BAB II LANDASAN TEORI
2.1. MUSIcool MUSIcool diproduksi dan dipasarkan telah memenuhi persyaratan teknis sebagai refrigerant, meliputi sifat Fisika, Thermodinamika serta uji kinerja pada siklus refrigerant. Demikian penelitian analisa standart operasi prosedur konversi gas Freon ke hydrocarbon MUSIcool pada mesin pendingin split merk Mitsubishi. Pengkondisian udara pada ruangan mengatur mengenai kelembaban, pemanasan dan pendinginan ruangan atau prinsip mesin refrigerant adalah proses pengambilan panas dari sumber yang didinginkan dan dibuang ke temperature yang lebih tinggi, Arismunandar ( 2000 ), sistem pengkondisian udara pada mesin AC split terdiri dari Kompresor, Kondensor, Katup ekspansi/receiver dan Evaporator.
2.2. Kompresor Meningkatkan tekanan refrigerasi agar mampu mencapai pada saluran-saluran dan komponen lainnya, kondensor berfungsi mencarikan uap refregerasi bertekanan dan bertemperatur tinggi dari kompresor dengan melepaskan
kalor
sebanyak
kalor
laten
pengembunan,
Katup
ekspansi/receiver drier; komponen ini dipasang pada saluran cair bertekanan tinggi antara kondenser dan katup ekspansi yang berfungsi menyerap
5
kelembaban dan menyaring material asing, konstruksi berupa tabung logam atau alumunium yang dilas bagian atas dan bawah, dan evaporator adalah alat penukar kalor didalam siklus pengkondisian udara yang berfungsi mendinginkan udara disekitarnya.
2.3. Proses kompresi Dianggap berlangsung secara adiabatic tidak ada panas yang dipindahkan baik in atau out dan harga Q=0, perubahan energy kinetic dan potensial diabaikan, Stoecker ( 1992 ): W = m ( h2-h1 )
Wc = daya kompresor
Wc = mref ( h2-h )
mref = laju aliran massa refrigerant
2.4. Proses Evaporasi Dan Kondensasi Perubahan energy kinetic dan potensial diabaikan harga v 2/2 dan g.z pada titik 1 dan 2 dianggap 0, Qe = mref (h1-h4)
Qe = laju perpindahan kalor evaporasi
Qk = mref (h2-h1)
Qk = laju perpindahan kalor kondensasi
Koefisien Peforma ( COP ) COP = ( h1-h4 ) : ( h2-h1 ) Nilai perpindahan panas έ = Q : Qmak
2.5. Dasar Pendinginan adalah tindakan pendingin, dan dalam praktek ini memerlukan penghapusan panas dan membuang pada suhu yang lebih
6
tinggi. Sehingga ilmu pendingin bergerak panas dari suhu rendah ke suhu tinggi. Selain aplikasi dingin dan beku, teknologi pendinginan diterapkan pada pompa AC dan panas, yang karenanya masuk dalam ruang lingkup buku ini. Prinsip-prinsip dasar adalah orang-orang fisika dan termodinamika, dan prinsip-prinsip ini, yang relevan dengan semua aplikasi, diuraikan dalam bab pembukaan.
2.6. Suhu, bekerja dan panas Skala suhu sekarang digunakan umumnya adalah skala Celsius, berdasarkan nominal pada titik lebur es pada 0 ° C dan titik didih air pada tekanan atmosfir pada 100 ° C (menurut definisi yang ketat, titik tripel es 0,01 ° C pada tekanan sebesar 6,1 mbar). Hukum kekekalan energi memberitahu kita bahwa ketika kerja dan energi panas dipertukarkan tidak ada laba atau rugi bersih energi. Namun, jumlah energi panas yang dapat dikonversi menjadi kerja terbatas. Sebagai panas mengalir dari panas ke dingin sejumlah energi dapat dikonversi menjadi kerja dan diekstraksi. Hal ini dapat digunakan untuk menggerakkan generator, misalnya. Jumlah minimum bekerja untuk drive kulkas dapat didefinisikan dalam hal skala suhu mutlak. Gambar 2.1 menunjukkan mesin E reversibel mengendarai pompa panas reversible P, Q dan W merupakan arus panas dan kerja. Mereka disebut mesin reversibel karena mereka memiliki efisiensi
7
tertinggi yang dapat divisualisasikan, dan karena tidak ada kerugian, E dan P adalah mesin identik. Pengaturan ini menunjukkan hasil di nol efek eksternal karena waduk tidak mengalami laba atau rugi bersih panas. Jika efisiensi P itu harus lebih tinggi, yaitu jika input kerja yang dibutuhkan untuk P untuk mengangkat suatu kuantitas identik Q2 panas dari reservoir dingin itu harus kurang dari W, sisa bagian dari W kekuasaan dapat lain pompa panas. Ini bisa mengangkat jumlah tambahan panas. Hasilnya akan menjadi aliran bersih Waduk tandon panas, T1 Q1 E Q2
W
Q1 P Q2
Waduk Tandon dingin, To Gambar 2.1 : mesin kalor ideal, E, pendorong/penggerak sebuah pendingin ideal (pompa kalor), P. panas dari suhu rendah ke suhu tinggi tanpa masukan kerja eksternal, yang tidak mungkin. Hubungan antara Q1, Q2 dan W hanya bergantung pada suhu reservoir panas dan dingin. Fisikawan Perancis Sadi Carnot (1796-1832) adalah orang pertama yang memprediksi bahwa hubungan antara kerja dan panas yang bergantung pada temperatur, dan proses pendinginan yang ideal dikenal sebagai siklus Carnot. Untuk menemukan hubungan ini, suhu harus didefinisikan secara lebih mendasar. Derajat pada termometer hanya skala sewenang-wenang.
8
Kelvin (1824-1907), bersama-sama dengan fisikawan terkemuka lainnya periode, menyimpulkan bahwa skala suhu mutlak dapat didefinisikan dalam hal efisiensi mesin reversibel. Rasio ideal 'tidak pernah-dicapai-dalam-praktek' output bekerja untuk masukan panas (W/Q1) dari mesin reversibel E sama dengan: Suhu Perbedaan (T1-T0) dibagi dengan Hot Reservoir Suhu (T1) Pada gambar 2.1. perangkat P kita dapat peduli menemukan perangkat untuk pendinginan, dan pekerjaan Kelvin memberitahu kita bahwa karya minimum, W diperlukan untuk mengangkat kuantitas Q2 panas dari suhu ke suhu T0 T1 diberikan oleh: w
Q 2 (T T 0 ) T0
Suhu harus diukur pada satu yaitu mutlak skala yang dimulai dari nol mutlak. Skala Kelvin memiliki interval derajat yang sama dengan skala Celsius, sehingga es meleleh pada + 73.216 air mendidih Kand pada tekanan atmosfir di + 73.315 Kon skala Celsius, mutlak nol adalah -273,15 ° C. 'Efisiensi' Pendinginan biasanya didefinisikan sebagai panas etracted dibagi dengan input kerja. Hal ini disebut COP, koefisien kinerja. Cita-cita atau COP Carnot mengambil nama dari Sadi Carnot dan diberikan oleh: COP
T0 Q2 W (T1 T 0 )
9
2.7. Panas Panas adalah salah satu dari banyak bentuk energi dan umumnya dihasilkan dari sumber kimia. Panas tubuh adalah energi termal atau internal, dan perubahan energi ini mungkin menunjukkan sebagai perubahan suhu atau perubahan antara masing-masing padat, cair dan gas. Hal juga mungkin memiliki bentuk lain dari energi, potensial atau kinetik, tergantung pada tekanan, posisi dan gerakan. Entalpi adalah jumlah energi internal dan alur kerja dan diberikan oleh: H = u +Pv Dalam proses di mana ada aliran tunak, faktor Pv tidak akan mengubah lumayan dan perbedaan entalpi akan menjadi kuantitas panas yang diperoleh atau hilang. Entalpi dapat dinyatakan sebagai jumlah di atas nol absolut, atau dasar lain yang nyaman. entalpi mentabulasikan ditemukan dalam karya referensi sering ditunjukkan di atas suhu dasar-40º pada skala Fahrenheit tua. Dalam perhitungan apapun, kondisi dasar ini harus selalu diperiksa untuk menghindari kesalahan yang akan timbul jika dua basis yang berbeda digunakan. Jika perubahan entalpi dapat dirasakan sebagai perubahan suhu, hal itu disebut panas sensibel. Hal ini dinyatakan sebagai kapasitas panas spesifik, yaitu perubahan entalpi per derajat perubahan suhu, dalam kJ / (kg K). Jika tidak ada perubahan suhu namun perubahan keadaan (padat ke cair,
10
cair ke gas, atau sebaliknya) itu disebut panas laten. Hal ini dinyatakan sebagai kJ/kg tetapi bervariasi dengan suhu mendidih, dan biasanya kualifikasi oleh kondisi ini. Perubahan total yang dihasilkan ditampilkan pada diagram Suhu-entalpi (gambar 2.2) dibawah ini :
Suhu
Perubahan kalor gas Kalor laten dari proses pencairan 373.15 K 273.16 K
Kalor laten proses pendidihan hingga penguapan
Perubahan kalor zat cair Perubahan kalor padat 334 419 kJ kJ
2257 kJ Entalpi
Gambar 2.2 : Perubahan suhu (K) dan keadaan air dengan entalpi
2.8. Pendingin (Redrigerant) Perubahan radikal dalam pemilihan dan penggunaan refrigeran dalam menanggapi isu-isu lingkungan telah terjadi selama 25 tahun terakhir, sebuah cerita yang dapat ditelusuri dengan bantuan sebuah ‘garis waktu perkembangan sistem pendingin’ (gambar 2.3)
11
Tempat penyimpan an es
CFCs yang ditemukan oleh Midgley
Pendingin mekanik pertama
Sirkulasi udara
Protokol Montreal Sirkulasi tekanan uap pertama
1900
1930
1950
Protokol Kyoto
1990 2000 2008
Gambar 2.3 : Garis waktu perkembangan sistem pendingin. Mesin pendingin udara mekanis paling awal digunakan sebagai fluida kerja. Pengenalan siklus kompresi uap memungkinkan sistem yang lebih kompak dan efektif. Pada awalnya hanya cairan praktis adalah karbon dioksida dan amonia. Salah satu syarat utama adalah pelestarian daging di perjalanan laut yang panjang dari Selandia Baru dan Australia ke Eropa, dan untuk amonia ini adalah karena tidak cocok dengan sifat racunnya. Karbon dioksida, meskipun memerlukan tekanan jauh lebih tinggi, digunakan. Metil klorida, meskipun beracun dan sangat tidak menyenangkan, yang digunakan pada beberapa sistem yang lebih kecil. Sebuah revolusi muncul dengan penemuan chlorofluorocarbon (CFC) R12 oleh Midgley di awal 1930-an. Ini, para anggota refrigeran dan lainnya dari keluarga CFC tampaknya memproses semua sifat yang diinginkan. Secara khusus mereka tidak beracun, tidak mudah terbakar dan dengan sifat
12
termodinamika yang baik dan karakteristik minyak miscibility. The CFC R12, R11, R114 dan R502 bersama dengan hydrochlorofluorocarbon (HCFC) R22 menjadi refrigeran definitif. Mereka memungkinkan ekspansi pendingin ke dalam, sektor komersial AC domestik dan. Amonia dengan sifat yang sangat baik termodinamika dan biaya rendah dilanjutkan pada aplikasi
industri.
keprihatinan
lingkungan
kini
telah
mendorong
pengembangan pengganti untuk klor mengandung senyawa.
2.9. Ideal properti untuk Refrigerant Ini dapat terdaftar sebagai: Tinggi kalor laten penguapan. High density gas hisap. Positif tetapi tidak tekanan yang berlebihan pada kondisi penguapan dan kondensasi. Suhu Kritis dan titik tripel dengan baik di luar jangkauan kerja. Kimiawi stabil, kompatibel dengan bahan bangunan dan larut dengan pelumas. Non-korosif, tidak beracun dan tidak mudah terbakar. Tinggi kekuatan dielektrik. Ramah lingkungan. Biaya rendah.
13
Tak perlu dikatakan, tidak ada cairan tunggal memiliki semua sifat ini, dan pilihan cairan untuk setiap aplikasi tertentu akan selalu kompromi. 2.10. Ozon deplesi potensial Lapisan ozon di atmosfer atas kami memberikan filter untuk radiaction ultraviolet, yang dapat berbahaya bagi kesehatan kita. Para peneliti menemukan bahwa lapisan ozon menipis, akibat emisi ke atmosfer CFC, Halons dan bromida. The potensi merusak ozon (ODP) dari refrigeran yang merupakan efek pada ozon atmosfer, dan titik referensi biasanya diadopsi adalah ODP = 1for yang CFC R11. Setelah serangkaian pertemuan yang ketat dan negosiasi, protokol montreal mengenai bahan yang merusak lapisan ozon akhirnya disetujui pada tahun 1987. Penandatangan setuju untuk phase out produksi bahan kimia ini pada tahun 1995. Refrigerant emisi hanya sekitar 10% dari total, sisanya yang terdiri dari semprotan aerosol, pelarut dan insulasi busa. Industri pendinginan cepat pindah dari CFC ke HCFC; R22 dan HCFC campuran pengganti. Pada revisi berikutnya dari Protokol, jadwal fase-out untuk HCFC juga ditetapkan. R22, yang merupakan HCFC, memiliki ODP jauh lebih rendah dibandingkan CFC, tapi itu dianggap perlu untuk phase out semua zat ozon menipis, dan di bawah HCFC protokol akan dihilangkan pada 2030. Hal ini menandai akhir dari R22. Selain itu, Uni Eropa menyusun Peraturan jauh lebih ketat, 2037/2000, yang melarang semua peralatan HCFC baru di tahun 2004, melarang penjualan refrigeran HCFC
14
baru untuk layanan pada bulan Januari 2010 dan refrigeran daur ulang pada tahun 2015. Untuk mengganti klor yang mengandung CFC dan HCFC, perusahaan kimia mengembangkan berbagai hidrofluorokarbon (HCFC). The HFCFs cenderung memiliki sifat termodinamika sedikit lebih miskin dari R22, dan sebagai zat tunggal mereka biasanya tidak sama persis dengan kinerja zat kimia yang dimaksudkan untuk menggantikan. Sementara R134a, yang HFC pertama tersedia, yang cocok dekat dengan R12, refrigeran HFC lainnya sekarang digunakan secara luas adalah campuran dari dua atau ada HFC. (Gambar 2.4) menggambarkan ideal, atau kinerja teoritis dari beberapa HFC paling banyak digunakan bersama-sama dengan amonia ketika menguap pada suhu 5° C. Teori COP (%R22) 110
R717
105
R134a
100
R407C
95
R410A
90
R404A
85 80
30oC
40oC
50oC Suhu pendingin
60oC
Gambar 2.4 : teoritis efisiensi refrigeran pengganti pada kondisi penyejuk udara relatif terhadap R22.
15
2.11. Pemanasan global potensial Pemanasan global mungkin merupakan isu lingkungan yang paling parah yang dihadapi oleh peradaban sekarang. Risiko yang ditimbulkan oleh efek telah dijelaskan dalam hal bencana lingkungan akibat perubahan iklim di masa depan sangat besar. Pemanasan global adalah peningkatan suhu di dunia, yang mengakibatkan mencairnya es di kutub dan naiknya permukaan laut. Hal ini disebabkan oleh pelepasan ke atmosfir gas 'rumah kaca' yang disebut, yang membentuk selimut dan memantulkan panas kembali ke permukaan bumi, atau menahan panas di atmosfer. Gas rumah kaca yang paling terkenal adalah karbon dioksida (CO2) yang pernah dirilis tetap berada di atmosfer selama 500 tahun, sehingga ada konstan build-up sebagai waktu berjalan. Tingkat tepat dari kontribusi yang timbul dari kegiatan manusia mungkin tidak pasti, tetapi dalam hal apapun sangat penting untuk tetap seminimal mungkin dan menghemat cadangan bahan bakar fosil, yaitu mengurangi emisi gas rumah kaca. Penyebab utama dari emisi CO2 pada pembangkit listrik di pembangkit listrik. Faktor emisi CO2 (kg emisi CO2 per kWh listrik dipasok) tergantung pada campuran bahan bakar Inggris untuk pembangkit listrik. Untuk pembangkit listrik tenaga batu bara, angkanya relatif tinggi, untuk stasiun berbahan bakar gas itu lebih rendah dan untuk tenaga air, tenaga angin atau stasiun nuklir itu adalah nol.
16
pemasok Listrik dapat mengklaim campuran berbagai jenis yang berbeda generasi dan karenanya faktor emisi, tetapi angka rata-rata terbaik yang tersedia saat ini Inggris adalah 0,422 kg CO2/kWh (TEWI Pedoman, IOR / BRA). Nilai ini merupakan rata-rata nilai prediksi untuk tahun 2005 dan 2010. Diperkirakan bahwa pendinginan kompresor di Inggris mengkonsumsi 12,5 miliar kWh per tahun. Potensi pemanasan global (GWP) gas dapat didefinisikan sebagai indeks membandingkan dampak iklim emisi dengan yang jumlah yang sama memancarkan karbon dioksida. Pengaruh terpadu selama waktu tetap memungkinkan untuk peluruhan waktu substansi. Sebuah horizon waktu 100 tahun biasanya diadopsi, meskipun hal ini jauh lebih kecil daripada masa hidup CO2 di atmosfer. Refrigerant hanya mempengaruhi pemanasan global jika dilepaskan ke atmosfir. Nilai GWP untuk refrigeran HFC dapat dilihat pada tabel misalnya, R134a memiliki GWP 1300, yang berarti bahwa emisi 1 kg R134a adalah setara dengan 1300kg CO2. Pemilihan refrigeran mempengaruhi dampak pemanasan seumur hidup dari sistem dan dampak pemanasan jangka jumlah setara (TEWI) digunakan untuk menggambarkan dampak keseluruhan. Ini mencakup dampak kebocoran refrigeran, refrigeran pemulihan kerugian dan konsumsi energi. TEWI harus dihitung ketika sistem membandingkan pilihan desain untuk aplikasi khusus. Rincian metode komprehensif dengan contoh-contoh perhitungan diberikan dalam Pedoman. Gambar 2.5 dan 2.6
17
menunjukkan persamaan yang digunakan dan contoh untuk instalasi suhu R134a menengah. Unsur terbesar dari TEWI untuk sebagian besar sistem pendingin dan AC adalah konsumsi energi. Gambar 2.5 dan gambar 2.6 menunjukkan efek dominan unsur konsumsi energi, yang jika meningkat sebesar 10% memiliki efek yang mirip dengan dua kali lipat dari biaya refrigeran dan kebocoran.
TEWI TEWI
=
Total Pengaruh Equivalen Pemanasan
=
(GWP x L x n) + (GWP x m [1- recovery] + (n x Eannual x ) Kebocoran Proses recovery kerugian Penggunaan energi Potensi tidak Potensi langsung atas pemanasan langsung global atas pemanasan global GWP = Potensi Pemanasan Global [CO2- ] L = Tingkat kebocoran pertahun [kg] n = Waktu pengoperasian sistem [Tahun] m = Beban pendinginan [kg] = Faktor perputaran recovery Eannual = Penggunaan energi pertahun [kWh] = CO2- Emisi per kWh (EnergiCampuran) Gambar 2.5 : perhitungan TEWI
18
Suhu medium R134a
Suhu uap
-10OC
(c)
(a) 200
Energi
TEWI, Kg CO2 x 103
Data For (a)
(b)
250
150
O
Condensing
40 C
M
10 Kg
L
1 Kg
Cooling Load
13.5KW
t
6kW (x5000 h/a)
β
0.422 Kg
Pemulihan Kebocoran
100
50
CO2/kWh a
0.75
n
10 Years
GWP
1300
0 10 Kg, E = 6
20 Kg, E = 6
10 Kg, E = 6.6
Beban pendingin, energi
Gambar 2.6 : perbandingan TEWI, data sesuai terhadap dampak beban pendingin dan daya gunanya meningkat Kolom (a) menunjukkan data baseline, dengan pengaruh tagihan ganda dan 10% peningkatan konsumsi energi dalam kolom (b) dan (c), masing-masing. Semakin sedikit jumlah energi yang diperlukan untuk memproduksi setiap kW pendinginan yang kurang akan menjadi efek pada pemanasan global.
2.12. Tata nama Refrigeran diklasifikasikan oleh ASHRAE, dan mereka lebih dikenal 'R' nomor ditugaskan sesuai dengan aturan tertentu. Sebagai contoh, klasifikasi refrigeran hidrokarbon halogen yang berasal dari jenuh dan terdiri dari hanya satu zat diilustrasikan oleh contoh berikut ini:
19
R134a Huruf kecil menunjukkan isomer tertentu (perumusan molekul)
Pendinginan
Jumlah atom-atom florin (F) Jumlah atom-atom hidrogen (H) +1 Jumlah atom-atom karbon (C) -1 Campuran yang ditunjuk oleh masing-masing jumlah refrigeran dan proporsi masa. Misalnya : R404A Pendinginan
Huruf besar menunjukkan komposisi tertentu, i.e. % komponen Penomoran secara urut menunjukkan campuran komponen tapi bukan bagian dari unsur pokok 400 seri menujunkkan campuran zeotropik
Campuran Zeotropic ditugaskan nomor identifikasi dalam seri 400. Ini menetapkan angka yang komponen dalam campuran, dan huruf berikut atas menunjukkan
proporsi.
Nomor
tersebut
dalam
urutan
kronologis
persetujuan refrigeran ini dengan ASHRAE. Contoh:
R407A
(R32/R125/R134a
(20/40/40)),
R407B
(R32/R125/R134a (10/70/20)), R407C (R32/R125/R134a (23/25/52)), dll. Campuran azeotrop berada dalam
seri
500. Contoh: R507
(R125/R143a (50/50)). Senyawa organik Miscellaneous berada dalam seri 600, nomor yang diberikan dalam urutan numerik, misalnya, R600a, isobutane, dan senyawa
20
anorganik
dalam
seri
700.
Nomor
Identifikasi
dibentuk
dengan
menambahkan massa molekul relatif komponen untuk 700. Contoh: R717 sesuai dengan amonia yang memiliki massa molekul 17.
2.13. Refrigerant Blends dan meluncur. Banyak refrigeran HFC adalah campuran atau campuran dari dua atau lebih bahan kimia individu. Campuran dapat azeotropes, azeotropes dekat atau zeotropes. Azeotropes menunjukkan titik didih tunggal, tegasnya pada suatu tekanan tertentu, namun demikian mereka mungkin dibuat sebagai zat tunggal. Refrigeran azeotropik pertama adalah CFC, R502, sehingga penggunaan campuran refrigeran bukanlah hal baru. Dimana titik didih bervariasi di seluruh proses tekanan konstan mendidih, bervariasi penguapan dan kondensasi suhu yang ada dalam proses perubahan fasa. R407C adalah zeotrope paling banyak digunakan. Mengacu pada angka 3,5, bentuk siklus uap terkenal kompresi refrigeran tidak berubah, seperti yang ditunjukkan. Konstan P1, penguapan, dan P2 proses tekanan kondensasi yang diwakili oleh garis horizontal, tetapi garis-garis temperatur konstan sekarang miring. Suhu di mana dimulai kondensasi disebut titik embun,
dinotasikan
sini
sebagai
T2
(Dew).
Sebagai
kondensasi
berlangsung, suhu jatuh ke T2 (Bubble) sehingga suhu T2 titik embun 40° C sesuai dengan suhu titik gelembung sekitar 34 ° C. Suhu penguapan selama
21
proses perubahan dari T1 (Evaporator Inlet) untuk T1 (Dew), sebagai komponen lebih ringan dari campuran, R32 dan R125, menguap preferentially ke R134a, sehingga cairan yang tersisa menjadi R134a kaya, titik didih bertahap meningkat sampai semua cairan menguap. Catatan bahwa ini tidak berarti bahwa komponen mendidih lebih ringan dan meninggalkan R134a cair pada akhir proses. Pergeseran komposisi selama proses ini terbatas dan cukup kecil. superheat lebih lanjut kemudian terjadi setelah penguapan selesai, meningkatkan suhu untuk Ts, suhu pada inlet hisap kompresor. Suhu luncur dapat digunakan untuk keuntungan dalam meningkatkan kinerja pabrik dengan desain yang benar dari penukar panas. Masalah yang terkait dengan campuran adalah bahwa kebocoran refrigerant bisa mengakibatkan perubahan proporsi komponen dalam campuran. Namun, perubahan kecil dan memiliki efek yang dapat diabaikan terhadap kinerja. Rekomendasi berikut berlaku untuk penggunaan campuran:
Peralatan harus selalu dibebankan dari fase cair, atau konsentrasi komponen akan salah.
Ingress udara harus dihindari.
Kolam yang memiliki suhu yang besar meluncur, lebih besar dari 5 K, tidak boleh digunakan dengan evaporator jenis banjir.
22
Beberapa campuran memperlihatkan meluncur kurang dari 2 K, dan ini disebut 'dekat azeotropes'. Untuk tujuan praktis mereka mungkin diperlakukan sebagai zat tunggal. Contoh: R404A dan R410A. Banyak senyawa hidrokarbon yang cocok digunakan sebagai refrigran, khususnya dipakai pada industri perminyakan dan petrokimia, dapat dilihat pada tabel 2.7 dibawah ini. Penomoran
Nama kimia
Rumus kimia
50
Methane
CH4
170
Ethane
C2H6
290
Propane
C3H8
600
n-butane
CH3CH2CH2CH3
600a
Isobutane
CH(CH3)3
1150
Ethylene
CH2=CH2
1270
Propylene
CH3CH=CH2
Tabel 2.7 : Refrigeran hidrokarbon 2.14. Analisa sistem kompresi uap 2.14.1 Siklus Carnot Siklus carnot secara thermodinamika bersifat reversible secara skema siklus mesin kalor Carnot diperlihatkan pada gambar 2.8 berikut ini : Kalor dari sumber bersuhu tinggi 2
1
3 Turbin
Kompresor
Kerja
Kerja
Kondensor
Evaporator
4
Kalor ke penguap (lingkungan) bersuhu rendah
23
Suhu (oK) 2
3 Kerja Bersih 4
1 Entropi (Kj/kg K)
Gambar 2.8 : skema Mesin Carnot
Mesin Carnot menerima energi kalor pada suhu tinggi merubah sebagian menjadi kerja dan kemudian mengeluarkan sisanya sebagai kalor pada suhu yang lebih rendah. Siklus refrigerasi Carnot merupakan kebalikan dari siklus mesin Carnot. Karena siklus refrigerasi menyalurkan energi dari suhu rendah menuju suhu yang lebih tinggi siklus refrigerasi membutuhkan kerja luar untuk mendapatkan kerja. Diagram peralatan, diagram entalpi suhu dari siklus refrigerasi diperlihatkan pada gambar 2.9 berikut ini :
Kalor menuju lingkungan yang bersuhu tinggi 3
Kondensor Katup Ekspansi
Kerja
4
2
Kerja
Kompresor
Evaporator
1
Kalor dari sumber bersuhu rendah
24
Suhu (oK)
Proses siklus refrigerasi carnot : 3
2 Kerja Bersih
2-3 Pelepasan kalor isotermal 1
4
1-2 Kompresi adiabatik
Entropi (Kj/kg K)
3-4 Ekspansi adiabatik 4-1 Pemasukan kalor isothermal
K) Gambar 2.9 : Siklus Refrigerasi Carnot dan Diagram suhu Entropi
Tujuan utama sistem refrigerasi Carnot adalah proses 4-1 penyerapan dari sumber bersuhu rendah. Seluruh proses lainnya pada siklus tersebut dibuat sedemikian rupa sehingga energi bersuhu rendah dapat dikeluarkan kelingkungan yang bersuhu yang lebih tinggi. 2.14.2 Siklus kompresi uap teoritis. Siklus teoritis mengasumsikan bahwa : 1. Uap refrigeran yang keluar dari evaporator dan masuk kompresor merupakan uap jenuh pada tekanan dan temperatur penguapan. 2. Refrigeran keluar kondensor dan masuk kea lat ekspansi berupa cairan jenuh pada tekanan dan temperatur pengembunan. 3
2
Kondensor
Katup Ekspansi
1 Evaporator
Kompresor
4
25
Tekanan (kPa) Pengembunan 2’
3
1
Penguapan
4
2
Entalpi (kJ/ kg)
Suhu (oK)
2 2 ’
3 4
1
Entropy (kJ/ kg K) Gambar 2.10 : Skema Siklus Kompresi Uap
Beberapa proses yang bekerja pada siklus refrigerasi : 1. Proses kompresi Proses kompresi berlangsung dari titik 1 ke titik 2 pada siklus teoritis diasumsikan refrigeran tidak mengalami perubahan kondisi selama mengalir di jalur hisap. Pada proses ini uap refrigeran pada tekanan evaporasi dikompresi sampai pada tekanan kondensasi. Proses kompresi diasumsikan isentropik sehingga pada diagram tekanan entalpi, titik 1 dan titik 2 berada pada satu garis entropi
26
konstan. Pada titik 2 uap refrigeran berada pada kondisi superheat. Proses kompresi memerlukan kerja luar, entalpi uap naik yaitu dari h1 ke h2. besarnya kenaikan ini sama dengan besarnya kerja mekanis yang dilakukan pada uap refrigeran. 2. Proses kondensasi Proses 2-2’ dan 2-3 terjadi di kondensor. Uap panas refrigeran yang keluar dari kompresor di dinginkan sampai pada temperatur kondensasi dan kemudian dikondensasikan. Titik 2 adalah kondisi refrigeran yang keluar dari kompresor. Pada titik 2’ refrigeran berada pada kondisi uap jenuh pada tekanan dan temperatur
kodensasi.
Jadi
prose
2-2’
merupakan
proses
pendinginan sensible dari temperatur keluar kompresor menuju temperatur kondensasi. Proses ini terjadi pada tekanan konstan, jumlah panas yang di pindahkan selama proses ini adalah beda entalpi antara titik 2 dan titik 2’. Proses 2’-3 adalah proses kondensasi uap didalam kondensor. Proses kondensasi terjadi pada tekanan konstan. Jumlah panas yang dipindahkan selama proses ini adalah beda entalpi antara 2’3. Besarnya panas total yang dikeluarkan di kondensor adalah jumlah antara panas yang dikeluarkan pada proses 2-2’ ditambah panas yang dikeluarkan pada proses 2’-3. Panas total ini berasal dari panas yang diserap oleh refrigeran yang menguap didalam
27
evaporator dan panas yang masuk karena adanya kerja mekanis pada kompresor.
3. proses ekspansi proses ekspansi berlangsung dari titik 3 ke titik 4, pada siklus standar diasumsikan tidak terjadi perubahan kondisi cairan refrigeran yang mengalir di dalam jalur cairan sampai ke throttling device. Kondisi refrigeran masuk ke alat pengontrol dinyatakan oleh titik 3, pada proses ini terjadi penurunan tekanan refrigeran dari tekanan kondensasi titik 3 menjadi tekanan evaporasi titik 4. Pada waktu cairan di ekspansi melalui alat ekspansi ke evaporator, temperatur refrigeran juga turun dari temperatur kondensasi ke temperatur evaporasi, hal ini disebabkan oleh terjadinya penguapan sebagian cairan refrigeran selama proses ekspansi. Proses 3-4 merupakan proses ekspansi adiabatik dimana entalpi fluida tidak berubah disepanjang proses. Refrigeran pada titik 4 berada pada kondisi campuran cair-uap. 4. proses evaporasi proses 4-1 adalah proses penguapan refrigeran pada evaporator atau disebut juga efek refrigerasi (RE). proses ini berlangsung pada temperatur dan tekanan tetap.
28
