Pengaruh Pipa Kapiler yang Dililitkan pada Suction Line terhadap Kinerja Mesin Pendingin BELLA TANIA Program Pendidikan Fisika Sekolah Tinggi Keguruan dan Ilmu Pendidikan Surya
May 9, 2013
Abstrak
Mesin pendingin yang kebanyakan bekerja dengan dasar siklus pendingin kompresi uap membutuhkan energi input (umumnya listrik) dalam jumlah yang cukup besar. Jurnal ini akan membahas pengaruh usaha melilitkan pipa kapiler pada suction line terhadap kinerja suatu mesin pendingin, dalam penelitian ini digunakan mesin pendingin berupa freezer. Metode yang digunakan dalam pembuatan jurnal ini adalah metode studi pustaka dengan membandingkan hasil penelitian yang menggunakan air garam yang dimasukkan ke dalam freezer. Air garam yang dimasukkan ke dalam freezer dengan variasi pipa kapiler yang dililitkan 1000 /0 pada suction line, 500 /0 dililitkan padansuction line,dan pipa kapiler yang tidak dililitkan sama sekali. Hasil yang diamati pada penelitian ini adalah tingkat hasil COP (Coefficient Of Performance) dan waktu pendinginan. Waktu pendinginan diukur dari waktu yang dibutuhkan mesin pendingin untuk menurunkan 10 Cairgaramdari60 Chingga − 30 C. Dari penelitian yang dilakukan didapat bahwa pipa kapiler yang dililitkan pada suction line dapat meningkatkan COP freezer, tetapi waktu pendinginan tidak banyak berubah. Kata kunci: Siklus pendingin, suction line, pipa kapiler
1 1.1
Pendahuluan
buah alat yang beroperasi dalam sebuah siklus tanpa adanya efek dari luar untuk mentransfer panas dari media bertemperatur rendah ke media bertemperatur tinggi. Jadi, selalu diperlukan input energi dari luar. Input energi ini biasanya berupa energi listrik. Dari hukum termodinamika II muncul istilah refrigerasi dan pengkondisian udara. Bidang refrigerasi dan pengkondisian udara saling berkaitan, tetapi masing-masing mempunyai ruang lingkup yang berbeda. Pengkondisian udara berupa pengaturan suhu, pengatu-
Latar Belakang
Dewasa ini penggunaan mesin pendingin semakin luas dari rumah tinggal, perkantoran, hotel, mobil, rumah sakit, dan industri. Pemakaian mesin pendingin bervariasi dari yang berkapasitas kecil, sedang, hingga besar. Semua mesin pendingin bekerja berdasarkan prinsip Hukum Termodinamika II yang dinyatakan oleh Clausius, yaitu Adalah tidak mungkin membuat se1
ran kelembaban dan kualitas udara Sedangkan refrigerasi digunakan untuk kebutuhan proses tertentu seperti pendinginan untuk rumah tangga, keperluan umum, dan industri antara lain meliputi : cold storage, ice scating rinks, desalting, pemrosesan makan dan minuman, industri kimia, dan industri manufaktur. Pengkondisian udara dan refrigerasi juga mempunyai ruang lingkup yang sama yakni dalam hal pendinginan dan pengurangan kelembaban.
dari kompresor, refrigerant mengalir dalam kondensor dengan temperatur lebih tinggi kira-kira 100 − 150 C dari temperatur udara sekitar. Dengan demikian refrigerant keluar dari kondensor dan masuk ke alat ekspansi (pipa kapiler) pada temperatur yang lebih tinggi dari pada di suction line. Kondisi ini membuat beberapa orang tertarik mencoba melilitkan pipa kapiler ke line suction. Artikel ini membahas bagaimana pengaruh usaha melilitkan pipa kapiler ke line suction terhadap performansi mesin pendingin komMengingat semakin mahalnya harga presi uap, dalam hal ini COP dan waktu listrik dan semakin menipisnya sumber en- pendinginan beban. ergi tak terbaharui yang tersedia, maka diperlukan usaha untuk menghemat energi 1.2 Tujuan Penelitian dengan meningkatkan efisiensi kerja perala1. Mendapatkan hasil dari pengaruh pipa tan khususnya dalam hal ini mesin pendinkapiler yang dililitkan pada suction line gin. Saat ini, kebanyakan mesin pendingin bekerja berdasarkan siklus pendingin kom2. Membandingkan hasil dari efek pelilipresi uap (vapor compression refrigeration tan pipa kapiler cycle). Pada siklus pendingin ini terdapat 4 komponen utama yaitu: evaporator, kom3. Menambah wawasan mengenai sistem presor, kondensor dan alat ekspansi (gamkerja mesin pendingin bar 1). 4. Memberikan pengetahuan mengenai cara menghemat energi
1.3
Metodologi Penelitian
Metodologi yang dilakukan penulis dalam membuat jurnal hasil penelitian adalah dengan mengumpulkan data dari berbagai sumber jurnal dan ebook (tinjauan pustaka).
2
Studi Pustaka
Suatu penggunaan yang luas dari termodinamika adalah refrigerasi yaitu perpindahan panas dari temperatur yang rendah ke temperatur yang lebih tinggi. Sistem yang menghasilkan proses refrigerasi adalah refrigerator (atau pompa panas), dan siklusnya disebut siklus refrigerasi. Siklus refrigerasi yang banyak digunakan adalah siklus kompresi uap sederhana, dimana refrigeran diuapkan, dan dikodensasikan dengan jalan mengkompresi uap tersebut. Prinsip utama
Figure 1: Gambar 1
Saluran keluar evaporator yang akan masuk ke kompresor disebut sebagai suction line. Refrigerant (freon) saat mengalir dalam evaporator dan suction line berada pada temperatur rendah (biasanya lebih rendah kira-kira 100 −150 C dari temperatur ruangan yang didinginkan). Setelah ke luar 2
mesin refrigerasi adalah untuk menurunkan temperatur agar materi atau ruangan dapat terjaga temperaturnya sesuai dengan kebutuhan dan kenyamanan yang dikehendaki. Dalam sistem kompresi diperlukan 4 komponen, yaitu kompresor, kondensor, katup ekspansi dan evaporator. Cara kerja dari masing-masing alat tersebut adalah sebagai berikut (lihat Gambar 1 dan 2):
diberikan oleh motor listrik yang menggerakan kompresor. Jadi, dalam proses kompresi energi diberikan kepada uap refrigeran. Diasumsikan tidak ada perpindahan panas dari dan ke kompresor. Dengan menerapkan keseimbangan massa dan laju energi (Hukum Termodinamika I) pada volume atur yang melingkupi kompresor, didapat daya kompressor yaitu:
P-h.jpg
P = m(h2 − h1 ) ....pers 2 3. Kondensor Uap refrigeran yang bertekanan dan bertemperatur tinggi pada akhir kompresi dengan mudah dicairkan dengan menggunakan fluida pendingin seperti udara atau air. Uap refrigeran melepaskan kalor laten pengembunan kepada fluida pendingin sehingga refrigeran tadi mengembun dan menjadi cair. Pada siklus ideal tidak terjadi penurunan tekanan dan temperatur di kondensor, sedangkan pada siklus aktual terjadi penurunan tekanan yang diikuti penurunan temperatur yang terjadi karena gesekan antara refrigeran dengan pipa kondensor. Untuk volume atur melingkupi refrigeran di kondensor, laju perpindahan panas dari refrigeran adalah :
Figure 2: Gambar 2 1. Evaporator Saat refrigeran mengalir melalui evaporator, perpindahan panas dari ruangan yang didinginkan menyebabkan refrigeran menguap. Dengan mengambil refrigeran pada evaporator sebagai volume atur, dari keseimbangan massa dan Hukum Termodinamika I di peroleh perpindahan panas sebesar :
Qc = m(h2 − h3 ) ....pers 3 4. Katup Ekspansi
Qe = m(h1 − h4 ) ....pers 1 Setelah uap refrigeran dicairkan di dalam kondensor kemudian refrigeran cair yang bertekanan tinggi tersebut diekspansikan melalui pipa kapiler (katup ekspansi). Pada saat melewati pipa kapiler tekanan refrigeran mulai turun dan diikuti dengan turunnya temperatur refrigeran secara drastis. Kualitas uap yang terkandung pada titik 4 dapat dicari dengan persamaan:
2. Kompresor Kompresor menghisap uap refrigeran untuk dinaikan tekanannya, dengan naiknya tekanan maka temperatur refigeran juga naik. Sehingga setelah keluar dari kompresor, refigeran tadi berbentuk uap panas lanjut. Energi yang diperlukan untuk kompresi 3
x1 =
h4 −hf 4 hf g4
....pers 4
60 gram garam mendapatkan hasil seperti pada tabel 1. penelitian ini dilakukan sehf 4 = Entalphy spesifik cairan jenuh banyak 4 kai, selama 4 hari di laborato(kj/kg) rium.pengukuran dilakukan pada saat yang hf g = Entalphy spesifik campuran sama yaitu: saat air garam mulai mencacairan dengan uap (kj/kg) pai temperatur 60 Chingga − 30 C dimana hf g = hg - hf pengamatan dilakukan tiap penurunan 10 C. hg = Entalphy spesifik uap jenuh Pengukuran temperatur dan tekanan diam(kj/kg) bil di 5 titik seperti pada gambar 3. Secara termodinamika besarnya perpindahan panas yang terjadi pada pipa kapiler di mesin pendingin, yaitu: Q = m(h3 − h4 ) ....pers 5 h3 = Entalphy spesifik refrigeran masuk pipa kapiler (kj/kg) h4 = Entalphy spesifik refrigeran keluar pipa kapiler (kj/kg) Tekanan refrigerant turun dalam ekspansi yang ireversibel dan dibarengi dengan adanya kenaikan entropy jenis. Refrigerant keluar katup ekspansi pada state 4 yang berupa fase campuran uap-cair.Dalam system pendingin kompresi uap, power input netto sama dengan power untuk menggerakkan kompresor, karena katup ekspansi tidak memerlukan dan tidak menghasilkan power. Besaran yang menunjukkan unjuk kerja mesin pendingin adalah Coefficient of Performance (COP) didefinisikan sebagai perbandingan antara kapasitas pendinginan dengan power input. Dengan menggunakan kuantitas seperti di atas,
COP =
3
Qin m Wk m
=
Figure 3: Gambar 3
Berikut tabel hasil penelitian : • 1000 /0 = pipa kapiler seluruhnya dililitkan pada suction line • 500 /0 = pipa kapiler hanya sebagian dililitkan pada suction line • 00 /0 = pipa kapiler tidak dililitkan pada suction line 1. COP freezer berubah terhadap temperatur ruang beban Dari eksperimen yang dilakukan, terlihat dalam tabel 1 bahwa COP mesin pendingin menurun saat temperatur air garam makin rendah. Temperatur ruang beban dapat diperkirakan mendekati atau sama dengan temperatur air garam. Hal ini dapat dijelaskan sebagai berikut: Saat temperatur air
h1 −h4 h2 −h1
Hasil dan Pembahasan
Penelitian yang dilakukan terhadap air garam yang dimasukkan ke dalam freezer dengan perbandingan 500 gram air dan 4
garam makin rendah berarti beda temwaktu pendinginan lebih singkat. Hal peratur antara air garam dengan reini dapat dimengerti karena kapasitas frigerant dalam evaporator makin kecil. pendinginan tidak banyak berubah. Hal ini berakibat kapasitas pendinginan freezer menurun. Dengan menuTable 2: Waktu (detik) yang dibutuhkan runnya kapasitas pendinginan maka untuk menurunkan suhu 10 C air garam COP juga menurun. Table 1: COP freezer berubah temperatur ruang beban Suhu (0 C) 1000 /0 500 /0 6 2,4 1,7 5 2,3 1,6 4 2,2 1,5 3 2,2 1,5 2 2,1 1,4 1 2,0 1,3 0 1,8 1,2 -1 1,9 1,1 -2 1,9 1,0 -3 2,0 1,0
Penurunan Suhu (0 C) 6-5 5-4 4-3 3-2 2-1 1-0 0- -1 -1- -2 -2- -3
terhadap 00 /0 1,0 1,0 1,1 1,1 1,0 0,9 0,8 0,9 0,8 0,7
1000 /0 200 230 240 250 290 235 255 300 300
500 /0 220 230 245 255 290 230 250 300 280
00 /0 230 235 250 270 300 240 260 295 300
3. Pengaruh usaha pelilitan pipa kapiler terhadap daya kompresor Dari diagram P-h terlihat bahwa karena pipa kapiler dililitkan pada line suction maka titik 1 (suction kompresor) bergeser ke kanan, dimana saat seluruh pipa kapiler dililitkan ternyata titik 1 berada di daerah superpanas, sedang keluaran kompresor hampir sama untuk semua kondisi. Pergeseran ini membuat enthalpy masukan kompresor (h1) lebih tinggi sedang enthalpy keluaran (h2) hampir sama, sehingga kerja kompresor lebih ringan. Entalpi h1 paling tinggi saat seluruh pipa dililitkan sehingga daya input kompresor juga paling rendah pada kondisi itu. Hal ini dapat dilihat pada tabel 3.
2. Pengaruh usaha pelilitan pipa kapiler terhadap waktu pendinginan Pengamatan terhadap waktu pendinginan air garam dalam ruang beban dilakukan mulai dari air garam mencapai 60 Chingga − 30 C, dimana pengukuran dilakukan untuk penurunan tiap 10 C. Dari tabel 2 dapat dilihat bahwa waktu pendinginan yang diperlukan bertambah dengan makin rendahnya temperatur air garam. Namun, terjadi sesuatu yang aneh dimana saat temperatur air garam turun dari 10 C menjadi 00 C dan dari 00 C menjadi −10 C, waktu yang diperlukan justru menurun dan kemudian untuk berikutnya meningkat kembali. Hal ini perlu diselidiki lebih lanjut. Pada artikel ini tidak dibahas lebih jauh karena hal ini di luar tujuan eksperimen. Dari tabel 2 terlihat bahwa usaha melilitkan pipa kapiler pada line suction tidak membuat
COP didapat dengan membagi kapasitas pendinginan dengan daya input kompresor. Kapasitas pendinginan freezer tidak terlalu banyak berubah dengan melilitkan pipa kapiler ke suction line. Kemungkinan hal ini terjadi karena pipa kapiler juga menerima 5
panas dari lingkungan maupun kompresor mengingat temperatur refrigerant saat keluar pipa kapiler (masuk evaporator) sangat rendah yaitu sekitar −150 C .Karena kapasitas pendinginan sedikit meningkat dan daya input kompresor menurun saat pipa kapiler dililitkan pada line suction, maka COP freezer meningkat.
3. Dengan melakukan hal ini, maka refrigerant saat masuk kompresor lebih super panas dan refrigerant saat masuk katup ekspansi (bisa pipa kapiler) dalam kondisi lebih sub-cooled, temperatur lebih rendah. Jika refrigerant masuk katup ekspansi lebih sub-cooled maka pada diagram P-h titik 4 lebih ke kiri dengan demikian titik 5 juga lebih kekiri. Kondisi ini berakibat kapasitas pendinginan mesin pendingin lebih besar. Dengan membuat kapasitas pendingiTable 3: Perubahan daya kompresor nan lebih besar, maka waktu pendinginan (kJ/kg) terhadap temperatur air garam tentunya akan lebih singkat. (0 C) Suhu (0 C) 1000 /0 500 /0 00 /0 Daftar Pustaka 6 38 57 82 5 39 58 82 References 4 39 59 80 3 39 57 79 [1] Ekadewi Anggraini Handoyo, Agus Luk2 38 59 79 ito, Analisis Pengaruh Pipa Kapiler 1 39 59 80 yang Dililitkan pada Line Suction Ter0 40 60 81 hadap Performansi Mesin Pendingin, -1 40 59 80 Indonesia, 2002. -2 41 61 81 [2] Khairil Anwari, EFEK BEBAN -3 40 62 83 PENDINGIN TERHADAP PERFORMA SISTEM MESIN PENDINGIN, Palu, Indonesia, 2010.
4
Kesimpulan
[3] Ir. Sudjito, PhD. , Ir. Saifuddin Baedoewie, Agung Sugeng W., ST., MT. Dari eksperimen yang dilakukan dapat diDiktat TERMODINAMIKA DASAR, ambil kesimpulan: Jakarta, Indonesia. 1. COP mesin pendingin menurun saat temperatur ruangan beban makin rendah. 2. COP mesin pendingin meningkat jika pipa kapiler dililitkan pada suction line 3. Waktu pendinginan tidak berubah jika pipa kapiler dililitkan pada line suction. Usaha yang dilakukan orang untuk meningkatkan performansi mesin pendingin adalah dengan mengkontakkan pipa (bukan pipa kapiler) yang keluar dari kondensor dengan suction line seperti pada gambar 6
