DAFTAR ISI
Halaman
KATA PENGANTAR
ii
DAFTAR ISI
iii
DAFTAR GAMBAR
x
DAFTAR TABEL
xiv
DAFTAR LAMPIRAN
xv
BAB I DASAR-DASAR REFRIGERASI DAN TATA UDARA
1
A. Kalor
1
B. Zat (Benda)
4
C. Gaya (Force)
5
D. Tekanan
5
1. Tekanan Atmosfir
5
2. Tekanan Manometer (Pengukuran)
6
3. Tekanan Absolut
6
4. Hubungan Suhu dan Tekanan
7
E. Kerja (Work)
7
F. Daya
8
G. Hukum konservasi energi
8
H. Jumlah panas
8
I.
Panas jenis
9
J.
Humidity (Kelembaban)
9
K. Hubungan temperatur-volume pada tekanan konstan
10
L. Hukum Charles untuk proses tekanan konstan
11
M. Hubungan tekanan-volume pada temperatur konstan
12
N. Hubungan tekanan-temperatur pada volume konstan
13
O. Hukum Charles untuk proses volume konstan
14
P. Hukum Gas Umum
15 iii
Q. Gas ideal atau gas sempurna
16
R. Proses-proses untuk gas ideal
16
1.
Proses volume konstan
17
2.
Proses tekanan konstan
18
3.
Proses temperatur konstan
18
4.
Proses adiabatik
18
5.
Proses politropik
20
6.
Hubungan PVT selama proses adiabatik
21
S. Titik didih
21
T. Temperatur jenuh
22
U. Uap Jenuh
22
V. Uap panas lanjut dan Cairan dingin lanjut
23
W. Pengaruh tekanan pada temperatur jenuh
24
BAB II KOMPONEN UTAMA REFRIGERASI DAN TATA UDARA A. Kompresor 1.
2.
27
Jenis kompresor berdasarkan letak motornya
27
a. Kompresor open type
27
b. Kompresor semi hermetic
29
c. Kompresor hermetic
30
Jenis kompresor berdasarkan cara kerjanya
30
a. Kompresor Reciprocating (Torak)
30
b. Kompresor rotary centrifugal
31
c. Kompresor helical-rotary screw
33
d. Kompresor scroll
34
B. Kondensor 1.
2.
3.
27
35
Air Cooled Condenser
36
a. Remote condenser
37
b. Condensing unit
38
Water Cooled Condenser
39
a. Shell and Tubes Condenser
40
b. Shell and Coil Condenser
41
c. Tubes in Tube Condenser
41
Evaporative Condenser
42 iv
C. Evaporator 1.
2.
3.
4.
5.
44
Jenis evaporator berdasarkan konstruksinya
44
a. Bare tube evaporator
44
b. Finned tube evaporator
44
c. Plate surface evaporator
45
Jenis evaporator berdasarkan metoda pemasokan refrigerannya
45
a. Dry expansion evaporator
45
b. Flooded evaporator
46
Jenis evaporator berdasarkan sirkulasi udaranya
47
a. Natural convection evaporator
47
b. Forced convection evaporator
47
Jenis evaporator berdasarkan fluida yang didinginkan
48
a. Air cooling evaporator
48
b. Liquid chilling evaporator
48
1) Double pipe cooler (tube in tube cooler)
48
2) Baudelot cooler (falling film surface)
49
3) Shell and coil evaporator
49
4) Shell and tube evaporator
49
Jenis evaporator berdasarkan sistem kontak refrigerannya
50
a. Direct system
50
b. Indirect system
50
D. Alat ekspansi
50
1. Keran ekspansi yang diputar dengan tangan (manual)
51
2. Keran pelampung sisi tekanan rendah
52
3. Keran pelampung sisi tekanan tinggi
53
4. Keran ekspansi otomatis
54
5. Keran ekspansi thermotatis
55
6. Pipa kapiler
56
BAB III REFRIGERAN DAN MINYAK PELUMAS
57
A. Definisi Refrigeran
57
B. Jenis-jenis Refrigeran
59
1.
Refrigerant R-11, CC13F, Trichloro Monofluora Methane
59
2.
Refrigerant R-12, CL2F2 Dichloro Difluoro Methane
59
v
3.
Refrigerant R-22, CHCLF2 Chloro Difluoro Methane
61
4.
Refrigerant R-113, C2Cl2F3, Trichloro Trifluoro Ethane
62
5.
Refrigerant R-114 C2Cl2F4, Dichloro Tetrafluoro Ethane
62
6.
Refrigerant R-500, CCL2F2/CH3-CHF2 Azeotrope
63
7.
Refrigerant R-502, ChCLF2/CClF2-CF3 Azeotrope
64
8.
Amonia R-717. NH3
65
9.
Carbon Dioxide, R-744, CO2
66
10. Sulfur Dioxide, R-764, SO2
67
11. Methylchloride, R-40, CH3CL
67
C. Minyak Pelumas
68
D. Kekentalan (Viscosity) Minyak Pelumas
69
BAB IV SISTEM KOMPRESI UAP
71
A. Siklus kompresi uap
71
B. Model siklus kompresi uap
72
C. Diagram tekanan-entalpi
73
D. Proses pendinginan
75
1.
Proses ekspansi
76
2.
Proses evaporasi
77
3.
Proses kompresi
77
4.
Proses kondensasi
77
E. Pengaruh superheating refrigeran uap pada siklus refrigerasi
78
F. Pengaruh subcooling refrigerant cair pada siklus refrigerasi
80
BAB V PSYCHROMETRIC
83
A. Definisi Psychrometric
83
B. Letak Garis dan Skala Pada Grafik
85
C. Hubungan antara Bagian-bagian Psychrometric
87
D. Penggunaan Praktis Kandungan Uap Air (Humidity)
96
1.
Pengkondisian Udara Di Musim Dingin
96
2.
Pengkondisian Udara Di Musin Panas
98
3.
Kondensasi atau Pengembunan Di Musim Dingin
99
E. Aplikasi Term Pengembunan/Kondensasi Secara Praktis
vi
100
BAB VI ESTIMASI BEBAN PENDINGINAN
103
A. Macam-macam beban pendinginan
103
B. Waktu operasi (equipment running time)
103
C. Perhitungan beban pendinginan
105
1.
Beban panas dari dinding (the wall gain load)
105
2.
Beban panas dari pertukaran udara (the air change load)
105
3.
Beban panas dari produk
106
4.
Beban panas dari alat-alat (beban tambahan)
107
D. Faktor perpindahan panas melalui dinding (wall gain load)
107
E. Menentukan harga faktor U (determination of the U faktor)
108
F. Perbedaan temperatur diantara dinding ruangan pendingin
111
G. Perbedaan temperatur diantara lantai dan langit-langit
111
H. Pengaruh radiasi matahari
112
I.
Perhitungan beban panas dari dinding
112
J.
Perhitungan beban panas dari udara
115
K. Perhitungan beban panas dari produk
117
L. Faktor pendinginan mula (chilling rate faktor)
119
M. Panas respirasi
120
N. Beban panas dari pembungkus produk
121
O. Perhitungan beban tambahan (miscellaneous load)
121
P. Penggunaan faktor keselamatan (safety faktor)
121
Q. Cara pendek untuk menghitung beban pendinginan
122
BAB VII SISTEM AIR CONDITIONING
123
A. Gambaran umum Air Conditioning
123
B. Jenis-jenis Air Conditioning
124
1.
AC Window
124
2.
AC Mini split
124
3.
AC Split Duct
125
4.
VRV System
126
C. Prinsip Kerja Air Conditioning
127
1.
Siklus Aliran Refrigeran
127
2.
Siklus Aliran Udara
129
vii
D. Precision Air Conditioning (PAC)
129
1.
Keakuratan pengontrolan temperatur dan kelembaban ruangan
130
2.
Kualitas udara yang disirkulasikan
130
3.
Jam operasi unit
131
E. Fungsi Precision Air Conditioning
131
F. Jenis-jenis PAC
132
1.
2.
Jenis PAC berdasarkan sistem kerjanya
132
a. DX (Direct Expansion)
132
b. Chilled Water
134
c. Dual Cooling System
134
Jenis PAC berdasarkan arah alirannya
135
a. Up flow
135
b. Down flow
135
G. Prinsip kerja Precision Air Conditioning
135
H. Gambaran Umum AC Sentral
135
1.
Chiller
137
2.
Jenis – jenis Chiller
137
a. Air cooled Chiller
137
b. Water cooled Chiller
138
c. Absorption Chiller
139
3.
Air Handling Unit (AHU)
140
4.
Cooling Tower
140
BAB VIII PERALATAN KERJA REFRIGERASI DAN TATA UDARA
142
A. Manifold Gauge
142
B. Pompa Vakum
143
C. Leak Detector
144
D. Thermometer
145
E. Multitester
145
F. Tang ampere
146
G. Kapasitor Tester
147
H. Mesin 3R (Recovery, Recycle dan Recharging)
148
I.
Cutting Copper Tubing
148
J.
Flaring Copper Tubing
149 viii
K. Swaging Copper Tubing
149
L. Bending Copper Tubing
150
M. Brazing Copper Tubing
150
N. Dental Mirror
151
O. Alat Pembuntu pipa (Pinch-Off tool)
151
1. Pembuntu pipa jenis Vise-Grip
151
2. Pembuntu pipa jenis plat (Imperial)
152
3. Pembuntu pipa jenis ragum (Robin air)
152
P. Katup Servis (Service Valve)
153
DAFTAR PUSTAKA
154
GLOSSARY
155
LAMPIRAN
159
ix
DAFTAR GAMBAR
Halaman Gambar 1.1 Skala temperature
1
Gambar 1.2 Proses perpindahan kalor
2
Gambar 1.3 Proses penambahan kalor
2
Gambar 1.4 Nilai Kalor sensibel dan laten
3
Gambar 1.5 Perubahan wujud zat dari cair ke gas
4
Gambar 1.7 Tekanan atmosfir
6
Gambar 1.8 Skala pengukuran tekanan atmosfir dan manometer
6
Gambar 1.9 Skala pengukuran tekanan absolut
7
Gambar 1.10 Kandungan uap air relativ
10
Gambar 1.11 Proses tekanan konstan
11
Gambar 1.12 Proses temperatur konstan
12
Gambar 1.13 Proses volume konstan
13
Gambar 1.14 Hubungan tekanan-volume pada proses adiabatik
19
Gambar 1.15 Hubungan tekanan-volume pada proses politropik
20
Gambar 1.16 Uap jenuh (saturated vapor)
22
Gambar 1.17 Uap panas lanjut (superheated vapor)
23
Gambar 1.18 Grafik hubungan tekanan dan temperatur uap jenuh air
24
Gambar 1.19 Pengaruh tekanan pada temperatur jenuh cairan
25
Gambar 2.1 Kompresor Open-Type
28
Gambar 2.2 Kompresor Semi hermetic
29
Gambar 2.3. Hermetic-Type Compressor
30
Gambar 2.4 Kompresor resiprocating
31
Gambar 2.5 Rotary-Centrifugal Compressor
31
Gambar 2.6 Impeller blade, passage, diffuser passage dan volute
32
Gambar 2.7 Multistage Centrifugal Compressor
32
Gambar 2.8 Kompresor twin screw dan single screw
33
Gambar 2.9 Mekanisme refrigeran di kompresor
34
x
Gambar 2.10 Kompresor Scroll
35
Gambar 2.11 Air Cooled Condenser
36
Gambar 2.12 Jenis remote air cooled condenser
38
Gambar 2.13 Condensing unit.
38
Gambar 2.14 Water Cooled Condenser
39
Gambar 2.15 Shell and Tubes Condenser
40
Gambar 2.16 Shell and Coil Condenser
41
Gambar 2.17 Tubes and Tube Condenser
41
Gambar 2.18 Evaporative condenser
42
Gambar 2.19 Bare tube evaporator
44
Gambar 2.20 Finned tube evaporator
45
Gambar 2.21 Plate surface evaporator
45
Gambar 2.22 Dry expansion evaporator
46
Gambar 2.23 Flooded evaporator
46
Gambar 2.24 Natural convection evaporator
47
Gambar 2.25 Forced convection evaporator
47
Gambar 2.26 Tube in tube evaporator
48
Gambar 2.27 Baudelot cooler
49
Gambar 2.28 Shell coil evaporator
49
Gambar 2.29 Shell and tube evaporator
50
Gambar 2.30 keran ekspansi yang diputar dengan tangan
51
Gambar 2.31 keran pelampung sisi tekanan rendah pada evaporator banjir
52
Gambar 2.32 Keran pelampung sisi tekanan tinggi
53
Gambar 2.33 Keran ekspansi otomatis
54
Gambar 2.34 Keran ekspansi thermostatis, Sporlan tipe G
55
Gambar 4.1 Siklus diagram sistem refrigerasi kompresi uap sederhana
71
Gambar 4.2 Model siklus kompresi uap
72
Gambar 4.3 Sketsa diagram tekanan-entalpi
74
Gambar 4.4 Sketsa Ph diagram
75
Gambar 4.5 Diagram Ph untuk siklus refrigerasi pada temperatur 0 0 penguapan 20 F dan temperatur kondensasi 100 F
75
Gambar 4.6 Diagram alir dari siklus refrigerasi sederhana
76
Gambar 4.7 Siklus diagram aliran superheated
78
xi
Gambar 4.8 Ph diagram untuk perbandingan siklus satarusi dengan siklus superheated
79
Gambar 4.9 Ph diagram untuk perbandingan siklus satarusi dengan siklus subcooled
80
Gambar 5.1 Grafik psychrometric
83
Gambar 5.2 Ilustrasi Grafik psychrometric
86
Gambar 5.3 Garis temperatur kering dan basah
86
Gambar 5.4 Garis temperatur kondensasi dan kanduangan uap air relatif
87
Gambar 5.5 Garis tetes uap air (grains of moisture)
87
Gambar 5.6 Cara menentukan kandungan uap air relatif (RH)
88
Gambar 5.7 Cara menentukan temperatur basah
89
Gambar 5.8 Cara menentukan temperatur kering
90
Gambar 5.9 Cara menentukan temperatur pengembunan kesatu
91
Gambar 5.10 Cara menentukan temperatur pengembunan kedua
92
Gambar 5.11 Cara menentukan temperatur pengembunan ketiga
93
Gambar 5.12 Cara menentukan jumlah tetes air
94 3
Gambar 5.13 Cara menentukan jumlah tetes air per ft udara
95
Gambar 5.14 Cara menentukan kondisi nyaman di musim dingin
97
Gambar 5.15 Cara menentukan kondisi nyaman di musim panas
98
Gambar 5.15 Cara menentukan temperatur pengembunan di musim dingin
100
Gambar 5.16 Cara menentukan temperatur pengembunan pada permukaan saluran udara (duct)
101
Gambar 6-1 blok beton
109
Gambar 6.2 Denah took
113
Gambar 7.1 Skema sistem air conditioning
123
Gambar 7.2. AC windows
124
Gambar 7.3 AC Split
125
Gambar 7.4 AC Split Duct
125
Gambar 7.5 VRV system
126
Gambar 7.6 siklus air conditioning
128
Gambar 7.7 siklus aliran udara
129
Gambar 7.8 Tampilan Precision Air Conditioning (PAC)
129
Gambar 7.9 PAC tipe Air cooled system
132
Gambar 7.10 PAC tipe Water cooled system
133
xii
Gambar 7.11 PAC tipe Glycool system
133
Gambar 7.12 PAC tipe Chilled water system
134
Gambar 7.13 Dual cooling system
134
Gambar 7.14 Arah Aliran udara PAC
135
Gambar 7.15 AC Sentral
136
Gambar 7.16 Chiller
137
Gambar 7.16 Air Coold Chiller
138
Gambar 7.17 Water coold chiller
138
Gambar 7.18 Absoption Chiller
139
Gambar 7.19 Air Handling Unit
140
Gambar 7.19 Cooling Tower
141
Gambar 7.20 Natural draft
141
Gambar 7.21 Force Draft
141
Gambar 8.1 Manifold gauge
142
Gambar 8.2 Pompa vakum
143
Gambar 8.3 Elektronik Leak Detector
144
Gambar 8.4 Thermometer
145
Gambar 8.5 Multitester
145
Gambar 8.5 Tang ampere
146
Gambar 8.6 Capasitor Tester
147
Gambar 8.7 Mesin 3R
148
Gambar 8.8 Tubing Cutter
148
Gambar 8.9 Flaring Tools
149
Gambar 8.10 Swaging Tools
149
Gambar 8.11 Bending
150
Gambar 8.12 Brazzing Tools
151
Gambar 8.13 Dental Mirror
151
Gambar 8.14 Pembuntu pipa jenis vise grip
152
Gambar 8.15 Pembuntu pipa jenis plat
152
Gambar 8.16 Pembuntu pipa jenis ragum
152
Gambar 8.17 Katup servis
153
xiii
DAFTAR TABEL
Halaman Tabel 2.1 Kelebihan dan kekurangan kompresor open type
28
Tabel 2.2 Kelebihan dan kekurangan kompresor semi hermetic
29
Tabel 2.3 Kelebihan dan kekurangan kompresor hermetic
30
Tabel 2.4 Patokan penentuan suhu kondensasi
43
Tabel 3.1 Beberapa Merk dagang refrigeran
58
Tabel 3.2 Warna tabung Refrigeran
58
Tabel 3.3 Pedoman Kekentalan Minyak Pelumas
70
xiv
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman Lampiran 1 Tabel 6.1 Heat transfer coefficient (U) for cold storage rooms
159
Lampiran 2 Tabel 6.2 Heat transfer coefficient (U) for cold storage rooms
160
Lampiran 3 Tabel 6.3 Heat transfer coefficient (U) for cold storage rooms
161
Lampiran 4 Tabel 6.4 Thermal conductivity of materials used in cold storage Rooms
162
Lampiran 5 Tabel 6.5 Faktor U untuk kaca atau gelas dan Tabel 6.5A Surface Conductance (f) for building structures
163
Lampiran 6 Tabel 6.6 Refrigerations design ambient temperature guide
164
Lampiran 7 Tabel 6.7 Allowance for solar radiation
170
3
Lampiran 8 Tabel 6.8A Btu/ft of air removed in cooling to storage conditions 0 3 above 30 F dan Tabel 6.8B Btu/ft of air removed in cooling to 0 storage conditions below 30 F
171
Lampiran 9 Tabel 6.9A Average air changes per 24 hours for storage rooms 0 above 32 F due to door opening and infiltration dan Tabel 6.9B 0 Average air changes per 24 hours for storage rooms below 32 F due to door opening and infiltration
172
Lampiran 10 Tabel 6.10 Design data for fruit storage
173
Lampiran 11 Tabel 6.11 Design data for vegetable storage
175
Lampiran 12 Tabel 6.12 Design data for meat storage
177
Lampiran 13 Tabel 6.13 Design data for miscellaneous storage
179
Lampiran 14 Tabel 6.14 Reaction heat from fruits and vegetables
181
Lampiran 15 Tabel 6.15 Heat equivalent of electric motors
182
Lampiran 16 Tabel 6.16 Heat equivalent of occupancy
183
Lampiran 17 Tabel 6.17 Usages heat gain, Btu/24 Hr for one cubic feet interior capacity
184
Lampiran 18 Tabel 6.18 Wall heat gain
185
xv
BAB I DASAR-DASAR REFRIGERASI DAN TATA UDARA
A. Kalor Kalor adalah salah satu bentuk energi yang tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan. Kalor dapat diubah bentuknya menjadi energi lain. Kalor adalah energi yang berpindah jika terdapat perbedaan temperatur. Kalor akan mengalir dari benda yang bertemperatur tinggi ke benda yang bertemperatur rendah. Kejadian ini akan terus berlangsung sampai diperoleh keseimbangan temperatur (termal).
Gambar 1.1 Skala temperatur Sumber : http://www.nc-climate.ncsu.edu/edu/k12/.Temperature Temperatur adalah tingkatan atau derajat panas atau dingin dari suatu benda yang 0
0
umumnya diukur dalam satuan derajat Fahrenheit ( F) atau Celcius ( C), seperti ditunjukkan oleh Gambar 1.1. Jika kalor ditambahkan pada suatu benda maka temperatur benda itu akan naik. Begitu pula sebaliknya jika kalor dikurangi/dipindahkan dari suatu benda maka temperatur benda itu akan turun atau menjadi rendah. Temperatur rendah itulah yang disebut dingin. 1
Gambar 1.2 Proses perpindahan kalor Sumber: https://www.educate-sustainability.eu Sebagaimana ditunjukkan oleh Gambar 1.2, proses perpindahan kalor pada suatu zat terjadi dengan tiga cara yaitu konduksi, konveksi dan radiasi. Perpindahan kalor secara konduksi adalah perpindahan kalor melalui suatu zat yang sama tanpa disertai perpindahan bagian-bagian dari zat itu. Contoh: besi yang dipanaskan. Konveksi adalah perpindahan kalor melalui media gas atau cairan, sebagai contoh udara di dalam lemari es dan air yang dipanaskan di dalam cerek. Radiasi adalah perpindahan kalor dari suatu bagian yang yang lebih tinggi suhunya ke bagian lain yang lebih rendah suhunya tanpa melalui zat perantara, contohnya: cahaya matahari, panas lampu dan tungku api. Perpindahan kalor secara radiasi hanya dapat terjadi melalui gas, benda yang transparan, dan ruang yang hampa udara (vacum). Pada sistem refrigerasi dan air conditioning, satuan energi kalor dinyatakan dalam British Thermal Unit (BTU). BTU adalah sejumlah kalor yang diperlukan untuk 0
menaikkan temperatur 1 pon air sebesar 1 F. Air digunakan sebagai standar untuk menghitung jumlah kalor. Pada gambar 1.3 ditunjukkan ilustrasi dari proses penambahan kalor pada air.
Gambar 1.3 Proses penambahan kalor 2
Pada penggunaannya dikenal dua istilah kalor yaitu kalor sensibel dan kalor laten. Kalor sensibel adalah kalor yang dapat diukur, kalor yang menyebabkan terjadinya kenaikkan/penurunan temperatur. Kalor laten adalah kalor yang diperlukan untuk merubah phasa benda, mulai dari titik lelehnya atau titik didihnya atau titik bekunya sampai benda itu berubah phasa secara sempurna, tetapi temperaturnya tetap. Kalor laten yang diperlukan untuk merubah phasa padat ke cair disebut kalor laten fusi (latent heat of fusion). Kalor laten yang diperlukan untuk merubah phasa cair ke padat disebut kalor laten pembekuan (latent heat of freezing). Kalor laten yang diperlukan untuk merubah phasa cair ke gas (uap) disebut kalor laten penguapan (latent heat of vaporization) dan kalor laten yang diperlukan untuk merubah phasa gas ke cair disebut kalor laten pengembunan (latent heat of condensation). Besaran nilai kalor laten dan sensible dari air untuk berubah wujud dan temperaturnya ditunjukkan oleh Gambar 1.4.
Gambar 1.4 Nilai Kalor sensibel dan laten Sumber : http://firecontrolman.tpub.com/14104/css/14104_47.htm 3
B. Zat (Benda) Wujud (phasa) benda yang ada dipermukaan bumi terdiri atas tiga keadaan yaitu padat, cair dan gas. Diantara ketiganya itu terdapat perbedaan sebagai berikut: (1) benda dalam keadaan padat memiliki bentuk dan isi yang tetap karena molekul-molekulnya saling merapat satu sama lain. (2) benda dalam keadaan cair isinya tetap dan bentuknya berubah-ubah menyesuaikan dengan tempatnya. (3) benda dalam keadaan gas bentuk dan isinya selalu berubah-ubah. Walaupun ketiga benda tersebut memiliki phasa yang berbeda-beda, tetapi salah satu phasa benda itu bisa berubah ke phasa benda yang lainnya. Sebagai contoh pada Gambar 1.5 Proses perubahan phasa suatu benda, dimana air (cair) dapat berubah menjadi uap (gas) yang bergantung pada temperatur dan tekanan disekitarnya. Beberapa proses perubahan phasa benda adalah sebagai berikut : 1.
Membeku, yaitu perubahan dari cair ke padat
2.
Mencair, yaitu perubahan dari padat ke cair
3.
Menguap, yaitu perubahan dari cair ke gas (uap)
4.
Mengembun, yaitu perubahan dari uap ke cair
5.
Menyublim, yaitu perubahan dari padat ke uap tanpa melalui proses perubahan ke cair.
6.
Mengendap (deposition) yaitu perubahan dari gas ke padat tanpa melalui proses perubahan ke cair.
Gambar 1.5 Perubahan wujud zat dari cair ke gas Sumber: http://www.chemistry.wustl.edu/~edudev/LabTutorials/Thermochem Pada sistem refrigerasi dan tata udara proses perubahan phasa benda sangat berperan besar, secara khusus dilakukan oleh refrigeran. Refrigeran adalah bahan pendingin 4
berupa fluida yang digunakan untuk menyerap kalor melalui perubahan phasa cair ke gas (menguap) dan membuang kalor melalui perubahan phasa gas ke cair (mengembun).
C. Gaya (Force) Gaya didefinisikan sebuah dorongan atau tarikan. Sesuatu yang cenderung mendorong benda untuk melakukan suatu gerakan atau untuk membantu gerakan benda untuk berhenti, atau untuk mengubah arah gerakan. Gaya juga dapat merubah ukuran atau bentuk sebuah benda. Benda tersebut dapat berupa belitan, belokan, rentangan, yang ditekan atau yang lainnya yang berubah bentuk oleh gerakan akibat sebuah gaya. Gaya lebih dikenal sebagai berat (weight). Berat suatu benda dapat diukur dengan gaya yang didesakan pada benda oleh tarikan gravitasi bumi (Gambar 1.7). Ada banyak gaya selain gaya gravitasi, semua gaya diukur dengan satua berat. Namun demikian, kebanyakan gaya diberi satuan dalam pound (lb) dan satuan lain juga dapat digunakan.
D. Tekanan Cara memahami air conditioning terlebih dahulu harus memahami tekanan. Tekanan adalah gaya per satuan luas. Semua benda padat, cair dan gas mempunyai tekanan. Benda padat memberikan tekanan kepada benda lain yang menunjangnya. Misalnya kaki lemari es memberikan tekanan kepada lantai. Cairan di dalam bejana memberikan tekanan kepada dinding dan alas bejana itu. Gas di dalam tabung memberikan tekanan kepada tabung. Tekanan gas di dalam tabung dipengaruhi oleh suhu dan jumlah gasnya. Kerja suatu AC sebagian besar tergantung dari perbedaan tekanan di dalam sistem. Kita harus mengerti arti macam-macam tekanan yang berhubungan dengan air conditioning. Tekanan tersebut ada tiga macam yaitu tekanan atmosfir, tekanan manometer (pengukuran) dan tekanan absolut (mutlak). 1.
Tekanan Atmosfir Bumi kita diselimuti udara (21% oksigen, 78% nitrogen dan 1% unsur lain) yang
disebut atmosfir, yang tebalnya diperkirakan lebih dari 600 mil (965,6 km) diukur dari permukaan bumi. Udara itu mempunyai berat dan berat itulah yang dikenal sebagai tekanan atmosfir. Besarnya tekanan atmosfir diukur mulai dari permukaan air laut, besarnya kira-kira 14,7 psi, seperti ditunjukkan oleh Gambar 1.7.
5
Gambar 1.7 Tekanan atmosfir Sumber : http://hendrix2.uoregon.edu/~imamura/102/section2/chapter14.html 2.
Tekanan Manometer (Pengukuran) Manometer adalah alat untuk mengukur tekanan uap air dalam ketel atau
tekanan gas dalam suatu tabung. Tekanan yang ditunjukkan oleh jarum manometer disebut tekanan manometer (pengukuran). Sebagai standar tekanan manometer, tekanan 2
atmosfir pada permukaan air laut diambil sebagi 0, dengan satuan psig atau kg/cm . jadi pada permukaan air laut tekanan atmosfir 14,7 psi = 0 psig tekanan manometer, sebagaimana ditunjukkan oleh Gambar 1.8.
Gambar 1.8 Skala pengukuran tekanan atmosfir dan manometer
3.
Tekanan Absolut Tekanan absolut adalah tekanan yang sesungguhnya. Jumlah tekanan manometer
dan tekanan atmosfir pada setiap saat disebut tekanan absolut. Titik nol (0) pada tekanan
6
absolut adalah vakum 100% atau tidak ada tekanan sama sekali = 0 psia. Pada Gambar 1.9 ditunjukkan skala pengukuran tekanan absolut, dimana tekanan 1 atmosfir pada tekanan absolut adalah 14,7 psia. Tekanan absolut = tekanan manometer + tekanan atmosfir.
Gambar 1.9 Skala pengukuran tekanan absolut
4.
Hubungan Suhu dan Tekanan Umumnya benda-benda dalam wujud padat, cair dan gas jika dikalori gerak
moleku-molekulnya
menjadi
lebih
kuat
dan
volumenya
mengembang.
Jika
mengembangnya dibatasi, akan timbul gaya yang besar dari benda dalam usahanya untuk mengembang. Makin besar kalor yang diberikan, makin besar tekanan yang ditimbulkan. Tekanan tersebut dapat diukur denagn manometer. Makin rendah tekanan pada permukaan cairan, maikn rendah titik didih cairan itu. Hal ini pun berlaku untuk bahan pendingin di dalam evaporator. Makin rendah tekanan di atas permukaan bahan pendingin, makin rendah titik didihnya sehingga suhu evaporator juga menjadi makin rendah.
E. Kerja (Work) Kerja sesuatu yang dilakukan ketika gaya bekerja pada benda yang bergerak sejauh benda itu. Jumlah kerja yang dilakukan adalah gaya yang dihasilkan dan sejauh jarak, dimana gaya bekerja. Hubungan tersebut ditunjukkan oleh persamaan 1-1. W = F x I (1-1) dimana :
7
W
: Kerja yang dilakukan
F
: Gaya
I
: Jarak sejauh gaya yang bekerja
Kerja yang dilakukan selalu dinyatakan dalam bentuk satuan yang sama dengan yang digunakan untuk menyatakan besarnya gaya dan jarak. Untuk jarak, jika gaya dinyatakan dalam pound (lb) dan jarak dinyatakan dalam feet (ft), kerja yang dilakukan dnyatakan dalam foot-pound (ft-lb). Foot-pound satuan yang sering digunakan untuk mengukur kerja.
F. Daya Daya adalah jumlah kerja yang dilakukan. Daya adalah kerja yang dilakukan yang didapat dari waktu yang dibutuhkan untuk melakukan kerja. Satuan daya adalah tenaga kuda (Horsepower, Hp). Satu tenaga kuda didefinisikan daya yang diperlukan untuk melakukan kerja sejumlah 33.000 ft-lb per menit atau 33.000/60 sama dengan 550 ft-lb per detik. Daya yang dibutuhkan dalam tenaga kuda dapat ditentukan dengan persamaan 1-2. Hp =
W 33.000xt
(1-2)
dimana : Hp
: Tenaga kuda
W
: Kerja yang dilakukan (foot-pound)
t
: Waktu (menit)
G. Hukum konservasi energi Hukum pertama termodinamika menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan, tapi dapat diubah bentuknya menjadi bentuk energi lain. Hukum kedua termodinamika menyatakan bahwa perpindahan energi panas berlangsung jika terdapat perbedaan-perbedaan temperatur. Panas itu akan mengalir dari benda bertemperatur tinggi ke benda bertemperatur rendah, kejadian ini akan berlangsung sampai dicapai keseimbangan temperatur.
H. Jumlah panas Ukuran jumlah panas dinyatakan dalam British thermal unit (Btu). Air digunakan sebagai standar untuk menghitung jumlah panas, karena untuk menaikkan 8
0
temperatur 1 F untuk tiap 1 lb air diperlukan panas 1 Btu (pada permukaan air laut). 0
Dua Btu artinya menaikkan temperatur air sebanyak 1 lb untuk 2 F atau menaikkan 0
temperatur air sebanyak 2 lb sebesar 1 F. Oleh karenanya untuk menghitung jumlah panas yang dibutuhkan/dibuang digunakan persamaan1-3. Btu = W x t (1-3) Di mana: W : jumlah air (lb) 0
t : perbedaan temperatur ( F) I.
Panas jenis
Panas jenis suatu benda artinya jumlah panas yang diperlukan benda itu agar 0
temperaturnya naik 1 F. Panas jenis air adalah 1, untuk mendapatkan panas jenis benda lain panas jenis air dijadikan sebagai pembanding. Harga panas jenis benda tentu saja tergantung pada perubahan temperaturnya. Berdasarkan hal itu maka jumlah panas yang diberikan/dibuang dari suatu benda dapat dihitung dari persamaan1-4. Btu = W x c x t
(1-4)
Di mana c : panas jenis benda. Panas jenis benda akan berubah jika fase benda itu berubah. Air adalah salah satu contoh yang baik dimana kita dapat lihat perubahan panas jenisnya pada fase yang lain. Air pada fase cair panas jenisnya 1, tetapi pada fase gas dan padat nilai panas jenisnya hampir 0,5. udara bila dipanaskan dan bergerak bebas pada tekanan tetap panas jenisnya 0,24. uap refrigeran R-12 pada tekanan konstan dan temperatur 70
0
F
0
mempunyai panas jenis 0,148, padahal pada temperatur 86 F adalah 0,24. untuk menghitung jumlah perpindahan panas yang terjadi pada kombinasi beberapa benda digunakan persamaan1-5. Btu = (W1 x c1 x t1) + (W2 x c2 x t2) + (W3 x c3 x t3) + ..... J.
(1-5)
Humidity (Kelembaban) Tetes air di udara diukur dengan istilah (terminologi) humidity (kelembaban)
atau kandungan uap air di udara. Sebagai contoh pada Gambar 1.10, kandungan uap air relativ (relativ humidity) 50% artinya udara itu mengandung tetes air sebanyak 50% dibanding jumlah total yang mampu dikandungnya secara maksimal berdasarkan temperatur yang diberikannya. Kandungan uap air relativ yang rendah memungkinkan 9
tubuh kita untuk mengeluarkan kalor dengan cara penguapan (evaporasi). Karena kelembaban yang rendah berarti udara itu cenderung kering, sehingga ia dapat dengan mudah menyerap uap air. Jika kandungan uap air relativ itu tinggi, maka akan berakibat sebaliknya. Proses penguapan akan berjalan lambat pada kondisi lembab,sehingga kecepatan pengeluaran kalor dari tubuh melalui proses penguapan akan menurun sampai akhirnya berhenti. Kondisi nyaman yang dapat diterima oleh tubuh manusia berada pada 0
0
0
0
kisaran temperatur 72 – 80 F (22,2 – 26,6 C) dan 45% - 50% kelembaban relativ.
4 tetes/ft
a
3
b
T ruang 70 F
8 tetes/ft
3
T ruang 70 F
Gambar 1.10 Kandungan uap air relativ. a) RH 50% dan b) RH 100%
K. Hubungan temperatur-volume pada tekanan konstan Jika gas dipanaskan di bawah satu kondisi dimana tekanan dijaga agar tetap, 0
maka volume akan meningkat 1/492 dari volume semula pada temperatur 32 F untuk 0
setiap peningkatan temperatur 1 F. Demikian juga, jika suatu gas didinginkan pada tekanan konstan, maka volume akan menurun 1/492 dari volume semula pada 0
0
temperatur 32 F untuk setiap penurunan temperatur 1 F. Supaya penggambaran perubahan kondisi pada tekanan konstan lebih baik, diasumsikan bahwa gas disimpan dalam silinder dilengkapi dengan alat yang benar-benar pas, seperti ditunjukkan Gambar 1.11a. Tekanan gas adalah tekanan yang dihasilkan oleh berat piston dan oleh berat atmosfir pada bagian atas piston. Karena piston bebas bergerak ke atas dan ke bawah dalam silinder, maka gas dapat mengembang atau mengkerut, yaitu mengubah volume dengan cara temperatur gas tetap konstan. Pada waktu gas dipanaskan, temperatur dan volume meningkat dan piston bergerak naik dalam silinder. Pada waktu gas didinginkan, temperatur dan volume menurun dan piston bergerak turun dalam 10
silinder. Pada kasus lain, tekanan gas tetap sama atau berubah selama proses pemanasan atau pendinginan.
Gambar 1.11 Proses tekanan konstan. (a) Gas di dalam selinder. (b) Gas dipanaskan sehingga temperatur dan volumenya naik. (c) Gas didinginkan sehingga temperatur dan volumenya turun.
L. Hukum Charles untuk proses tekanan konstan Hukum Charles untuk proses tekanan konstan mempunyai pengaruh, yaitu ketika tekanan gas tetap konstan, volume gas langsung berubah dengan temperatur absolut. Kemudian, jika temperatur absolut gas digandakan pada waktu tekanan dijaga tetap konstan, maka volume juga akan digandakan. Demikian juga, jika temperatur absolut gas dikurangi setengah kali pada waktu tekanan konstan, maka volume juga akan berkurang setengah kali. Persamaan ini diilustrasikan dalam Gambar 1.11b dan 1.11c. Hukum Charles untuk proses tekanan konstan ditulis pada persamaan 1-6, jika tekanan dijaga tetap konstan, maka : T1 V2 = T2 V1 (1-6) Dimana : o
T1 = Temperatur awal gas ( Rankine) o
T2 = Temperatur akhir gas ( Rankine) V1 = Volume awal gas (cu ft) V2 = Volume akhir gas (cu ft) Jika tiga macam nilai lebih dahulu diketahui, maka yang keempat dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 1.6.
11
Contoh 1: o
Sebuah gas mempunyai temperatur awal 520 R dan volume awal 5 cu ft, melakukan ekspansi pada tekanan konstan sampai volumenya 10 cu ft. Tentukan temperatur akhir gas pada derajat Rankine. Jawab : Gunakan persamaan 1-6 Temperatur akhir gas, T2 =
T1 V 2 V1
=
520x8 o = 1040 R 5
M. Hubungan tekanan-volume pada temperatur konstan Ketika volume gas meningkat atau menurun di bawah suatu kondisi, maka temperatur gas tidak akan berubah, tekanan absolut akan terbalik dengan volume. Kemudian, ketika gas ditekan (volume menurun), maka temperatur tetap tidak berubah, tekanan absolut akan meningkat yang sebanding dengan penurunan volume. Secara bersamaan, ketika gas mengembang pada temperatur konstan, tekanan absolut akan menurun yang sebanding dengan peningkatan volume. Pernyataan tersebut adalah hukum Boyle untuk proses tekanan konstan dan digambarkan pada Gambar 1.12.
Gambar 1.12 Proses temperatur konstan. (a) kondisi awal. (b) Proses ekspansi pada temperatur konstan. (c) Proses kompresi pada temperatur konstan. Ketika gas ditekan pada temperatur konstan, kecepatan molekul tetap tidak berubah. Peningkatan tekanan terjadi disebabkan oleh volume gas yang berkurang dan mempunyai jumlah molekul gas yang ditahan pada ruang yang kecil sehingga frekuensi 12
tumbukan menjadi besar. Sebaliknya keadaan akan terjadi ketika gas mengembang pada temperatur konstan. Pada beberapa proses termodinamika yang terjadi seperti hal di atas yaitu temperatur tidak berubah selama proses disebut proses isothermal (temperatur konstan). Hukum Boyle untuk proses temperatur konstan ditunjukkan oleh persamaan 1-7. P1V1 = P2V2
(1-7)
dimana : P1 = Tekanan absolut awal P2 = Tekanan absolut akhir V1 = Volume awal (cu ft) V2 = Volume akhir (cu ft) Contoh 2: 5 lb udara mengembang pada temperatur konstan dan volume awal 4 cu ft sampai volume akhir 10 cu ft. Jika tekanan awal udara 20 psia, berapa tekanan akhir dalam psia ? Jawab : Gunakan persamaan 1-7 Tekanan akhir P2 =
P1 xV1 V2
= 10
20x5
= 10 psia
N. Hubungan tekanan-temperatur pada volume konstan
Gambar 1.13 Proses volume konstan. (a) Kondisi awal. (b) Tekanan absolut naik berbanding lurus dengan kenaikan temperatur absolut. (c) Tekanan absolut turun berbanding lurus dengan penurunan temperatur absolut. 13
Diasumsikan bahwa suatu gas disimpan dalam silinder tertutup sehingga volumenya tidak akan berubah pada waktu dipanaskan atau didinginkan (Gambar 1.13a). Ketika temperatur gas meningkat oleh penambahan kalor, tekanan absolut akan naik berbanding lurus dengan kenaikan temperatur absolut (Gambar 1.13b). Jika gas didinginkan, tekanan absolut gas akan menurun berbanding lurus dengan penurunan temperatur absolut (Gambar 1.13c). Pada saat temperatur (kecepatan molekul) gas ditingkatkan sedangkan volume gas (ruang pada molekul terbatas) tetap sama, besarnya tekanan (gaya dan frekuensi molekul menubruk dinding silinder) meningkat. Sedangkan, ketika gas didinginkan pada volume konstan, gaya dan frekuensi molekul menimpa dinding wadah berkurang dan tekanan gas akan berkurang dari sebelumnya. Penurunan gaya dan frekuensi tumbukan molekul disebabkan oleh penurunan kecepatan molekul.
O. Hukum Charles untuk proses volume konstan Hukum Charles menguraikan bahwa ketika gas didinginkan atau dipanaskan di bawah satu kondisi dimana volume gas tetap tidak berubah atau konstan, tekanan absolut berbanding lurus dengan temperatur absolut. Hukum Charles dapat ditulis pada persamaan 1-8 jika volumenya sama, maka : T1 P2 = T2 P1
(1-8)
Dimana : o
T1 = Temperatur awal ( Rankine) o
T2 = Temperatur akhir ( Rankine) P1 = Tekanan awal (psia) P2 = Tekanan akhir (psia) Contoh 3: Sejumlah berat suatu gas disimpan dalam tangki yang mempunyai temperatur awal 80 o
F dan tekanan awal 30 psig. Jika gas dipanaskan sampai akhir tekanan ukur yaitu 50
psi, berapakah temperatur akhir dalam derajat Fahrenheit ? Jawab : Gunakan persamaan 1-8. (80 460)x(50 14,7)
T1 xP2 T2 =
P1
=
o
o
o
= 782 R
30 14,7 o
Konversi R ke F = 782 – 460 = 322 F
14
P. Hukum Gas Umum Kombinasi dari Hukum Charles dan Boyle menghasilkan persamaan 1-9. P1V1 T1
= P2V2 T2
(1-9)
Persamaan 1-9 adalah pernyataan bahwa untuk beberapa berat suatu gas dihasilkan tekanan psfa dan volume dalam cu ft dibagi oleh temperatur absolut dalam derajat Rankine akan selalu konstan. Konstan di sini akan berbeda untuk setiap gas yang berbeda dan untuk gas yang lain akan memberikan berat yang berbeda-beda pada setiap gas. Jika suatu gas digunakan berat pound, kemudian V akan menjadi volume spesifik ν, dan persamaan 1-9 dapat ditulis menjadi: Pv = R T Di mana : R = konstanta gas (berbeda untuk setiap gas). Jika kedua ruas pada persamaan 1-9 dikalikan dengan M, maka berubah menjadi persamaan 1-10: PMν = MRT Tetapi karena : Mν = V Maka
PV = MRT
(1-10)
Di mana : P = Tekanan (psfa) V = Volume (cu ft) M = Massa (lb) R = Konstanta gas T o
= Temperatur ( R) Persamaan 1.10 disebut Hukum Gas Umum dan sering digambarkan dalam menyelesaikan beberapa persoalan menyangkut gas. Karena nilai R untuk beberapa gas dapat dicari dalam tabel, jika tiga variabel dari empat variabel P, V, M dan T diketahui, maka bentuk keempat dapat ditentukan oleh persamaan 1.10. Catatan bahwa tekanan harus dalam pound per square foot absolut (psfa). Contoh 4: Tangki udara kompresor mempunyai volume 5 cu ft dan diisi oleh udara pada o
temperatur 100 F. Jika alat ukur pada tangki terbaca 151,1 psia, berapakah berat udara dalam tangki ? Jawab : 15
Dari tabel 3-1 (Dossat, 1961: 430) didapat nilai R udara = 53,3 Gunakan persamaan 1.10. Berat udara, M =
(151,1 14,7)x144x5 53,3x(100 460)
=
165,3x144x5 53,3x560
= 4 lb
Contoh 5: 2 lb udara mempunyai volume 3 cu ft. Jika tekanan udara 135,3 psig, berapakah temperatur dalam derajat Fahrenheit ? Jawab : Gunakan persamaan 1.10 Dari tabel 3-1 (Dossat, 1961: 430) didapat nilai R udara = 53,3 o
Temperatur udara dalam R; T =
(135,3 14,7)x144x3 = 2x53,3
PV MR
150x144x3 = 2x53,3
o
T = 607,9 R o
o
Konversi ke F = 607,9 – 460 = 147,9 F. Q. Gas ideal atau gas sempurna Berbagai macam hukum yang menentukan hubungan tekanan-volumetemperatur gas yang akan didiskusikan dalam bab ini dengan menggunakan ketelitian absolut pada hipotesis gas ideal atau sempurna. Gas sempurna digambarkan sebagai suatu kondisi dimana tidak ada interaksi antara molekul gas. Molekul gas tersebut seluruhnya bebas dan independen dari gaya tarik molekul lain. Karena itu, tidak ada energi yang dipindahkan ke atau dari suatu gas ideal yang mempunyai pengaruh pada energi potensial internal. Konsep gas ideal atau gas sempurna sangat sederhana dalam menyelesaikan soal perubahan dalam kondisi suatu gas. Beberapa permasalahan yang rumit dalam mekanika elemen dibuat sederhana dengan mengasumsikan tidak ada gesekan yang terjadi, pengaruh gesekan dapat dianggap terpisah. Fungsi dari gas ideal adalah sama dengan kehilangan gesekan permukaan. Suatu gas ideal diasumsikan melewati perubahan kondisi tanpa gesekan internal, yaitu tanpa performansi kerja internal dalam mengatasi gaya internal molekul.
R. Proses-proses untuk gas ideal Suatu gas dikatakan mengalami proses ketika melewati beberapa keadaan awal atau kondisi awal sampai beberapa keadaan akhir atau kondisi akhir. Perubahan kondisi gas dapat terjadi dengan cara yang tidak terbatas, tetapi hanya ada 5 cara yang dibahas. Cara tersebut antara lain: 16
1) Volume konstan (isometerik) 2) Tekanan konstan (isobar) 3) Temperatur konstan (isothermal) 4) Adiabtik 5) Proses politropik. Upaya menggambarkan gas ideal dapat dikatakan bahwa molekul gas selalu terpisah dan molekul teersebut tidak mempunyai gaya tarik satu sama lain, dan tidak ada energi yang diserap oleh gas ideal dan tidak mempunyai pengaruh pada energi potensial internal. Jelaslah bahwa, ketika panas diserap oleh gas ideal akan menaikan energi kinetik internal (temperatur) gas atau akan meninggalkan gas sebagai kerja eksternal atau keduanya. Karena perubahan pada energi potensial internal, ΔP, akan selalu menjadi nol, persamaan umum energi untuk gas ideal dapat ditulis seperti pada persamaan 1-11. ΔQ = ΔK + ΔW (1-11) Supaya dapat dimengerti lebih baik, perubahan energi terjadi selama berbagai proses harus selalu diingat bahwa perubahan pada temperatur gas menunjukkan perubahan pada energi kinetik internal gas, sebaliknya, perubahan pada volume gas menunjukkan kerja telah dilakukan oleh atau pada gas.
1.
Proses volume konstan Ketika gas dipanaskan pada saat itu juga gas ditahan dan volume tidak berubah,
tekanan dan temperatur akan merujuk pada hukum Charles (Gambar 1.13). Karena volume gas tidak berubah, maka tidak ada kerja eksternal yang dilakukan dan ΔW sama dengan nol. Karena itu, untuk proses volume konstan ditunjukkan oleh huruf v kecil. ΔQv = ΔKv (1-12) Persamaan 1-12 dapat dinyatakan selama proses volume konstan semua energi dipindahkan pada gas sehingga energi kinetik internal gas meningkat. Tidak ada energi yang hilang pada waktu gas sedang bekerja. Ketika gas didinginkan (kalor dibuang) pada waktu volume konstan, semua energi dibuang secara efektif pada pengurangan energi kinetik internal gas. Telah ditulis pada persamaan 1-11, ΔQ menunjukkan panas dipindahkan pada gas, ΔK menunjukkan meningkatnya energi kinetik internal, dan ΔW menunjukkan kerja yang dilakukan oleh gas. Karena itu, jika panas diberikan oleh gas, maka ΔQ negatif. Sebaliknya, jika energi kinetik internal gas menurun, maka ΔK 17
negatif, dan jika kerja dilakukan pada gas, maka ΔW negatif. Sebab itu, dalam persamaan 1-12, ketika gas didinginkan ΔQ dan ΔK negatif. 2.
Proses tekanan konstan Jika temperatur gas meningkat oleh penambahan panas pada waktu gas mulai
mengembang dan tekanan dijaga tetap konstan, volume gas akan meningkat sesuai dengan hukum Charles (Gambar 1.11). Karena volume gas meningkat selama proses, maka kerja dilakukan oleh gas pada waktu yang sama sehingga energi internal meningkat. Sebab itu, pada waktu satu bagian dipindahkan, energi meningkat dan disimpan sebagai energi kinetik internal. Untuk proses tekanan konstan, ditunjukkan oleh huruf p kecil, persamaan energi dapat ditulis seperti pada persamaan 1-13. ΔQp = ΔKp + ΔWp 3.
(1-13)
Proses temperatur konstan Menurut hukum Boyle, ketika gas ditekan atau mengembang pada temperatur
konstan, tekanan akan berbanding terbalik dengan volume. Tekanan meningkat pada waktu gas ditekan dan tekanan akan menurun pada waktu gas mengembang. Karena gas akan melakukan kerja pada waktu mengembang, jika temperatur tetap konstan, energi akan melakukan kerja yang harus diserap dari sumber luar (Gambar 1.12b). karena temperatur gas tetap konstan, semua energi diserap oleh gas, selama proses gas ke luar sebagai kerja, tidak ada yang disimpan oleh gas yang akan meningkatkan energi internal. Ketika gas ditekan, kerja dilakukan pada gas, dan jika gas tidak didinginkan selama kompresi, energi internal gas akan meningkat oleh sejumlah yang sama dengan kerja kompresi. Oleh karena itu, jika temperatur gas tetap konstan selama kompresi, gas harus membuang panas ke luar (lingkungan), sejumlah panas yang sama dengan jumlah kerja yang dilakukan pada gas selama kompresi (Gambar 1.12c). Tidak ada perubahan pada energi kinetik internal selama proses temperatur konstan. Oleh karena itu, dalam persamaan 1-13, ΔK sama dengan nol dan persamaan umum energi untuk proses temperatur konstan dapat ditulis seperti pada persamaan 1-14. ΔQt = ΔWt 4.
(1-14)
Proses adiabatik
Proses adiabatik digambarkan sebagai satu perubahan gas pada kondisi di mana tidak ada penyerapan atau pembuangan panas, seperti dari atau ke luar benda selama 18
proses. Selanjutnya, tekanan, volume dan temperatur gas semuanya selama proses adiabatic tidak ada yang konstan. Ketika mengembang secara adiabatik, gas melakukan kerja eksternal dan energi dibutuhkan untuk melakukan kerja. Pada proses sebelumnya digambarkan, gas menyerap energi untuk melakukan kerja dari sumber luar. Karena selama proses adiabatik tidak ada panas yang diserap dari sumber luar, maka gas harus melakukan kerja eksternal pada energinya sendiri. Ekspansi adiabatik selalu disertai oleh penurunan temperatur gas pada waktu gas memberikan energi internalnya untuk melakukan kerja (Gambar 1.14).
Gambar 1.14 Hubungan tekanan-volume pada proses adiabatik Ketika gas ditekan secara adiabatik, kerja dilakukan pada gas oleh benda luar. Energi gas meningkat yang jumlahnya sama dengan yang diberikan oleh gas pada benda luar selama kompresi, energi panas ekivalen dengan kerja yang dilakukan pada gas sehingga meningkatkan energi internal dan temperatur gas meningkat. Karena tidak ada panas, seperti yang dipindahkan ke atau dari gas selama proses adiabatik, ΔQa selalu nol dan persamaan energi untuk proses adiabatik dapat ditulis seperti pada persamaan 1-15. ΔKa + ΔWa = 0
(1-15)
Oleh karena itu ; ΔWa = - ΔKa
danΔKa = - ΔWa 19
5.
Proses politropik Mungkin ada cara sederhana untuk mendefinisikan proses politropik oleh
perbandingan proses adiabatik dengan isothermal. Ekspansi isothermal, merupakan energi untuk melakukan kerja ekspansi yang disuplai seluruhnya dari sumber luar, dan ekspansi adiabatik merupakan energi untuk melakukan kerja ekspansi yang disuplai seluruhnya dari gas itu sendiri, dapat dijadikan sebagai batas ekstrim antara semua proses ekspansi yang terjadi. Kemudian, proses ekspanasi lain merupakan energi untuk melakukan kerja ekspansi yang disuplai sebagian dari sumber luar dan sebagian dari gas itu sendiri yang dapat masuk melalui garis antara proses adiabtik dan isothermal (Gambar 1.15). Proses tersebut sebagai proses politropik.
Gambar 1.15 Hubungan tekanan-volume pada proses politropik Jika selama ekspansi politropik lebih banyak energi untuk melakukan kerja yang diambil dari sumber luar, proses politropik akan lebih mendekati isothermal. Sebaliknya, jika sebagian besar energi yang digunakan untuk melakukan kerja eksternal yang diambil dari gas itu sendiri, proses lebih mendekati adiabatik. Hal ini juga berlaku untuk proses kompresi. Ketika gas kehilangan panas selama proses kompresi, kehilangan panas yang besar, proses politropik akan mendekati isothermal. Pada waktu kehilangan sedikit panas, proses politropik akan mendekati adiabatik. Jelas, ketika tidak ada kehilangan panas, proses menjadi adiabatik. Penekanan gas yang sebenarnya pada kompresor biasanya akan mendekati kompresi adiabatik. Hal tersebut disebabkan waktu kompresi biasanya sangat pendek dan tidak mempunyai waktu cukup untuk 20
memindahkan jumlah panas yang banyak dari gas melewati dinding silinder ke sekelilingnya. Pemberian water jacket pada silinder biasnya akan meningkatkan jumlah panas yang dibuang keluar dari kompresi mendekati isothermal.
6.
Hubungan PVT selama proses adiabatik Karena tekanan, volume dan temperatur semuanya berubah selama proses
adiabatik, semuanya tidak akan sesuai dengan hukum Charles dan hukum Boyle. Hubungan antara tekanan, temperatur dan volume selama proses adiabatik dapat dihitung oleh persamaan 1-16 sampai dengan 1-21.
V
(k -1)
1
T2 = T1 x V
P2
T2 = T1 x (
(1-16)
(k -1) 2 (k -1)/k
)
(1-17)
P1 P2 = P1 x (
V1
)
k
(1-18)
V 2
P2 = P1 x (
T2
k /(k-1 )
)
(1-19)
T1 V2 = V1 x (
T1
1 /(k-1 )
)
(1-20)
T 2 1 /k
P
1
(1-21)
V2 = V1 x ( P ) 2
S. Titik didih Hal yang paling penting pada sistem pendingin adalah pengertian tentang titik didih cairan refrigeran dalam sistem. Dengan menurunkan titik didih, refrigeran mengambil panas sambil berubah wujud dan sebaliknya dengan menaikkan titik pengembunannya, uap refrigeran menyerahkan panas yang dikandungnya sambil berubah wujud pula. Pada dasarnya teknik pendingin bekerja hanya dengan menyetel titik didih dari refrigeran. Titik didih dinyatakan sebagai temperatur di mana cairan berubah jadi uap atau uap air jadi air kembali, tergantung pada arah mana enegri panas itu mengalir.
21
T. Temperatur jenuh Pada bagian yang lalu telah dibahas bahwa titik didih dan temperatur pengembunan suatu cairan pada tekanan kerja tertentu adalah sama. Ini berarti bahwa cairan itu telah mencapai suatu titik di mana ia akan mulai berubah wujudnya menjadi uap, temperatur inilah yang disebut temperatur jenuh cairan (saturated liquid) atau temperatur didih atau temperatur penguapan. Sebaliknya jika uap didinginkan sampai dicapai suatu keadaan uap jadi semakin merapat, akhirnya jadi tetes air, temperatur inilah yang disebut temperatur jenuh uap (saturated vapor).
U. Uap Jenuh Uap lanjut dari penguapan cairan disebut uap jenuh sepanjang temperatur dan tekanan uap sama seperti cairan jenuh yang terjadi. Uap jenuh dapat digambarkan juga sebagai uap pada temperatur dimana pendinginan uap lanjut disebabkan oleh sebagian uap mengembun dan dengan cara tersebut struktur molekul cairan kembali lagi. Hal tersebut penting untuk dipahami bahwa temperatur jenuh benda cair (temperatur pada waktu cairan akan menguap jika panas ditambahkan) dan temperatur jenuh uap (temperatur pada saat uap akan mengembun jika panas dibuang) akan memberikan tekanan yang sama dan cairan tidak akan cair lagi pada temperatur di atas temperatur jenuh, sedangkan uap tidak akan tetap uap pada temperatur di bawah temperatur jenuh.
Gambar 1.16 Uap jenuh (saturated vapor) 22
Contoh dalam Gambar 1.16, air dalam bejana yang dipanaskan akan jenuh dan o
menguap pada 212 F sebagai panas laten penguapan yang disuplai oleh pemanas. Uap o
(steam) meningkat dari air jenuh dan tetap pada temperatur jenuh (212 F) sampai mencapai kondenser. Uap jenuh memberikan panas pada air yang dingin dalam kondenser, air tersebut mengembun kembali menjadi cairan. Karena pengembunan terjadi pada temperatur konstan, maka air dihasilkan dari pengembunan uap juga pada o
212 F. Panas laten penguapan menyerap penguapan air ke dalam uap air (steam) yang diberikan oleh uap air sebagai uap air pengembunan yang kembali menjadi air. V. Uap panas lanjut dan Cairan dingin lanjut Uap pada temperatur di atas temperatur jenuh adalah uap panas lanjut. Jika setelah penguapan, uap dipanaskan sehingga temperatur naik di atas penguapan cairan, uap dikatakan panas lanjut (superheated). Uap panas lanjut diperlukan untuk memisahkan uap dari penguapan caiaran ditunjukkan dalam Gambar 1.17. Sepanjang uap tetap berhubungan dengan cairan, maka akan tetap jenuh. Hal tersebut disebabkan adanya penambahan panas pada campuran uap-cairan yang hanya akan menguap lebih lanjut adalah ciaran dan tidak ada superheating yang terjadi.
Gambar 1.17 Uap panas lanjut (superheated vapor) Sebelum uap panas lanjut dapat mengembun, uap harus di desuperheated, yaitu uap harus didinginkan sampai temperatur jenuh. Panas dibuang dari uap panas lanjut yang akan menyebabkan temperatur uap menurun sampai temperatur jenuh tercapai. Pada titik ini, pembuangan panas terus-menerus akan menyebabkan bagian dari uap akan mengembun (kondensasi). Jika setelah kondensasi, cairan didinginkan sehingga 23
temperatur turun di bawah temperatur jenuh, cairan disebut dingin lanjut (subcooled). Kemudian cairan pada temperatur di bawah temperatur jenuh dan di atas titik peleburan adalah cairan dingin lanjut (subcooled). W. Pengaruh tekanan pada temperatur jenuh Temperatur jenuh cairan atau uap berbeda tekanannya. Meningkatnya tekanan akan menaikan temperatur jenuh dan penurunan tekanan akan menurunkan temperatur di bawah temperatur jenuh. Contoh : temperatur jenuh air pada tekanan atmosfir (0 psig o
atau 14,7 psia) adalah 212 F. Jika tekanan di atas air meningkat dari 0 psig sampai 5,3 o
o
psig (20 psia), temperatur jenuh air meningkat dari 212 F sampai 228 F. dilain pihak, jika tekanan di atas air berkurang dari 14,7 psia menjadi 10 psia, maka temperatur jenuh o
air yang baru akan menjadi 193,2 F. Gambar 1.18 menunjukkan grafik hubungan antara tekanan dan temperatur uap jenuh air.
Gambar 1.18 Grafik hubungan tekanan dan temperatur uap jenuh air Guna menggambarkan pengaruh tekanan pada temperatur jenuh cairan, diasumsikan bahwa air disimpan dalam bejana tertutup yang dilengkapi dengan katup penutup pada bagian atas (Gambar 1.19a). Alat ukur compound digunakan untuk menentukan tekanan yang terjadi dalam bejana dan dua termometer dipasang untuk mencatat temperatur air dan temperatur uap di atas air. Dengan katup penutup membuka, tekanan terjadi di atas air yaitu pada tekanan atmosfir (0 psig atau 14,7 psia). o
Karena temperatur jenuh air pada tekanan atmosfir 212 F, maka temperatur air akan o
meningkat pada waktu air dipanaskan sampai mencapai 212 F. Pada titik ini, jika dipanaskan lebih lanjut, air akan mulai menguap. Segera ruang di atas air akan terisi 24
oleh milyaran molekul uap air dengan cepat pada kecepatan tinggi. Beberapa uap air akan jatuh lagi ke dalam air menjadi molekul cairan kembali, sedangkan yang lain akan keluar melalui sisi yang terbuka dan dibawa oleh aliran udara. Jika pembukaan bagian atas bejana mempunyai ukuran yang cukup untuk memungkinkan uap bebas keluar, uap akan meninggalkan bejana jumlahnya sama dengan jumlah air yang menguap. Jumlah molekul yang meninggalkan cairan menjadi molekul uap akan sama dengan jumlah molekul uap yang meninggalkan ruangan, ada yang keluar ruangan atau yang kembali menjadi ciaran. Kemudian jumlah molekul uap dan berat jenis uap (density) di atas air akan tetap konstan dan tekanan terjadi oleh uap akan sama dengan tekanan luar bejana. Di bawah kondisi ini, uap air yang lain dari penguapan cairan akan menjadi jenuh, yaitu o
temperatur dan tekanan akan menjadi sama dengan air 212 F dan 14,7 psia. Berat jenis uap air pada temperatur dan tekanan tersebut akan menjadi 0,0373 lb/cu ft dan volume spesifik akan menjadi 1/0,0373 atau 26,8 cu ft/lb. Sejumlah uap diabaikan pada waktu caiaran menguap, sepanjang uap tersebut dapat meninggalkan ke udara luar sehingga tekanan dan berat jenis uap di atas cairan tidak berubah, ciaran akan menguap lebih o
lanjut pada 212 F.
Gambar 1.19 Pengaruh tekanan pada temperatur jenuh cairan Andaikata katup penutup ditutup sebagian sehingga gas yang keluar dari bejana agak terhalang, kadang-kadang kesetimbangan agak terganggu oleh uap yang tidak keluar dari bejana sesuai dengan jumlah cairan yang menguap. Jumlah molekul uap dalam ruangan di atas cairan akan meningkat, dengan meningkatnya berat jenis dan tekanan uap di atas cairan, maka temperatur jenuh akan meningkat. Jika diasumsikan bahwa 25
temperatur uap meningkat sampai 5,3 psig (20 psia) sebelum kesetimbangan tercapai, maka jumlah yang menjadi uap yang keluar sama dengan jumlah cairan yang menguap, o
temperatur jenuh akan 228 F, berat jenis uap menjadi 0,0498 lb/cu ft dan 1 lb uap akan mencapai volume 20,080 cu ft. Kondisi tersebut diilustrasikan pada Gambar 1.19b. Dengan membandingkan kondisi uap pada Gambar 1.19b dengan uap dalam Gambar 1.19a, maka akan didapatkan berat jenis uap sangat besar pada tekanan tinggi dan temperatur jenuh. Lebih lanjut, jelaslah bahwa tekanan dan temperatur jenuh cairan atau uap dapat dikontrol oleh pengaturan jumlah uap yang keluar dari atas cairan. Dalam Gambar 1.19a, jumlah penguapan akan kecil/sedikit atau tidak berpengaruh pada tekanan dan temperatur jenuh karena uap keluar bebas sehingga berat jenis dan tekanan uap di atas cairan akan meningkat atau menurun pada waktu penguapan berubah. Sebaliknya, pada Gambar 1.19b, meningkatnya jumlah penguapan akan menyebabkan peningkatan temperatur jenuh. Alasannya bahwa meningkatnya jumlah penguapan mengharuskan dikeluarkannya uap sangat besar dan memerlukan waktu yang lama. Karena ukuran pipa keluar uap ditentukan oleh pembukaan katup, maka tekanan uap dalam bejana akan meningkat sampai tekanan berbeda antara di dalam dan di luar bejana sehingga cukup untuk uap dapat keluar yang jumlahnya sama dengan jumlah cairan yang menguap. Peningkatan tekanan dihasilkan oleh meningkatnya temperatur jenuh dan berat jenis uap. Sebaliknya, menurunnya jumlah penguapan akan mempunyai pengaruh yang berlawanan. Tekanan dan berat jenis uap di atas caiaran akan menurun dan temperatur jenuh akan menjadi rendah. Sekarang diasumsikan bahwa pembukaan katup pada wadah dibuka secara penuh, seperti pada Gambar 1.19a, sehingga uap dapat keluar bebas dan tanpa halangan dari permukaan cairan. Berat jenis dan tekanan uap akan menurun sampai tekanan uap akan sama dengan udara luar o
wadah. Karena temperatur jenuh air pada tekanan atmosfir adalah 212 F dan karena cairan tidak dapat tetap menjadi cairan pada temperatur di atas temperatur jenuh sama o
o
seperti tekanan. Jelaslah bahwa air harus didinginkan dari 228 F sampai 212 F dengan segera sehingga tekanan turun dari 20 psia menjadi tekanan atosfir. Pendinginan dilanjutkan pada bagian cairan yang cepat menjadi uap. Panas laten dibutuhkan untuk menguapkan bagian cairan yang cepat menjadi uap yang disuplai oleh massa cairan dan hasil penguapan panas yang disuplai pada temperatur massa cairan akan berkurang dan menjadi temperatur jenuh baru. Cairan yang telah cukup akan menguap dapat menentukan jumlah pendinginan yang dibutuhkan. 26
BAB II KOMPONEN UTAMA REFRIGERASI DAN TATA UDARA
A. Kompresor Kompresor adalah bagian terpenting dari sistem refrigerasi. Pada tubuh manusia kompresor dapat diumpamakan sebagai jantung yang memompa darah keseluruh tubuh kita. Sedangkan kompresor menekan refrigeran ke semua bagian dari sistem. Pada sistem refrigerasi kompresor bekerja membuat perbedaan tekanan, sehingga refrigeran dapat mengalir dari satu bagian ke lain bagian dari sistem. Karena adanya perbedaan tekanan antara sisi tekanan tinggi dan sisi tekanan rendah, maka refrigeran cair dapat mengalir melalui alat ekspansi ke evaporator. Tekanan gas di dalam evaporator harus lebih tinggi dari teklanan gas di dalam saluran hisap (suction), agar gas dingin dari evaporator dapat mengalir melalui saluran hisap ke kompresor. Gas dingin tersebut di dalam kompresor hermetik berguna untuk mendinginkan kumparan motor listrik dan minyak pelumas kompresor. Kompresor pada sistem refrigerasi gunanya untuk: 1) Menurunkan tekanan di dalam evaporator, sehingga refrigeran cair di dalam evaporator dapat mendidih/menguap pada suhu yang lebih rendah dan menyerap panas lebih banyak dari ruang di dekat evaporator. 2) Menghisap refrigeran gas dari evaporator dengan suhu rendah dan tekanan rendah lalu memampatkan gas tersebut sehingga menjadi gas suhu tinggi dan tekanan tinggi. Kemudian mengalirkannya ke kondensor, sehingga gas tersebut dapat memberikan panasnya kepada media pendingin kondensor lalu mengembun. Pada sistem refrigerasi kompresi uap, terdapat beberapa macam kompresor yang sering dipakai untuk mengkompresikan uap refrigeran. Kompresor dapat dibedakan berdasarkan letak motornya dan cara kerjanya. 1.
Jenis kompresor berdasarkan letak motornya
a.
Kompresor open type Kompresor ini disebut juga kompresor tipe terbuka (Gambar 2.1) karena antara
penggerak eksternal dengan bagian pengkompresinya tidak satu rumah (tidak bersatu), sehingga diperlukan belt/flexible coupling sebagai penyambung penggerak ke compressor shaft. Penggerak eksternal bisa menggunakan motor listrik, turbin ataupun 27
engine. Perlu digunakannya seal untuk mencegah kebocoran yang sering terjadi pada poros yang keluar dari housing kompresor jika tekanan didalam crankcase lebih rendah dibandingkan tekanan atmosfer. Pendingin motor menggunakan udara luar sehingga perlu adanya ventilasi untuk membuang panas dari motor. Kelebihan dan Kekurangan dari kompresor tipe ini ditunjukkan pada Tabel 2.1.
Gambar 2.1 Kompresor Open-Type Tabel 2.1 Kelebihan dan kekurangan kompresor open type No.
Kelebihan
kekurangan
1. Memudahkan penggantian motor Konstruksi lebih besar dan lebih tanpa membongkar sistem refrigerasi mahal. 2. Motor penggerak bisa menggunakan Sering terjadi kebocoran refrigeran turbin, diesel dan penggerak lain pada seal crank shaft yang keluar tanpa bergantung aliran tenaga dari PLN.
28
b. Kompresor semi hermetic Kompresor semi hermetic adalah kompresor yang motor penggeraknya berada satu rumah dengan housing kompresornya serta didinginkan oleh refrigeran, ditunjukkan oleh Gambar 2.2. Arti semi hermetic di sini adalah seal pada housing compressor didesain supaya bisa dibuka untuk perbaikan dan overhaul kompresor atau motornya. Sama halnya dengan kompresor hermetic, panas motor didinginkan melalui refrigeran dari suction line, refrigeran dari injeksi liquid line dan oli kompresor. Kelebihan dan kekurangan kompresor tipe ini ditunjukkan pada Tabel 2.2.
Crank Case
Piston Cylinder Discharge
Suction
Connecting Crank Shaft
Stator Winding Rotor
Oil Filter
Housing
Oil Reservoir
Gambar 2.2 Kompresor Semi hermetic
Tabel 2.2 Kelebihan dan kekurangan kompresor semi hermetic No. 1.
Kelebihan Memudahkan penggantian motor karena seal antara motor dan kompresor yang bisa dibuka.
kekurangan Ketika terjadi kerusakan mekanis, maka semua sistem harus dibersihkan.
2.
Harga lebih ekonomis dibandingkan kompresor open type
Ketika terjadi pecah katup akibat liquid suction biasanya disertai motor terbakar akibat serpihan logam masuk ke dalam motor.
29
c.
Kompresor hermetic Kompresor hermetic adalah kompresor yang motor penggeraknya dipatenkan
berada satu rumah dengan housing kompresornya, sehingga tidak diperlukan shaft coupling, seperti ditunjukkan oleh Gambar 2.3. Panas motor didinginkan melalui refrigeran dari suction line dan oli kompresor. Kelebihan dan kekurangan kompresor tipe ini ditunjukkan pada Tabel 2.3.
Gambar 2.3. Hermetic-Type Compressor
Tabel 2.3 Kelebihan dan kekurangan kompresor hermetic No. 1. 2.
Kelebihan Harga murah. Noise level rendah.
kekurangan Ketika motor terbakar, maka jarang diservice biasanya langsung diganti. Level oli sulit dilihat.
2.
Jenis kompresor berdasarkan cara kerjanya
a.
Kompresor Reciprocating (Torak) Sesuai dengan namanya, kompresor ini menggunakan torak atau piston yang
diletakkan di dalam silinder. Piston dapat bergerak bebas turun naik untuk menimbulkan efek penurunan volume gas yang berada di bagian atas piston. Di bagian atas silinder diletakkan katup yang dapat membuka dan menutup karena mendapat tekanan dari gas. Kebanyakan unit kompresor reciprocating memiliki lebih dari satu piston-silinder yang berada pada satu crankshaft. Refrigeran yang paling banyak digunakan untuk kompresor reciprocating diantaranya refrigeran 12, refrigeran 22, 30
refrigeran 500, refrigeran 502 dan refrigeran 717 (Ammonia). Motor pada kompresor reciprocating didinginkan melalui gas refrigeran dari suction lain. Pada Gambar 2.4 ditunjukkan tipe kompresor reciprocating.
Gambar 2.4 Kompresor resiprocating b.
Kompresor rotary centrifugal Pada Gambar 2.5 ditunjukkan tipe kompresor rotary centrifugal. Kompresi pada
kompresor sentrifugal menggunakan prinsip kompresi dinamik dengan melibatkan perubahan energi untuk menaikkan tekanan dan temperatur refrigeran. Discharge port Discharge line Volute
Impeller
Diffuser
Rotor
Inlet Guide Vane Suction Port
Suction
Gambar 2.5 Rotary-Centrifugal Compressor Proses kompresi pada kompresor sentrifugal mengubah energi kinetik (kecepatan) menjadi energi statik (tekanan). Pada kompresor sentrifugal penambahan tekanan gas dilakukan dengan memutar impeller. Impeller mempunyai sudu-sudu (blade), 31
ditunjukkan oleh Gambar 2.6. Akibat berputarnya impeller ini maka gas yang masuk melalului sisi inlet akan menerima gaya sentrifugal, dengan bentuk sudu dan keluar dari sekeliling impeller. Setelah gas tersebut keluar dari impeller maka gas yang sudah mempunyai tekanan tersebut akan mengalir melalui diffuser dan volute.
Gambar 2.6 Impeller blade, passage, diffuser passage dan volute Pada diffuser dan Volute ini kecepatan gas dikurangi dan akibatnya tekanan gas akan bertambah besar. Gas yang sudah mempunyai tekanan tinggi dialirkan melalui keluar (discharge line). Kalau tekanan yang keluar dari kompresor kurang besar seperti untuk mendapatkan gas dengan tekanan yang tinggi maka dipakai multy-stage centrifugal compressor, seperti Gambar 2.7.
Gambar 2.7 Multistage Centrifugal Compressor Pada kompresor multy-stage (bertingkat) centrifugal compressor ini gas dari impeller pertama setelah melalui diffuser akan mengalir ke impeller berikutnya. Untuk 32
diperbesar tekanannya. Jadi pada setiap impeller gas akan memperoleh tambahan tekanan. Makin banyak impeller maka makin besar tekanan didapatkan. Setiap tingkat (stage ) mempunyai sebuah impeller dan diffuser. Kompresor sentrifugal dilengkapi satu atau lebih impeller untuk mengkompresi refrigeran. Suatu multistage kompresor akan menggunakan lebih dari satu impeller untuk menaikkan tekanan refrigeran. Refrigeran yang telah dikompresi keluar dari outlet stage pertama impeller kompresor dan kemudian masuk ke dalam inlet stage kedua impeller kompresor. Setelah berakselarasi, uap refrigeran akan meninggalkan impeller terakhir dan terkumpul di volute untuk disalurkan ke kondenser.
c.
Kompresor helical-rotary screw Pada Gambar 2.8 ditunjukkan tipe kompresor helical-rotary screw. Kompresor
tipe ini menggunakan 2 buah screw, seperti rotor, yang berfungsi sebagai alat pengkompresi. Male screw merupakan screw yang digerakkan oleh motor, sedangkan female screw bergerak mengikuti male screw. Namun ada juga kompresor screw yang hanya menggunakan single screw dilengkapi dengan dua buah stargate (rotor gate) sebagai alat pengkompresinya.
Gambar 2.8 Kompresor twin screw dan single screw Pada umumnya jenis kompresor twin screw adalah yang lebih banyak digunakan dalam sistem refrigerasi. Prinsip utama pengkompresian pada kompresor twin screw adalah menjebak refrigeran pada celah-celah screw dengan menyempitkan volume 33
ruangnya. Langkah-langkah kompresi pada kompresor twin screw dapat dijelaskan sebagai berikut: 1) sejumlah refrigeran masuk melalui intake port dari sebelah kanan, gas yang masih bertekanan suction akan dibatasi oleh housing kompresor, seperti terlihat pada Gambar 2.9. 2) Selanjutnya akibat putaran dari rotor akan menjebak uap refrigeran ke sebelah kanan menuju meshing point (titik penjebakan). 3) Rotor masih terus berputar yang akan menyebabkan meshing point yang berisi uap refrigeran bergerak menuju katup discharge diakhir dari kompresor. 4) Pada akhirnya, celah ulir yang terisi refrigeran yang sudah terkompresi keluar menuju discharge port. Pada kompresor twin screw tidak ada katup yang digunakan untuk memasukkan dan mengeluarkan refrigeran tetapi menggunakan port. Kompresor dengan model ini disebut ported.
Gambar 2.9 Mekanisme refrigeran di kompresor d.
Kompresor scroll Kompresor scroll bekerja dengan menggunakan prinsip menjebak uap refrigeran
dan mengkompresikannya dengan penyempitan volume refrigeran secara perlahanlahan. Kompresor scroll menggunakan konfigurasi dua scroll yang dipasang saling berhadapan. Kompresor scroll biasanya digunakan untuk sistem heat pump, AC Split, Windows AC, Split Duct dan Water Chiller berskala kecil. Sroll paling atas disebut stationary scroll, dimana terdapat discharge port. Sedangkan scroll paling atas disebut driven scroll, yang dihubungkan dengan motor melalui poros dan bearing. Stationary 34
Scroll adalah scroll yang diam sedangkan Driver scroll adalah scrol yang berputar. Selengkapnya Gambar 2.10 menampilkan tipe kompresor scroll.
Stationary
Suction Discharge Suction
Driven scroll
Gambar 2.10 Kompresor Scroll
B. Kondensor Kondensor gunanya untuk membuang kalor dan mengubah wujud refrigeran dari gas menjadi cair. Kondensor seperti namanya adalah alat untuk membuat kondensasi refrigeran gas dari kompresor dengan suhu tinggi dan tekanan tinggi. Refrigeran di dalam kondensor dapat mengeluarkan kalor yang diserap dari evaporator dan panas yang ditambahkan oleh kompresor. Kondensor ditempatkan antara kompresor dan alat ekspansi, jadi pada sisi tekanan tinggi dari sistem. Kondensor ditempatkan di luar ruangan yang sedang didinginkan, agar dapat membuang panasnya ke luar kepada media pendinginnya. Pemilihan jenis dan ukuran kondensor untuk suatu sistem, terutama didasarkan pada yang paling ekonomis, seperti: harga dari kondensor, jumlah energi yang diperlukan, harga dan keadaan media pendingin yang akan dipakai untuk mendinginkan kondensor. Selain itu tempat atau ruangan yang diperlukan oleh kondensor juga harus diperhitungkan. Kondensor dapat dibagi menjadi tiga jenis 35
berdasarkan pada media pendinginnya yaitu: (1). Kondensor dengan pendingin udara (air cooled); (2). Kondensor dengan pendingin air (water cooled). (3). Kondensor dengan pendingin campuran udara dan air (evaporative). 1.
Air Cooled Condenser Air Cooled Condenser adalah kondenser yang menggunakan udara sebagai
cooling mediumnya, biasanya digunakan pada sistem berskala rendah dan sedang dengan kapasitas hingga 20 ton refrigerasi, ditunjukkan pada Gambar 2.11 . Air Cooled Condenser merupakan peralatan AC standard untuk keperluan rumah tinggal (residental) atau digunakan di suatu lokasi di mana pengadaan air bersih susah diperoleh atau mahal. Untuk melayani kebutuhan kapasitas yang lebih besar biasanya digunakan multiple air colled condenser. Pemakaian air cooled condenser meningkat pesat untuk pemakaian unit berskala rendah dan sedang karena lebih mudah pemeliharaannya. Air colled condenser terdiri dari pipa tembaga yang dibentuk coil (continues tube coil) yang dilengkapi dengan rangkaian lembaran tipis alumunium yang disebut fin (finned tube) untuk mempertinggi luas permukaan transfer panas. Dalam operasinya, gas panas masuk melalui bagian atas coil, dan liquid refrigeran akan diperoleh di bagian bawah coil kemudian dialirkan menuju ke Liquid Receiver yang terletak di bagian bawah condenser. Air-cooled condenser harus selalu diletakkan pada ruangan yang mempunyai lubang ventilasi, untuk dapat membuang panasnya ke udara sekitarnya dan menggantinya dengan udara segar. Untuk membantu proses penukaran kalor tersebut, digunakan fan yang akan menarik udara menuju ke coil dan kemudian membuangnya ke udara atmosfir.
Gambar 2.11 Air Cooled Condenser 36
Air cooled condenser biasanya didesain oleh pabrikannya agar suhu 0
kondensingnya berkisar antara 30 sampai 40 F di atas suhu ambien (udara sekitar). Salah satu kelemahan dari air cooled condenser adalah bila suhu ambien meningkat o
tinggi, misalnya mencapai 110 F, pada kondisi tersebut maka suhu kondensingnya menjadi katakanlah 150 F. Untuk sistem yang menggunakan R12 maka tekanan kondensingnya dapat mencapai 249 psia atau 369 psia bila menggunakan R22. 0
Dibandingkan dengan pemakaian water cooled condenser, pada suhu ambien 110 F o
maka suhu airnya katakanlah mencapai 75 F, sehingga suhu dan tekanan kondensing 0
untuk R12 adalah 100 F dan 130 psia atau 210 psia untuk R22, sehingga komsumsi daya yang diambil kompresornya juga lebih rendah. Berikut ini diberikan sebuah contoh kasus untuk lebih memperjelas untung rugi menggunakan air cooled condenser. Water 0
cooled condenser dengan suhu air 75 F, memperlukan kompresor yang berkapasitas 5 Hp untuk menghasilkan efek refrigerasi sebesar 5 ton. Bila menggunakan air colled condenser maka untuk menghasilkan efek refrigerasi yang sama diperlukan kompresor yang berkapasitas 7,5 Hp. Ada dua metoda mengalirkan udara pada jenis ini, yaitu konveksi alamiah dan konveksi paksa dengan bantuan kipas. Konveksi secara alamiah mempunyai laju aliran udara yang melewati kondenser sangat rendah, karena hanya mengandalkan kecepatan angin yang terjadi pada saat itu. Oleh karena itu kondensor jenis ini hanya cocok untuk unit-unit yang kecil seperti kulkas, freezer untuk keperluan rumah tangga, dan lain-lain. Kondensor
berpendingin
udara
yang
menggunakan
bantuan
kipas
dalam
mensirkulasikan media pendinginannya dikenal sebagai kondensor berpendingin udara konveksi paksa. Secara garis besar, jenis kondensor dibagi menjadi dua kelompok, yaitu: a.
Remote condenser Jenis remote air cooled condenser, pada Gambar 2.12, yang dipasang di dalam
ruangan harus mendapat cukup sirkulasi udara luar. Untuk pemasangan di luar ruangan harus diperhatikan orientasi matahari dan arah angin agar kondenser terlindung dan mendapat sirkulasi udara yang cukup. Kapasitasnya berkisar antara 1 kW sampai 500 kW atau lebih. Rancangan yang baik dilihat dari kecepatan aliran udara minimum yang menghasilkan aliran turbulen dan koefisien perpindahan panas yang tinggi. Kenaikan laju aliran udara dari suatu titik dapat menyebabkan drop tekanan berlebihan sehinggga daya motor kipas kondenser harus dinaikan agar sirkulasi udara bertambah besar. 37
Kecepatan aliran udara yang melewati sebuah air cooled condenser didefinisikan sebagai berikut :
Kecepatan udara normal biasanya berkisar antara 2,5 m/s sampai dengan 6 m/s. Cp adalah panas jenis udara sekitar kondensor, ΔT adalah selisih temperatur udara melewati kondensor, dan adalah rapat massa udara sekitar kondensor.
Gambar 2.12 Jenis remote air cooled condenser b.
Condensing unit. Kapasitas kondensor jenis condensing unit pada Gambar 2.13 biasanya cocok
untuk beban mulai < 1 kW s/d 500 kW, bahkan kadang dapat lebih dari 500 kW. Keuntungan dari air cooled condenser adalah tersedianya udara yang cukup sebagai media pendingin tanpa memerlukan biaya tambahan. Sedangkan kerugiannya adalah sistem refrigerasi beroperasi pada tekanan kerja yang lebih tinggi jika dibandingkan dengan kondenser berpendingin air, akibatnya kompressor akan memerlukan daya yang lebih besar sebagai kompensasi dari kenaikan tekanan dan temperatur kerjanya.
Gambar 2.13 Condensing unit. 38
2.
Water Cooled Condenser Kondeser dengan pendinginan air (water-cooled condenser) digunakan pada
sistem yang berskala besar untuk keperluan komersial di lokasi yang mudah memperoleh air bersih. Water Cooled Condenser biasanya menjadi pilihan yang ekonomis bila terdapat suplai air bersih secara mudah dan murah. Faktor lain yang perlu mendapat pertimbangan adalah adanya tumpukan kotoran dan kerak air di dalam pipapipa air pendingin bila kualitas airnya tidak bagus. Pada condenser jenis ini seperti tampak pada Gambar 2.14, suhu dan banyaknya air sebagai media pendingin kondenser akan menentukan suhu dan tekanan kondensing dari sistem refrigerasinya dan secara tidak langsung juga akan menentukan kapasitas kompresinya.
Gambar 2.14 Water Cooled Condenser Pada lokasi di mana air perlu dihemat karena kesulitan memperoleh air bersih, maka biasanya digunakan Cooling Tower. Efek mengggunakan cooling tower, maka air hangat yang keluar dari kondenser dapat didinginkan lagi sampai mendekati tingkat suhu wet bulb ambient temperatur. Hal ini memungkinkan untuk terus mensirkulasi air dan mengurangi komsumsi penggunaan air. Water cooled condenser dibedakan menjadi dua macam, yaitu : a. Sistem air buang, digunakan untuk sistem sangat kecil namun bersifat boros. b. Sistem air tersirkulasi ulang. Pengalaman menunjukkan bahwa laju aliran air untuk sistem air tersirkulasi ulang antara 0,045 l/s sampai 0,06 l/s per kW adalah paling ekonomis dan seimbang antara daya yang dibutuhkan kompresor dengan yang dibutuhkan pompa. Makin rendah laju aliran air, maka makin tinggi kenaikkan temperatur, sehingga dibutuhkan rangkaian pipa yang lebih panjang. Faktor yang harus diperhatikan adalah kecepatan air dan 39
koefisien perpindahan panas. Faktor lain yang harus diperhatikan adalah pengotoran permukaaan pipa sehingga akan mengurangi koefisien perpindahan panas dan menghambat laju aliran air serta meningkatkan tekanan kondenser. Laju pengotoran pipa dipengaruhi oleh : 1) Kualitas air yang digunakan, 2) Temperatur kondensasi, 3) Frekuaensi pembersihan pipa yang berhubungan dengan waktu pemakaian total. Ada tiga jenis water cooled condenser, yaitu : 1) Jenis shell and tube 2) Jenis shell and coil 3) Jenis pipa ganda (double pipe) Kondenser jenis shell and coil dan double tube digunakan untuk kapasitas kecil, yaitu sampai kira-kira 35 kW, sedangkan jenis shell and tube untuk kapasitas mulai dari 7 kW sampai ratusan kW bahkan lebih. a.
Shell and Tubes Condenser Shell and Tubes Condenser pada Gambar 2.15, terdiri dari sebuah silinder
(Shell) yang terbuat dari besi di mana di dalam shell tersebut diletakkan rangkaian pipapipa lurus sepanjang silindernya. Air pendingin disirkulasikan di dalam pipa-pipa sehingga gas refrigeran yang berada di dalam shell akan dapat memindahkan kalornya ke air pendingin melalui permukaan pipa-pipa air tersebut. Suhu gas refrigeran akan turun tetapi tekanannya tetap tidak berubah. Bila penurunan suhu gas mencapai titik pengembunannya maka akan terjadi proses pengembunan (kondensasi), dalam hal ini terjadi perubahan wujud gas menjadi liquid yang tekanan dan suhunya masih cukup tinggi (tekanan kondensing).
Gambar 2.15 Shell and Tubes Condenser 40
Bagian dasar dari shell berfungsi juga sebagai penampung cairan (liquid) refrigeran. Pada sistem ini rangkaian water coolingnya dibentuk secara paralel. Penggunaan sirkit paralel akan menghasilkan rugi tekanan (pressure drop) yang rendah di dalam rangkaiannya. b.
Shell and Coil Condenser Di dalam konstruksi Shell and Coil Condenser pada Gambar 2.16, maka pipa-
pipa airnya tidak dibuat lurus sepanjang silinder melainkan berbentuk coil sepanjang silinder besinya. Dalam sistem ini rangkaian water coolingnya dibentuk secara secara seri.
Gambar 2.16 Shell and Coil Condenser c.
Tubes in Tube Condenser Tubes in tube condenser seperti tampak pada Gambar 2.17, menjadi populer
penggunannya baik untuk keperluan residental maupun komersial karena konstruksinya yang lebih sederhana. Desain condenser ini terdiri dari coil yang berupa pipa kecil yang dimasukkan di dalam pipa yang lebih besar diameternya. Di dalam pipa kecil dialirkan air pendingin sedang refrigerannya mengalir di dalam pipa besar. Jadi refrigerannya didinginkan oleh air yang berada di pipa kecil dan sekaligus oleh udara sekitar pipa besar sehingga dapat meningkatkan efisiensinya.
Gambar 2.17 Tubes and Tube Condenser 41
3.
Evaporative Condenser Pada Gambar 2.18 ditunjukkan jenis evaporative condenser, pada sistem ini
panas dipindahkan dengan menggunakan air dan udara yang dimodifikasi sedemikian rupa sehingga dapat menghasilkan efek yang baik bagi kapasitas kondenser. Kondenser jenis ini didinginkan langsung dengan air yang disemburkan dan hembusan udara yang menambah efek pendinginan kondenser. Tingkat keefektifan evaporative condenser tergantung pada suhu wet bulb dari udara yang masuk ke dalam unitnya, di mana suhu wet bulb tersebut ditentukan oleh suhu water spray-nya. Condensing unit dengan jenis ini biasanya digunakan untuk sistem yang berkapsitas di atas 100 ton refrigerasi. Selama operasinya pompa akan mensirkulasi air pendingin dari water pan menuju ke coil condenser melalui spray nozzle, dalam hal ini diperlukan suplai air tambahan untuk mencegah kotoran/lumpur masuk dan menempel pada permukaan coil condensernya dan disamping itu juga digunakan untuk mengurangi efek keasaman air pendinginnya.
Gambar 2.18 Evaporative condenser Centrifugal fan akan menghisap panas yang dikandung udara dan air. Udara ditarik dari bagian bawah (dasar) menuju ke atas melalui rankaian pipa refrigeran (condenser), eliminator dan fan. Pipa refrigerannya tidak dilengkapi dengan fin (non finned tube) agar tidak terjadi penimbunan kotoran dan debu pada pipanya yang dapat 42
mengganggu aliran udaranya. Condenser ini dapat diletakkan di luar (out door) ataupun di dalam (indoor) ruangan. Bila diletakkan di dalam ruangan harus dilengkapi dengan sistem ventilasi yang baik dengan menggunakan duct untuk membuang udara panas di mana tingkat humiditas relatifnya telah meningkat secara tajam ke luar ruangan. Tekanan air yang disirkulasikan oleh suatu pompa biasanya sebesar 15 psi sedang kecepatan udara yang melewati coil sebesar 600 fpm. Sebagian kecil airnya akan menguap karena proses transfer panas. Air yang tidak menguap akan memperoleh pendinginan karena panasnya ditarik oleh fan yang memproduksi adiabatic cooling terhadap air tersebut sehingga suhu air dapat diturunkan hingga mencapai titik tertentu. Gas panas refrigeran mengalir masuk ke condenser, selanjutnya gas panas tersebut akan berubah wujud menjadi liquid refrigeran dan akan ditampung di receiver. Gas refrigeran yang keluar dari sisi tekan kompresor disalurkan ke kondenser. Gas tersebut mempunyai suhu dan tekanan tinggi dalam kondisi superheat. Selanjutnya saat berada di kondenser gas panas lanjut tersebut mengalami penurunan suhu akibat adanya perbedaan suhu antara gas dan medium lain yang ada disekitarnya, yang dapat berupa udara atau air. Penurunan suhu gas refrigeran tersebut diatur sampai mencapai titik embunnya. Akibatnya refrigerannya akan merubah bentuk dari gas menjadi liquid yang masih bertekanan tinggi. Dari pengalaman, agar diperoleh performa yang optimal dari mesin refrigerasi kompresi gas maka suhu kondensasinya diatur agar mempunyai harga 6 sampai 17 derajat celsius di atas suhu ambien tergantung dari suhu evaporasinya, seperti tampak pada Tabel 2.4. Tabel 2.4 Patokan penentuan suhu kondensasi Suhu Evaporasi
Suhu Kondensasi
Suhu Kondensasi
C)
(Air Cooled Condenser)
(Water Cooled Condenser)
- 18 sampai -23 - 10 sampai -17
Suhu ambien + 9 C 0 Suhu ambien + 11 C
- 4 sampai - 9
Suhu ambien + 14 C
di atas - 3
Suhu ambien + 17 C
(0
0
0 0
0
Suhu air + 6 C 0 Suhu air + 8 C 0
Suhu air + 11 C 0
Suhu air + 14 C
Berdasarkan patokan di atas, maka suhu dan tekanan kondensasi dapat ditentukan dengan cepat dan akurat.
43
C. Evaporator Evaporator juga disebut: Boiler, freezing unit, low side, cooling unit atau nama lainnya yang menggambarkan fungsinya atau lokasinya. Fungsi dari evaporator adalah untuk menyerap panas dari udara atau benda di dalam ruangan yang didinginkan. Kemudian membuang kalor tersebut melalui kondensor di ruang yang tidak didinginkan. Kompresor yang sedang bekerja menghisap refrigeran gas dari evaporator, sehingga tekanan di dalam evaporator menjadi rendah. Evaporator fungsinya kebalikan dari kondensor. Tidak untuk membuang panas ke udara di sekitarnya, tetapi untuk mengambil panas dari udara di dekatnya. Kondensor ditempatkan di luar ruangan yang sedang didinginkan, sedangkan evaporator ditempatkan di dalam ruangan yang sedang didinginkan. Kondensor tempatnya diantara kompresor dan alat ekspansi, jadi pada sisi tekanan tinggi dari sistem. Evaporator tempatnya diantara alat ekspansi dan kompresor, jadi pada sisi tekanan rendah dari sistem. Evaporator dibuat dari bermacam-macam logam, tergantung dari refrigeran yang dipakai dan pemakaian dari evaporator sendiri. Logam yang banyak dipakai: besi, baja, tembaga, kuningan dan aluminium. 1.
Jenis evaporator berdasrkan konstruksinya
a.
Bare tube evaporator Evaporator jenis bare-tube pada Gambar 2.19, terbuat dari pipa baja atau pipa
tembaga. Penggunaan pipa baja biasanya untuk evaporator berkapasitas besar yang menggunakan refrigerant ammonia. Pipa tembaga biasa digunakan untuk evaporator berkapasitas rendah dengan refrigeran selain ammonia.
Gambar 2.19 Bare tube evaporator (Sumber: toolboxes.flexiblelearning.net.au)
b.
Finned tube evaporator
Evaporator jenis finned tube pada Gambar 2.20 adalah evaporator bare-tube tetapi dilengkapi dengan sirip-sirip yang terbuat dari plat tipis alumunium yang 44
dipasang disepanjang pipa untuk menambah luas permukaan perpindahan panas. Siripsirip 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 80 sampai 200 sirip per meter. Untuk keperluan suhu tinggi, seperti room AC, jarak fin berkisar 1,8 mm.
Gambar 2.20 Finned tube evaporator (Sumber: www.watcharaaircon.com) c.
Plate surface evaporator Evaporator permukaan plat atau plate-surface pada Gambar 2.21, dirancang
dengan berbagai jenis. Beberapa diantaranya dibuat dengan menggunakan dua plat tipis yang dipres dan dilas sedemikian sehingga membentuk alur untuk mengalirkan refrigeran.. Cara lainnya, menggunakan pipa yang dipasang diantara dua plat tipis kemudian dipress dan dilas.
Gambar 2.21 Plate surface evaporator (Sumber: tommyji.en.made-in-china.com) 2.
Jenis evaporator berdasarkan metoda pemasokan refrigerannya
a.
Dry expansion evaporator
Pada jenis expansi kering ditunjukkan oleh Gambar 2.22, cairan refrigerant yang diexpansikan melalui katup expansi, pada waktu masuk ke dalam evaporatot sudah 45
dalam keadaan campuran cair dan uap, sehingga keluar dari evaporator dalam keadaan uap kering. Oleh sebagian besar dari evaporator terisi oleh uap refrigerant, maka perpindahan kalor yang terjadi tidak begitu besar, jika dibandingkan dengan keadaan dimana evaporator terisi oleh refrigerant cair. Akan tetapi, evaporator jenis expansi kering tidak memerlukan refrigerant dalam jumlah yang besar. Disamping itu, jumlah minyak pelumas yang tertinggal di dalam evaporator sangat kecil.
Gambar 2.22 Dry expansion evaporator (Sumber: www.tradekorea.com) b.
Flooded evaporator Pada evaporator tipe banjir ditunjukkan oleh Gambar 2.23, gelembung
refrigerant yang terjadi karena pemanasan akan naik kemudian pecah pada cair atau terlepas dari permukaannya. Sebagian refrigeran kemudian masuk ke dalam akumulator yang memisahkan uap dari cairan maka refrigerant yang ada dalam bentuk uap sajalah yang masuk ke dalam kompresor. Bagian refrigerant cair yang dipisahkan di dalam akumulator akan masuk kembali ke dalam evaporator, bersama-sama dengan refrigerant (cair) yang berasal dari kondensor. Jadi tabung evaporator terisi oleh cairan refrigeran. Cairan refrigeran menyerap kalor dari fluida yang hendak digunakan (air larutan garam, dsb), yang mengalir di dalam pipa uap refrigeran yang terjadi dikumpulkan di bagian atas dari evaporator sebelum masuk ke kompresor.
Gambar 2.23 Flooded evaporator (Sumber: www.freepatentsonline.com) 46
3.
Jenis evaporator berdasarkan sirkulasi udaranya
a.
Natural convection evaporator Natural convection evaporator adalah evaporator yang aliran udaranya mengalir
secara alami tanpa adanya dorongan atau paksaan dari kipas atau blower. Pada evaporator jenis ini udara yang telah didinginkan akan jatuh ke bawah karena massa jenisnya yang lebih berat dari udara yang lebih panas.
Gambar 2.24 Natural convection evaporator (Sumber: www.scielo.br) b.
Forced convection evaporator Pada Forced convection evaporator ditunjukkan oleh Gambar 2.25, udara yang
mengalir melalui evaporator dihembuskan secara paksa menggunakan kipas atau blower. Sehingga sirkulasi udara berlangsung secara cepat dan lebih efektif. Pada beberapa jenis sistem refrijerasi dan tata udara, kecepatan aliran udara dapat diatur dengan mengatur hembusan dari kipas atau blower tersebut.
Gambar 2.25 Forced convection evaporator (Sumber: ahmedabad.khojle.in) 47
4.
Jenis evaporator berdasarkan fluida yang didinginkan
a.
Air cooling evaporator Evaporator jenis air cooling, adalah evaporator yang mendinginkan produk
dengan udara dingin yang telah melawati evaporator tersebut, udara yang telah didinginkan didistribusikan untuk mendinginkan benda atau udara yang akan dikondisikan, penggunaan evaporator jenis ini biasanya seperti AC split, Cold storage room dan lemari es. b.
Liquid chilling evaporator Liquid chilling evaporator mendinginkan fluida cair biasanya berupa air atau
larutan ari dengan garam. Air yang telah didinginkan nantinya akan didistribusikan pada wadah yang dinamakan AHU (khusus untuk AC) untuk mendinginkan ruangan, atau didistribusikan ke dalam pipa ganda yang memiliki dua lubang untuk mendinginkan produk cair seperti susu. Penggunaan liquid chilling evaporator biasanya pada AC central, pabrik susu dan pabrik es komersial. Liquid chilling evaporator ada beberapa jenis yaitu: 1) Double pipe cooler (tube in tube cooler) Tube in tube cooler seperti Nampak pada Gambar 2.26 adalah evaporator yang pipanya terdiri dari dua lubang yang salurannya berbeda, saluran yang satu biasanya adalah untuk saluran refrigeran, sedangkan saluran yang satunya lagi biasanya untuk fluida yang akan didinginkan, biasanya air. Selain itu, pada tube in tube cooler saluran pertama biasanya untuk aliran air dingin dan saluran yang satunya lagi untuk produk yang akan didinginkan seperti susu. Aliran kedua fluida yang mengalir biasanya berlawanan arah supaya perpindahan kalor menjadi lebih efektif.
Gambar 2.26 Tube in tube evaporator (Sumber: www.packless.com) 48
2) Baudelot cooler (falling film surface) Pada baudelot cooler yang ditunjukkan oleh Gambar 2.27, air diguyurkan melalui pipa-pipa evaporator. Sehingga, pada lapisan pipa tersebut membentuk lapisa es yang tipis, kemudian air yang jatuh ditampung pada panampungan air dan selanjutnya didistribusikan untuk mendinginkan benda atau ruangan.
Gambar 2.27 Baudelot cooler (Sumber: www.colmaccoil.com) 3) Shell and coil evaporator Shell and coil evaporator pada Gambar 2.28, terbuat dari sebuat tabung yang besar. Pada bagian dala tabung tersebut terdapat pipa yang berbentuk seperti lilitan atau coil. Pada coil tersebut dialirkan refrigeran, sedangkan pada bagian tabung/shell dialirkan air.
Gambar 2.28 Shell coil evaporator 4) Shell and tube evaporator Shell and tube evaporator yang nampak pada Gambar 2.29, terdiri dari sebuah tabung besar yang di dalamnya dipasang pipa-pipa. Pada pipa-pipa tersebut dialirkan air 49
yang akan didinginkan, selanjutnya air tersebut digunakan untuk mendinginkan ruangan atau benda. Penggunaan shell and tube evaporator biasanya pada chiller.
Gambar 2.29 Shell and tube evaporator 5.
Jenis evaporator berdasarkan sistem kontak refrigerannya
a.
Direct system Direct system adalah jenis evaporator yang proses pendinginannya langsung
mendinginkan produk atau ruangan yang akan dikondisikan, refrigeran yang menguap pada evaporator langsung mengambil kalor dari produk atau ruangan yang akan dikondisikan. b.
Indirect system Pada indirect system, uap refrigeran yang menguap mengambil kalor dari fluida
yang didinginkan, fluida tersebut biasanya disebut dengan secondary refrigerant. Refrigeran sekunder tersebut nantinya akan mendinginkan ruangan atau produk yang akan dikondisikan. Sistem yang biasanya menggunakan indirect system adalah water chiller dan pabrik es komersial.
D. Alat ekspansi Alat ekspansi (metering device) pada sistem refrigerasi merupakan suatu tahanan yang tempatnya diantara sisi tekanan tinggi dan sisi tekanan rendah. Refrigeran cair yang mengalir melalui alat ekspansi, tekanannya diturunkan dan jumlahnya diatur sesuai dengan keperluan evaporator. Alat ekspansi harus memberikan kapasitas yang maksimum kepada evaporator, tetapi tidak membuat beban lebih kepada evaporator. 50
Alat ekspansi bekerjanya atas dasar: 1) perubahan tekanan, 2) perubahan suhu, 3) perubahan jumlah atau volume refrigeran, 4) gabungan dari perubahan tekanan, suhu dan volume refrigeran. Kompresor harus mempunyai kapasitas yang cukup besar untuk menghisap refrigeran dari evaporator. Refrigeran yang dihisap harus lebih besar jumlahnya daripada yang dialirkan keluar dari alat ekspansi. Kompresor yang dapat melaksanakan hal ini, dapat mempertahankan tekanan yang rendah atau vakum di evaporator. Hal ini perlu untuk membuat refrigeran di evaporator menguap pada suhu yang rendah. Untuk mengatur jumlah aliran refrigeran dan membuat perbedaan tekanan pada sistem, dahulu sistem refrigerasi memakai alat eksapansi yang harus selalu diawasi dan dapat diputar dengan tangan. Sekarang setelah mendapat banyak kemajuan dalam bidang: perencanaan, pelaksanaan dan perawatan, telah dapat dibuat alat eksapansi pada sistem refrigerasi yang bekerjanya: efisien, ekonomis dan otomatis. Berdasarkan cara kerjanya alat ekspansi terbagi menjadi enam jenis yaitu: 1.
Keran ekspansi yang diputar dengan tangan (manual) Sistem refrigerasi yang memakai keran ekspansi yang diputar dengan tangan
ditunjukkan oleh Gambar 2.30, harus selalu diawasi oleh seorang penjaga agar dapat memberikan jumlah refrigeran yang tertentu, sesuai dengan keperluan dan keadaan sistem.
Gambar 2.30 keran ekspansi yang diputar dengan tangan (Sumber: Handoko, 1981:105) Jumlah refrigeran yang mengalir ke evaporator, dapat ditambah atau dikurangi dengan membuka atau menutup keran ekspansi tersebut. Jumlah refrigeran cair yang mengalir melalui keran ekspansi tergantung dari perbedaan tekanan antara lubang orifice dan besarnya lubang pembukaan keran. Besarnya lubang pembukaan keran dapat diatur dengan tangan oleh penjaga. Misalkan beda tekanan diantara orifice tetap sama, 51
jumlah aliran refrigeran cair yang melalui keran ekspansi setiap saat juga akan tetap sama, tidak dipengaruhi oleh tekanan maupun beban di evaporator. 2.
Keran pelampung sisi tekanan rendah Alat ini disebut juga dengan istilah low pressur side float valve atau low side
float (LSF), seperti ditunjukkan oleh Gambar 2.31. Pelampung berada di dalam tabung evaporator pada bagian sisi tekanan rendah. Gunanya untuk mengatur dan mempertahankan tinggi permukaan refrigeran cair di dalam evaporator. Banyak dipake dengan jenis refrigeran SO2 dan Methyl Chloride dari tahun 1920 sampai tahun 1930. sekarang sudah tidak dipakai lagi karena: 1) Tabung (float chamber), 2) jumlah refrigeran yang diperlukan banyak. 3) Banyak minyak yang tertinggal di dalam tabung. Jika evaporator menyerap panas dari sekitarnya, maka refrigeran akan menguap dan permukaan cairan di dalam tabung akan menurun. Pelampung (floater) di dalam tabung juga akan turun dan membuka lubang jarum. Refrigeran cair dengan tekanan yang lebih tinggi akan mengalir masuk ke dalam tabung, untuk menggantikan cairan yang telah menguap, tanpa dipengaruhi oleh suhu dan tekanan di dalam evaporator.
Gambar 2.31 keran pelampung sisi tekanan rendah pada evaporator banjir (Sumber: Handoko, 1981:107) Lubang saluran hisap ditempatkan di dalam tabung pada bagian atas, sehingga pada keadaan normal hanya refrigeran gas saja yang dapat mengalir melalui lubang tersebut. Kedudukan pelampung di dalam tabung dapat diatur, disesuaikan dengan suhu di dalam evaporator yang dikehendaki. Jika pelampung diatur pada kedudukan terlalu rendah, maka suhu di evaporator menjadi sangat rendah. Pada keadaan suhu yang sangat rendah ini, minyak yang terbawa oleh refrigeran ke dalam tabung akan tetap tertinggal di dalam tabung (chamber), tidak dapat ikut dengan refrigeran kembali ke kompresor. 52
Sebaliknya jika pelampung diatur pada kedudukan terlalu tinggi, refigeran cair di dalam tabung akan menjadi penuh dan dapat mengalir melalui saluran hisap ke kompresor. Bagian luar dari saluran hisap akan menjadi es dan refrigeran cair akan masuk ke kompresor. Dapat menyebabkan kerusakan pada kompresor.
3.
Keran pelampung sisi tekanan tinggi Alat ini disebut juga dengan istilah high pressure side float valve atau high side
float (HSF), seperti Nampak pada Gambar 2.32. Pelampung dan jarum ditempatkan pada bagian sisi tekanan tinggi dari sistem, yaitu pada saluran liquid. Perbedaan dengan keran pelampung sisi tekanan rendah, yaitu: tabung, pelampung dan keran ditempatkan di luar evaporator, maka dapat diperoleh lebih banyak ruangan kosong di evaporator. Alat ini berguna untuk mengatur atau mempertahankan tinggi permukaan refrigeran cair pada sisi tekanan tinggi dari sistem. Mulai dipakai pada tahun 1925 oleh Servel. Pada tahun 1930 telah menjadi sangat populer dan dianggap sebagai alat ekaspansi yang terbaik pada waktu itu. Refrigeran cair dari kondensor mengalir masuk ke dalam tabung (float chamber). Permukaan cairan di dalam tabung akan naik, mengangkat pelampung (float ball) dan membuka jarum (valve pin), sehingga refrigeran cair mengalir ke luar dari tabung lalu masuk ke evaporator.
Gambar 2.32 Keran pelampung sisi tekanan tinggi (Sumber: Handoko, 1981:108) Sistem dengan keran pelampung sisi tekanan tinggi tidak boleh memakai penampung cairan (liquid receiver), kecuali jika penampung cairan sendiri dipakai sebagai tabung tempat pelampung. Penampung cairan dapat dipakai sebagai tabung (float chamber), atau memakai lain tabung sendiri. Keran pelampung sisi tekanan tinggi ini hanya dipakai pada sistem yang mempunyai jumlah isi refrigeran yang kritis atau 53
harus tepat jumlahnya. Pada pengisian refrigeran yang terlalu banyak, akan menyebabkan refrigeran meluap dari evaporator dan mengalir melalui saluran hisap ke kompresor, dapat merusak katup kompresor. Pada sistem yang kurang isi refrigeran, jumlah refrigeran cair yang mengalir masuk ke evaporator terbatas (kurang), sehingga evaporator tidak dingin. Agar penampung dapat bekerja dengan baik, tabung harus pada kedudukan mendatar, jangan miring. Keran pelampung sisi tekanan tinggi dan keran pelampung sisi tekanan rendah sekarang sudah jarang dipakai lagi.
4.
Keran ekspansi otomatis Alat ini disebut juga automatic expansion valve disingkat AEV atau AXV
merupakan suatu keran ekspansi yang tertua dan disebut keran tekanan tetap, seperti nampak pada Gambar 2.33. Nama ini diperoleh karena keran ekspansi tersebut dapat mempertahankan tekanan yang tetap pada beban evaporator yang berubah-ubah.
Gambar 2.33 Keran ekspansi otomatis 1.Baut pengatur, 2. Pegas, 3. Membram, 4. Jarum dan dudukan, 5. Saringan. P2- tekanan evaporator, P3-tekanan pegas. (Sumber: Handoko, 1981:109) Keran ekspansi otomatis bekerjanya berdasarkan tekanan yang seimbang pada bellow atau diaphragm (membram). Tekanan tersebut terdiri dari dua tekanan yang saling mengimbangi, Tekanan evaporator (P2) dan Tekanan dari pegas (P3). Tekanan dari evaporator, P2 menekan membram ke atas, membuat lubang saluran refrigeran menutup. Tekanan dari pegas yang dapat diatur , P3, menekan membram ke arah yang berlawanan membuat lubang saluran refrigeran membuka. Seperti namanya keran ekspansi tersebut bekerjanya otomatis. Yaitu mengatur jumlah refrigeran yang mengalir ke evaporator untuk membuat tekanan dari evaporator dan dari pegas dalam keadaan seimbang atau tetap. Misalkan tekanan pegas telah disetel untuk mempertahankan 54
tekanan di evaporator 10 psig. Jika hanya sedikit refrigeran yang menguap di evaporator , tekanan di dalam evaporator akan turun, karena terus dihisap oleh kompresor. Keadaan ini akan terus berlangsung sampai tekanan evaporator P2 menjadi kurang dari 10 psig. Tekanan dari pegas P3 akan melebihi tekanan evaporator. Jarum akan bergerak kearah membukanya lubang saluran refrigeran, sehingga refrigeran cair lebih banyak mengalir ke evaporator lalu menguap. Tekanan evaporator akan bertambah sampai mencapai 10 psig dan membuat membram dalam keadaan seimbang lagi dengan tekanan dari pegas. Apabila tekanan evaporator naik sampai lebih dari 10 psig, membram akan mendapat tekanan ke atas, sehingga jarum bergerak ke atas menutup lubang saluran refrigeran ke evaporator. Refrigeran yang menguap berkurang dan membuat tekanan di evaporator menurun, sehingga terjadi kesimbangan lagi pada membram.
5.
Keran ekspansi thermotatis
Alat ini juga disebut Thermostatic expansion valve, disingkat TEV atau TXV, seperti ditunjukkan oleh Gambar 2.34.
Gambar 2.34 Keran ekspansi thermostatis, Sporlan tipe G (Sumber: Handoko, 1981:111) Keran ekspansi thermostatis adalah suatu alat yang secara otomatis mengukur jumlah aliran refrigeran cair yang masuk ke evaporator, sambil mempertahankan gas panas lanjut pada akhir evaporator seperti yang telah direncanakan. Karena tekanan di evaporator rendah, maka sebagian refrigeran cair waktu melalui keran ekspansi masuk ke dalam evaporator wujudnya berubah dari cair menjadi gas dingin. Keran ekspansi thermostatis sampai saat ini merupakan alat ekspansi yang terbanyak dipakai untuk refrigerasi dan air conditioning. Kapasitas keran ekspansi harus tepat. Keran ekspansi dengan kapasitas yang terlalu besar, dapat menyebabkan control yang tidak menentu. 55
Kapasitas yang terlalu kecil, dapat menjadikan kapasitas dari sistem berkurang. Perbedaannya dengan keran ekspansi otomatis dari luar keran ekspansi thermostatis mempunyai sebuah thermal bulb yang dihubungkan dengan pipa kapiler kepada keran tersebut. 6.
Pipa kapiler Alat ini disebut juga Impedance tube, Restrictor tube atau Choke tube. Pipa kapiler
dibuatdari pipa tembaga dengan lubang dalam yang sangat kecil. Panjang dan lubang pipa kapiler dapat mengontrol jumlah refrigeran yang mengalir ke evaporator. Pipa kapiler gunanya untuk : a. Menurunkan tekanan refrigeran cair yang mengalir di dalamnya. b. Mengatur jumlah refrigeran cair yang mengalir melaluinya. c. Membangkitkan tekanan refrigeran di kondensor. Pipa kapiler banyak sekali macamnya dan ukurannya. Yang diukur diameter dalam (Inside Diameter = ID), lain dengan pipa tembaga yang diukur diameter luar (outside diameter). Mulamula dipakai pada tahun 1920 untuk lemari es dengan refrigeran Methyl Chloride. Sekarang telah dipakai untuk semua sistem refrigerasi yang kecil kapasitasnya, terutama lemari es untuk rumah tangga. Pipa kapiler dapat dipakai untuk refrigeran R-12, R-22, R-500, R-502 dan lainlain. Pipa kapiler tidak boleh dibengkok terlalu tajam, karena dapat menyebabkan lubang pipa kapiler tersebut menjadi buntu. Pipa kapiler menghubungkan saringan dan evaporator, merupakan batas antara sisi tekanan tinggi dan sisi tekanan rendah dari sistem. Pada bagian tengahnya sepanjang mungkin dilekaktkan dengan saluran hisap dan disolder. Bagian yang disolder ini disebut penukar kalor (Heat exchanger). Sistem yang memakai pipa kapiler berbeda dengan yang memakai keran ekspansi atau keran pelampung. Pipa kapiler tidak dapat menahan atau menghentikan aliran refrigeran pada waktu kompresor sedang bekerja maupun waktu kompresor sedang berhenti. Waktu kompresor dihentikan, refrigeran dari sisi tekanan tinggi akan terus mengalir ke sisi tekanan rendah, sampai tekanan pada kedua bagian tersebut menjadi sama disebut waktu penyama tekanan (Equalization time). Lemari es memerlukan waktu lima menit untuk menyamakan tekanan tersebut. Keuntungan penggunaan pipa kapiler adalah harganya murah dibandingkan dengan alat ekspansi yang lain. Kerugiannya pipa kapiler tidak sensitif terhadap perubahan beban, seperti pada alat ekspansi yang lain. 56
