katup ekspansi agar cairan refrigeran tekanan rendah tersebut dapat menguap kembali dalam evaporator menjadi uap refrigeran tekanan rendah. Susunan keempat komponen tersebut secara skematik dapat ditunjukan pada gambar 2.1 dan sketsa proses siklus kompresi uap standar dalam diagram T-s ditunjukan pada gambar 2.2 . Sedangkan dalam diagram P-h ditunjukan pada gambar 2.3.

Gambar 2.1.Skematik Sistem Pompa Kalor Kompresi Uap Standar (Wilbert F.Stoecker,1996:187)

6

Gambar 2.2.T-s Diagram Siklus Kompresi Uap Standar (Wilbert F.Stoecker,1996:185)

Gambar 2.3.P-h Diagram Siklus Kompresi Uap Standar (Wilbert F.Stoecker,1996:187)

7

Di dalam siklus kompresi uap standar ini , refrigeran mengalami empat proses (gambar 2.2) yaitu :

1. Proses 1-2 Refrigeran dalam wujud uap jenuh dengan temperatur dan tekanan rendah ,oleh kompresor di kompresikan sehingga tekanan dan temperaturnya dinaikan menjadi uap dengan tekanan dan temperatur yang lebih tinggi (superheated) dari tekanan evaporator menjadi tekanan kondensor. Kompresi ini diperlukan agar refrigeran yang masuk ke kondensor adalah refrigeran dengan tekanan dan temperatur yang lebih tinggi dari temperatur fluida pendingin. Proses ini berlangsung secara Isentropic (Adiabatic dan Reversible). Dengan demikian proses 1-2 adalah kompresi isentropis dengan entropi konstan (disepanjang garis entropi) mulai uap jenuh hingga tekanan pengembunan (kondensor).

2. Proses 2-3 Setelah mengalami

kompresi, refrigeran dalam bentuk uap panas lanjut

dengan temperatur dan tekanan yang lebih tinggi, akibat tekanan dari kompresor refrigeran masuk ke dalam kondensor, untuk merubah wujudnya menjadi cair , kalor harus di lepaskan ke fluida pendingin (air atau udara), karena refrigeran mempunyai temperatur yang lebih tinggi dari temperatur fluida pendingin di dalam kondensor terjadi proses kondensasi (pengembunan), perpindahan panas antara refrigeran dan fluida pendingin sehingga refrigeran mengalami penurunan temperatur dari uap panas lanjut menjadi uap jenuh. Selanjutnya mengalami kondensasi dari uap jenuh menjadi cairan pada tekanan dan temperatur konstan dan keluar kondensor dalam wujud cair jenuh . Kesimpulan proses kondensasi ini adalah proses pelepasan kalor secara Isobaric dan Reversible. Dengan kata lain terlihat bahwa proses 2-3 adalah proses penurunan temperatur uap panas lanjut menjadi fase uap jenuh dan selama proses perubahan dari fase uap ke fase cair, terdapat refrigeran dalam fase campuran uap-cair pada tekanan konstan (Isobaric) dan suhu pengembunan konstan (Isothermis) yang merupakan garis lurus mendatar pada diagram tekanan-enthalpi dan temperatur-entropi.

8

3. Proses 3-4 Refigeran dalam wujud cair jenuh mengalir ke dalam alat ekspansi . Refrigeran mengalami ekspansi pada entalpi konstan sehingga tekanan dan temperaturnya turun (tekanan dan temperatur evaporator) sehingga refigeran keluar dari katub ekspansi dalam wujud campuran uap-cair. Prosen ini berlangsung secara Adiabatic Ireversible. Pada P-h diagram terlihat proses 3-4 berlangsung pada enthalpi konstan karena tegak lurus pada bagan.

4. Proses 4-1 Refrigeran dalam wujud campuran uap-cair mengalir ke dalam alat penukar kalor (evaporator). Refrigeran dalam wujud campuran ini akibat temperatur dan tekanannya lebih rendah dari temperatur media kerja sehingga terjadi perpindahan panas antara media kerja dan refrigeran. Refrigeran yang msih berwujud cair disini akibat penyerapan panas dari evaporator maka refrigeran ini akan menguap dan keluar dari evaporator dalam wujud uap jenuh. Proses ini berlangsung secara Reversible pada tekanan konstan (Isobaric). Pada P-h diagram terlihat garis lurus mendatar pada proses 4-1 dimana aliran refrigeran dianggap berada pada tekanan konstan (Isobaric).

2.3 Siklus Kompresi Uap Aktual Pada kenyataanya siklus kompresi uap mengalami penyimpangan dari kompresi uap standar, seperti ditunjukan pada gambar 2.4. Perbedaan penting siklus kompresi siklus uap aktual dari siklus standar adalah: 1. Terjadi penurunan tekanan di sepanjang pipa kondensor dan evaporator. 2. Adanya proses di bawah dingin (Sub Cooling) cairan yang meninggalkan kondensor sebelum memasuki katup ekspansi. 3. Pendinginan lanjut uap yang meninggalkan evaporator sebelum memasuki kompresor. 4. Terjadi kenaikan entropi pada saat proses kompresi (kompresi tak isentropic) 5. Proses ekspansi berlangsung non-adiabatic.

9

Walaupun siklus aktual tidak sama dengan siklus standar, tetapi proses ideal dalam siklus standar sangat bermanfaat dan di perlukan untuk mempermudah analisis secara teoritis.

Gambar 2.4. Siklus Kompresi Uap Aktual (Wilbert F.Stoecker,1996:191)

2.4 Komponen-Komponen Pompa Kalor Dalam mesin pompa kalor kompresi uap, ada empat komponen utama yaitu kompresor, kondensor, katup ekspansi, dan evaporator.

2.4.1 Kompresor Kompresor adalah bagian terpenting dalam mesin pompa kalor. Pada tubuh manusia, kompresor dapat diumpamakan sebagai jantung yang memompa darah ke seluruh tubuh. Sedangkan pada pompa kalor kompresor memompakan refrigeran ke semua bagian sistem. Pada sistem pompa kalor, kompresor merupakan suatu alat yang digunakan untuk menaikan tekanan fluida. Kompresor menghisap refrigeran (dalam bentuk gas) dari evaporator pada suhu dan tekanan rendah, lalu mengkompresikan gas tersebut sehingga menjadi gas dengan suhu dan tekanan tinggi. Kemudian gas tersebut mengalir ke kondensor dan terjadi pelepasan kalor, sehingga refrigeran dalam bentuk

10

gas tersebut mengembun. Untuk tenaga atau energi yang dipakai mengkompresikan di berikan oleh motor listrik. Beberapa jenis kompresor yang umum digunakan dalam sistem pompa kalor adalah sebagai berikut:

2.4.1.1 Kompresor Sentrifugal ( rotodynamic compressor ) Prinsip kerja kompresor sentrifugal yaitu fluida kerja tidak di pindahkan secara volume per volume, melainkan secara kontinu dialirkan dalam rotor yang berputar dengan arah aliran idealnya mengikuti bentuk kelengkungan sudut rotor dengan menggunakan gaya sentrifugal, seperti pada gambar 2.1

Gambar 2.5.Konstruksi Kompresor Sentrifugal (Radial) ( http://www.siemens. com/press/en/presspicture/?p ress=/en/presspicture/2009/fossil_power_generation/efpg20070701-02.htm )

2.4.1.2 Kompresor torak (reciprocating compressor) Ruang kerja dari kompresor jenis ini berupa ruang silinder yang dibatasi oleh dinding silinder dan penampang torak, dimana perubahan volume ruang kerja diakibatkan oleh gerakan bolak-balik translasi dari torak. Kompresor jenis ini biasanya dipakai pada mesin pompa kalor dari daya puluhan watt sampai dengan daya ratusan watt. Berikut merupakan gambar konstruksi kompresor torak.

11

Gambar 2.6.Konstruksi Kompresor Torak (http://www.myhvacparts.com/store/glossary.php)

2.4.1.3 Kompresor sekrup (screw compressor) Pada kompresor skrup, terdapat dua buah rotor yang berpasangan, berturutturut dengan gigi jantan dan betina. Kompresor skrup ini dibuat untuk mesin pompa kalor dengan mekanisme pelumasan terpadu.

Gambar 2.7.Konstruksi Kompresor Sekrup (http://www.hydrocarbonstechnology.com/contractors/compressors/mycom/mycom1.html)

12

2.4.1.4 Kompresor type wash plate Sistem kerja dari kompresor ini adalah dengan merubah gerakan putar dari shaft menjadi gerakan bolak-balik piston dengan memanfaatkan swash plate. Sebuah piston bekerja ganda untuk dua silinder yang terletak di sisi kiri dan kanan. Ketika salah satu dari piston melakukan langkah tekan, sisi yang lainnya melakukan langkah hisap. Sejumlah piston diatur pada swash plate dengan jarak 72˚ untuk kompresor 10 silinder, sedangkan untuk kompresor 6 sili nder diatur dengan jarak 120˚.

Gambar 2.8.Konstruksi Kompresor Swash Plate (http://www.toyota-industries.com/product/auto/compressor/kind01.html)

2.4.1.5 Kompresor hermatik Pada kompresor ini hanya terdapat 1 buah rotor . kompresor hermatik ini dibuat untuk mesin refrigerasi dengan mekanisme pelumasan yang terpadu . spul dan rotor menjadi satu dalam satu rotor.

2.4.2 Kondensor Kondensor adalah suatu alat penukar kalor untuk menerima refrigeran panas lanjut dari kompresor, membebaskan panas, kemudian mencairkan refrigeran (Astu Pudjanarsa, 2006). Kondensor adalah bagian terpenting dari pelepasan panas pada sistem pompa kalor, kondensor berguna untuk pengembunan dan pencairan kembali uap refrigerant. Uap refrigerant yang bertekanan dan bersuhu tinggi akan mengalir melalui pipa-pipa dan melalui permukaan pipa di cairkan dengan fluida pendingin

13

(air atau udara) yang pada suhu normal, dengan kata lain refrigeran melepaskan panasnya ke fluida pendingin sehingga mengembun dari uap menjadi cair. Selama refrigerant mengalami perubahan dari fase uap ke fase cair dimana terdapat campuran refrigerant dalam wujud uap-cair, tekanan pengembunan (konstan) dan suhu pengembunan (konstan). Kalor yang dikeluarkan dari kondensor adalah jumlah udara yang mengalir melalui evaporator. Menurut Fluida pendinginnya kondensor dapat dibedakan menjadi :

2.4.2.1 Kondensor dengan perdinginan udara (air cooled condenser) “Pada kondensor dengan pendingin udara, panas dikeluarkan dengan cara natural” (Arora, 2006:302). Kondensor dengan pendinginan udara terdiri dari koil pipa pendingin yang bersirip plat. Udara mengalir dengan arah tegak lurus pada bidang pendingin. Ciri-ciri kondensor dengan pendinginan udara adalah sebagai berikut : 1. Tidak memerlukan pipa air, pompa air dan penampungan air karena tidak menggunakan air. 2. Dapat dipasang dimana saja, asalkan terdapat udara bebas. 3. Tidak mudah terjadi korosi karena menggunakan koil yang kering. 4. Memerlukan pipa refrigeran tekanan tinggi yang panjang karena kondensor biasanya diletakkan di luar rumah.

Gambar 2.9.Kondensor dengan Pendinginan udara (http://www.made-in-china.com/showroom/meluck/productdetailLbeJdThGsEWp/China-Air-Cooled-Condenser-FN-.html)

14

2.4.2.2 Kondensor dengan pendingin air (water cooled condenser) Kondensor jenis ini terdiri dari rangkaian pipa yang dibenamkan di dalam air. Kondensor ini menggunakan air sebagai media penerima kalor yang dilepas kondensor, kemudian air dialirkan ke menara pendingin. Setelah dingin, air ini akan digunakan sebagai media penyerap kalor. Jumlah kalor yang dipindahkan melalui pipa pendingin tergantung pada perbedaan temperatur, material pipa, laju aliran fluida pendingin atau fluida kerja, dan faktor pengotoran pipa. Dalam kategori kondensor pendingin air terdapat kondensor selongsong dan buluh horizontal, selongsong dan buluh vertikal, selongsong dan koil, pipa ganda dan evaporative (Astu Pudjanarsa, 2006). Jenis – jenis kondensor pendingin air adalah:

2.4.2.2.1 Kondensor selongsong dan buluh horizontal Kondensor selongsong dan pipa dipergunakan pada unit kondensor berukuran kecil sampai besar, unit pendingin air dang penyegar udara paket baik untuk amonia maupun freon seperti pada gambar 2.10 didalam kondensor tabung dan pipa terdapat banyak pipa pendingin, dimana air pendingin mengalir didalam pipa-pipa tersebut. Ujung dan pangkal pipa pendingin terikat pada pelat pipa, sedangkan diantara pelat pipa dan tutup tabung dipasang sekat-sekat untuk membagi aliran air yang melewati pipa-pipa tersebut. Air pendingin masuk kondensor dari bagian bawah, kemudian masuk ke dalam pipa-pipa pendingin dan keluar pada bagian atas.

Gambar 2.10.Kondensor Selongsong dan Buluh Horisontal

15

(http://www.hiwtc.com/products/water-cooled-condenser-6928-21765.htm)

Ciri-ciri kondensor selongsong dan buluh horizontal adalah:  Dapat dibuat dengan pipa pendingin bersirip, sehingga relatif berukuran kecil dan ringan.  Pipa air dapat dibuat lebih mudah.  Bentuknya sederhana (horizontal) dan mudah pemasangannya.  Pipa pendingin mudah dibersihkan.

2.4.2.2.2 Kondensor selongsong dan koil Kondensor selongsong dan koil banyak dipergunakan pada unit dengan freon sebagai refrigeran berkapasitas relatif lebih kecil, misalnya pada penyegar udara jenis paket, pendingin air dan sebagainya. Pada gambar 2.11 digambarkan selongsong dan koil dengan koil tabung pipa pendingin di dalam tabung yang dipasang pada posisi vertikal. Koil pipa pendingin tersebut biasanya dibuat dari pipa tembaga dengan sirip atau tanpa sirip (aerofin tube). Pada kondensor selongsong dan koil, air mengalir di dalam koil pipa pendingin.

Gambar 2.11.Kondensor Selongsong dan Koil (Djati Nursuhud, 2006) Ciri-ciri kondensor selongsong dan koil adalah :  Harganya murah karena mudah pembuatannya.  Kompak karena posisinya vertikal dan mudah pemasangannya.  Boleh dikatakan tidak mungkin mengganti pipa pendingin, sedangkan pembersihannya menggunakan deterjen .

16

2.4.2.2.3 Kondensor pipa ganda Kondensor jenis pipa ganda merupakan susunan dari dua pipa koaksial dimana refigerant mengalir melalui saluran yang terbentuk antara pipa dalam dan pipa luar, dari atas ke bawah, sedangkan air pendingin mengalir di dalam pipa dalam, dalam arah berlawanan dengan arah aliran refrigerant berarti dari bawah ke atas. Pada mesin refrigerasi kapasitas rendah dengan freon sebagai refrigerant, dipergunakan pipa dalam dan pipa luar terbuat dari tembaga. Gambar 2.12 menunjukan kondensor pipa ganda.

Gambar 2.12.Kondensor Pipa Ganda (http://www.refrigerator-airconditioner-repair.com/double-pipe-watercooled-condenser.html) Ciri-ciri kondensor pipa ganda adalah:  Konstruksinya sederhana dengan harga memadai.  Dapat mencapai kondisi superdingin karena arah aliran refrigerant dan air pendingin berlawanan arah.  Penggunaan air pendingin relatif kecil.  Kesulitan membersihkan pipa,harus menggunakan deterjen.  Pemeriksaan terhadap korosi dan kerusakan pipa tidak mungkin dilaksanakan , penggantian pipa juga susah dilaksanakan.

17

2.4.2.3 Kondensor dengan pendinginan udara dan air (evaporative) Kondensor jenis ini menggunakan media air dan udara sebagai penyerap kalor kondensor. Beban kondensor atau kalor yang dipindahkan kondensor merupakan gabungan panas yang diserap di evaporator dengan kalor equivalen dari kerja kompresor. Banyaknya panas yang dibuang di kondensor per unit kapasitas refrigerasi bervariasi terhadap kondisi operasi.

2.4.3 Katup Ekspansi Katup ekspansi berfungsi untuk mengekspansikan secara adiabatik cairan refrigeran yang bertekanan dan bertemperatur tinggi (tekanan kondensor) sampai menjadi keadaan tekanan dan temperatur yang rendah (tekanan evaporator) sehingga refrigeran berubah menjadi kabut. Hal tersebut dimaksudkan agar refrigeran cair dapat lebih cepat menguap saat keluar dari evaporator. Setiap peralatan tersebut dimaksudkan untuk suatu penurunan tekanan tertentu, selain itu untuk mengatur pemasukan refrigeran sesuai dengan pendinginan yang harus dilayani. Katup ekspansi yang banyak dipergunakan adalah sebagai berikut :

2.4.3.1 Katup ekspansi otomatis termostatik Katup ini berfungsi mengatur pembukaan katup, yaitu mengatur pemasukan refrigeran kedalam evaporator sesuai dengan beban pendinginan yang harus dilayani.

2.4.3.2 Katup ekspansi manual Katup ini merupakan katup ekspansi dengan throttle yang diatur secara manual, yaitu menggunakan katup jarum yang berbeda dari katup stop biasa.

2.4.3.3 Katup ekspansi tekanan konstan Katup

ini

digerakkan

oleh

tekanan

didalam

mempertahankan supaya tekanan didalam evaporator konstan.

evaporator

untuk

18

2.4.3.4 Pipa kapiler Pipa kapiler dipakai pada sistem pompa kalor dengan kapasitas kecil sampai dengan kapasitas 10 kW. Pipa kapiler adalah suatu pipa yang panjangnya 2-20 ft dengan diameter dalam dari 0,025-0,090 in. Pada pipa kapiler ini terjadi penurunan tekanan cairan refrigerant akibat adanya gesekan dengan dinding pipa dan adanya percepatan, sebagian cairan secara cepat berubah menjadi uap ketika refrigerant mengalir melalui pipa.

Gambar 2.13.Penampang Katup Ekspansi Thermostatik (http://autozblit.blogspot.com/)

2.4.4 Evaporator Evaporator adalah penukar kalor yang memegang peranan penting dalam siklus refrigerasi yaitu mendinginkan media sekitarnya. Didalam evaporator terjadi penguapan refrigeran dari cair mejadi uap. Tekanan cairan yang diturunkan oleh katup ekspansi didistribusikan secara merata kedalam pipa evaporator, cairan refrigeran akan diuapkan secara berangsur-angsur karena menerima kalor sebanyak kalor laten penguapan. Selama proses penguapan didalam pipa evaporator terdapat refrigeran dalam fase uap-cair, suhu penguapan dan tekanan penguapan konstan pada saat itu terjadi.

19

Sesuai dengan tujuan penggunaannya, bentuk evaporator pun berbeda-beda. Hal tersebut disebabkan karena media yang hendak didinginkan dapat berupa gas, cairan, atau zat padat. Evaporator dapat diklasifikasikan berdasar konveksi paksa dan konveksi bebas, tergantung apakah pompa atau fan memaksa fluida yang didinginkan untuk melewati permukaan perpindahan panas , atau apakah fluida mengalir secara alami karena perbedaan massa jenis (fuida hangat dan fluida yang didinginkan). Cara lain adalah didasarkan apakah refrigerant menguap didalam pipa / buluh (tube). Karena begitu banyaknya variasi kebutuhan refrigerasi, maka evaporator juga dirancang dalam berbagai tipe, bentuk, ukuran, dan desain. Evaporator dapat dikelompokkan dalam berbagai klasifikasi, misalnya konstruksi, cara pencatuan refrigerant cair, kondisi operasi, cara sirkulasi udara dan jenis katup ekspansinya. Dilihat dari konstruksinya, evaporator dapat dibagi menjadi tiga kelompok, yaitu:

2.4.4.1 Bare Tube Evaporator jenis bare tube terbuat dari pipa baja atau pipa tembaga. Penggunaan pipa baja biasanya untuk evaporator

berkapasitas besaryang

menggunakan ammonia. Pipa tembaga biasanya digunakan untuk evaporator berkapasitas

rendah

dengan

refrigerant

selain

ammonia.

memperlihatkan evaporator jenis bare tube.

Gambar 2.14.Desain Evaporator Bare-Tube (a) Flat zigzag coil, (b) Oval Trombone coil

Gambar

2.14

20

2.4.4.2 Plate surface Evaporator permukaan plat atau plat surface dirancang dengan berbagai jenis. Beberapa diantaranya dibuat dengan menggunakan dua plat tipis yang dipres dan dilas sedemikian rupa sehingga membentuk alur untuk mengalirkan refrigeran cair. Cara lainnya, menggunakan pipa yang dipasang diantara dua plat tipis kemudian dipres dan dilas sedemikian seperti gambar 2.15, 2.16, dan 2.17.

Gambar 2.15.Desain Evaporator Permukaan Plat (http://czxinxin.en.made-in-hina.com/product/boUERZvVElce/ChinaTube-Plate-Evaporator-Have-Passed-RoHS-Authentication-.html)

Gambar 2.16. Desain Evaporator Permukaan Plat untuk Refrigerator (http://tommyji.en.made-in-china.com/offer/oelxbaJOHfRw/Sell-RollBond-Evaporator-for-Refrigerator-and-Ice-box-.html)

21

Gambar 2.17. Desain EvaporatorPermukaan Plat dengan Pipa

2.4.4.3 Finned Evaporator jenis finned adalah evaporator bare-tube tetapi dilengkapi dengan sirip-sirip yang terbuat dari plat tipis alumunium yang dipasang disepanjang pipa untuk menambah luasan permukaan perpindahan panas. Sirip-sirip alumunium ini berfungsi sebagai permukaan transfer panas sekunder. Jarak antar sirip disesuaikan dengan kapasitas evaporator, biasanya berkisar antara 40 sampai 500 buah sirip per meter. Evaporator untuk keperluan suhu rendah, jarak siripnya berkisar antara 80 sampai 200 sirip per meter. Untuk keperluaan suhu tinggi, seperti room AC, jarak fin berkisar 1,8 mm.

Gambar 2.18. Desain Evaporator Finned (http://www.ecplaza.net/product/copper-tube-aluminium-finnedevaporator--179183-986464.html)

22

Evaporator jenis bare-tube dan plate-surface dapat dikelompokkan sebagai evaporator permukaan primer, dimana permukaan untuk transfer panas mempunyai kontak langsung dengan refrigeran cair yang menguap didalamnya. Kalau evaporator jenis finned hanya berfungsi menangkap udara disekitarnya dan menghubungkannya ke pipa refrigeran.

2.5 Refrigeran Refrigeran adalah zat atau substansi yang digunakan sebagai medium perpindahan panas dalam sistem pendinginan. Untuk terjadinya suatu proses pendinginan diperlukan suatu bahan yang mudah dirubah bentuknya dari gas menjadi cair atau sebaliknya (refrigerant) untuk mengambil panas dari evaporator dan membuangnya di kondensor. Karakteristik dari refrigeran adalah temperatur penguapan,

tekanan

penguapan,

temperatur

pengembunan,

dan

tekanan

pengembunan. Syarat-syarat dari refrigeran antara lain: 1. Tidak beracun dan tidak berbau 2. Tidak dapat terbakar atau meledak bila bercampur dengan udara, pelumas dan sebagainya . 3. Tidak menyebabkan korosi terhadap bahan logam yang dipakai pada sistem pendingin. 4. Bila terjadi kebocoran mudah dicari. 5. Mempunyai titik didih dan tekanan kondensasi yang rendah. 6. Mempunyai susunan kimia yang stabil, tidak terurai setiap kali dimampatkan, diembunkan dan diuapkan. 7. Perbedaan tekanan penguapan dan tekanan pengembunan harus sekecil mungkin. 8. Mempunyai panas laten penguapan yang besar, agar panas yang diserap evaporator sebesar-besarnya. 9. Tidak merusak tubuh manusia. 10. Konduktivitas thermal yang tinggi. 11. Harganya tidak mahal dan mudah diperoleh. 12. Viskositas dalam fase cair maupun fase gas rendah agar tahanan aliran refrigeran dalam pipa sekecil mungkin.

23

Tabel 2.1 Sifat-sifat Refrigeran yang biasa digunakan Titik

Titik

Tekanan

Volume

didih**

beku

uap*

uap*

Cair

Uap

(C)

(C)

(kPa)

(m3/kg)

(kj/kg)

(kj/kg)

R-11

-23,82

-111,0

25,73

0,61170

191,40

385,43

R-12

-29,79

-158,0

219,28

0,07702

190,72

347,96

R-22

-40,76

-160,0

354,74

0,06513

188,55

400,83

R-502

-45,40

-

414,30

0,04234

188,87

342,31

R-7

-33,30

-77,7

289,93

0,41949

808,71

487,76

Refrigeran

Enthalpi*

(Amonia) Sumber : (Aurora, CP., 2000) *

Pada -10C

** Pada standar tekanan atmoster (101, 325 kPa)

2.5.1 Refrigeran R-22 R-22 dengan nama Mono chloro difluoro methane, digunakan pada mesin tata udara yang menghendaki temperatur yang lebih rendah. Titik didihnya -41C dan panas penguapan perjumlah refrigeran sedikit lebih baik dibanding R-12 dengan rumus kimia CHCIF2. R-22 adalah refrigeran yang mengandung HCFC. HCFC merupakan singkatan dari Hydrochloro-fluorocarbon. Meskipun mengandung khlor (CI), yang merusak lapisan ozon, zat ini juga mengandung Hidrogen (H), yang membuat zat ini menjadi kurang stabil jika berada di atmosfer. Refrigeran ini sebagian besar akan terurai pada lapisan atmosfer bawah dna hanya sedikit yang mencapai lapisan ozon. Oleh sebab itu R-22 mempunyai ODP (Ozone Depletion Potential) yang rendah (ODP=0,02,1).

2.6

Perpindahan Panas Yang Terjadi Pada Sistem

2.6.1 Perpindahan Panas Konduksi Perpindahan Panas Konduksi adalah perpindahan panas yang terjadi pada suatu media padat atau pada media fluida yang diam akibat adanya perbedaan

24

temperatur antara permukaan yang satu menuju permukaan yang lain pada media tersebut. Konsep konduksi adalah merupakan aktivitas atomic dan molekuler. Sehingga peristiwa yang terjadi pada konduksi adalah perpindahan energi dari partikel yang lebh energitik (molekul lebih berenergi/bertemperatur tinggi) menuju partikel yang kurang energetik (molekul kurang berenergi/bertemperatur rendah), akibat adanya interaksi antara partikel-partikel tersebut. Sifat Thermal Zat Sifat Thermal zat merupakan sifat transport menunjukkan indikasi laju dimana energi dipindahkan oleh proses difusi. Konduktivitas thermal zat tergantung pada struktur zat, atom dan molekul yang dihubungkan dengan keadaan zat. Konduktivitas thermal zat sangat mempengaruhi besarnya laju perpindahan panas sesuai dengan hokum Fourier. Konduktivitas thermal benda pada pada umumnya lebih besar dari pada konduktivitas thermal zat cair dan konduktivitas thermal zat cair pada umumnya lebih besar dari pada konduktivitas thermal gas. Hal tersebut diakibatkan oleh perbedaan ruang antara molekul-molekul (molekuler) zat. Pada beda padat dikenal dengan konduktor yaitu penghantar panas yang baik karena mempunyai konduktivitas thermal tinggi sedangkan isolator yaitu penghantar panas yang tidak baik karena mempunyai konduktivitas thermal rendah sehingga isolator sering digunakan untuk alat isolasi, seperti fiber glass, stereofoam, plastic, kayu, dll.

2.6.2 Perpindahan Panas Konveksi Perpindahan panas konveksi adalah perpindahan panas yang terjadi dari suatu permukaan media padat atau fluida yang diam menuju fluida yang mengalir (bergerak) atau sebaliknya akibat adanya perbedaan temperature. Perpindahan panas konveksi digolongkan dalam tiga tipe yaitu: konveksi paksa (force convection), konveksi alami (free convection), konveksi dengan perubahan fase; perdidihan dan kondensasi (boiling and condentation).

2.6.2.1 Konveksi Paksa Konveksi paksa adalah perpindahan panas yang terjadi dari suatu permukaan benda padat menuju fluida yang mengalir atau sebaliknya akibat adanya perbedaan

25

temperature dimana aliran (gerakan) fluidanya diakibatkan paksaan peralatan luar. Peralatan yang dimaksud yaitu : compresor, blower, fan, pompa, dll.

2.6.2.2 Konveksi Alami Konveksi terjadi hanya pada fluida yang mengalir. Pada fluida gradient temperatur berlawanan dengan gradient masa jenis (densitas). Karena makin tinggi temperature fluida makin rendah masa jenis fluida tersebut atau sebaliknya. Sehingga dapat didefinisikan konveksi alami/bebas adalah perpindahan panas yang terjadi dari suatu permukaan padat menuju fluida yang mengalir atau sebaliknya akibat adanya perbedaan temperature dimana aliran fluida tersebut diakibatkan oleh efek gaya apung (buoyancy force effect). Gaya apung disebabkan oleh perubahan densitas. Gaya apung yang menyebabkan arus konveksi bebas disebut gaya badan (body force).

2.6.2.3 Konveksi dengan Perubahan fase: perdidihan dan kondensasi Perpindahan panas ke cairan yang sedang mendidih adalah suatu proses konveksi yang menyangkut perubahan fase dari cair ke uap. Dalam perpindahan panas didih cici-ciri permukaan, tegangan permukaan, panas laten penguapan, tekanan, kerapatan, dan sifat-sifat uap lainnya memegang peranan penting. Dengan meningkatnya suhu permukaan pemanasan (suhu saturasi), tercapailah suatu titik dimana pada tempat-tempat tertentu tingkat energi cairan yang berdekatan dengan permukaan tersebut menjadi demikian tingginya sehingga beberapa molekulnya melepaskan diri dari molekul-molekul sekitarnya, berubah dari cair menjadi inti uap, dan akhirnya membentuk gelembung uap. Proses ini terjadi secara serentak di sejumlah permukaan pemanasan. Bila uap jenuh bersentuhan dengan suatu permukaan yang suhunya lebih rendah, maka terjadilah kondensasi (pengembunan) berubah fase menjadi liquid. Ini dapat terjadi karena uap tidak mampu menjaga fase vapor-nya di bawah suhu saturasi.

26

2.7

Prestasi Siklus Kompresi Uap

2.7.1 Kerja Kompresi Kerja kompresi merupakan perubahan enthalpy pada proses 1-2 pada gambar 2.19. Hubungan ini diturunkan dari persamaan energi umum untuk analisis volume atur (control volume):

Gambar 2.19 Analisis Volume Atur Persamaan Thermodinamika I untuk sistem volume atur : dE Ėm − Ėout = ( dtst |cv)…………………………………………………………...(2.1) 2

2

ṁ v ṁ v dE Ẇ + ṁi hi + i2 i + ṁi gzi − Q̇ + ṁe he + e2 e + ṁe gze = ( dtst |cv)…………..(2.2)

Asumsi :  d Est   0 Steady state   dt 

Steady flow (𝑚̇𝑖 = 𝑚̇𝑒 ) Adiabatik Q = 0 1 𝐸𝑘̇ = . 𝑚̇. 𝑣 2 2 𝐸𝑝̇ = 𝑚̇. 𝑔. 𝑧 Ek dan  Ep = 0, sehingga : 2

2

v v dE Ẇ + ṁi (hi + 2i + gzi ) − (Q̇ + ṁe (he + 2e + gze ))= ( dtst |cv)…………..…(2.3)

27

Ẇ + ṁi hi − ṁe he = 0 Ẇ = ṁe he − ṁi hi kg kj kj Ẇ = ṁ(he − hi ) ⁄s . ⁄kh ∴ kerja kompresi Ẇ k = ṁ(h2 − h1 ) ⁄s…….(2.4) Dimana :

𝑊̇𝑘

= kerja kompresor (kJ/s)

ℎ1

= enthalpi awal kompresi atau enthalpy masuk kompresor. (kJ/kg)

ℎ2

= enthalpi akhir kompresi atau enthalpy masuk kondensor (kJ/kg)

𝑚̇

= laju aliran massa refrigerant (kg/s)

2.7.2 Laju Pemanasan Air di Kondensor Laju pemanasan air di kondensor actual adalah laju peningkatan temperatur oleh sistem pompa kalor terhadap peningkatan temperatur fluida pendingin (air) per satuan waktu tertentu. Laju pemanasan air actual pada kondensor (qc act) dapat dihitung dengan persamaan berikut : 𝑞𝑐 𝑎𝑐𝑡 = 𝑚̇𝑎 . 𝑐𝑝 ̅̅̅. (𝑇𝑜𝑢𝑡 − 𝑇𝑖𝑛 )………………………………….……………..(2.5) 𝑞𝑐 𝑎𝑐𝑡 = 𝜌𝑎 . 𝑣𝑎 . 𝑐𝑝 ̅̅̅. (𝑇𝑜𝑢𝑡 − 𝑇𝑖𝑛 ) Dimana :

𝑚̇𝑎

= massa air yang mengalir ke kondensor (kg)

a

= masa jenis air yang mengalir ke kondensor (kg/m3)

𝑣𝑎

= volume air yang mengalir ke kondensor (m3)

̅̅̅ 𝑐𝑝

= kalor spesifik air pada kondensor (kJ/kgC)

Tin

= temperatur awal air sebelum menerima panas dari kondensor (C)

Tout

= temperatur akhir air setelah menerima panas dari kondensor (C)

Laju pemanasan air di kondensor adalah masaa jenis air pada kondensor dikali perubahan entalpi yang ada pada kondensor. Laju pemanasan air pada kondensor (𝑞𝑐 ) dapat dihitung dengan persamaan berikut :

28

𝑞𝑐 = 𝑚̇. (ℎ2 − ℎ3 )……………………………….………………………………(2.6) Dimana: 𝑞𝑐

= laju pemanasan air di kondensor

𝑚̇

= masaa air yang mengalir ke kondensor (kg/m3)

ℎ2

= Entalpi awal/ masuk kondensor (kJ/kg)

ℎ3

= Entalpi akhir/ keluar kondensor (kJ/kg)

2.7.3 Konsumsi Energi (Aktual) Konsumsi energi adalah besarnya daya yang dibutuhkan kompresor selama pengoperasian sistem berlangsung atau daya yang dihasilkan dari perkalian antara beda potensial listrik dengan kuat arus listrik dari sumber listrik ke motor penggerak kompresor. 𝑊̇𝑘 𝑎𝑐𝑡 = 𝑉. 𝐼. cos ∅………………………………..…………………………….. (2.7) Dimana :

𝑊̇𝑘 𝑎𝑐𝑡

= Daya Kompresor aktual (W)

V

= Tegangan (Volt)

I

= Kuat arus kompresor (A)

cos 

= Faktor daya = 0,85

2.7.4 Coefficient Of Performance aktual COPhp act dari siklus kompresi uap pada sistem refrigerasi adalah laju pemanasan air di kondensor dibagi dengan kerja kompresor aktual. 𝑞

𝐶𝑂𝑃ℎ𝑝 𝑎𝑐𝑡 = 𝑊̇𝑐 𝑎𝑐𝑡 ……………………………..……………………………….... (2.8) 𝑘 𝑎𝑐𝑡

Dimana COPhp act

= koefisien prestasi atau unjuk kerja actual

COPhp adalah laju pemasanan air di kondensor dibagi dengan kerja kompresor. 𝑞

ℎ −ℎ

COPhp = 𝑊̇𝑐 = ℎ2 −ℎ3 ………………………………………………………….…. (2.9) 𝑘

Dimana :

2

1

COPhp = koefisien prestasi atau unjuk kerja h1

= enthalpi awal kompresi (kJ/kg)

h2

= enthalpi akhir kompresi/ enthalpy masuk kondensor (kJ/kg)

h3

= entahlpi akhir kondensor (kJ/kg)

29

2.7.5 Beban pendinginan Laju penyerapan kalor di evaporator pada sisi refrigerant dapat dihitung dengan persamaan 𝑞̇ 𝑟 = 𝑚̇. (ℎ1 − ℎ4 )……………………………………………………………….(2.10) Dimana : 𝑞̇ 𝑟 = laju penyerapan kalor di evaporator (kJ/s) 𝑚̇. = laju aliran refrigerant (kg/s) ℎ1 = enthalpy awal kompresi (kJ/kg) ℎ4 = enthalpy masuk evaporator (kJ/Kg) 2.7.6 COP Pendinginan COP pendinginan secara ideal adalah beban pendinginan dibagi kerja kompresi 𝑞̇ 𝑟

ℎ1 −ℎ4

𝐶𝑂𝑃𝑝𝑒𝑛𝑑𝑖𝑛𝑔𝑖𝑛𝑎𝑛 = ̇ = ……………………………………………….(2.11) 𝑊𝑘 ℎ2 −ℎ1 Dimana :

COPpendinginan

=

koefisien prestasi atau unjuk kerja

h1

= enthalpi awal kompresi (kJ/kg)

h2

= enthalpi akhir kompresi/ enthalpy masuk kondensor (kJ/kg)

h4

=

entahlpi masuk evaporator (kJ/kg)