TUGAS AKHIR ANALISA SISTEM TATA UDARA PADA KIJANG INNOVA Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Dalam Meraih Gelar Sarjana Teknik
Nama NIM
: Moh Ridha : 4130411-054
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI UNIVERSITAS MERCU BUANA JAKARTA 2007
LEMBAR PENGESAHAN SISTEM TATA UDARA PADA KIJANG INNOVA
Oleh : Moh Ridha 4130411-054 JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI UNIVERSITAS MERCUBUANA
Tugas ini telah diperiksa dan disetujui oleh:
Jakarta, Sep 2007 Pembimbing Tugas akhir
(Ir. Yuriadi K, M.Sc)
ABSTRAK
Analisa sistem tata udara pada mobil kijang innova ini bertujuan untuk mengetahui pemberian udara, pembersihan udara dan pengontrolan otomatik pada sistem pengudaraan kendaraan pada kijang Innova, untuk mengetahui perhitungan dan penaksiran beban pendingin pada kijang innova. Penyebab penipisan lapisan ozon yaitu penggunaan refrigeran berbasis chlor. Untuk mencegah makin rusaknya kondisi lingkungan akibat penggunaan jenis-jenis refrigeran ini perlu dicari suatu refrigeran alternatif yang lebih ramah lingkungan. Dari hasil perhitungan didapat beban pendingin total =3884.4W. Volume udara masuk ditentukan sehingga dapat diperoleh temperature dan distribusi udara yang sebaik-baiknya. Kontrol otomatik ditujukan untuk mengatur perubahan panas dan mempertahankan kondisi ruangan.
DAFTAR ISI
LEMBAR PERNYATAAN...............................................................................i LEMBAR PENGESAHAN..............................................................................ii KATA PENGANTAR.....................................................................................v DAFTAR ISI...................................................................................................vi DAFTAR GAMBAR....................................................................................viii DAFTAR NOTASI..........................................................................................x ABSTARAK...................................................................................................xii
BAB. I PENDAHULUAN I.1 Latar Belakang Masalah........................................................................1 I.2 Tujuan Penulis......................................................................................2 I.3 Pembatasan Masalah............................................................................3 I.4 Penulisan..............................................................................................3 I.5 Sistematika Penulisan..........................................................................3
BAB. II LANDASAN TEORI II.1 Prinsip Kerja Mesin Pendingin.............................................................5 II.2 Beban Pendingin pada Mobil...............................................................9 II.3 Prinsip Dasar Panas...........................................................................13 II.4 Siklus Refrigerasi Carnot....................................................................14 II.5 Siklus Kompresi Uap Standar.............................................................16 II.6 Siklus Kompresi Uap Nyata...............................................................23 II.7 Refrigeran...........................................................................................24 II.8 Pendistribusian Udara.........................................................................28
BAB. III SITEM TATA UDARA PADA KIJANG INNOVA III.1 Dasar dari Termodinamika ...............................................................31 III.2 Sistem Tata Udara pada Kendaran....................................................32 III.3 Tipe Pengudaraan..............................................................................38 III.4 Sistem Kelistrikan
................................................................40
vi
III.5 Radiasi Permukaan yang Panas.........................................................41 III.6 Mesin Refrigerasi..............................................................................42 III.5.1 Kompresor............................................................................42 III.5.2 Pengontrolan Otomatik .........................................................54 III.5.3 Kondensor..............................................................................56 III.5.4 Saringan.................................................................................59 III.5.5 Katup Expansi........................................................................60 III.5.6 Evaporator.............................................................................62
BAB. IV PRINSIP PERHITUNGAN DAN PENAKSIRAN BEBAN PANAS IV.1 Tujuan Perhitungan Beban Panas.....................................................64 IV.2 Kondisi Perencanaan.........................................................................65 IV.3 Perhitungan Beban Pendingin...........................................................66
BAB. V KESIMPULAN V.1 Kesimpulan.........................................................................................73 V.2 Saran...................................................................................................73
DAFTAR PUSTAKA Lampiran
vii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1
Komponen Sistem Pendingin ................................................8
Gambar 2.2
Mesin Carnot..........................................................................16
Gambar 2.3
Siklus Refrigerant Carnot .......................................................16
Gambar 2.4
Diagram Tekanan Entalpi.......................................................17
Gambar 2.5
Diagram Suhu Entropi............................................................21
Gambar 2.6
Daur Kompresi Uap Nyata Dibanding Daur Standar.............24
Gambar 2.7
Sirkulasi Refrigeran Sistem Pengudaraan Udara pada Mobil..26
Gambar 3.1
Sistem Operasi Normal............................................................33
Gambar 3.2
Sirkulasi Refrigeran pada Kendaraan.......................................37
Gambar 3.3
Kompresor Pendingin Assy....................................................43
Gambar 3.4
Konstruksi Kompresor Torak Kecepatan Tinggi.....................44
Gambar 3.5
Konstruksi Kompresor Sekrup...............................................48
Gambar 3.6
Penampang Kompresor Semi Hermatik..................................49
Gambar 3.7
Kontrol Otomatik....................................................................54
Gambar 3.8
Susunan Kerja Sistem Kontrol Otomatik...............................55
Gambar 3.9
Kondensor Type Assy............................................................57
Gambar 3.10 Condensor...............................................................................58 Gambar 3.11 Receiver...................................................................................60 Gambar 3.12 Katup Ekspansi........................................................................61
viii
Gambar 3.13 Typical Thermostatik Expansion Valve...............................61 Gambar 3.14 Evaporator............................................... ...........................63
ix
DAFTAR NOTASI Aa
= Luas Atap
m²
Ad
= Luas Dinding
m²
Ak
=Luas Kaca
m²
A1
=Luas Lantai
m²
CFM =Cubic Feet Per Minute CLF
=Faktor Beban Pendingin
CLTD = Perbedaan Temperatur Beban Pendingin f
=Factor untuk Langit-Langit
h
=Entalpi
k
=Factor Cahaya
kJ/kg
LHG =Laten Heat Gain LM
= Latitude Mont Correction
m
= Laju Siklus Refrigerasi
N
=Jumlah Orang
Ph
=Tekanan Tertinggi (kondensor)
kPa
P1
=Tekanan Terendah (evaporator)
kPa
q
=Beban Pendingin
qd
=Beban Pendingin pada Dinding
qk
=Beban Pendingin Secara Konduksi
q1
=Beban Pendingin Secara Laten
qp
=Beban Pendingin Penumpang
W
qr
=Beban Pendingin Secara Radiasi
W
kg/dt
W
x
W W W
R
=Tahanan Thermal
RH
=Kelembaban Relatif
SC
=Koefisien Peneduhan
m².°C/W %
SHG =Kalor Tersimpan Sensibel
W
SHGF = Faktor Kalor Tersimpan Sensible
W/m²
tdb
=Temperatur Bola Kering
°C
te
= Temperatur Evaporator
°C
tk
=Temperature
°C
to
=Temperatur
tr
=Temperatur ruangan
°C
twb
=Temperature bola basah
°C
Δt
=Beda Temperature Ruangan
°C
Ua
= Koefisien Perpindahan Panas pada Atap
Ud
= Koefisien Perpindahan Panas pada Dinding W/m² °C
Uk
= Koefisien Perpindahan Panas pada Kaca
W/m² °C
U1
= Koefisien Perpindahan Panas pada Lantai
W/m² °C
Kondensor
Udara Luar
°C
xi
W/m² °C
BAB I PENDAHULUAN
1. Latar Belakang Masalah Komponen utama dari sistem refrigerasi adalah kompresor, kondensor, katup expansi
dan evaporator. Dalam hal tersebut
kompresor berfungsi mengalirkan dan menaikkan tekanan gas refrigeran, yang selanjutnya dicairkan di dalam kondensor. dari kondensor, refrigeran cair diuapkan dengan menyemprotkannya, melalui katup expansi, kedalam evaporator yang bertekanan rendah. Refrigeran
yang menguap didalam evaporator menyerap kalor dari
udara yang ada disekitarnya. Penyegaran udara adalah suatu proses mendinginkan udara sehingga dapat mencapai temperatur dan kelembaban yang sesuai dengan yang dipersyaratkan terhadap kondisi udara dari suatu ruangan tertentu. Selain itu, mengatur aliran udara dan kebersihannya Faktor utama yang mempengaruhi panas badan manusia adalah temperatur, kelembaban serta pengaliran udara bila zat berubah menjadi gas dari cairan, zat tadi menyerap panas dari sekitarnya, panas ini disebut latent heat. Maksud dari pengudaraan mobil adalah untuk memelihara bagian ruangan agar lebih nyaman untuk pengendara di dalam mobil. Refrigeran adalah media pemindah panas yaitu senyawa yang
1
bersirkulasi pada sistem pengudaraan untuk menghasilkan efek pendingin. refrigeran terdiri dari hydrogen seperti methana yang dikomposisi
ulang
dengan
elemen
halogen.
Semua
refrigeran
menyerap panas pada temperatur dan tekanan rendah selama evaporasi dan melepaskan panas pada temperatur dan tekanan tinggi selama proses kondensasi.
2. Tujuan Penulis Tujuan penulisan tugas akhir ini adalah: 1. Untuk mengetahui pemberian udara dan pembersihan udara serta pengontrolan otomatik pada sistem pengudaraan kendaraan mobil Toyota Innova. 2. Untuk mengetahui perhitungan dan penaksiran beban panas sensibel kendaraan pada mobil Toyota Innova.
3. Pembatasan Masalah Perhitungan meliputi analisa beban panas sensibel untuk kendaraan Toyota Innova yang banyak digunakan, mengetahui pemberian udara dan pembersihan udara serta pengontrolan otomatis dengan baik. 4. Penulisan Penulisan yang digunakan dalam pembuatan tugas akhir ini adalah:
2
1. Menjelaskan teori dasar yang telah dikembangkan kedalam masalah yang dibahas. 2. Bahan-bahan yang digunakan antara lain dari literatur dan perhitungan penulisan
dengan orang yang mengerti maupun
sumber lain. 5. Sistematika Penulisan Bab I
: Pendahuluan Latar belakang, tujuan penulisan, pembatasan masalah, metodologi penulisan, sistematika penulisan.
Bab II
: Landasan teori memuat tentang teori dasar sebagai landasan utama
bagi penulis untuk membahas
masalah yang dimuat.
Bab III
: Sistem Pengudaraan pada Mobil Kijang Innova Memuat tentang Pemberian udara dan pembersihan udara serta
pengontrolan otomatis pengudaraan pada
mobil. Bab IV : Hasil Pebahasan Mendapatkan hasil perhitungan serta pembahasan tentang pendistribusian udara dan pengontrolan sistem otomatis yang digunakan. Bab V
: Kesimpulan dan Saran
3
Kesimpulan yang di dapat dari hasil pelaksanaan dan perhitungan
serta
saran-saran
memperbaiki dari penulisan ini.
4
yang
mungkin
dapat
BAB II LANDASAN TEORI
1). Prinsip Kerja Mesin Pendingin Penemuan siklus refrigerasi dan perkembangan mesin refrigerasi merintis jalan bagi pembuatan dan penggunaan mesin penyegaran udara. Komponen utama dari sistem refrigerasi adalah kompresor, kondensor, katup expansi dan evaporator. Dalam hal tersebut kompresor berfungsi mengalirkan dan menaikkan tekanan gas refrigeran, yang selanjutnya dicairkan didalam kondensor. Dari kondensor, refrigeran cair diuapkan dengan menyemprotkannya, melalui katup expansi, kedalam evaporator yang bertekanan rendah. Refrigeran yang menguap di dalam evaporator menyerap kalor dari udara disekitarnya. Sebelum freon merupakan refrigeran yang paling banyak dipergunakan pada waktu ini, ammonia merupakan refrigeran yang paling populer.
Saringan
5
Kontrol Otomatik
Gambar 2.1 Komponen Sistem Pendingin Definisi dari penyegaran adalah suatu proses mendinginkan udara sehingga dapat mencapai temperatur dan kelembaban yang sesuai dengan yang di persyaratkan terhadap kondisi udara dari suatu ruangan tertentu. Teknik pengudaraan tidak hanya berfungsi sebagai pendingin tetapi sebagai pengudaraan untuk mencapai keadaan nyaman yang dibutuhkan oleh penghuni yang ada di dalam ruangan yang di kondisikan melalui proses perlakuan terhadap udara untuk mengatur suhu, kelembaban kebersihan dan pendistribusiannya secara serentak. oleh karena itu, teknik penyegaran udara juga mencakup usaha pemanasan, seperti pengaturan kecepatan, radiasi thermal, dan kualitas udara termasuk penyisihan partikel dan uap pengotor. Pengertian tentang kenyamanan adalah jika seseorang berada dalam ruangan tertutup untuk jangka waktu yang lama, maka pada suatu ketika ia akan merasa kurang nyaman. Sehubungan dengan hal tersebut, maka seorang ahli kimia bernama lovoisier mengadakan serangkaian penelitian. ia kemudian menerangkan bahwa kenaikan kadar CO2 didalam ruangan sebagai akibat pernapasan manusia, akan menyebabkan sesak dan panas.
6
Beban panas dari suatu ruangan dipengaruhi oleh hal sebagai berikut: a. Panas yang berbeda temperatur antara kedua sisi ruangan b. Penjalaran panas matahari melalui komponen ruangan yang tak tembus cahaya. c. Perembesan udara luar kedalam ruangan. d. Panas dari dalam ruangan yang merupakan sumber panas dan penghuni berada didalamya Untuk mendapatkan keadaan yang benar-benar nyaman harus diperhitungkan kondisi ruangan yang sesuai dengan jenis kegiatan dan jumlah penghuninya. Yang dimaksud dengan penyegaran udara adalah temperatur dan kelembaban ruangan yang sesuai dengan jenis kegiatannya. Dimana kondisi ruangan mempunyai kelembaban dan temperatur yang lebih rendah dibandingkan kondisi diluar ruangan (untuk daerah tropis). Dengan adanya beda temperatur maupun kelembaban maka panas dari luar mengalir kedalam ruangan. Aliran panas inilah yang menjadi beban
pendinginan yang perpindahannya
dipengaruhi oleh jenis bahan yang digunakan. Besar kecilnya beban pendingin menentukan kapasitas yang diperlukan dari mesin penyegaran udara untuk mendapatkn kondisi nyaman yang dimaksud. Perhitungan beban pendingin berkaitan dengan kondisi udara luar maka, dalam perhitungan beban kalor sistem pendinginan pada sistem penyegaran udara dipilih beban pendingin puncak.
Temperatur panas dapat dibagi menjadi dua bagian, yaitu:
7
•
Panas sensibel adalah beban yang dapat menaikan temperatur didalam ruangan
•
Panas laten adalah dalam bentuk uap air, walaupun tidak menaikkan temperatur, tetapi dapat merubah kondisi ruangan yang menyebabkan naiknya kelembaban.
Beban sensibel pada ruangan yaitu: - Perpindahan panas melalui bahan material kendaraan secara konduksi, konveksi dan radiasi - Panas yang masuk keruangan akibat radiasi matahari melalui jendela atau komponen-komponen transparan lainnya. - Panas sensibel yang masulk ruangan akibat ventilasi dan infiltrasi dari udara luar. - Panas sensibel yang diakibatkan oleh penghuni ruangan. - Panas sensibel yang diakibatkan oleh lampu. - Panas sensibel yang diakibatkan oleh sound sistem dalam kendaraan. Panas laten dihasilkan dari sebagai berikut : - Udara luar atau ventilasi dan infiltrasi. - Orang yang berada di dalam ruangan - Lampu dan peralatan lainnya. 2). Beban Pendinginan pada Mobil 1. Beban Pendinginan Melalui Kaca
8
Beban pendinginan ini terjadi secara konduksi dan radiasi melalui kaca sehingga suhu dan kelembaban ruangan naik, beban pendinginan ini dapat dihitung dengan : - Beban pendinginan dihitung secara konduksi [1]
(W)
qk =Uk × Ak × CLTD koreksi Dimana : Uk
= koefisien perpindahan panas untuk kaca
Ak
= luas permukaan kaca
CLTD koreksi
= perbedaan temperatur beban pendinginan disesuaikan
CLTD koreksi = ((CLTD + LM)k + (25,5-tr) + (to – 29,4))f LM
[1]
= faktor konveksi terhadap posisi matahari pada bulan
Dimana dilakuakan perhitungan : k
= faktor pengaruh warna permukaan ruangan
(25,5 – tr)
= koreksi temperatur rancangan didalam ruangan
(to – 29,4)
= koreksi temperatur rancangan diluar ruangan
to adalah temperatur luar rata-rata pada hari perencanaan. - Beban Pendinginan Secara Radiasi qr =Ak × SC × SHGF × CLF Dimana : SC
[1]
(W)
= Koefisisen Peneduhan
SHGF = Faktor Beban Panas Matahari CLF = Faktor Beban Pendingin dengan atau tanpa
9
Interior peneduhan. - Beban pendingin melalui kaca menjadi qkc = qk + qr
[1]
2. Beban Pendingin Penumpang Beban pendingin ini termasuk beban pendingin dari dalam yang terdiri : - Beban pendingin sensibel dihitung dengan qs =N × SHG × CLF Dimana :
[1]
N = Jumlah Penumpang SHG = Beban panas sensibel CLF = Faktor beban pendingin orang akibat jenis dan lama pekerjaan
- Beban pendingin laten, dihitung dengan q1 = N × LHG [1] Dimana LHG = Beban Panas Laten Sehingga beban pendingin penumpang menjadi qp = qs + q1 [1]
3. Beban Pendingin Melalui Dinding
10
Kalor yang menjadi beban pendingin ini berasal dari temperatur udara luar ruangan. kalor yang mengalir melalui dinding mengalami tahanan thermal sesuai dengan jenis bahan dinding tersebut, beban pendingin ini dihitung dengan q dinding
= Ud × Ad × CLTDkoreksi
Dimana Ud =
[1]
(W)
1 koefisien perpindahan panas untuk dinding ΣR
Σ R = Jumlah tahanan thermal lapisan dinding
4. Beban Pendingin Melalui Atap Beban pendingin ini dihitung dengan qa = Ua × Aa × CLTDkoreksi
[1]
(W)
5. Beban Pendingin Melalui Lantai Beban pendingin ini dipengaruhi oleh peningkatan temperatur udara luar dibawah lantai kendaraan akibat perpindahan panas dari saluran gas buang keudara sehingga perbedaan temperatur luar dan dalam menjadi tinggi. Beban pendinginan ini dihitung dengan qlantai = U1 × A1 × ΔT [1] (W) Dimana ΔT = Beda Temperatur Rancangan
6. Beban Pendingin Melalui Dinding Depan
11
Perbedaan temperatur dalam dan ruangan pada beban pendingin ini disebabkan oleh perpindahan panas dari mesin keudara disekeliling mesin. Beban pendingin ini dihitung dengan qdd = Udd × Add × CLTDkoreksi [1]
(W)
3). Prinsip Dasar Panas Ada beberapa prinsip dasar yang penting untuk perhitungan yang digunakan dalam perancangan dan penganalisaan sistem thermal. Presentasi prinsip tersebut dimaksudkan untuk melayani keperluan khusus, dan bukan merangkum keseluruhan penerapan thermodinamika dan perpindahan kalor. Bagian yang penting dalam menganalisa sistem thermal adalah penemuan sifat thermodinamika yang bersangkutan. Suatu sifat adalah setiap karakteristik atau ciri dari bahan yang dapat dijadikan secara kuantitatif, seperti suhu, tekanan dan rapat massa. Suatu sifat adalah segala sesuatu yang dimiliki oleh bahan. Kerja dan perpindahan kalor adalah hal yang dilakukan terhadap suatu sistem untuk mengubah sifat-sifatnya. Kerja dan kalor dapat diukur hanya pada pembatas sistem dan jumlah energi yang dipindahkan tergantung pada terjadinya perubahan. Oleh karena itu thermodinamika berkisar pada energi maka seluruh sifatsifat thermodinamika berkaitan dengan energi. Keadaan atau kondisi thermodinamika suatu sistem didefinisikan berdasarkan sifat-sifatnya.
12
Sifat-sifat thermodinamika yang diutamakan adalah tekanan, suhu, rapat massa dan volume spesifik, kalor spesifik, enthalpi, entropi, dan sifat cair-uap dari suatu keadaan.
4). Siklus Refrigerasi Carnot Siklus refrigerasi carnot merupakan suatu pembatas yang tidak dapat dilebihi jika melakukan kerja
diantara dua suhu tertentu. Menurut
thermodinamika, siklus carnot dikenal pada mesin-mesin kalor. Mesin kalor menerima energi kalor pada suhu tinggi, merubah sebagian menjadi kerja dan kemudian mengeluarkan sisanya sebagai kalor pada suhu yang lebih rendah. Siklus refrigerasi carnot akan merupakan kebalikan dari mesin kalor tersebut. Mesin carnot dan siklus refrigeran carnot diperlihatkan dalam gambar.
Panas dari sumber bersuhu tinggi 3
2
Kerja
13
Kompresor
Turbin
1
4
Kerja Kalor kepenyerap Bersuhu rendah
Gambar 2.2 Mesin Carnot
Kalor menuju lingkungan bersuhu tinggi 3
2 Kerja
Turbin
Kompresor
4
1
Kerja Kalor dari sumber Bersuhu rendah Gambar 2.3 Siklus Refrigeran Carnot Proses pada siklus refrigeran carnot yang ditujukan oleh gambar di atas adalah : 1 dan 2 :Kompresor adiabatik 2 dan 3 :Pelepasan kalor pada tekanan konstan 3 dan 4 :Ekspansi adiabatik 4 dan 1 :Pemasukan kalor pada tekanan konstan 5). Siklus Kompresi Uap Standar
14
Sistem tata udara pada mobil menggunakan siklus kompresi uap, yang dapat dilihat pada gambar.
Pengembunan 3 Tekanan kPa
2
Expansi 4
Kompresi
Penguapan
1
Entalpi, kJ/kg Gambar 2.4 Diagram Tekanan Entalpi
Siklus refrigerasi dari penyegaran udara diterangkan sebagai berikut a. Penguapan Evaporator (penguapan) yang dipakai berbentuk pipa bersirip pelat. Tekanan cairan refrigeran yang diturunkan pada katup expansi, didistribusikan secara merata kedalam pipa evaporator, oleh distributor refrigeran. Dalam hal tersebut refrigeran akan menguap dan menyerap kalor dari udara ruangan yang dialirkan melalui permukaan luar dari pipa evaporator. Apabila udara didinginkan (dibawah titik embun), maka air yang ada dalam udara akan mengembun pada permukaan evaporato, kemudian ditampung dan dialirkan keluar. Jadi, cairan refrigerant
15
diuapkan secara berangsur-angsur karena menerima kalor sebanyak sebanyak kalor laten penguapan, selama mengalir didalam setiap pipa dari koil evaporator. Selama proses penguapan itu, didalam pipa akan terdapat campuran refrigeran dalam fasa cair dan gas. Dalam keadaan tersebut, tekanan (tekanan penguapan dan temperatur penguapan) konstan. Oleh karena itu temperaturnya dapat dicari dengan mengukur tekanan refrigeran didalam evaporator. b. Kompresi Kompresor mengisap uap refrigeran dari ruang penampung uap. Didalam penampung uap, tekanannya diusahakan supaya tetap rendah, didalam kompresor, tekanan refrigeran dinaikkan sehingga memudahkan pencairannya kembali. Energi yang diperlukan untuk kompresi diberikan oleh motor listrik ynag menggerakkan kompresor. Jadi, dalam proses kompresi energi diberikan kepada uap refrigeran. Pada waktu refrigeran diisap masuk kedalam kompresor, temperaturnya masih rendah tetapi selama proses kompresi berlangsung, temperaturnya naik. Jumlah refrigeran yang bersirkulasi dalam siklus refrigerasi tergantung pada jumlah uap yang diisap masuk kedalam kompresor. c. Pengembunan Uap refrigeran yang bertekanan dan bertemperatur tinggi pada akhir kompresi dapat dengan mudah dicairkan dengan mendinginkan dengan air pendingin yang ada pada temperatur normal. Dengan kata lain, uap refrigeran menyerahkan panasnya kepada air pendingin didalam kompresor, sehingga
16
mengembun dan menjadi cair. Jadi, karena air pendingin menyerap panas dari refrigeran, maka ia akan menjadi panas pada waktu keluar dari kondensor. Selama refrigeran mengalami perubahan dari fasa uap kefasa cair, dimana terdapat campuran refrigeran dalam fasa uap dan cair, tekanan (tekanan pengembunan) konstan. Kalor yang dikeluarkan didalam kondensor adalah jumlah kalor yang diperoleh dari udara yang mengalir melalui evaporator (kapasitas pendinginan), dan kerja (energi) yang diberikan oleh kompresor kepada fluida kerja. Dalam hal penyegaran udara, jumlah kalor tersebut kira-kira 1,2 kali kapasitas pendinginannya. Uap refrigeran menjadi cair sempurna didalam kondensor, kemudian dialirkan kedalam pipa evaporator melalui katup ekspansi. Dalam hal ini, temperatur refrigeran cair biasanya 2-3°C lebih rendah dari pada temperatur refrigeran cair jenuh pada tekanan kondensasinya. Tempetratur tersebut menyatakan besarnya derajat pendinginan lanjut. d. Expansi Untuk menurunkan tekanan dari refrigeran cair (tekanan tinggi) yang dicairkan
didalam
kondensor,
supaya
dapat
mudah
menguap,
maka
dipergunakan alat yang dinamai katup expansi atau pipa kapiler. Setiap alat tersebut terakhir dirancang untuk suatu penurunanan tekanan tertentu.katup expansi yang biasa diperguanakan adalah katup expansi yang biasa termostatik yang dapat mengatur laju aliran refrigeran, yaitu agar derajat super panas uap refrigeran didalam evaporator dapat diusahakan konstan. Dalam penyegaran udara kecil, dipergunakan pipa kapiler sebagai pengganti
17
katup exspansi. Diameter dalam dan panjang dari pipa kapiler tersebut ditentukan berdasarkan besarnya perbedaan tekanan yang diiiginkan, antara bagian yang bertekanan tinggi bagian bertekanan rendah, dan jumlah refrigeran yang bersirkulasi.
3
2
4
1
Suhu, K
Entropi, kJ/kg.K Gambar 2.5 Diagram Suhu Entropi
Proses-Proses yang terjadi dalam siklus kompresi uap standar adalah:
1 dan 2 : Kompresi adiabatik dan reversibel, dari uap jenuh, tekanan
menuju
kondensor. Kompresor melepaskan refrigeran berbentuk
uap yang bertemperatur tinggi dan bertekanan tinggi, karena menyerap panas dari evaporator ditambah panas yang dihasilkan kompresor saat langkah pengeluaran (discarge Stroke). 2 dan 3 : Pelepasan kalor reversibel, pada tekanan konstan, dengan bantuan kondensor dan fan kondensor, menyebabkan penurunan panas lanjut (Desuperheating) dan pengembunan refrigerant. Gas
18
refrigerant ini mengalir kedalam kondensor. Pada proses ini uap yang bertekanan tinggi mengembun sehingga refrigerant akan merubah fasa menjadi fasa cair.
3 dan 4 : Expansi tidak reversibel pada entalpi konstan, dari cairan jenuh menuju tekanan evaporator. Expansion Valve merubah cairan refrigeran menjadi campuran dan cairan yang bertemperatur dan bertekanan rendah. Refrigeran yang bertekanan rendah dalam keadaan cair ini memiliki kecenderungan untuk menguap.
4 dan 1 : Penambahan kalor reversibel pada tekanan tetap, yang menyebabkan
penguapan menuju uap jenuh. Pada proses ini
refrigeran dalam keadaan cair bertekanan rendah akan mengalami proses penguapan, sehingga pada saat masuk refrigeran keadaan cair dan pada keadaan saat keluar refrigeran dalam keadaan uap.
Dengan bantuan diagram tekanan entalpi, dapat diketahui kerja kompresi, laju pengeluaran kalor, dampak refrigerasi, koefisien laju aliran massa untuk setiap kilo watt refrigerasi dan daya perkilowatt refrigerasi. Kerja kompresi merupakan perubahan entalpi pada proses 1 dan 2 dalam h1-h2 hubungan ini diturunkan dari persamaan aliran energi yang mantap
19
(steady flow of energi) dengan mengabaikan perubahan energi kinetik dan potensial sehingga menjadi: H1 + q= h2 + W (3) Karena dalam kompresi adiabatik perpindahan kalor (q) nilai nol, maka: Perbedaan entalpi merupakan besaran negatif, yang menunjukkan bahwa kerja diberikan pada sistem. Pelepasan kalor dalam kilojoule perkilogram adalah perpindahan kalor dari refrigeran pada proses 2 dan 3, yaitu h3 - h2. pengetahuan ini juga berasal dari persamaan aliran energi yang mantap, dimana energi kinetik, energi potensial, dan kerja diabaikan. harga h3 - h2 negatif menunjukkan bahwa kalor dikeluarkan dari refrigeran. Nilai pelepasan kalor diperlukan untuk merancang kondensor, dan untuk menghitung besarnya aliran cairan pendingin kondensor. Dampak refrigerasi dalam kilojoule perkilogram adalah kalor yang dipindahkan pada proses 4 dan 1, atau h1-h4. besarnya harga bagian ini sangat penting diketahui karena proses ini merupakan tujuan utama dari seluruh sistem. Koefisien Prestasi =
h1 − h 4 h 2 − h1
Laju aliran volume dihitung pada seksi masuk kompresor, atau titik keadaan laju aliran volume merupakan petunjuk kasar ukuran fisik kompresor. Semakin besar laju tersebut, semakin besar volume langkah kompresor, dalam ukuran meter kubik perdetik. Daya untuk setiap kilowatt refrigerasi merupakan kebalikan dari koefisien prestasi, dan suatu sistem refrigeran yang efisiensi akan memiliki nilai daya perkilowatt refrigerasi yang rendah, tetapi mempunyai koefisiensi prestasi yang tinggi.
20
6). Siklus Kompresi Uap nyata Siklus kompresi uap sebenarnya dapat dilihat pada gambar 2.3
Bawah dingin
Penurunan tekanan 2
3 Tekanan kPa
Daur Standar 4
penurunan tekanan 1 Panas lanjut
Entalpi, kJ/kg Gambar 2.6 Daur Kompresi Uap Nyata Dibandingkan dengan Daur Standar
Perbadaan penting antara daur nyata dan standar adalah: 1. Terjadinya penurunan tekanan didalam kondensor dan evavorator 2. Terjadinya keadaan super dingin (subcooling) cairan yang meninggalkan kondensor untuk menjamin seluruh refrigerasi yang masuk alat ekspansi adalah cair jenuh. 3. Terjadi pemanasan lanjut uap yang meniggalkan evaporator dan terjadi penurunan tekanan karena adanya gesekan. Akibat nya kompresi pada titik 1 dan 2 diperlukan lebih banyak kerja dibandingkan dengan daur standar. 4. Kompresi yang tidak lagi isentropik dan terdapat penurunan
21
efisiensi yang disebabkan oleh gesekan dan kerugian-kerugian lain.
7). Refrigeran Unit-unit refrigeran banyak dipergunakan daerah tempertaur yang luas ,dari unit untuk keperluan pendinginan udara sampai refrigerasi . untuk unit refrigerasi tersebut diatas, hendaknya dapat dipilih jenis refrigeran kompresor yang dipakai, dan karakteristik termodinamikanya yang antara lain meliputi temperatur
penguapan
serta
temperatur
pengambunan
pengembunan.
Ruangan Penumpang
Udara Dingin Katup Expansi
Saringan
22
dan
tekanan
Arah Depan
Gambar 2.7 Sirkulasi Refrigeran Sistem Pengudaraan Udara pada Mobil
Persyaratan refrigeran untuk unit refrigerasi adalah sebagai berikut: 1. Tekanan penguapannya harus cukup tinggi Sebaiknya refrigerasi memiliki temperatur penguapan pada tekanan yang lebih tinggi, sehingga dapat dihindari kemungkinan terjadinya vakum pada evaporatr,
dan
turunnya
efesiensi
volumetrik
karena
naiknya
perbandingan kompresi.
2. Tekanan pengembunan yang tidak terlampau tinggi Apabila
tekanan
pengembunannya
rendah,
maka
perbandingan
kopompresinya menjadi labih rendah sehingga penurunan prestasi kompresor dapat dihindarkan.Selain itu, dengan tekanan kerja yang lebih rendah, mesin dapat bekerja lebih rendah, dapat bekerja lebih aman karena kemungkinan terjadinya kebocoran, kerusakan, ledakan, dan sebagainya, menjadi lebih kecil. 3. Kalor laten penguapan harus tinggi Refrigeran yang memiliki kalor laten penguapan yang tinggi lebih menguntungkan karena untuk kapasitas refrigerasi yang sama, jumlah refrigeran yang bersirkulasi menjadi lebih kecil.
23
4. Volume spesifik (terutama dalam fasa gas) yang cukup kecil refrigeran dengan kalor laten penguapan yang besar dan volume spesifik yang kecil (berat jenis yang besar) akan memungkinkan penggunaan kompresor dengan volume langkah torak yang menjadi lebih kecil.
5. Koefisien prestasinya harus tinggi Dari segi karakteristik termodinamika dari reftrigeran, koefisien prestasi merupakan parameter yang terpenting untuk menentukan biaya operasi. 6. Konduktivitas termal yang tinggi Konduktivitas termal yang sangat penting untuk menentukan karakteristik perpindahan kalor 7. Viskositas yang rendah dalam fasa cair maupun fasa gas dengan turunnya tahanan
aliran refrigeran dalam pipa, kerugian tekanan nya akan
berkurang . 8. Konstanta dielektrikan dari refrigeran yang kecil, tahan listrik yang besar, serta tidak menyebabkan korosi pada material isolator listrik Sifat-sifat tersebut dibawah ini sangat penting, terutama untuk refrigeran yang akan diperguanakan pada kompresor hermatik. 9. Refrigeran hendaknya stabil dan tidak bereaksi dengan material yanb dipakai jadi, juga tidak menyebabkan korosi.
24
10. Refrigeran tidak boleh beracun dan berbau merangsang 11. Refrigeran tidak boleh mudah terbakar dan mudah meledak 12. Refrigeran harus muda dideteksi, jika terjadi kebocoran 13. Harganya tidak mahal dan mudah diperoleh Refrigeran freon dapat bercampur baik dengan minyak pelumas, dan campuran yang terjadi itu bersirkulasi sepanjang sistem refrigeran. Namun, jika jumlah minyak dalam campuran menjadi terlalu banyak, tentu ada pengaruhnya terhadap prestasi dari siklus refrigerasi yang bersangkutan.
8). Pendistribusian udara a. Jumlah udara yang diperlukan untuk pendinginan Volume udara masuk yang diperlukan harus ditetapkan sehingga dapat diperoleh temperatur dan distribusi udara yang sebaik-baiknya. Dalam praktek jumlah udara masuk tersebut ditetapkan sehingga 7-12°C, dan jumlah penggantian udara ruangan kira-kira 5 sampai 10 kali/jam. Jumlah penggantian udara ruangan. Temperatur udara meninggalkan koil pendingin udara akan naik kira-kira 1 sampai 2°C karena adanya penambahan kalor yang dikeluarkan oleh motor kipas udara dan perpindahan kalor melalui dinding saluran udara. Hal tersebut terjadi sebelum udara masuk keruangan. Disamping itu, sambungan pada
25
saluran udara tidak dibuat betul, sehingga adanya kebocoran udara tak dapat dihindarkan. Oleh karena itu hendaknya digunakan kipas udara yang berkapasitas lebih besar. Sudah barang tentu cara penyambungan saluran udara harus dibuat sebaik-baiknya sehingga kebocoran yang terjadi tidak terlalu banyak. Temperatur air dingin atau refrigeran keluar dari koil pendingin udara. Pendinginan udara tersebut dilakukan sampai diperoleh temperatur kira-kira pada garis jenuh, yaitu dengan mengalirkan udara tersebut melalui koil pendingin. Setelah itu, udara dipanaskan kembali oleh koil pemanas ulang untuk memperoleh temperatur udara masuk ruangan yang diinginkan. b. Lubang Isap dan lubang keluar yaitu: Lubang pada dinding , lantai atau langit-langit, dimana udara segar masuk kedalam ruangan, dinamai lubang keluar. Sedangkan lubang, dimana udara ruangan diisap kembali masuk kedalam mesin penyegar atau dibuang keatmosfir, dinamai lubang isap. Bentuk lubang tersebut diatas disesuaikan dengan rancangan dan interior dari ruangan yang bersangkutan. Lubang yang dillengkapi dengan pengatur volume udara dinamai register. Sedangkan yang tidak dilengkapi dengan pengatur volume udara dinamai gril.
26
BAB III SISTEM TATA UDARA PADA KIJANG INNOVA 1). Dasar dari termodinamika Hukum termodinamika I Energi dalam segala bentuk dapat saling dipertukarkan. Hukum termodinamika 1 mengacu pada kenyataan tersebut dalam kaitannya antara panas dan kerja. Q= A.W Dimana : A= Panas setara dengan kerja 1/427 Kkal/kgm W=Jumlah kerja (kgm) Q=Jumlah panas (Kkal) Hukum termodinamika II Kerja dapat dirubah secara keseluruhan menjadi panas, namun untuk kebalikannya tidaklah selalu benar. Jika disimpan dalam hukum termodinamika I, perubahan yang dilakukan dengan cara apapun akan menghasilkan hasil yang sama, namun ternyata tidaklah demikia berdasarkan pengam,atan ini hokum lain yang berkaitan dengan panas sangatlah diperlukan. Yaitu hukum termodinamika II. -Panas dari suatu benda pada temperature tertentu tidak dapat diubah secara keseluruhan menjadi kerja. - Panas tidak dapat dipindahkan dari suatu benda yang lebih rendah temperaturnya kebenda lain yang bertemperatur lebih tinggi, tanpa menyebabkan perubahannya menjadi benda lain yang lebih baik dari pada dua benda semula.
31
2). Sistem Tata Udara pada Kendaraan Sistem tata udara pada mobil menggunakan sistem refrigerasi yang dikendalikan oleh mesin mobil untuk melengkapi pendinginan. Udara hangat dari pendingin lazimnya digunakan untuk menyalurkan panas keruang penumpang ketika dibutuhkan. Pengudaraan pada mobil menyangkut pemanasan, pendinginan dan dehumidification. Udara panas untuk menghangatkan penumpang dibutuhkan
untuk melengkapi dengan sirkulasi panas menembus
heater core atau seperti radiator kecil terletak dibawah dash. Mesin memompa udara hangat menembus heater hoses yang terletak didalamnya. Untuk menggerakkan kompresor digunakan sebuah belt untuk memompa refrigeran menembus sistem.
Katup Ekspansi
32
Kompresor
Pengkabutan dan penguapan
Saringan
Cairan Udara Dingin Cairan Tekanan Tinggi Uap Udara dingin Uap Tekanan Tinggi
Gambar 3.1 Sistem Operasi Normal
Seperti kita ketahui sistem pemanasan pada mobil sistem pengkondisian udara bekerja bersama untuk memberi kenyamanan bagi penumpang.
a. Pengkabutan dan penguapan Pada pengkondisian udara pada mobil udara didinginkan dengan cara refrigeran dengan suhu dan tekanan tinggi disimpan didalam saringan. Selanjutnya cairan refrigeran dialirkan melalui sebuah lubang
33
kecil yang disebut katup expansi. Saat ini, suhu dan tekanan refrigeran berkurang dan sejumlah cairan refrigeran berubah menjadi gas. Refrigeran dengan suhu dan tekanan rendah mengalir kedalam evaporator. Didalam evaporator refrigeran menguap dan mengambil panas dari udara sekitarnya. Sistem tata udara tidak dapat mendinginkan udara jika cairan refrigeran tidak menguap. Untuk mengubah uap refrigeran kecairan refrigeran, sebuah kompresor digunakan didalam pengudaraan pada mobil. Ketika gas dikompresi didalam kompresor, suhu dan tekanan bertambah. b. Pengembunan Pada sistem tata udara pada mobil, refrigeran dengan tekanan dan suhu tinggi berubah menjadi cairan akibat pendinginan dikondensor. Dengan mengalirnya gas refrigeran bertekanan tersebut kekondensor, gas tersebut akan mengembun dan berubah menjadi cairan. Saat itu suhu refrigeran menjadi lebih rendah dari titik didihnya. Cairan refrigeran yang terbentuk mengalir kembali ke saringan.
Kondensasi atau pengembunan adalah perubahan wujud benda ke wujud yang lebih padat, seperti gas (atau uap) menjadi cairan. Kondensasi terjadi ketika uap didinginkan menjadi cairan, tetapi dapat juga terjadi bila sebuah uap dikompresi yaitu, tekanan ditingkatkan) menjadi cairan, atau mengalami kombinasi dari pendinginan dan kompresi. Cairan yang telah terkondensasi dari uap disebut kondensat.
34
Sebuah alat yang digunakan untuk mengkondensasi uap menjadi cairan disebut kondenser. Kondenser umumnya adalah sebuah pendingin atau penukar panas yang digunakan untuk berbagai tujuan, memiliki rancangan yang bervariasi, dan banyak ukurannya dari yang dapat digenggam sampai yang sangat besar.
Kondensasi uap menjadi cairan adalah lawan dari penguapan (evaporasi) dan merupakan proses eksothermik (melepas panas). Air yang terlihat di luar gelas air yang dingin di hari yang panas adalah kondensasi.
c. Sirkulasi Refrigeran Pada keluaran kompresor refrigeran bersuhu dan bertekanan tinggi mengandung panas yang diserap dari evaporator dan panas yang dihasilkan oleh kompresor pada langkah tekan. Gas refrigeran ini mengalir kekondensor, didalam kondensor diembunkan menjadi cairan refrigeran. Cairan refrigeran ini mengalir ke receiver. Direceiver cairan disaring dan disimpan sampai evaporator membutuhkan refrigeran untuk diuapkan.
35
Saringan
Gambar 3.2 Sirkulasi Refrigeran pada Kendaraan
Katup expansi merubah cairan refrigeran menjadi bersuhu dan bertekanan rendah dengan bentuk kabut.
36
Refrigeran bersuhu rendah dan berbentuk kabut tersebut mengalir kedalam
evaporator.
Dievaporator
refrigeran
menguap
dan
mengambil panas, dari udara hangat yang dilewatkan dievaporator. Seluruh cairan berubah menjadi gas refrigeran didalam evaporator dan gas yang mempunyai panas laten tersebut mengalir kedalam kompresor. Selanjutnya proses tersebut berulang kembali.
3). Tipe Pengudaraan Akibat adanya perbedaan lingkungan yang ada tiap-tipa negara maka pengudaraan dibagi menurut fungsinya. a. Tipe Biasa Pada tipe ini terdiri dari penyaluran udara (ventilator) yang dipasangkan
heater
atau
evaporator
dan
digunakan
untuk
memanaskan atau mendinginkan udara. b. Tipe untuk Segala Cuaca pada tipe ini terdiri dari ventilator (penyalur udara) dengan heater dan evaporator. Tipe ini dapat digunakaan untuk segala mesin, seperti musim panas, musim gugur, musim dingin, dan musim semi. Pada saat pengudaraan bekerja, kondisi udara panas dan berkelembaman tinggi, maka pengudaraan akan menghasilkan kondisi udara yang nyaman dengan cara sebagai berikut :
37
Udara panas dan berkelembaman tinggi, dihisap oleh blower motor selanjutnya diteruskan keevaporator. 1.
Udara didinginkan dan dikurangi kadar airnya oleh evaporator.
2.
Udara dipanaskan diheater sehingga dihasilkan udara yang nyaman.
3.
Udara tersebut selanjutnya dialirkan keruangan melalui outlet grille.
Cara kerja sistem pengudaraan pada tipe air mix, sebagai berikut, suhu diatur dengan merubah aliran udara yang masuk dan keluar cooling unit dengan cara menggerakkan tuas-tuas pengatur pada lever kontrol panel. 1.
Air inlet door dioperasikan dengan cara menggerakkan ”air inlet Control Lever” untuk mengalirkan udara yang masuk cooling unit, yaitu memilih udara segar atau udara dari luar kendaraan dan udara bersirkulasi.
2.
Putaran blower diatur diatur dengan menggerakkan ” blower speed control lever ”
3.
Air mix control doar dioperasikan dengan cara menggerakkan ”temperatur control lever” dan membagi udara dari evaporator yang dilewatkan
diheater
dan
yang
tidak
dilewatkjan
diheater.
Pencampuran udara panas dan dingin tersebut akan menghasilkan udara yang nyaman bagi penumpang.
38
4.
Air flow mode control door dioperasikan dengan menggerakkan air flow mode control lever yang akan mengatur arah aliran udara keluar.
4). Sistem Kelistrikan Dibawah
ini
diperlihatkan
salah
satu
kerja
sistem
kelistrikan
pengudaraan Cara kerja sistem kelistrikan tersebut adalah sebagai berikut: 1. Ignition switch ”ON” 2. Blower switch di ”ON” kan yang mengakibatkan heater relay bekerja mengalirkan arus listrik keblower motor, sehingga blower motor bekerja. 3. Bila pengkondisian udara di ”on” kan
arus listrik akan mengalir
masuk ke amplifier sehingga amplifier dapat bekerja. 4. Aplifier dapat bekerja yaitu mengeluarkan arus magnetic Clutch relay dan engine jika dual pressure switch bekerja (on) dimana tekanan refrigeran saat itu berkisar antara 2,0 kg/cm² 5. Thermistor akan menginformasikan suhu evaporator ke amplifier, kalau suhu evaporator dibawah 3°C, maka kontrol otomatik akan off sehingga kompresor berhenti bekerja. 6. Water temperatur sensor akan bekerja mematikan kontrol otomatik relay jika suhu mesin diatas 180°C.
39
7. Kunci sensor pada kompresor akan menginformasikan putaran kompresor keamplifier, jika putaran kompresor tidak sampai dengan putaran mesin, maka kontrol otomatik akan mati. 8. Saat kontrol otomatik bekerja, amplifier akan mengirim sinyal kemesin agar bekerja sehingga putaran mesin naik. 9. Ketika kendaraan berakselerasi, mesin akan menginformasikan sinyal keamplifier, sehingga kontrol otomatik relay akan mati yang menyebabkan kompresor berhenti bekerja.
5). Radiasi Permukaan yang Panas. a). Apabila di dalam suatu ruangan dinding - dinding sekitarnya panas, akan mempengaruhi kenyamanan seseorang di dalam ruangan tersebut, meskipun temperatur udara disekitarnya sesuai dengan tingkat kenyamannya (misalnya di dekat oven atau dapur). b). Usahakan temperatur radiasi rata-rata sama dengan temperatur udara kering ruangan. c). Apabila temperatur radiasi rata-rata lebih tinggi dari temperatur udara kering ruangan, maka temperatur udara ruangan rancangan dibuat lebih rendah dari temperatur rancangan biasanya.
6). Mesin Refrigerasi 1. Kompresor
40
Beberapa jenis kompresor dapat dibagi dalam dua jenis utama, yaitu kompresor positif, dimana gas isap masuk kedalam silinder dan dikompresikan, dan jenis kompresor non positif dimana gas yang diisap masuk dipercepat alirannya oleh sebuah impeller yang kemudian mengubah energi kinetik untuk menaikkan tekanan.
41
Gambar 3.3 Kompresor Pendingin Assy
Berikut ini akan diberikan penjelasan secara garis besar mengenai Beberapa kompresor yang banyak digunakan pada waktu ini.
a. Kompresor torak kecepatan tinggi bersilinder banyak. Kecepatan putar yang tinggi dipergunakan apabila diperlukan kapasitas yang lebih besar. namun, pada kompresor torak yang konvensional kecepatan putar tersebut ada batasnya. Hal itu disebabkan karena terbatasnya kekuatan material dan terjadinya getaran yang disebabkan oleh bagian mesin yang bergerak bolak balik. kecepatan putar kompresor berkisar antara 900-1800 rpm dan untuk memperoleh kapasitas yang lebih besar dipakai kompresor bersilinder banyak gambar menunjukkan jenis kompresor yang banyak dipergunakan pada waktu ini. meskipun demikian, banyak juga dipergunakan kompresor berukuran kecil dan sedang.
42
Gambar 3.4 Konstruksi kompresor torak kecepatan tinggi.
Perbedaan konstruksi antara kompresor kecepatan rendah dan kecepatan tinggi bersilinder banyak adalah pada beberapa hal tersebut dibawah ini . 1. Mekanisme katup Dengan naiknya kecepatan putar, maka dipakai katup yang ringan, misalnya katup pelat. hal ini disebabkan karena katup, seperti yang biasa dipergunakan pada motor bakar torak, adalah terlalu berat. Katup pelat dapat secara cepat mengikuti gerakan torak , sehingga prestasinya lebih baik dan dapat diandalkan.
2. Penyekat poros Dengan naiknya kecepatan poros engkol, dipergunakan penyekat mekanikal dan bukan jenis penyekat paking.
43
3. Pelumasan Minyak pelumas dialirkan kebagian bagian mesin secara paksa dengan menggunakan pompa minyak pelumas. 4. Pelepasan tekanan Pelepasan tekanan dipasnag didalam silinder untuk meringankan start dan mengatur kapasitas kompresor. Pelepas tekanan itu dijalankan oleh pengatur kapasitas dengan menggunakan tekanan minyak pelumas. Ciri-ciri kompresor bersilinder banyak kecepatan tinggi adalah sebagai berikut: 1. Kecil dan ringan 2. Memerlukan fondasi yang sederhana karena getarannya lebih kecil. 3. Kemungkinan penggunaan pelepasan tekanan dan tidak diperlukan momen putar start yang besar 4. Kapasitas refrigerasi dapat diatur secara otomatik 5. Memungkinkan pertukaran komponen yang dipergunakan pada setiap silinder kapasitas kompresor dapat dirancang dengan menggunakan silinder yang tersedia, sehingga dapat diperoleh kompresor dengan 4, 6, 8, 12, 16 silinder sesuai dengan keperluannya. 6. Keausan cincin torak, bantalan dan sebagainya terjadi karena kecepatan dan beban yang tinggi. 7. Kerusakan minyak pelumas terjadi karena temperatur kerja yang tinggi
44
8. Apabila dipergunakan perbandingan kompresi yang tinggi maka kemampuan akan turun dan kerugian dayanya akan bertambah besar karena efesiensi volumetriknya turun.
b. Kompresor Putar Kompresor putar dapat dibagi menjadi dua jenis yaitu jenis daun berputar dan jenis daun diam. Pada jenis yang pertama, daun terletak pada rotor yang berputar tetapi dapat bergerak dalam arah radial. Dengan demikian puncak daun selau merapat pada bagian dalam dari silinder. Jenis ini banyak dipergunakan sebagi kompresor untuk unit penyegaran udara berkapasitas rendah. Sedang pada jenis daun stasioner, daun terletak menempel pada permukaan rotor yang berputar. Proses kompresi gas refrigeran dilakukan oleh rotor. Dibandingkan dengan kompresor torak, konstruksi kompresor berputar lebih sederhanan dan jumlah komponennya lebih sedikit c. Kompresor Sekrup Kompresor sekrup yang semula dirancang untuk memperoleh kompresor udara tanpa minyak pelumas, memiliki dua buah rotor yang berpasangan, berturut turut dengan gigi jantan dan gigi betina. Dalam beberapa tahun terakhir ini. Kompresor sekrup dibuat juga untuk dipergunakan pada mesin refrigerasi gambar.
45
seperti yang terlihat pada
Kompresor sekrup memiliki beberapa keuntungan yaitu lebih sedikit jumlah bagain yang bergesekan perbandingan kompresi yang tinggi dalam satu tingkat, relatif stabil terhadap pengaruh cairan atau kotoran yang terserap dalam refrigeran.
Gambar 3.5 Konstruksi Kompresor Sekrup d. Kompresor Semi Hermatik Pada kompresor semi hermatik listrik dibuat menjadi satu dengan kompresor.
Jadi,
rotor
motor
listrik
tersebut
berada
dalam
perpanjangan ruang engkol dari kompresor tesebut dengan jalan demikian tidak diperlukan penyekat poros,
sehingga dicegah
terjadinya kebocoran gas refrigeran. Disamping itu, konstruksinya lebih kompak dan bunyi mesin menjadi lebih halus.
46
Gambar 3.6 Penampang kompresor semi hermatik Keterangan: 1.Tutup kepala silinder
12. Beban keseimbangan
2. Kepala silinder
13. Bantalan utama
3. Flens dari pipa buang
14. Rumah engkol
4. Silinder
15. Tutup motor
5.Torak
16. Saringan gas masuk
6. Pena torak
17. Tutup
7. Pompa roda gigi
18. Flens dari pipa isap
8. Logam bantalan
19. Motor
9. Saringan minyak pelumas
20. Terminal listrik
10. Batang penghubung
21. Tutup terminal
11. Poros engkol
22. Kepala pengaman
e. Kompresor Hermatik Pada
dasarnya
kompresor
hermatik
hampir
sama
dengan
kompresor semi hermatik perbedaanya hanya terletak pada cara penyambungan rumah kompresor dengan stator motor penggeraknya. Pada kompresor hermatik dipergunakan sambungan las, sehingga
47
rapat udara, pada kompresor semi hermatik dengan rumah terbuat dari besi tuang bagian–bagian penutup dan penyambungannya masih dapat
dibuka,
sebaliknya
dengan
kompresor
hermatik
rumah
kompresor dibuat dari baja dengan pengerjaan las, sehingga baik kompresor maupun motor listrik tak dapat diperiksa tanpa memotong rumah kompresor. Oleh karena itu, komponen dari kompresor hermatik haruslah terpercaya dan dapat diandalkan. f. Proses Kompresi Ada tiga proses kompresi yang kita kenal, yaitu kompresi isotermal, kompresi politropik, dan kompresi adiabatik. 1. Kompresi isotermal Temperatur gas tidak berubah sehingga pada akhir langkah kompresi sama dengan temperatur gas pada awal kompresi. 2. Kompresi politropik Temperatur gas setelah kompresi lebih tinggi dari pada temperatur gas pada awal langkah kompresi meskipun selama proses tersebut berlangsung terjadi perpindahan dari silinder kesekitarnya 3. Kompresi Adiabatik proses kompresi tanpa perpindahan panas dari gas kesekitarnya, yaitu dengan jalan memberikan isolasi panas secara sempurna pada dinding silinder.
G. Siklus Kerja Kompresor
48
Apabila gas refrigeran diisap masuk dan dikompresikan didalam silinder kompresor mesin refrigerasi, perubahan tekanan gas refrigeran terjadi sesuai dengan perubahan volume yang diakibatkan oleh gerak torak didalam silinder tersebut. menunjukkan perubahan tekanan gas didalam silinder selama langkah uap dan langkah kompresi. 1. Langkah isap a. pada waktu torak berada dititik mati atas (titik A), katup buang dan katup isap ada dalam keadaan menutup. Kemudian, pada waktu torak mulai bergerak dari titik mati atas (TMA) ketitik mati bawah (TMB) katup isap akan membuka. b. Selama gerakan torak dari TMA ketitik TMB, gas yang ada didalam silinder akan berexpansi, tetapi gas sebenarnya baru terisap masuk kedalam silinder setelah tekanan didalam silinder tersebut turun mencapai tekanan penguapan. Oleh karena itu, selama gerakan torak dari titik A ketitik B, tidak terjadi pengisapan (langkah bebas ) c. Maka baru setelah torak mencapai titik B dan meneruskan gerakannya menuju TMB (titik C), gas refrigeran mulai diisap masuk kedalam silinder. Pada waktu torak berada di TMB, katup isap menutup dan proses pengisapan gas refrigeran selesai 2. Langkah Kompresi a. Pada waktu torak berada TMB (titik C), baik katup isap maupun katup buang ada dalam keadaan menutup.
49
b. Selanjutnya, selama gerakan dari TMB ketitik D, gas didalam mengalami proses kompresi sehingga tekanan gas akan
silinder
naik secara
berangsur-angsur.
c. Apabila telah dicapai tekanan buang (pengeluaran), pada titik D, katup buang mulai membuka sehingga gas akan keluar dari dalam silinder. d. Selama gerakan torak dari titik D ke TMA (titikA), pengeluaran refrigeran berlangsung pada tekanan konstan. Proses
gas
kompresi
selesai pada waktu torak berada di TMB.
2. Pengontrolan Otomatik
Pengontrolan sistem penyegaran udara ditujukan untuk mengatur kerja mesin supaya dapat melayani perubahan beban kalor, sehingga dapat mempertahankan kondisi ruangan pada tingkat keadaan yang diinginkan. Tingkat keadaan tersebut dinyatakan dengan temperatur dan kelembaban relatif dengan demikian pengontrolan tersebut mencakup menghentikan atau menjalankan mesin jika suatu tingkat keadaan ruangan sudah tercapai. Disamping itu, secara otomatik menghentikan kerja mesin dalam keadaan darurat.
50
Kawat Timbel
’ Poros dudukan
Bearing
Snap
Kopling Snap Besar Puli
Gambar 3.7 Kontrol Otomatik
Rangkaian listrik yang digunakan terdiri dari dua rangkaian. Rangkaian utama melayani kebutuhan daya listrik untuk menjalankan motor listrik dan pemanas, rangkaian kedua adalah rangkaian operasi digunakan untuk menyetar dan menghentikan kerja mesin atau peralatan mesin.
a. Kontrol Otomatik
Untuk mengatur kerja sistem penyegaran udara diperlukan beberapa komponen utama yaitu:
-Bagian
deteksi
(sensor)
berfungsi
menyatakan
kelembaban ruang yang hendak dikontrol.
51
temperatur
dan
-Bagian kontrol berfungsi menerima sinyal dari sensor, membandingkan dengan tingkat keadaan yang diinginkan, dan mengirimkan sinyal pengoreksi kebagian operasi yang bersangkutan.
-bagian operasi berfungsi menerima sinyal pengoreksi dari bagian kontrol dan selanjutnya menjalankan bagian mesin yang bersangkutan.
Boleh dikatakan bahwa dasar dari pengontrolan penyegaran udara adalah mengontrol temperatur udara ruangan. Susunan
komponen dan kerja
sistem kontrol dari sistem penyegaran udara dapat dilihat pada gambar
Deteksi
Kontrol
Operasi
Gambar 3.8 Susunan Kerja Sistem Kontrol Otomatik
Dalam sistem kontrol tersebut diatas, temperatur udara ruangan dideteksi, kemudian mengirimkan sinyal tersebut kebagian kontrol yang akan menghasilkan sinyal pengoreksi kebagain operasi.
Jadi dalam rangkaian sistem kontrol akan terjadi aliran sinyal, dimana sinyal yang keluar dari satu komponen akan menjadi masuk kekomponen berikutnya, sehingga secara keseluruhan akan merupakan rangkaian
52
tertutup
kontrol
yang
meliputi
proses
balikan
3. Kondensor Laju perpindahan panas dalam kondensor didalam pipa kondensor terjadi perpindahan kalor dari uap refrigeran keair pendingin. Jumlah kalor yang dipindahkan melalui dinding pipa pendingin tergantung pada perbedaan temperatur, material pipa, laju aliran massa fluida kerja, dan sebagainya. Sedangkan kotoran dan kerak yang menempel pada pipa menghalangi proses perpindahan panas.
53
Gambar 3.9 Kondensor Type Assy
Kondensor merupakan komponen penting
untuk
mencairkan
uap
refrigeran gas yang bertekanan dan bertemperatur tinggi dengan cara mendinginkan uap refrigeran tersebut sehingga akan di lepaskan kalor sebanyak kalor laten pengembun. Yang berada pada bagian yang mempunyai tekanan tinggi pada siklus refrigerasi. Alat ini berfungsi untuk memindahkan kalor dari uap refrigeran panas yang keluar dari kompresor uap panas refrigerant terdiri dari kalor yang diserap oleh evavorator dan kalor kompresi dari kompresor. Kalor dari uap refrigeran panas dikondensor ditransfer pertama-tama oleh dinding pipa kemedia pendingin yang dapat berupa udara, air atau kombinasi keduanya kondensor dapat diklasifikasikan menjadi dua yaitu: 1. Air cooled Condensor (kondensor berpendingin udara) merupakan kondensor yang membawa kalor dengan menggunakan udara sebagai medium. 2. Water cooled condensor (kondensor berpendingin air) merupakan kondensor yang membawa kalor dengan menggunakan air sebagai medium. Masuk
Pipa Kuningan
54
Sirip Keluar
GBR Gambar 3.10 Condensor 4. Saringan Kotoran dan serbuk logam yang ada didalam refrigeran yang bersirkulasi dapat mengendap atau menempel pada orifis katup expansi, pada katup isap atau pada katup buang kompresor, sehingga akan mengganggu kerja kompresor selain itu, juga dapat merusak bantalan dan penyekat poros. Oleh karena itu, kotoran tersebut harus dibuang dengan mengalirkan refrigeran melalui saringan cairan atau sarigan isap. Saringan cairan dipasang sebelum katup expansi dari pipa refrigeran cair. Saringan cairan terdiri dari jaringan yang diletakkan didalam silinder. Saluran didalam jaringan berbentuk huruf L, seperti pada pengering. Jaringan filter dapat diperiksa dan dibersihkan, tanpa membuka pipa-pipa.
55
Arah Keluar
Dari kondensor
Bantalan Saringan Saringan Pipa keluar
Gambar 3.11 Saringan
5. Katup expansi Dipergunakan untuk mengexpansikan secara adiabatik cairan refrigeran yang bertekanan dan bertemperatur tinggi sampai mencapai tingkat keadaan tekanan dan temperatur rendah, jadi, melaksanakan proses atau proses expansi entalpi konstan selain itu, katup expansi
56
mengatur pemasukan refrigeran sesuai dengan beban pendingin yang harus dilayani oleh evaporator.
Gambar 3.12 Katup Ekspansi Jadi, katup expansi mengatur supaya evaporator dapat selalu bekerja sehingga
diperoleh
efisiensi
siklus
refrigerasi
yang
maksimal
diperlihatkan keadaan pada waktu katup ekspansi membuka saluran sesuai dengan jumlah refrigeran yang diperlukan oleh evaporator sedemikian rupa sehingga refrigeran menguap sempurna pada waktu keluar dari evaporator. apabila katup expansi membuka lebih lebar, maka refrigeran didalam evaporator tidak membuat sepurna, sehingga refrigeran yang terisap masuk kedalam kompresor mengandung cairan dalam hal tersebut terakhir kompresor akan bekerja pada temperatur yang sangat tinggi, sehingga cepat rusak.
57
Tekanan Gelembung
Tekanan Evaporator
Masuk Keluar
Dudukan Katup pegas
Katup Jarum
Kontrol Uap Pegas Tekanan
Gambar 3.13 Typical Thermostatik Expansion Valve 6. Evaporator Evaporator adalah penukar panas yang memegang peranan yang paling penting didalam sirkulasi refrigerasi, yaitu mendinginkan media sekitarnya. Ada
beberapa
penggunaannya
macam
evaporator,
bentuknyapun
dapat
sesuai
dengan
berbeda-beda.
Hal
tekanan tersebut
disebabkan karena media yang hendak didinginkan dapat berupa gas, cairan atau zat padat.
58
Maka evaporator dapat dibagi dalam beberapa golongan, sesuai dengan keadaan refrigeran yang ada didalamnya, yaitu: Jenis expansi kering, jenis setengah basah, jenis basah, dan sistem pompa cair.
Gambar 3.14 Evaporator
59
BAB IV PRINSIP PERHITUNGAN DAN PENAKSIRAN BEBAN PANAS
1).Tujuan Perhitungan Beban Panas Tujuan perhitungan beban panas yaitu untuk menetapkan besarnya instalasi dan mengetahui biaya operasi jangka pendek dan jangka panjang, serta untuk mengetahui karakteristik dinamik dari instalasi yang bersangkutan. Dalam perhitungan beban kalor puncak dipakai anggapan bahwa kondisi extrim sering terjadi, dimana panas yang masuk kedalam ruangan. Kabanyakan dari perhitungan beban panas adalah panas yang masuk kedalam ruangan mobil namun seringkali dipakai beban panas yang dikoreksi terhadap panas yang masuk kedalam ruangan. Hal tersebut akan diterangkan sebagai berikut. a. Radiasi panas yang masuk kedalam ruangan melalui jendela akan memanasi lantai dan benda lain tersebut kepada udara ruangan hal ini berarti bahwa panas yang masuk kedalam ruangan dari radiasi panas matahari lambat laun akan menjadi beban panas, sehingga beban utamanya akan menjadi lebih kecil dari pada yang diperkirakan semula. b. Perhitungan panas yang masuk kedalam ruangan standar adalah perhitungan yang dilaksanakan dengan anggapan bahwa udara
63
ruangan harus dapat dipertahankan konstan pada temperatur dan kelembaban tertentu. Tetapi kenyataan, kalor akan tersimpan dalam ruangan selama kendaraan tidak digunakan.
2. Kondisi Perencanaan Data kondisi tempat pelaksanaan dilakukan untuk perhitungan digunakan kota Jakarta diperoleh dari tabel pada lampiran 1 sbb; Kota/tempat
:Jakarta
Garis lintang
:6° LS
Garis bujur
:107˚ BT
Waktu perencanaan
:Bulan september
Suhu udara dalam
:25,5°Cdb
Suhu udara luar
:32°Cdb
Udara luar Suhu bolah basah Daily Ranye
:77% :27°Cwb :7,8°C
Kondisi ruangan yang dikondisikan disesuaikan dengan kondisinyaman yang didefenisikan dengan bantuan grafik yang dapat dilihat pada lampiran 5 dipilih Temperatur ruangan
:24°Cdb
Kelembaban ruangan
:50%
Jumlah orang
:9orang
64
Luas ruangan
:4,26 m²
Jumlah udara segar
:15 CFM/orang
3. Perhitungan beban pendingin untuk menentukan berapa daya dibutuhkan untuk perhitungan beban pendingin ini digunakan data dan dimensi ruang penumpang pada kijang innova 1. Perhitungan beban pendingin melalui kaca Beban pendingin secara konduksi : qk
=Uk x Ak x CLTDkoreksi
Uk
=5,28 W/m².K
Ak
=4,80 m² (diukur)
[W]
(lampiran 2)
CLTDkoreksi
=((CLTD) + LM + (25,5 - tr) + (to - 29,4)) f
CLTD
=8
LM
=0
k
(lampiran 3) (lampiran 4)
=1,0 (Gelap) =0,5 (Terang)
f
=1 (Bila tanpa attic/duct) =0,75 (dengan Ventilasi attic)
CLTDkoreksi
=((8+0) x 1)+ (25,5 - 24) + (32 - 29,4)) x 1 =8 + 1,5 + 2,6 =12,1 °C
qk
=5,28 x 4,80 x 12,1
65
=307 W
beban pendingin secara radiasi : qr
=Ak x SC x SHGF x CLF [W]
Ak
=4,80 m²
SC
=0,55
SHGF
=924 W/m²
(diukur) (Lampiran 6) (Lampiran 7)
CLF
=0,81
(Lampiran 8)
qr
=4,80 x 0,55 x 924 x 0,81 =1976 W
Beban pendingin melalui kaca
=qk + qr =307 + 1976 =2283 W
2. Beban Pendingin Penumpang beban pendingin sensibel qs
=N x SHG x CLF [W]
N
=9 orang
SHG
=70 W
(Lampiran 9)
CLF
=0,72
(Lampiran 10)
qs
=9 x 70 x 0,72 =453,6 W
Beban pendingin laten : q1
=N x LHG
[W]
66
N
=9 orang
LHG
=45 (Lampiran 9)
q1
=9 x 45 =405 W
Beban pendingin penumpang =qs + q1 =453,6 + 405 =859 W
3. Beban Pendingin Melalui Dinding. Bahan dinding dan koefisien perpindahan kalor ditentukan berdasarkan perkiraan bahan pada dinding dan dengan bantuan tabel . Bahan
Resistensi thermal ( m². ˚C/W)
1. Lapisan
0,059
2. Steel
0,827
3. Rongga
0,121
4. Steel
0,827
5. Isolasi
0,119
6. Lapisan Udara dalam
0,121 Σ Rτ =2,074
Koefisien perpindahan panas :
67
1 = 0,482 W/m². °C ΣRT
Ud
=
Ad
=8,20 m²
CLTDkoreksi
=((CLTD+ LM) x k (25,5 - tr) + (to. 29,4)) x f
CLTD
=37
LM
=0
k
=1,0 (gelap)
f
=1
CLTDkoreksi
(diukur)
(Lampiran 12)
=((37 + 0) x 1 + (25,5 - 24) + (32 - 29,4)) x 1 =37 + 1,5 + 2,6 =41,1°C
qdinding
=Ud x Ad x CLTDkoreksi [W] =0,482 x 8,20 x 41,1 =162,4 W
4. Beban Pendingin Melalui Atap Bahan atap dan koefisien perpindahan panas: Bahan
Resistensi Thermal (m². °C/W)
1. Lapisan udara luar
0,059
2. Steel
0,827
3. Rongga udara
0,121
4. Steel
0,827
5. Isolasi
0,119
6. Lapisan udara dalam
0,121
68
Σ Rτ
2,074
Koefisien perpindahan panas atap :
1 0,482 W/m².°C ΣRT
Ua
=
Aa
=3 m² (diukur)
CLTDkoreksi
=((CLTD+ LM) x k (25,5 - tr) + (to - 29,4)) x f
CLTD
=43
LM
=0
K
=1
f
=1
CLTDkoreksi
=((43+0) x 1+ (25,5 - 24) + (32 - 29,4)) x 1 =43 + 1,5 + 2,6 =47,1°C
qatap
=Ua x Aa x CLTDkoreksi =0,482 x 3 x 47,1 =68 W
69
5. Beban pendingin melalui lantai qlantai
= U1xA1xΔT
A1
=4,31 m²
U1
=0,761 W/m².°C (Lampiran 11)
(diukur)
ΔT (beda temperatur rancangan)= 180 – 24 = 156°C
qlantai
=0,761 x 4,31 x 156 =512 W
Beban pendingin total, qtot =qkaca + qp + qd + qa +ql qtotal
=2283 + 859 + 162.4 + 68 + 512 =3884.4W
70
4. Perhitungan COP menggunakan R134a
Gambar tekanan entalpi untuk R134a dapat dilihat pada gambar.17 Didapatkan data-data sebagai berikut: Ph =1044,3kPa - 1351,45kPa P1 =349,705kPa - 414,49 kPa h1 =401,57kj/kg - 404,40kj/kg h2 =425kj/kg - 428kJ/kg h3 =h4=257,85kj/kg - 273,15 kj/kg Efek pendingin =h1-h4 =401,57 kj/kg-257,85kj/kg =143,72kj/kg Laju siklus refrigerasi =
=
Coolingpendingin Efekpendinginan
3,849kJ / kg 143,72kJ / kg
=0,027 kg/detik Efek refrigerasi :Q1-4 =mx (h1-h4) =0,027kg/detikx(401,57kJ/kg-257,85 kJ/kg = 3,88kw
Kerja kompresi : W1-2 =mx(h2-h1) =0,027kg/detikx(425kJ/kg-401,57kJ/kg =0,633 kW
71
kalor yang dilepaskan dikondensor :Q2-3=mx(h2-h3) Q2-3
=0,027kg/detik x (425kJ/kg-257,35kJ/kg) =4,51 kW
COP
=
=
Efekrefrigerasi Kerjakompresor
3,88kW 0,633kW
=6,129
72
BAB V KESIMPULAN 1. Kesimpulan 1. Dari analisa yang dilaksanakan maka diperoleh karakteristik untuk sistem tata udara pada kijang innova didapat beban pendingin total 3884,4 W.
2. Volume udara masuk yang diperlukan harus ditetapkan sehingga dapat diperoleh temperatur dan distribusi udara yang sebaikbaiknya. 3. Pengontrolan sistem penyegaran udara ditujukan untuk mengatur kerja mesin supaya dapat melayani perubahan beban kalor, sehingga dapat mempertahankan kondisi ruangan pada tingkat keadaan yang diinginkan.
2. Saran a. Untuk mendapatkan hasil yang baik pada sistem tata udara ini perlu dilakukan perbaikan bentuk sirip yang paling baik untuk memperkecil jatuh tekanan pada penukar panas tetapi tidak mengurangi keefektifitasnya b. Penulis menyarankan jika alat penukar panas yang dianalisa dalam tulisan ini akan diproduksi maka terlebih dahulu diusahakan rancangan optimal, dengan bantuan program komputer guna
73
mendapatkan hasil yang lebih baik.
74
