UTS- SISTEM TATA UDARA (Tugas Kelompok) Kelompok 10 TUGAS : Buatlah narasi/uraian tentang gambar yang tertera dibawah ini !
Penjelasan Umum Gambar di atas merupakan gambar rangkaian mesin pendingin yang terdiri dari kondenser, rangkaian pipa, solenoid valve, evaporator dan kompresor. Gambaran umum cara kerja dari alat ini adalah refrigeran dikompresikan pada tekanan tertentu secara isentropik sehingga mengalami kenaikan suhu. Maka setelah dikompresikan tekanan dan suhu naik, setelah itu refrigeran dilewatkan pada kondenser, disini refrigeran yang bersuhu tinggi diambil kalornya, akibatnya menglami penurunan suhu, serta mengalami perubahan wujud dari gas ke wujud cair. Setelah itu refrigeran dilewatkan pada filter drier, disini filter drier berfungsi untuk menyaring kotoran dan uap air yang terkandung pada refrigeran. Karena kotoran dapat mengganggu kinerja dari expansion valve dan uap air dapat bereaksi dengan refrigeran membentuk asam. Setelah itu refrigeran dilewatkan pada sign glass and moisture
1
Ujian Tengah
indicator yang berfungsi untuk memantau kualitas refrigerant yang akan masuk ke peralatan kontrol (solenoid valve). Jika pada moisture indicator menunjukkan refrigeran memiliki kandungan air tinggi (wet) maka dapat segera dilakukan langkah preventif seperti menutup katup solenoid. Berikutnya refrigeran diteruskan ke solenoid valve untuk mengontrol debitnya. Pengontrolan ini terkait dengan kebutuhan pendinginan pada air conditioner. Refrigeran yang telah terkontrol debitnya dilewatkan pada expansion valve. Pada expansion valve ini refrigeran yang sebelumnya bertekanan tinggi diexpansikan sehingga tekanan dan suhunya turun, pada proses ini fase refrigeran sebagian telah berubah menjadi gas. Kerja katup expansion valve di control oleh tekanan output setelah melewati evaporator. Selanjutnya setelah melewati expansion valve refrigeran dilewatkan pada evaporator, evaporator ini terletak diruangan dan difungsikan media heat transfer, sehingga refrigeran yang bersuhu dingin dapat menangkap panas ruangan. Pada penangkapan panas ini panas yang di tangkap refrigeran digunakan utuk perubahan fase refrigeran menuju murni gas. Pada tahap ini ruangan kan menjadi lebih dingin karena panasnya telah diambil oleh refrigeran. Untuk gambaran jelas dari proses utama mesin pendingin adalah seperti pada grafik P-Q dan T-S berikut ini.
Gambar 1. Diagram T-S dari siklus refrigerasi
2
Ujian Tengah
Gambar 2. Diagram P-Q dari siklus refrigerasi
Siklus refrigerasi ditunjukkan dalam Gambar 2 dapat dibagi menjadi tahapan tahapan berikut: 1 – 2. Cairan refrigeran dalam evaporator menyerap panas dari sekitarnya, biasanya udara, air atau cairan proses lain. Selama proses ini cairan merubah bentuknya dari cair menjadi gas, dan pada keluaran evaporator gas ini diberi pemanasan berlebih/ superheated gas. 2 – 3. Uap yang diberi panas berlebih masuk menuju kompresor dimana tekanannya dinaikkan. Suhu juga akan meningkat, sebab bagian energi yang menuju proses kompresi dipindahkan ke refrigeran. 3 – 4. Superheated gas bertekanan tinggi lewat dari kompresor menuju kondenser. Bagian awal proses refrigerasi (3-3a) menurunkan panas superheated gas sebelum gas ini dikembalikan menjadi bentuk cairan (3a-3b). Refrigerasi untuk proses ini biasanya dicapai dengan menggunakan udara atau air. Penurunan suhu lebih lanjut terjadi pada pekerjaan pipa dan penerima cairan (3b - 4), sehingga cairan refrigeran didinginkan ke tingkat lebih rendah ketika cairan ini menuju alat ekspansi. 4 - 1 Cairan yang sudah didinginkan dan bertekanan tinggi melintas melalui peralatan ekspansi, yang mana akan mengurangi tekanan dan mengendalikan aliran menuju Kondenser harus mampu membuang panas gabungan yang masuk evaporator dan
3
Ujian Tengah
kondenser. Dengan kata lain: (1 - 2) + (2 - 3) harus sama dengan (3 - 4). Melalui alat ekspansi tidak terdapat panas yang hilang maupun yang diperoleh.
Siklus Refrigerasi
Gambar 3. Siklus Refrigerasi
Siklus refrigerasi kompresi mengambil keuntungan dari kenyataan bahwa fluida yang bertekanan tinggi pada suhu tertentu cenderung menjadi lebih dingin jika dibiarkan mengembang. Jika perubahan tekanan cukup tinggi, maka gas yang ditekan akan menjadi lebih panas daripada sumber dingin diluar (contoh udara diluar) dan gas yang mengembang akan menjadi lebih dingin daripada suhu dingin yang dikehendaki. Dalam kasus ini, fluida digunakan untuk mendinginkan lingkungan bersuhu rendah dan membuang panas ke lingkungan yang bersuhu tinggi. Siklus refrigerasi kompresi uap memiliki dua keuntungan. Pertama, sejumlah besar energi panas diperlukan untuk merubah cairan menjadi uap, dan oleh karena itu banyak panas yang dapat dibuang dari ruang yang disejukkan. Kedua, sifat-sifat isothermal penguapan membolehkan pengambilan panas tanpa menaikan suhu
4
Ujian Tengah
fluida kerja ke suhu berapapun didinginkan. Hal ini berarti bahwa laju perpindahan panas menjadi tinggi, sebab semakin dekat suhu fluida kerja mendekati suhu sekitarnya akan semakin rendah laju perpindahan panasnya.
Analisis Sistem Pendinginan Dengan Kondenser Di Atas Atap (Rooftop Condenser) Penempatan kondenser di atas ini bertujuan untuk memperlancar dan meningkatkan laju pendinginan refrigeran pada condenser. Hal itu dikarenakan pada atap gedung aliran udara lingkungan mengalir lebih bebas dan kecang sehingga dapat membantu pendinginan. Selain itu pada daerah yang lebih tinggi udaranya lebih bersih sehingga mengurangi kerentanan terjadinya pengerakan pada coil-coil condenser yang berisi refrigeran, akibatnya kemampuan transfer panas pada kondenser tetap terjaga dalam kondisi baik (perawatan lebih mudah) dan performa condenser pun dapat selalu pada kondisi optimal. Selain itu penempatan kondenser di atas atap dapat lebih mengoptimalkan tempat karena jika ditaruh di bawah akan memakan tempat yang dapat digunakan untuk bangunan lain, seperti lahan parkir, taman dan sebagainya. Apabila kondenser diletakkan di dinding akan mengurangi nilai estetika dari gedung karena sebagian banguna terhalang oleh penempatan kondenser ini. Namun penempatan kondenser pada atap ini memerlukan kompresor yang mempunyai head tinggi apalagi untuk gedung-gedung yang sangat tinggi, karena kompresor harus mampu mendorong refrigeran sampai ke atas gedung. Selain itu konstruksi bangunan juga harus kuat karena harus menopang berat kondenser ini.
Komponen-Komponen Sistem Refrigerasi 1. Kompressor Fungsi compressor pada sistem pendinginan uap (vapor compression system) ada dua macam: 1. untuk mengalirkan uap refrigeran yang mengandung sejumlah panas dari evaporator. 2. untuk menaikan temperatur uap refrigeran sampai mencapai titik saturasinya (jenuh), titik tersebut lebih tinggi daripada temperatur medium pendinginnya.
5
Ujian Tengah
Kompresor mengambil uap panas pada temperatur rendah di dalam evaporator dan memompakannya ke tingkat temperatur yang lebih tinggi di dalam kondensor, oleh karena itu biasa juga compressor itu disebut heat pump. Berdasarkan kontruksinya compressor dibagi menjadi lima, yaitu : a.
Compressor Torak (reciprocating compressor)
Cara kerja : Piston bergerak bolak-balik dalam silinder, katup akan mengatur uap yang masuk dan uap yang keluar pada bagian silinder
b. Compressor Rotary Cara kerja : piston berputar excentric, kontak dengan sisi silinder dan blade yang tetap sebagai pembatas antara lubang isap dan lubang tekan
c. Compressor Sentrifugal
Cara kerja : Tekanan dibuat oleh adanya daya centrifugal. ketika uap berpindah secara cepat pada lubang kecil yang berputar kearah luar.
6
Ujian Tengah
d. Compressor Screw
Cara kerja : Ketika gas refrigerant masuk kedalam rumah dekat pusat compressor, sebuah piringan dengan radial atau kita kenal dengan impeller berputar secara cepat di dalam rumah-rumah compressor, kemudian menekan kearah luar. Screw compressor mempunyai rotor yang terdiri dari male dan female gears dan pengkompresian refrigerant dengan satu screw rotor dan dua gate rotor. Pada proses kompresi dari Screw compressor terdiri dari tiga langkah, yaitu : penghisapan, kompresi dan penekanan.
e. Compressor Scroll
Cara kerja : Gas
refrigeran
masuk
keruangan
tempat scroll berada kemudian ditekan oleh scroll dengan cara berputar kedalam ruangan yang dikelilingi oleh scroll-scroll dan di keluarkan melalui titik pusat tempat scroll tersebut berada sebagai saluran tekan (discharge).
2. Kondensor Kondensor
merupakan
komponen
penukar
panas
yang
berfungsi
untuk
mengkondensasikan gas refrigeran dari compressor. Gas refrigeran yang bertekanan dan bertemperatur tinggi dari compressor di alirkan ke kondensor selanjutnya phasa refrigeran berubah dari gas menjadi cair dengan cara membuang panas yang di bawa oleh refrigeran ke media pendingin kondensor. Berdasarkan media pendinginnya, kondensor dibagi menjadi tiga, yaitu :
7
Ujian Tengah
1. Air Cooled Condensor (kondensor pendingin udara)
2. Water Cooled Condensor (kondensor pendingin air)
3. Evaporative Condensor (kondensor pendingin air dan udara)
3. Evaporator Evaporator adalah penukar kalor yang didalamnya mengalir cairan refrigeran yang berfungsi sebagai penyerap panas dari produk yang didinginkannya sambil berubah phasa. Kadang-kadang evaporator disebut freezing unit, low side, cooling unit atau nama lainnya
8
Ujian Tengah
yang menggambarkan fungsinya atau lokasinya. Temperatur refrigeran di dalam evaporator selalu lebih rendah daripada temperatur sekelilingnya, sehingga dengan demikian panas dapat mengalir ke refrigeran. Evaporator dikelompokkan dalam beberapa group bergantung pada pemakaiannya, bentuknya, ukurannya. Adapun klasifikasinya adalah sebagai berikut : 1. konstruksinya : pipa telanjang (bare tube), pipa bersirip (fine tube). 2. kondisi kerja : beku (frosting), tidak beku (non frosting), dicairkan (defrosting) 3. sirkulasi : gravitasi/alami, paksaan (force).
4.
Matering Device Komponen kontrol refrigeran merupakan suatu tahanan yang tempatnya berada diantara sisi tekanan tinggi dan sisi tekanan rendah. Refrigeran cair yang mengalir melalui komponen kontrol, tekanannya diturunkan dan jumlahnya diatur sesuai dengan keperluan evaporator. Komponen kontrol harus memberikan kapasitas yang maksimum pada evaporator, tetapi tidak
9
Ujian Tengah
membuat beban lebih kepada compressor. Komponen kontrol refrigeran bekerjanya atas dasar : perubahan tekanan, perubahan suhu, perubahan jumlah atau volume refrigeran, atau gabungan dari perubahan tekanan, suhu dan jumlah refrigeran. Komponen kontrol refrigeran ada enam macam yaitu : 1. katup ekspansi yang diputar dengan tangan (hand valve). 2. katup pelampung sisi tekanan rendah 3. katup pelampung sisi tekanan tinggi 4. katup ekxpansi otomatis (AXV). 5. katup ekspansi thermostatis (TXV) 6. pipa kapiler. Komponen kontrol yang paling sering digunakan pada sistem air conditioning adalah katup ekspansi thermostatis (TEV)
5. Solenoid Valve Katup solenoid dapat mengontrol secara otomatis, yaitu menghentikan atau meneruskan aliran refrigeran dalam sistem pendinginan. Fungsinya yang utama sama dengan katup yang diputardengan tangan, tetapi katup solenoid dapat diatur oleh kumparan yang dialiri oleh arus listrik.
10
Ujian Tengah
6. Filter Drier Filter Drier digunakan untuk menghilangkan air dan kotoran dari sistem pendingin. Komponen ini berbentuk tabung yang mana cairan refrigeran akan dialirkan. Di dalam tabung terdapat bahan yang dikenal dengan desiccant, misalnya silica gel. Komponen ini selalu ditempatkan di liquid line.
7. Sight Glass Pada umumnya terdiri atas lubang kaca pada liquid line. Komponen ini memungkinkan kita memeriksa keadaan refrigeran pada titik tertentu dari sistem.bila saluran terisi penuh dengan cairan, maka kaca terlihat jelas jernih. Bila beberapa gas masih terdapat di dalam saluran, maka akan terlihat gelembung-gelembung.
11
Ujian Tengah
DEFINISI
Kebutuhan akan kondisi udara yang nyaman pada masa kini nampaknya sudah merupakan suatu kebutuhan yang harus dipenuhi, terutama pada ruangan atau gedung yang biasa digunakan untuk kegiatan tertentu misalnya: hotel, perpustakaan, perkantoran, bank, rumah sakit, laboratorium, gedung olah raga dan lain-lain. Salah satu cara yang dilakukan oleh manusia untuk menciptakan suatu kondisi yang nyaman disekitarnya adalah dengan memasang sistem pengkondisian udara (Air Conditioning) pada ruangan atau gedung di mana mereka berada. Sistem Air Conditioning (AC) mengontrol temperatur, kelembaban dan sirkulasi udara di dalam ruangan sehingga tercipta kondisi yang nyaman bagi penghuninya.
DEFINISI Sebelum melangkah ke teknik pendinginan, perlu juga kiranya kita ketahui beberapa istilah yang nantinya akan banyak disebut-sebut. 1.
Situs refrigerasi adalah apabila yang menjadi tujuan adalah pemindahan panas dari ruangan temperatur rendah. Contoh : kulkas, AC.
2.
Efek Refrigerasi (Refrigerating Effect) adalah jumlah panas yang diserap diambil dari ruangan temperatur rendah.
3.
Efek Pemanasan (Heat Effect) adalah jumlah panas yang diterima oleh ruangan temperatur tinggi.
4.
Ton Refrigerasi adalah laju efek refrigerasi pada suatu operasi pabrik refrigerasi (pabrik es), yang merupakan laju penyerapan panas sebesar 288.000 Btu per hari (24 jam). 1 ton refrigerasi
= 288.000 Btu / hari = 200 Btu / menit = 50 kkal / menit
5.
½ PK = ±5000 Btu/h ¾ PK = ± 7000 Btu/h 1 PK = ± 9000 Btu/h Rumus penghitungan : (panjang.lebar.tinggi ruangan)/3 x 500 Misalkan, ruangan kamar ukuran 5m . 3m. 3m
12
Ujian Tengah
Maka, hasil perkaliannya = (5. 3. 3)/3 x 500 = 7500 Maka, ruangan itu bisa memakai AC ¾ PK atau 1 PK. 6.
Panas
Panas adalah salah satu bentuk energi yang tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan. Panas dapat diubah bentuknya menjadi energi lain. Panas hanya dapat dipindahkan jika terdapat perbedaan temperatur atau perbedaan tekanan. Panas itu tetap ada walau pada temperatur yang rendah sekalipun. 7.
Dingin 0
0
Dingin adalah suatu istilah yang relatif, sebab temperatur udara luar 50 F (10 C) bagi orang yang tinggal di daerah tropis akan terasa dingin, tapi tidak dingin bagi orang yang tinggal di daerah kutub. Ada suatu definisi yang menyebutkan bahwa dingin itu artinya tidak ada panas (absence of heat). Padahal dalam kehidupan sehari-hari tidak ada dingin yang betul-betul tanpa adanya panas. 8.
Pendinginan Refrigeration adalah pemindahan panas dari suatu tempat ke tempat lain melalui perubahan keadaan (phasa) suatu cairan. Panas dapat juga dipindahkan dengan berbagai cara sepanjang masih ada perbedaan temperatur. Jadi cairan dinginpun dapat menyerap panas dari benda dingin tergantung dari hasil yang diinginkan.
9.
Refrigeran Refrigeran adalah fluida yang digunakan untuk menyerap panas melalui perubahan phasa, dari cair ke gas (evaporasi/penguapan) dan membuang panas melalui perubahan phasa gas ke cair (kondensasi/pengembunan).
10. British Thermal Unit (BTU) 0
BTU adalah sejumlah panas yang diperlukan untuk menaikan temperatur 1 F untuk tiap 1 lb air. Air digunakan sebagai standar untuk menghitung jumlah panas. 11. Ton of Refrigeration Ton of Refrigeration artinya 1 ton pendinginan sama dengan jumlah panas yang diperlukan untuk mencairkan 1 ton es (2000 lb) dalam waktu 24 jam. Atau dapat juga dikatakan bahwa 1 ton pendinginan = 12.000 BTU/ jam. 12. Panas sensibel Panas sensibel adalah panas yang dapat diukur, panas yang menyebabkan terjadinya kenaikan/penurunan temperatur. 13. Panas Laten
13
Ujian Tengah
Panas laten adalah panas yang diperlukan untuk merubah phasa benda, mulai dari titik lelehnya tau titik didihnya atau titik bekunya sampai benda itu secara sempurna berubah phasa, tetapi temperatur tetap. 14. Gas panas lanjut (superheatead vapor) adalah sejumlah panas yang ditambahkan kepada uap/gas sampai suhunya naik lebih tinggi daripada suhu penguapan zat tersebut. 15. Cairan dingin lanjut (subcooled liquid) sejumlah panas yang diambil dari cairan sehingga menyebabkan penurunan suhu cairan tersebut sampai di bawah titik embunnya. 16. Konduksi adalah perpindahan panas melalui suatu zat yang sama tanpa disertai perpindahan bagian-bagian dari zat itu. Contoh: besi yang dipanaskan. 17. Perpindahan panas secara konduksi dapat terjadi pada zat padat, cair dan gas. 18. Konveksi adalah perpindahan panas melalui media gas atau cairan, sebagai contoh udara di dalam lemari es dan air yang dipanaskan di dalam cerek. 19. Radiasi adalah perpindahan panas dari suatu bagian yang yang lebih tingi suhunya ke bagian lain yang lebih rendah suhunya tanpa melalui zat perantara. Contoh: cahaya matahari, panas lampu dan tungku api. 20. Perpindahan panas secara radiasi hanya dapat terjadi melalui gas, benda yang transparan, dan ruang yang hampa udara (vakum). 21. Perubahan wujud benda terdiri dari: a. Mencair (fusi) yaitu benda padat yang mencair, dengan menyerap panas dari sekelilingnya. b. Membeku (solidifikasi) yaitu cairan yang berubah menjadi padat dengan melepas panas pada sekelilingnya. c. Menguap (evaporasi) yaitu cairan yang menguap menjadi gas dengan menyerap panas dari sekelilingnya. d. Mengembun (kondensasi) yaitu gas/uap yang berubah menjadi cairan dengan melepas panas ke sekelilingnya. e. Sublimasi yaitu benda padat yang berubah menjadi gas. Contoh; es kering (CO2 padat) dan napthaline, saat dipanaskan akan langsung berubah menjadi gas. f. Adhesi yaitu gas yang berubah menjadi padat. 22. Temperatur/suhu adalah ukuran panas atau dinginnya sebuah benda. Untuk 0
menyatakan suhu, umumnya digunakan derajat Celcius ( C) atau derajat Fahrenheit
14
Ujian Tengah
0
( F). Untuk mengubah pengukuran derajat Celcius menjadi derajat Fahrenheit ataupun sebaliknya kita dapat menggunakan persamaan sebagai berikut: C = 5/9 (F – 32)……(a) F = 9/5 C + 32……….. (b) 23. Temperatur jenuh cairan (saturated liquid) adalah suatu keadaan cairan telah mencapai suatu titik di mana ia akan mulai berubah wujudnya jadi uap. 24. Temperatur jenuh uap (saturated vapor) adalah suatu keadaan jika uap didinginkan sampai dicapai suatu keadaan di mana uap jadi semakin merapat, akhirnya jadi tetes air. 25. Tekanan atmospher adalah tekanan yang bekerja pada semua benda di atas bumi yang disebabkan oleh gaya tarik gravitasi bumi. Tekanan ini adalah berat udara disekitar dan besarnya sama dengan 14,696 psi (1 atm). 26. Manometer adalah komponen untuk mengukur tekanan uap air dalam ketel uap atau tekanan gas dalam suatu tabung. Tekanan yang yang ditunjukkan oleh jarum manometer disebut tekanan pengukuran/manometer (psig). 27. Sebagai standar tekanan manometer, tekanan atmosphere pada permukaan air laut diambil sebagai 0, dengan satuan psig. Jadi pada permukaan air laut, tekanan atmosphere 14,696 psi = 0 psig tekanan manometer. 28. Tekanan absolute (psia) adalah tekanan yang sesungguhnya, yaitu jumlah tekanan manometer dan tekanan atmosphere pada setiap saat. 29. Titik 0 pada tekanan absolute adalah vakum 100% atau tidak ada tekanan sama sekali = 0 psia. Tekanan 1 atmosphere pada tekanan absolute adalah 14, 696 psia. Tekanan absolute (psia) = Tekanan manometer (psig) + Tekanan atmosphere (psi).
15
Ujian Tengah
Kinerja Sistem Refrigerasi
Pada suatu sistem refrigerasi, besarnya kalor yang diambil oleh refrigeran pada evaporator dari lingkungannya akan sebanding dengan selisih entalpi antara keluaran dan masukan evaporator, ini dikenal dengan sebutan efek refrigerasi, qE atau qE = h1 – h4 dimana: qE = Efek refrigerasi, (kJ/kg) atau (Btu/lb) h2 = Entalpi refrigeran keluaran evaporator, (kJ/kg) atau (Btu/lb) h1 = Entalpi refrigeran masukan evaporator, (kJ/kg) atau (Btu/lb) Pada proses kompresi, entalpi refrigeran akan mengalami kenaikan akibat energi yang ditambahkan olehkompresor kepada refrigeran. Besarnya kenaikan energi refrigeran akan sebanding dengan kerja kompresor yang dinyatakan dengan: W = q2 - q1 di mana: W = Kerja kompresor, (kJ / kg) atau (Btu/lb) q2 = Entalpi refrigeran keluaran kompresor, (kJ/kg) atau (Btu/lb) q1 = Entalpi refrigeran masukan kompresor, (kJ/kg) atau (Btu/lb) Perbandingan antara besarnya kalor dari lingkungan yang dapat diambil oleh evaporator dengan kerja kompresor yang harus diberikan disebut sebagai koefisien kinerja (coeffisient of performance, COP). COP = qE/W Atau, COP =(q1-q4)/(q2-q1) Dengan rumus di atas, maka besar COP selalu lebih besar dari satu. Pembuangan kalor (heat rejection) pada kondenser sebanding dengan panjang garis proses pada kondenser, yakni garis mendatar bagian atas pada plot siklus pada diagram tekanan entalpi. Pembuangan kalor pada kondenser dinyatakan dengan: qC = q2 – q3 Karena q2 – q3 = (q2 – q1) + (q1 – q4)
16
Ujian Tengah
Maka: qC = W + qC Atau dengan kata lain Pembuangan panas kondenser adalah penjumlahan kerja kompresor ditambah efek refrigerasi.
17
Ujian Tengah
