Laporan Praktikum Mesin PendinginKelompok 0853
BAB IPENDAHULUAN
1.1 Latar BelakangMesin pendingin merupakan suatu bagian dari
penerapan ilmu-ilmu termodinamika yang digunakan dalam berbagai
bidang. Tidak hanya dalam kehidupan sehari-hari tetapi juga dalam
berbagai industri, seperti refrigerator (kulkas), pendingin air
ataupun pendingin udara dalam mobil.Bagi seorang mahasiswa teknik
Mesin sangat perlu untuk mempelajari masalah yang berkenaan dengan
mesin pendingin khususnya mengenai prinsip kerja mesin pendingin,
macam macam mesin pendingin, beban pendinginan, kapasitas
pendinginan dan menghitung Coeficient of Performance (COP) mesin
pendingin.Untuk membantu mahasiswa mempelajari sistem pendingin dan
pengondisian udara, maka buku panduan ini disusun sebagai pedoman
bagi mahasiswa untuk melakukan praktikum mesin pendingin (Air
Conditioning Test Bench) pada laboratorium Mesin Pendingin. Dengan
pelaksanaa praktikum akan dapat memahami aplikasi ilmu yang telah
dipelajari diperkuliahan.1.2 Rumusan MasalahPada laporan ini
rumusan masalah yang akan dibahas adalah :a Berapa besar kapasitas
mesin pendingin, kapasitas kondensor, beban evaporator, daya
kompresor dan Coeficient of Performance (COP).b Berapa besar losses
yang terjadi selama proses percobaan. Seperti faktor lingkungan
sekitar, faktor mesin, dll.1.3 Batasan MasalahPengambilan dan
perhitungan data praktikum dilakukan pada peralatan AC Bench dimana
pengaruh konduksi, konveksi dan radiasi udara diabaikan. Mesin
pendingin ini diasumsikan berjalan normal dan aliran diasumsikan
steady.
1.4 Maksud dan Tujuan Praktikuma. Dari Air Flow Duct, dengan
prinsipprinsip psychrometri dan keseimbangan energi dapat
ditentukan :1. Perubahan sifatsifat udara sepanjang duct dalarn
diagram psychrometri2. Coeficient of Performance (COP) total dari
seluruh instalasi mesin pendingin.3. Energi yang hilang dari setiap
potongan duct.4. Efisiensi ketel sebagai komponen pelengkap
instalasi P.A. HILTON.b. Dari siklus refrigerant didapat:1. Siklus
refrigerasi R22 yang aktual.2. Kapasitas pendinginan (refrigerating
capacity).3. COP berdasarkan siklus refrigerant.
1.5 Manfaat PraktikumDengan melaksanakan praktikum mesin
pendingin ini, akan dapat memahami dan mengenal proses serta
siklus-siklus termodinamika yang terjadi dan dapat mengetahui
komponen yang terlibat di dalamnya sehingga praktikan dapat
mengetahui pengaruh-pengaruhnya dalam unjuk kerja mesin.
BAB IIDASAR TEORI
2.1 Definisi Mesin PendinginMesin pendingin adalah mesin
konversi energi yang dipakai untuk memindahkan kalor dari reservoir
panas bertemperatur tinggi menuju reservoir panas bertemperatur
lebih tinggi dengan menambahkan kerja kalor dari luar
2.2 Mesin Pendingin2.2.1 Sejarah Mesin PendinginPerkembangan
siklus refrigerant dan mesin pendingin merintis jalan bagi
pertambahan dan penggunaan mesin penyegar udara (air conditioning).
Teknologi ini dimulai oleh Cagnicered De La Tour (1832) kemudian
dilanjutkan oleh Hurprey Day dan asistennya M.Faraday (1824) lalu
Josep M.C.Credy (1887) yang pertama membuat instalasi mesin
pendingin yang dinamakan mesin pencuci udara (air washer) yaitu
sistem pendingin yang menggunakan gerakan air, sedangkan Willis
Houlan Carrier (1906) membuat alat pengukur temperatur dengan
kelembapan udara yang kemudian dipatenkan pada tahun 1911.Pada
peralihan abad 19 20, kompresor digerakkan oleh uap dengan
kecepatan maksimal serpid. Industri refrigerasi di tahun 1990
kental diwarnai peralihan dari konsumsi es alami ke es buatan dan
persaingan antara kedua produk tersebut sekitar 15 tahun.Air
conditioning dngan kapasitas 450 ton untuk pertama kalinya dipasang
di New York Exchange dan sistem yang sama pada waktu yang hampir
sama dipasang di sebuah gedung teater di Jerman. Tahun 1905 Garder
T Forness mempatenkan kompresor temuannya dimana gas refrigerant
dari 2 buah evaporator dengan tekanan berbeda bisa ditarik dan
ditekan dalam satu silinder tunggal. Menariknya, penemuan itu baru
dikembangkan 40 tahun kemudian. Memasuki tahun 1911 kecepatan
kompresor meningkat menjadi 100-300 rpm dan pada tahun 1915 untuk
pertama kalinya kompresor dua tingkat dioperasikan. Sistem ini
masih belum bisa sempurna dan dipakai pada tahun 1940. Setelah
perang dunia pertama biro standar Amerika membuat rumusan yang
akurat untuk panas laten es sehingga sistem perancangan jet mulai
digunakan pada industri minyak.
2.2.2 Macam Mesin Pendingina. Mesin pendingin dengan siklus
kompresi uapMesin ini menggunakan kompresor untuk menaikkan tekanan
uap zat pendingin dari evaporator kemudian mendorongnya ke dalam
kondensor agar mudah diembunkan. Siklus pada mesin ini hampir
menggunakan kebalikan dari siklus rankine, perbandingannya adalah
siklus ini menggunakan klep yang menghasilkan penurunan tekanan
secara isoenthalpy.
Gambar 2.1 Sistem pendinginan kompresi uapSumber : Stoecker
(1996:187)
b. Mesin pendingin dengan siklus pendinginan absorbsiMesin
pendingin ini menggunakan dua jenis refrigerant yaitu refrigerant
primer sebagai zat pendingin danrefrigerant sekunder sebagai zat
pengikat kalor / yang membawa refrigerant primer sampai di
generator. Untuk siklusnya bisa dilihat pada gambar 2.2.Siklusnya
dimulai dari evaporator yang menyerap panas dari sistem dan
ditangkap oleh refrigerant primer berbentuk uap bertekanan rendah.
Selanjutnya refrigerant primer diserap ke absorber yang di dalamnya
sudah ada refrigerant sekunder yang memiliki viskositas lebih, ini
bertujuan untuk mengikat refrigerant primer yang berfase uap agar
dapat dialirkan oleh pompa ke generator. Pada generator
menghasilkan energi untuk menghidupkan komponen pemanas (seperti
heater) agar menghasilkan panas yang digunakan untuk melepas
refrigerant primer dengan refrigerant sekunder. Refrigerant primer
dapat terlepas dari refrigerant sekunder karena sifat dari
refrigerant primer yang mudah menguap, selanjutnya refrigerant
primer melanjutkan siklusnya ke kondensor melepaskan kalornya ke
lingkungan. Selepas dari kondensor fase cair dari refrigerant
melewati katup ekspansi, disini refrigerant diturunkan tekanan dan
temperaturnya hingga mencapai temperatur dan tekanan evaporasi
dengan cara dikabutkan.Sedangkan pada refrigerant sekunder yang
memiliki viskositas yang lebih dibanding refrigerant primer setelah
dari generator turun bersikulasi ke katup trotel yang kemudian
kembali ke absorber.Pada absorber refrigerant sekunder masih
memiliki temperatur yang tinggi. Di dalam absorber terdapat proses
pelepasan kalor yang berfungsi untuk menyerap uap refrigerant
primer yang keluar dari evaporator karena adanya perbedaan tekanan
yang mana di absorber lebih rendah dari tekanan evaporator.
Gambar 2.2 Sistem Pendinginan AbsorbsiSumber : Stoecker
(1996:309)
2.2.3 Fungsi Mesin PendinginFungsi utama mesin pendingin adalah
menyerap kalor dari sistem bertemperatur rendah ke lingkungan
bertemperatur tinggi guna mencapai efek pendinginan.
Fungsinya dibagi menjadi :1. Air Conditioner (AC)AC digunakan
untuk mempertahankan kelembaban relatif di dalam suatu ruangan
sehingga diperoleh kenyamanan. Mesin ini banyak digunakan di
kantor, kendaraan, dan lain-lain.
Gambar 2.3 Air Conditioner (AC)Sumber : Anonymous 1 (2015)
2. FreezerBerfungsi untuk mendapatkan temperatur yang sangat
rendah dan biasanya mencapai 0oC (32oF). Digunakan pada pembuatan
es, pengawetan daging, dan lain-lain.
Gambar 2.4 FreezerSumber : Anonymous 2 (2015)
3. Cold StorageBerfungsi untuk menstabilkan temperatur nisbi
sehingga sering digunakan untuk menyimpan alat-alat kedokteran.
Gambar 2.5 Cold StorageSumber : Anonymous 3 (2015)
2.2.4 Bagian Utama Mesin Pendingin Kompresi Uap1. Kompresor
Fungsi Kompresor : berfungsi menekan refrigeran hingga terjadi
kenaikan tekanan di kondensor dan berfungsi mensirkulasikan
refrigeran dalam system Jenis Kompresor berdasarkan cara kerja
kompresi :a. Kompresor torak (Reciprocating)Kompresor torak atau
kompresor piston adalah kompresor positive-displacement
(perpindahannya positif) kompresor ini menggunakan piston yang
digerakkan oleh crankshaft untuk menyalurkan gas dengan tekanan
tinggi
Gambar 2.6 Kompresor TorakSumber : Anonymous 4 (2015)
b. Kompresor putar (Rotary)Kompresor putar adalah kompresor
dengan memanfaatkan perpindahan rotor yang ditumpangkan di atas
poros yang berputar yang memiliki efisiensi adiabatis 80-85%
Gambar 2.7 Kompresor PutarSumber : Anonymous 5 (2015)
c. Kompresor heliks atau sekrup (helix or screw)Kompresor jenis
ini digunakan sebagai pengganti dari kompresor torak, karena lebih
mampu menyuplai udara dengan volume lebih besar. Cara kerja
kompresor ini adalah dengan menggunakan dua penggerak berupa sekrup
berbentuk heliks atau rotor yang memiliki kerapatan sangat tinggi
sehingga ketika keduanya berputar udara akan mengalir dan terisap
lalu mengalami kompresi sebelum dilepas
Gambar 2.8 Kompresor HeliksSumber : Anonymous 6 (2015)
d. Kompresor skrol (Scroll)Kompresor skrol adalah kompresor yang
memiliki dua spiral dimana satu bagian spiral diam dan spiral yang
lainnya bergerak untuk mengkompresi udara di sepanjang spiral.
Pergerakan yang terjadi membuat udara termampatkan sehingga
tekanannya meningkat
Gambar 2.9 Kompresor SkrolSumber : Anonymous 7 (2015)
e. Kompresor Sentrifugal (centrifugal)Kompresor sentrifugal
termasuk dalam kompresor dinamik. Pada pengertian yang ideal,
kompresor dinamik mencapai suatu kenaikan tekanan dengan penambahan
energi kinetik/percepatan untuk aliran kontinu yang melewati rotor
atau impeller. Energi kinetik ini kemudian dikonversi untuk
pengingkatan tekanan statis dengan memperlambat aliran yang melalui
diffuser
Gambar 2.10 Kompresor SentrifugalSumber : Anonymous 8 (2015)
2. Evaporator Fungsi Evaporator : Tempat perpindahan kalor
antara refrigeran dan ruang atau bahan yang akan didinginkan dan
refrigeran akan mengalami perubahan fasa dari cair menjadi uap.
Jenis evaporator berdasarkan konstruksinyaa. Evaporator Tabung dan
CoilPada evaporator tabung dan koil terdapat koil pipa tunggal atau
ganda didalam sebuah silinder. Refrigeran mengalir didalam koil
pipa untuk mendinginkan air atau larutan garam yang berada di
bagian luar koil. Evaporator tabung dan koil dapat dibuat dengan
mudah. Sebab tidak memerlukan pelat pipa untuk memasang ujung dan
pangkal pipa, seperti yang terdapat pada kondensor tabung dan
pipa.
Gambar 2.11 Evaporator Tabung dan CoilSumber : Stoecker
(1996)
b. Evaporator Tabung dan Pipa Jenis Ekspansi KeringEvaporator
tabung dan pipa jenis expansi kering menggunakan banyak pipa yang
dipasang di dalam tabung. Refrigeran mengalir di dalam pipa,
sedangkan cairan yang hendak didinginkan mengalir melalui bagian
luar pipa refrigeran, yaitu di dalam tabung, seperti terlihat pada
gambar di bawah ini.
Gambar 2.12 Tabung dan Pipa Jenis Ekspansi KeringSumber :
Stoecker (1996)
c. Evaporator Kecil Dengan Pendingin UdaraKoil dengan
pendinginan udara, seperti yang dipakai untuk mendinginkan udara
pada penyegar udara, terdiri dari koil pipa bersirip pada bagian
luarnya. Ada dua macam koil dengan pendingin udara, yaitu jenis
expansi langsung dan expansi tak langsung.Pada jenis expansi
langsung, refrigeran diuapkan secara langsung di dalam pipa
evaporator; sedangkan pada jenis expansi tak langsung udara
didinginkan oleh refrigeran sekonder seperti air atau larutan garam
ysng mengalir melalui pipa tersebut. Sirip-sirip yang dipasang pada
bagian luar pipa digunakan untuk memperbesar luas bidang
perpindahan kalor yang berhubungan dengan udara, karena
konduktivitas termalnya kecil.
Gambar 2.13 Evaporator Kecil Dengan Pendingin UdaraSumber :
Stoecker (1996)
3. Katup Ekspansi Fungsi Katup Ekspansi : Menurunkan dan Menjaga
beda tekanan refrigerant cair antara sisi tekanan tinggi dan sisi
tekanan rendah dengan cara dikabutkan, sehingga terjaga tekanan
yang diinginkan Jenis katup ekspansi, yaitu :a. Katup Ekspansi
Otomatik Termostatik Jenis PengamanKatup ekspansi yang peka
terhadap perubahan beban, antara lain adalah katup ekspansi
otomatik termostatik yang mejaga kondisi suhu agar tidak mengalami
perubahan yang ekstrim
Gambar 2.14 Katup Ekspansi TermostatikSumber : Stoecker
(1996:215)
b. Katup Ekspansi ManualKatup Ekspansi Manual adalah katup
expansi dengan trotel yang diatur secara manual, yaitu menggunakan
katup jarum yang berbeda dari katup stop yang biasa.
Gambar 2.15 Katup Ekspansi ManualSumber : Stoecker (1996)
c. Katup Ekspansi Tekanan KonstanKatup expansi tekanan konstan
adalah Katup expansi tekanan konstan adalah katup expansi, dimana
katup digerakkan oleh tekanan di dalam evaporator, untuk
mepertahankan supaya tekanan di dalam evaporator konstan.
Gambar 2.16 Katup Ekspansi Tekanan KonstanSumber : Stoecker
(1996)
4. Kondensor Fungsi Kondensor : Melepaskan kalor dari
refrigeran, sehingga refrigeran berubah fasa dari uap menjadi cair.
Kalor dilepas di kondensor berasal dari kalor yang diserap di
evaporator dan kalor akibat kerja kompresi. Jenis Kondensor :a.
Kondensor tabung dan pipa horizontalKondensor tabung pipa banyak
dipergunakan pada unit kondensor berukuran kecil sampai besar. Unit
pendingin dan penyegar udara paket baik untuk amonia maupun freon.
Didalam kondensor tabung dan pipa terdapat banyak pipa pendingin,
dimana air pendingin mengalir didalam pipa-pipa tersebut. Ujung dan
pangkal pipa pendingin terikat pada pelat pipa, sedangkan diantara
pelat pipa dan tutup tabung dipasang sekat-sekat, untuk membagi
aliran air yang melewati pipa-pipa tersebut tetapi juga mengatur
agar kecepatannya cukup tinggi.
Gambar 2.17 Kondensor Tabung dan pipa HorizontalSumber :
Stoecker (1996)
b. Kondensor tabung dan pipa coilKondensor dan koil banyak
dipergunakan pada unit dengan freon sebagai refrigeran berkapasitas
relatif kecil. Pada kondensor tabung dan koil, air mengalir didalam
koil dan pipa pendingin.
Gambar 2.18 Kondensor Tabung dan Pipa CoilSumber : Stoecker
(1996)
c. Kondensor jenis pipa gandaKondensor jenis pipa ganda
merupakan susunan dari dua pipa aksial, dimana refrigeran mengalir
melalui saluran yang terbentuk antara pipa dalam dan pipa luar,
dari atas dan bawah. Sedangkan air pendingin mengalir didalam pipa
dalam arah berlawanan dengan arah aliran refrigeran.
Gambar 2.19 Kondensor jenis pipa gandaSumber : Stoecker
(1996)
d. Kondensor Pendingin Udara Koil Bersirip Pelat Kondensor
pendingin udara terdiri dari koil pipa pendingin bersirip pelat.
Udara mengalir dengan arah tegak lurus terhadap bidang pendingin.
Gas refrigeran yang bertemperatur tinggi masuk ke bagian atas koil
dan secara berangsur-angsur mencair dalam alirannya kedalam bagian
bawah koil.
Gambar 2.20 Kondensor Pendingin Udara Koil Bersirip PelatSumber
: Stoecker (1996)
2.2.5 Siklus Mesin PendinginSiklus thermodinamika mesin
pendingin yang ideal adalah siklus mesin carnot terbalik, tetapi
siklus ini sulit untuk dicapai karena siklus carnot terdapat atau
terdiri dari proses-proses reversibel yang menjadikan efisiensinya
lebih tinggi dari pada yang dapat dicapai oleh siklus secara
aktual. Siklus refrigerasi carnot dapat dilihat pada gambar 2.3.
Dan refrigerasi bermanfaat dan kerja bersih siklus carnot dapat
dilihat pada gambar 2.4.
Gambar 2.21 Siklus Refrigerasi CarnotSumber : Stoecker
(1996:215)
Keterangan :1 2: Proses kompresi adiabatis reversibel2 3: Proses
pelepasan panas pada suhu dan tekanan konstan3 4: Proses isentropik
ekspansi secara isentropik4 1: Proses pemasukan panas pada suhu dan
tekanan konstan
Gambar 2.22 Refrigerasi Bermanfaat dan Kerja Bersih Siklus
CarnotSumber : Stoecker (1996:255)
Daerah yang ada di bawah garis reversibel pada diagram
suhu-enthropi menyatakan perpindahan kalor. Daerah-daerah yang
digambarkan dalam gambar 2.4 dapat menyatakan jumlah refrigerasi
bermanfaat (useful refrigeration) dan kerja bersih (net work).
Refrigerasi bermanfaat sama dengan perpindahan kalor pada proses 4
1 atau daerah di bawah garis 4 1. Daerah di bawah garis 2 3
menyatakan kalor yang dikeluarkan dari daur, perbedaan antara kalor
yang dikeluarkan dari daur dan kalor yang ditambahkan ke dalam daur
adalah kalor bersih (net heat).Siklus carnot bias diperbaiki atau
ditingkatkan prestasi kerjanya yaitu dengan cara memberikan
tambahan kerja agar tercapai kompresi kering, hal ini dilakukan
dengan memberikan super heating yaitu pemanasan lanjut sebelum
refrigerant memasuki kompresor. Hal ini akan mengakibatkan kinerja
kompresor menjadi lebih ringan sehingga lifetime komponen kompresor
menjadi lebih panjang. Skema perbaikan daur refrigerasi carnot
dapat dilihat pada gambar 2.5.
Gambar 2.23 Perbaikan Daur Refrigerasi CarnotSumber : Stoecker
(1996:115)
Selain hal di atas, secara aktual diagram T-S secara aktual pada
siklus 3 -4 tidak ideal terjadi secara isentropis, nyatanya pada
sikuls 3 4 pada katup ekspansi setelah adanya proses pelepasan
kalor pada kondensor, katup ekspansi menurunkan lagi temperatur
refrigerant cair secara mendadak hal ini mengakibatkan adanya
proses secara konduksi maupun konveksi yang meliputi pipa katup
ekspansi sehingga siklus ideal 3 4 secara isentropis, secara
aktualnya akan bergeser dan tidak terjadi secara isentropis lagi.
Skema daur kompresi uap standar dapat dilihat pada gambar 2.6 dan
2.7.
Gambar 2.24 Daur Kompresi Uap Standar (T-s)Sumber : Stoecker
(1996:115)Keterangan :1 2: Proses Kompresi uap refrigerant2 3:
Proses merubah uap refrigerant menjadi cair3 4: Proses penurunan
tekanan4 1: Proses pengambilan kalor oleh uap refrigerant
Gambar 2.25 Daur Kompresi Uap Standar (P-h)Sumber : Stoecker
(1996:116)
Keterangan :1 2: Proses kompresi adiabatik reversibel di
kompresor2 3: Proses pelepasan panas pada tekanan konstan3 4:
Proses ekspansi pada ekspantion valve secara isoentalphi4 1: Proses
penyerapan panas secara isobaris dan penguapan refrigerant
Siklus dimulai dari titik 4 1 dimana kalor dari sistem diserap
oleh refrigerant yang ada pada evaporator. Refrigerant lalu berubah
wujud menjadi fase uap kering lalu dialirkan ke kompresor. Di
kompresor terjadi proses kompresi pada refrigerant untuk
meningkatkan tekanan refrigerant sehingga refrigerant bias mencapai
tekanan dan temperature kondensasi, selanjutnya dialikan ke
kondensor. Prinsip kerja utama dari kondensor adalah melepas kalor
refrigerant, hal ini dilakukan dengan cara mendinginkan refrigerant
hingga berubah wujud mencajid cair, kalor yang dilepas oleh
refrigerant dibuang ke lingkungan.Setelah melewati kondensor
refrigerant yang telah berbentuk cair dialirkan ke katup ekspansi,
di katup ekspansi terjadi proses penurunan tekanan refrigerant
dengan cara dikabutkan. Proses ini bertujuan untuk mendapatkan
refrigerant yang berwujud uap jenuh sebelum memasuki evaporator
untuk menjalani siklus kembali.Tabel 2.1 Proses Terjadinya Siklus
RefrigerasiProsesAlatPTShEfekPerubahan Fase
QW
1-2 (KompresiIsentropik)Kompresorc-h2-h1UJK UPL
2-3 (Pembuangan Kalor Isobarik)Kondensorch2-h3-UPL cair
3-4 (EkspansiIsoentalpi)Katup Ekspansic--Cair UP
4-1 (Penyerapan Kalor)EvaporatorcCh1-h4-UJ UJK
Sumber : Modul Panduan Praktikum Mesin Pendingin 2014/2015Pada
komponen-komponen mesin pendingin terjadi perubahan-perubahan,
yaitu:1. Pada kompresor (1 2) Entalphi, tekanan, dan termperatur
naik Entrophi konstan Perubahan fase dari uap kering ke uap panas
lanjut butuh kerja dari luar2. Pada kondensor (2 3) Entalphi dan
temperatur turun Tekanan konstan Perubahan fase dari uap panas
lanjut ke fase cair Terjadi pelepasan kalor3. Pada expantion valve
(3 4) Entalphi konstan Tekanan dan temperatur turun Entrophi naik
Perubahan fase dari cair ke uap jenuh4. Pada evaporator (4 1)
Tekanan dan temperatur konstan Entalphi dan entrophi naik Perubahan
fase dari uap jenuh menjadi uap kering
Gambar 2.26 Gambar Daur Kompresi Uap Nyata dibanding Daur
StandarSumber : Stoecker (1996:117)
Pada siklus aktualnya yang ditunjukkan pada gambar 2.8, terjadi
modifikasi pada siklus ideal siklus kompresi uap antara lain :
Sub-Cooling, kondisi dimana refrigerant cair lebih dingin dari suhu
minimum idealnya, sub-cooling bertujuan memaksimalkan preubahan
fase embun ke cair pada kondensor agar kerja kondensor menjadi
lebih ringan. Sub-cooling bermanfaat karena kerja kondensor lebih
ringan. Sub-cooling dapat dilakukan dengan penambahan coil ganda
pada pipa kondensor yang berisi air pendingin sehingga didapat efek
sub-cooling. Super Heating, tujuan super heating memaksimalkan
penguapan agar fase refrigerasi seluruhnya berfase uap ketika
memasuki kompresor. Super heating merupakan hal yang positif pada
siklus kompresi uap karena meringankan kerja kompresor. Super
heating dilakukan dengan cara menambahkan heater pada pipa dari
evaporator ke kompresor. Pressure Drop, terjadi karena uap
refrigerant memasuki penampang yang berubah-ubah pada pipa sehingga
menimbulkan losses akibat gesekan fluida dengan dinding pipa,
belokan dan kebocoran pada saluran sehingga proses tidak
isobarik.2.2.6 AC CentralAC Central adalah Sistem pendinginan
ruangan yang dikontrol dari satu titik atau tempat dan
didistribusikan secara terpusat ke seluruh isi gedung dengan
kapasitas yang sesuai dengan ukuran ruangan dan isinya dengan
menggunakan saluran udara/ducting ac. Skema AC central dapat
dilihat pada gambar 2.9
Gambar 2.27 Skema Instalasi AC CentralSumber : Modul Praktikum
Mesin Pendingin 2014/2015
Secara garis besar sistem AC central terbagi atas beberapa
komponen, yaitu :1.ChillerPada unit pendingin atau chiller yang
menggunakan sistem kompresi uap, komponennya terdiri dari
kompresor, kondensor, alat ekspansi, dan evaporator. Pada chiller
biasanya tipe kondensornya adalah water-cooled kondensor. Air untuk
mendinginkan kondensor dialirkan melalui pipa yang kemudian
outputnya didinginkan kembali secara evaporative cooling pada
cooling tower.Pada komponen evaporator, jika sistemnya indirect
cooling maka fluida yang didinginkan tidak langsung udara melainkan
air yang dialirkan melalui sistem pemipaan. Air yang mengalami
pendinginan pada evaporator dialirkan menuju sistem penanganan
udara (AHU) menuju koil pendingin.2.AHU (Air Handling Unit)Prinsip
kerja secara sederhana pada unit penanganan udara ini adalah
menyedot udara dari ruangan (return air) yang kemudian dicampur
dengan udara segar dari lingkungan (fresh air) dengan komposisi
yang bisa diubah-ubah sesuai keinginan. Campuran udara tersebut
masuk menuju AHU melewati filter, fan sentrifugal dan koil
pendingin. Setelah itu udara yang telah mengalami penurunan
temperatur didistribusikan secara merata ke setiap ruangan melewati
saluran udara (ducting) yang telah dirancang terlebih dahulu
sehingga lokasi yang jauh sekalipun bisa terjangkau.AHU memiliki
beberapa komponen yang ada di dalamnya antara lain :a.
FilterPenyaring udara dari kotoran, debu, atau partikel-patikel
lainnya sehingga diharapkan udara yang dihasilkan lebih bersih.b.
Centrifugal FanBerfungsi untuk mendistribusikan udara melewati
ducting menuju ruangan-ruangan.c. Koil PendinginBerfungsi untuk
menurunkan temperatur udara.Beberapa kelemahan dari sistem ini
adalah jika satu komponen mengalami kerusakan dan sistem AC central
tidak bekerja, maka semua ruangan tidak akan merasakan udara sejuk.
Selain itu jika temperatur udara terlalu rendah atau dingin maka
pengaturannya harus pada termostat di koil pendingin pada komponen
AHU.3.Cooling TowerFungsi utamanya untuk mendinginkan air panas
dari kondensor dengan cara dikontakkan langsung dengan udara secara
konveksi paksa menggunakan fan/kipas. Konstruksi cooling water
terdiri dari sistem pemipaan dengan banyak nozzle, fan/blower, bak
penampung dan casing.Proses yang terjadi pada chiller atau unit
pendingin untuk sistem AC central dengan sistem kompresi uap
terdiri dari proses kompresi, kondensasi, ekspansi, dan evaporasi.
Proses ini terjadi dalam satu siklus tertutup yang menggunakan
fluida kerja berupa refrigerant yang mengalir dalam sistem pemipaan
yang terhubung dari satu komponen ke komponen lainnya. Kondensor
pada chiller biasanya berbentuk water-cooled condenser yang
menggunakan air untuk proses pendinginan refrigerant. Secara umum
bentuk konstruksinya berupa shell & tube dimana air memasuki
shell/tabung dan uap refrigerantsuperheat mengalir dalam pipa yang
berada di dalam tabung sehingga terjadi proses pertukaran kalor.
Uap refrigerantsuperheat berubah fase menjadi cair yang memiliki
tekanan tinggi mengalir menuju alat ekspansi, sementara air yang
keluar memiliki temperatur yang lebih tinggi karena air ini akan
digunakan lagi untuk proses pendinginan kondensor maka tentu saja
temperaturnya harus diturunkan kembali atau didinginkan pada
cooling tower.Langkah pertama adalah memompa air panas tersebut
menuju cooling water/cooling tower melalui sistem pemipaan yang
pada ujungnya memiliki banyak nozzle untuk tahap spraying atau
semburan. Air panas yang keluar dari nozzle secara langsung
sementara itu udara atmosfer dialirkan melalui atau berlawanan
dengan arah jatuhnya air panas karena pengaruh fan/blower yang
terpasang pada cooling tower. Untuk menguapkan 1 kg air diperlukan
kira-kira 600 kcl dengan mengeluarkan kalor laten dengan
mengungkapkan sebagian dari air maka sebagian besar air pendingin
dapat didinginkan, misalnya 1% dari air dapat diuapkan, air dapat
diturunkan temperaturnya sebanyak 6C dengan menara pendingin.Sistem
ini sangat efektif dalam proses pendinginan air karena suhu
kondensasinya sangat rendah mendekati suhu wet bulb udara. Air yang
sudah mengalami penurunan temperatur ditampung dalam bak untuk
kemudian dipompa kembali menuju kondensor yang berada di dalam
chiller. Pada cooling tower juga dipasang katup yang dihubungkan ke
sumber air terdekat untuk menambah kapasitas air pendingin jika
terjadi kehilangan air ketika proses evaporasi cooling
tersebut.Prestasi menara pendingin biasanya dinyatakan dalam range
dan approach dimana range adalah penurunan suhu air yang melewati
cooling tower dan approach adalah selisih antara suhu udara
wet-bulb dan suhu air yang keluar. Perpindahan kalor yang terjadi
pada cooling tower berlangsung dari air ke udara tak jenuh. Ada 2
penyebab terjadinya perpindahan kalor yaitu perbedaan suhu dan
perbedaan tekanan parsial antara air dan udara. Suhu pengembunan
yang rendah pada cooling tower membuat sistem ini lebih hemat
energi jika digunakan untuk sistem refrigerasi pada skala besar
seperti chiller. Salah satu kekurangannya adalah bahwa sistem ini
tidak praktis karena jarak yang jauh antara chiller dan cooling
tower sehingga memerlukan sistem pemipaan yang relatif panjang.
Selain itu juga biaya perawatan cooling tower cukup tinggi
dibandingkan sistem lainnya.
4.Pompa Sirkulasi Berfungsi untuk menaikkan tekanan dan
menyirkulasi udara/fluida ke tempat lain dalam sistem pemipaan.
5.Ducting/saluranMedia penghubung antara AHU dengan ruangan yang
dikondisikan udaranya, fungsi utama ducting adalah meneruskan udara
yang didinginkan oleh AHU untuk kemudian didistribusikan ke
masing-masing ruangan.Kelebihan dan kekurangan sistem AC
centralKelebihan-Kebisingan dan getaran mesin pendingin hampir
tidak mempengaruhi ruangan-Perbaikan dan pemeliharaan lebih
mudah-Seluruh beban pendingin semua ruangan dalam bangunan dapat
dilayani oleh suatu sistem (unit) saja-Kelembapan udara dapat
diaturKekurangan-Harga pembuatan awal dangat mahal-Biaya
operasional mahal-Unit central tidak dapat dipakai untuk rumah
sakit, karena dapat menyebarkan kuman/bakteri pasien dari suatu
ruangan ke ruangan lain-Jika salah satu komponen mengalami
kerusakan dan sistem ac central tidak dapa beroperasi-Jika
temperatur udara terlalu rendah atau dingin maka pengaturannya
harus pada termostat di koil pendingin pada komponen AHU
2.2.7 Beban PendinginanBeban pendinginan adalah jumlah panas
yang dipindahkan oleh sistem pengkondisian udara. Beban pendinginan
terdiri atas panas yang berasal dari ruangan dan tambahan panas.
Tambahan panas adalah jumlah panas setiap saat yang masuk kedalam
ruangan secara radiasi maupun dinding karena perbedaan
temperatur.Dasar perhitungan beban pendinginan dilakukan dengan dua
cara Perhitungan besar kalor puncak untuk menetapkan besarnya
instalasi Perhitungan beban kalor sesaat untuk mengetahui biaya
operasi untuk mengetahui karakteristik dinamik instalasi yang
bersangkutan Yang mempengaruhi beban pendinginan antara lain:1.
Internala. Produk (orang)Beban pendinginan yang diakibatkan adanya
sejumlah kalor yang dilepas dari produk (orang) yang berada didalam
ruang pendingin itu:q1 = m.h.ClfKeterangan :q1 = beban pendinginan
akibat kalor yang dilepas oleh produk didalam ruang pendingin
(I/s)m = banyaknya produk (orang) yang didinginkanh = laju kalor
yang dilepaskan oleh produk (wall)-benda ; h = F (jenis
benda)-orang ; h = F (aktivitas)Clf = factor beban pendinginan
(cooling load factor)b. PeralatanBeban pendinginan yang diakibatkan
adanya sejumlah kalor yang dilepas dari peralatan peralatan yang
berada diruang pendingin tersebut :qz = P x BF x CLFKeterangan:qz =
beban pendinginan akibat kalor yang dilepas oleh peralatan
peralatan didalamruang pendinginan (joule/detik) P= power /daya
(peralatan) (wall)BF= factor bullast (lampu Tu =1,25 ; lampu pijar
: 1,0CLF= factor beban pendinginan2. Eksternal a. VentilasiBeban
pendinginan yang diakibatkan adanya pertukaran udara luar ruangan
tetapi terkendali untuk memenuhi kebutuhan akan udara yang
dibutuhkan oleh tiap produk (orang) :
Keterangan :qb= beban pendinginan akibat pertukaran udara dengan
udara luar terkendali (suhu/detik)n= banyaknya produk (orang)
= kebutuhan udara tiap orang perdetik (kg/detik)h= kandungan
kalor (beda entalpi udara luar dan dalam)(joule/kg)CLF= factor
beban pendinginanb. InfiltrasiBeban pendinginan yang diakibatkan
adanya pertukaran udara pendinginan dengan udara luar tanpa kendali
:
Keterangan :qA= beban pendinginan akibat pertukaran udara dingin
udara luar tanpa kendali (joule/s)
= laju Infiltrasi (kg/h)h= beda entalpi udara luar dan dalam
(joule/kg)CLF= factor beban pendinginan
c. RadiasiBeban pendingian yang disebabkan adanya kalor yang
berasal dari luar ruangan berupa radiasi matahari (beban panas
matahari melalui permukaan tembus cahaya).
qb = . . AKeterangan :qb = beban pendinginan akibat pertukaran
udara dengan udara luar = bilangan Boltzman = emisitas permukaan A
= luas panas (m)T1 = temperatur Absolute luar (K)d. Perpindahan
PanasBeban pendinginan yang berasal karena perpindahan panas dari
lingkungan yang tidak diinginkanQs = U.A.T Keterangan :Qs= beban
pendinginan akibat perpindahan panas dari lingkungan yang tidak
diinginkan U = koefisien perpindahan panas total (joule/cmok)Y =
1/RT ; RT = R1 + Ra + Rs +RaA = luas panas (m) T = beda temperatur
(K)
2.2.8 RefrigerantRefrigerant adalah zat pendingin atau media
pembawa kalor yang mudah diubah bentuknya dari cair menjadi gas
atau atau sebaliknya dengan menyerap atau melepas kalor yang
digunakan dalam sirkulasi mesin pendingin.2.2.8.1 Macam macam
RefrigerantBerdasarkan penggunaan refrigerant dibagi menjadi 2
yaitu :a. Refrigerant PrimerRefrigerant yang digunakan pada sistem
kompresi uap (R-22, R-134).b. Refrigerant SekunderCairan-cairan
yang digunakan untuk membawa energi kalor bersuhu rendah dari suatu
lokasi ke lokasi lain.
Berdasarkan komponen penyusun:a. Senyawa HolocarbonMempunyai
satu atau lebih atom dari salah satu halogen (klorin, flourin,
bromin)
Tabel 2.2 Beberapa Refrigerant HolocarbonNomor RefrigerantNama
KimiaRumus Kimia
11TrikloromonofluorometanaCCl3F
12DiklorodifluorometanaCCl2F2
13TriklorotriplorometanaCClF3
22MonoklorodifluorometanaCHClF2
40Metil kloridaCH3Cl
113TriklorotrifluoroetanaCCl2FCClF2
114DiklorotetrafluoroetanaCClF2CClF2
Sumber : Stoecker (1992:279)
b. AnorganikMerupakan refrigerant terdahulu yang masih digunakan
pada saat ini, contoh : amonia (NH3), air (H2O), udara, CO2,
SO2.
Tabel 2.3 Beberapa Refrigerant AnorganikNomor RefrigerantNama
KimiaRumus Kimia
717AmoniaNH3
718AirH2O
729Udara
744KarbondioksidaCO2
764Sulfur dioksidaCO2
Sumber : Stoecker (1992:280)
c. HidrocarbonBanyak senyawa hidrocarbon yang digunakan sebagai
refrigerant, khususnya untuk dipakai pada industri perminyakan dan
petrokimia. Diantaranya adalah metana (CH4), propana (C3H8) dan
etana (C2H6).
Tabel 2.4 Refrigerant HidrokarbonNomor RefrigerantNama
KimiaRumus Kimia
50MetanaCH4
170EtanaC2H6
290PropanaC3H8
Sumber : Stoecker (1992:280)
d. AzeotropSuatu senyawa azeotrop dua substansi adalah campuran
yang dapat dipisahkan komponen-komponennya secara destilasi.
Azeotrop menguap dan mengembun sehingga suatu substansi tunggal
yang sifat-sifatnya berbeda dengan unsur pembentuknya. Misal :
refrigerant 502 yang merupakan campuran 48,8% R-22 dengan 51,2%
R-115.
2.2.8.2 Syarat syarat Refrigerant1. Tekanan penguapan harus
tinggiSebaiknya refrigerant memiliki temperatur penguapan pada
tekanan yang lebih tinggi, sehingga dapat dihindari kemungkinan
terjadinya vakum pada evaporator dan turunnya efisiensi volumetrik
karena naiknya perbandingan kompresi.2. Tekanan pengembunan yang
tidak terlampau tinggiApabila tekanan pengembunannya rendah, maka
perbandingan kompresinya menjadi lebih rendah sehingga penurunan
prestasi kompresor dapat dihindari. Mesin dapat bekerja lebih
aman.3. Kalor laten penguapan harus tinggiKarena menguntungkan
untuk kapasitas refrigerasi yang sama jumlah refrigerant
bersirkulasi menjadi lebih kecil.4. Volume spesifik (terutama dalam
fase gas)Memungkinkan penguapan kompresor dengan volume langkah
torak yang lebih kecil.5. Koefisien prestasi harus tinggi.6.
Konduktivitas termal yang tinggi.7. Viskositas yang rendah dalam
fase cair maupun gas8. Refrigerant harus stabil dan tidak bereaksi
pada material
2.2.9 Kelebihan dan Kekurangan Refrigerant Hydrocarbon dan
Holocarbona. Refrigerant HolocarbonKelebihan1. Kemudahan mengalir
yang tinggi keadaan cair2. Tidak menyebabkan ledakan3. Tidak
membawa aliran listrik4. Tekanan kondensasi dan suhu keluar yang
tinggi dalam mesin refrigerantKekurangan1. Dapat menyebabkan
kerusakan lapisan ozon dan pemanasan global2. Jenis refrigerasi
yang kurang aman untuk digunakan dalam proses refrigerant
b. Refrigerant hydrocarbonKelebihan1. Ramah lingkungan yang
ditunjukkan dengan nilai ozon depleting potensial2. Properti
termofisika dan karakteristik perpindahan yang baik3. Kerapatan
fase uap yang rendah4. Kelarutan yang baik5. Dapat menurunkan
konsumsi tenaga listrik 15 25%Kekurangan1. Sifatnya mudah
terbakar
2.2.10 Istilah - istilah Mesin Pendingin1. Panas LatenJumlah
panas yang diambil atau diberikan kepada suatu zat dimana akan
menyebabkan terjadinya perubahan fase/wujud dari zat yang
bersangkutan tanpa mengalami perubahan temperatur.2. Panas
SensibleJumlah panas yang diambil atau diberikan kepada suatu zat
dimana akan menyebabkan terjadinya perubahan temperatur tanpa
mengalami perubahan fase/wujud dari zat yang bersangkutan.3. Panas
SpesifikJumlah panas/kalor yang diperlukan setiap kilogram massa
zat untuk menaikkan temperaturnya sebesar satu derajat Celcius.4.
Wet Bulb TemperaturTemperatur udara yang tidak memperhitungkan
pengaruh radiasi, konduksi, dan konveksi. 5. Dry Bulb
TemperaturTemperatur udara yang memperhitungkan.pengaruh radiasi,
konduksi, dan konveksi.6. Kelembaban AbsolutPerbandingan antara
massa uap air dengan massa udara kering dalam suatu volume
campuran.7. Kelembaban RelatifPerbandingan antara tekanan parsial
uap air dalam suatu campuran tehadap tekanan jenuhnya pada
temperatur yang sama. 8. Refrigerant effectKemampuan suatu
refrigerant (zat pendingin) untuk menyerap panas/kalor agar berubah
fase/wujudnya berubah dari cair menjadi uap.9. EnthalpyJumlah kalor
yang dikandung oleh setiap kilogram zat pada tekanan dan temperatur
tertentu ditambah dengan kerja yang bekerja pada zat tersebut yang
merupakan perkalian antara tekanan yang bekerja pada zat tersebut
dengan volume spesifiknya.10. Coeficient of Performance
(COP)Perbandingan antara panas yang diserap oleh refrigerant (zat
pandingan) dengan kerja kompresor. 11. Beban PendinginanKalor yang
diambil tiap detik dari produk yang diinginkan (kJ/detik).
Manfaatnya untuk meramalkan kalor yang mampu diserap tiap detik
oleh instalasi mesin pendingin.12. Kapasitas PendinginanJumlah
kalor yang diserap oleh refrigerant dari benda atau fluida yang
hendak didinginkan. 13. Tor refrigerantLaju aliran kapasitas
refrigerant digunakan untuk menyerap panas yang ada di dalam sistem
tiap satuan waktu. Jadi tor refrigerant merupakan satuan daya dalam
British (Btu/jam).
2.2.11 Rumus - Rumus yang Digunakan1. Antara penampang C-D pada
Air Flow Duct
Gambar 2.28 Penampang C-DSumber : Modul Praktikum Mesin
Pendingin Mesin FT-UB (2014)
Keseimbangan Energimchc maha = -PH2 + HLC-D Kekekalan massa
aliran fluida:mc = ma m0 ; m0 = massa alirudara lewat oriface pada
ujung duct
Kalor sensibelPH2= mD . CP . TDengan : Z= tinggi skala pada
inclined manometer ( mmH2O )VD = volume spesifik udara pada
penampang di C-D, bisa dicari dari diagram psycometryhC= enthalpy
udara di penampang ChD = enthalpy udara di penampang DPH2 = Daya
reheaterHLC-D = kerugian energi pada daerah C-DCp = panas jenis
udara antara C-D Didapat :1. Dengan mengabaikan losses, panas jenis
Cp adalah :
Kalor hilang Antara C-D ; HL C-D dalam satuan kJ/s
2. Kondisi penampang B C
Gambar 2.29 Penampang B CSumber : Modul Praktikum Mesin
Pendingin Mesin FT-UB (2014)
Kesetimbangan energi:
Kekekalan massa
B - C = Con B = C+Con Didapat Beban pendinginan evaporator Qref,
sehingga dapat dihitung.
Losses of energyHLB-C dalam [kJ/s]Dimana : Wcomp= daya
sebenarnya kompresor, bisa dilihatdari spesifikasi peralatanatau
voltmeter dan amperemeterh1= enthalpyrefrigerant sesudah keluar
evaporatorh2= enthalpyrefrigerant sebelum keluarevaporatorhcon=
enthalpy air kondensasimcon= laju alir massa air kondensasimref=
laju alir massa refrigeranth1B-C= kerugian energi pada daerah B-ChB
& hC= enthalpy udara di B dan C dicari dari diagram
psycometry
3. Kondisi Pada penampang A-B
Gambar 2.30 Penampang A BSumber :Modul Praktikum Mesin Pendingin
Mesin FT-UB (2014)
a. Keseimbangan energi
A . hA + B . hB= Pm-s . hs + Pp+ HL A-Bb. Kekekalan massa
B = A + Sc. Didapat: Kerugian Energi (HL A-B) Dengan mengabaikan
losses yang dapat dihitung efisiensi Boiler :
Dimana: PM = daya motor penggerak blower yang besarnya sebanding
dengan posisi regavolt [%] dan spesifikasi motor penggeraknyams =
laju alir massa uap yang disuplai bolierHs = enthalpy uapPp = daya
pemanas preheaterPk = daya pemanas boliermA = laju alir massa udara
luar yang dihisap blowerH 1A-B = kerugian energi pada daerah A-B
Untuk COPaktual dapat dicari dengan persamaan :
Dimana :Q1 = Qref untuk COPaktual= mBhB (mChC +
mconhcon)Sedangkan COPideal dapat dicari dengan persamaan
Dimana harga h1,h2 dan h4 bisa dilihat pada diagram (P-h)
2.3Dasar Pengkodisian Udara2.3.1 PsikometriPsikometri merupakan
kajian tentang sifat-sifat campuran udara dan uap air. Psikometrik
mempunyai arti penting dalam pengkondisian udara atau penyegaran
udara karena atmosfer merupakan campuran antara udara dan uap air.
Psikometri digunakan untuk mengetahui sifat-sifat termodinamika
udara dan mengidentifikasi proses fisik yang terjadi di
lingkungan.
Gambar 2.31 PsikometriSumber : Cengel (2006:996)2.3.2Temperatur
Bola Basah (Wet Bulb) dan Temperatur Bola Kering (Dry
Bulb)a.Temperatur bola basahSensor pada termometer dibalut kain
basah untuk menghilangkan efek radiasi panas.b.Temperatur bola
keringTemperatur dapat dibaca dengan sensor kering dan terbuka
namun tidak tetap karena pengaruh radiasi panas, kecuali memperoleh
ventilasi cukup baik.
2.3.3Dew PointTemperatur dew point adalah temperatur dimana
embun mulai terbentuk. Artinya udara mulai berubah menjadi embun
setelah mengalami proses pendinginan pada tekanan
konstan.2.3.4Absolute Humidity dan Relative HumidityApabila
atmosfer tanpa kandungan uap air, maka campuran gas dikenakan
dengan udara kering (dry air). Apabila uap air ada dalam gas
tersebut dikenal dengan udara basah (wet air). Jumlah uap air ruang
kurang dari tekanan jenuh temperatur tertentu mengandung uap air
maka penguapan akan berlangsung terus sampai tekanannya menjadi
tekanan jenuh untuk temperatur tersebut. Relative humidity
digunakan untuk menyatakan perbandingan antara tekanan parsial uap
air suatu campuran terhadap tekanan jenuhnya pada temperatur yang
sama. 2.4Teknologi Pengkondisian Udara Terbaru Air-Conditioner
dengan Tenaga Surya, Terobosan Baru Pendinginan Hemat Energi
Isu tentang krisis energi dan pemanasan global sudah tidak asing
lagi bagi masyarakat dunia. Berbagai teknologi dan inovasi terus
dikembangkan dalam mencari solusinya. Di samping pencarian berbagai
sumber energi alternatif yang ramah lingkungan, penghematan energi
pun dilakukan untuk menekan laju konsumsi energi. Jadi solusi
krisis energi tidak hanya datang dari segi produksi energi
alternatif, namun dari segi konsumsinya.Konsumsi listrik yang
terbesar pada gedung adalah sistem pendinginan udaranya. Pendingin
udara/ air-conditioner (AC) konvensional mengkonsumsi energi
listrik yang relatif sangat besar. Hal ini tentunya menuntut daya
listrik yang besar. Pada umumnya listrik masih dihasilkan bahan
bakar fosil, sehingga penggunaan AC konvensional berdampak tidak
langsung pada emisi gas rumah kaca, sebagai penyebab peningkatan
efek pemanasan global. Selanjutnya, karena suhu lingkungan semakin
panas, semakin banyak industri, rumah tinggal, dan gedung yang
menggunakan AC, sehingga menyebabkan siklus perusakan lingkungan
dan krisis energi terus berlanjut. Namun, penghambatan penggunaan
AC adalah hal yang mustahil dilakukan. Karena itu, diperlukan
inovasi pendingin udara yang menggunakan sumber energi terbarukan,
serta ramah lingkungan, salah satunya adalah AC dengan tenaga
surya.Sistem refrigerasi dasarSebelumnya, akan dijelaskan terlebuh
dahulu mengenai sistem refrigerasi dasar. Mungkin sistem
refrigerasi merupakan hal yang tidak asing lagi bagi orang-orang
yang bergerak dalam bidang Fisika Teknik. Fluida yang mengalir
dalam siklus ini biasa disebut refrigeran. Refrigeran adalah fluida
kerja yang bersirkulasi dalam siklus refrigerasi. Refrigeran
merupakan komponen terpenting siklus refrigerasi karena menimbulkan
efek pendinginan dan pemanasan pada mesin refrigerasi. Refrigeran
menyerap panas dari satu lokasi dan membuangnya ke lokasi yang
lain, biasanya melalui mekanisme evaporasi dan kondensasi.Konsep
dasarnya adalah sebagai berikut:
Gambar 2.32 Siklus Pendinginan Teknologi TerbaruSumber :
Anonymous 9 (2015)Mula-mula kondenser menyebabkan fasa berubah dari
gas menjadi cair jenuh akibat adanya pelepasan kalor ke lingkungan.
Kemudian refrigeran masuk ke expansion valve, dan mengalami drop
tekanan, fasanya berubah menjadi campuran cair dan gas. Expansion
valve berfungsi untuk mengatur laju aliran. Lalu refrigeran masuk
ke evaporator dan mengalami perubahan fasa dari campuran menjadi
uap jenuh. Pada evaporator, terjadi perpindahan kalor dari objek
yang didinginkan ke evaporator. Setelah itu, refrigeran masuk ke
kompresor dan mengalami kenaikan tekanan. Kemudian masuk ke
kondenser dan siklus berulang. Pada penggunaan AC, umumnya input
energi untuk siklus ini berupa energi listrik yang digunakan untuk
menggerakkan kompresor mekanik.Sistem solar thermal cooling
(refrigerasi absorpsi)AC dengan tenaga surya menggunakan sistem
solar thermal cooling, yaitu pendinginan ruangan dengan menggunakan
panas matahari. Mungkin hal ini terdengar tidak wajar, bagaimana
mungkin mendinginkan ruangan dengan sumber energi panas itu
sendiri. Namun, dengan teknologi sistem solar thermal cooling, hal
ini sangat mungkin dilakukan.Bila dibandingkan dengan sistem
refrigerasi konvensional, pada prinsipnya tidak ada perbedaan
kecuali pada bagaimana fluida dapat dinaikkan titik didihnya
sehingga dapat mengembun (kondensasi) pada kondenser. Pada sistem
biasa yang menggunakan input listrik, titik didih ini dicapai
dengan menggunakan kompresi mekanik. Pada sistem pendingin yang
menggunakan energi matahari, titik didih ini dicapai dengan
kompresi thermal.Untuk menggantikan kompresor pada sistem
refrigerasi konvensional, digunakan tiga komponen di dalam siklus
absorpsi, yaitu absorber, pompa, dan generator. Absorber berfungsi
untuk menyerap uap refrigeran ke dalam absorben, sehingga keduanya
bercampur menjadi larutan. Fluida yang digunakan adalah air dengan
LiBr (Lithium Bromida). Air dan LiBr digunakan karena memenuhi
kriteria fluida kerja (campuran antara refrigeran dan absorben),
yaitu:1. Perbedaan titik didih antara refrigeran dan larutan pada
tekanan yang sama besar.2. Refrigeran memiliki panas penguapan yang
tinggi dan konsentrasi yang tinggi di dalam absorben untuk menekan
laju sirkulasi larutan diantara absorber dan generator per-satuan
kapasitas pendinginan.3. Memiliki sifat-sifat transport, seperti
viskositas, konduktivitas termal, dan koefisien difusi, yang baik
sehingga dapat menghasilkan perpindahan panas dan massa yang juga
baik.4. Baik refrigeran dan absorbennya bersifat non-korosif, ramah
lingkungan, dan murah.Kriteria lainnya stabil secara kimiawi, tidak
beracun, tidak mudah terbakar, dan tidak mudah meledak. Dalam
sistem solar thermal cooling, air berfungsi sebagai refrigeran,
sedangkan LiBr sebagai absorben.Pada sistem ini, fluida bersuhu dan
bertekanan rendah memasuki evaporator lalu menguap karena adanya
kalor dari lingkungan yang masuk ke evaporator. Lalu fluida berubah
fasa dari cair menjadi gas. Kemudian gas memasuki absorber yang
memiliki larutan yang rendah kadar airnya. Larutan ini menyerap
refrigeran dan bertambah kadar airnya. Karena reaksi di dalam
absorber adalah eksoterm (mengeluarkan panas), maka perlu dilakukan
proses pembuangan panas dari absorber. Tanpa dilakukannya proses
pembuangan panas, maka kelarutan uap refrigeran ke dalam absorben
akan rendah.Selanjutnya larutan dipompa ke generator. Daya pompa
yang diperlukan sangat kecil, sehingga dalam perhitungan COP siklus
absorpsi, daya ini biasanya diabaikan. Di generator, kalor disuplai
dengan energi panas matahari, sehingga refrigeran (titik didih
lebih rendah) menguap dan absorber (titik didih lebih rendah)
dialirkan ke absorber. Uap dengan tekanan tinggi masuk ke kondenser
lalu mengalami perubahan fasa menjadi cair, sehingga kalor dilepas
ke lingkungan. Cairan masuk ke expansion valve lalu mengalami drop
tekanan. Kemudian, masuk ke evaporator. Siklus terus berulang.Pada
proses ini, input energi panas matahari pada generator menggantikan
input energi listrik pada kompresor. Penyerapan panas terjadi pada
evaporator, sama dengan sistem konvensional dan pembuangan panas
terjadi pada absorber dan kondenser. Dengan menggunakan sistem ini,
energi listrik yang mahal dapat digantikan oleh panas matahari
menggunakan proses kompresi. Jika panas matahari sedang tidak
mencukupi dapat di-backup juga dengan pemanas
gas.KelebihanKesesuaian kronologis antara waktu supply (penyediaan
energi) dan pada waktu demand (permintaan energi) yang terjadi pada
saat yang bersamaanHari yang sangat panas umumnya membutuhkan
pendinginan yang besar, sehingga membutuhkan input energi matahari
yang besar pula. Demikian pula sebaliknya. Karena waktu supply dan
demand yang hampir bersamaan maka tidak dibutuhkan tangki
penyimpanan thermal yang terlalu besar untuk mengatasi pengaruh
musim. Jika area yang cukup luas untuk kolektor matahari dimiliki,
maka hal ini akan membawa keuntungan ekonomis. Oleh karena itu,
sistem ini cocok digunakan di Indonesia yang berada di daerah
tropis, dimana matahari sangat banyak bersinar terik tiap tahunnya.
Penggunaan LiBr tidak menggunakan refrigeran yang merusak lapisan
ozon dan menimbulkan pemanasan global.Pada periode 1930an 1980an,
refrigeran utama yang digunakan adalah CFCs yang mempunyai sifat
merusak ozon. Setelah keberadaan lubang ozon di lapisan atmosfer
diverifikasi secara saintifik, perjanjian internasional untuk
mengatur dan melarang penggunaan zat-zat perusak ozon disepakati
pada 1987 yang terkenal dengan sebutan Protokol Montreal. Setelah
periode CFCs, R22 (HCFC) merupakan refrigeran yang paling banyak
digunakan di dalam mesin refrigerasi dan pengkondisian udara. Saat
ini beberapa perusahaan pembuat mesin-mesin refrigerasi masih
menggunakan refrigeran R22 dalam produk-produk mereka. Padahal R22
juga bersifat merusak ozon. Sedangkan LiBr tidak merusak lingkungan
dan dapat dipakai pada sistem refrigerasi
absorpsi.KendalaDibutuhkan area kolektor yang cukup luas dan cuaca
yang tidak terduga. Namun hal ini bisa diatasi dengan berbagai
teknik. Salah satunya adalah dengan menggunakan kombinasi hybrid
dengan sistem sumber energi gas alam, ditambah dengan tangki
thermal storage dan sistem insulasi yang baik, jika diperhitungkan
resiko emisi, keuntungan ekonomis dan energi tetap secara umum
lebih baik jika dibandingkan dengan menggunakan sistem yang
berbasis listrik jaringan saja.
Produk dan perkembangan
Gambar 2.33 Produk Teknologi TerbaruSumber : Anonymous 10
(2015)
Sudah terdapat suatu produk yang menggunakan sistem ini, yaitu
GreenCore GC-10200. Kapasitas pendinginannya 10.200 BTU yang dapat
membuat ruangan berukuran 54 meter menjadi lebih dingin. Tentunya
produk ini ramah lingkungan sehingga tidak menambah efek pemanasan
rumah kaca. Namun, masih harus terus dilakukan perkembangan untuk
sistem AC ini ke depannya, khusunya untuk penggunaan skala
besar.
BAB IIIPELAKSANAAN PRAKTIKUM
3.1 1.1 1.2 3.1 Peralatan praktikuma. Alat yang digunakan :1.
Manometer.Digunakan untuk mengukur perbedaan tekanan
Gambar 3.1 ManometerSumber : Anonymous (2015)
2. Termometer.Digunakan untuk mengukur suhu
Gambar 3.2 TermometerSumber : Anonymous (2015)
3. Regavolt.Merupakan transformer daya yang berguna untuk
mengatur putaran motor
Gambar 3.3 RegavoltSumber : Anonymous (2015)
4. Load Control Panel.Berguna untuk mengatur beban
pendinginan
Gambar 3.4 Load Control PanelSumber : Anonymous (2015)
5. Gelas UkurDigunakan untuk mengukur air kondensat
Gambar 3.5 Gelas UkurSumber : Anonymous (2015)6. StopwatchUntuk
mencatat waktu tiap periode.
Gambar 3.6 StopwatchSumber : Anonymous (2015)
b. Fluida yang diuji :1. Laju alir massa udara pada Air Flow
Duct.2. Laju massa air kondensasi yang terbentuk.3. Uap air dari
Boiler untuk proses Humidifikasi.4. Refrigerant R-22 yang
bersirkulasi.
c. Produk 1. Udara dengan temperatur, kelembaban, dan kapasitas
tertentu.
3.2 Spesifikasi Peralatana. Tipe : A-573/91159 vapour
compression refrigeration unitsb. Produk : udara lewat air flow
ducts dengan parameter yang bervariasic. Refrigeran : Freon, R-22
d. Kompresor : Panasonic 2JS350D3BB02;1760 watt, 220watt, 50hz
Gambar 3.7 Instalasi Mesin Pendingin dan Pengkondisisn
UdaraSumber: Manual Book Mesin AC BENCH PA HILTON A572
3.3 Prosedur Pelaksanaan Percobaan Air Conditioninga. Persiapan
PercobaanInstalasi telah disiapkan untuk melaksanakan percobaan dan
pengambilan datab. Menjalankan Instalasia) Saklar dipasang pada
posisi (I) dengan regavolt 0b) Regavolt diatur supaya ada aliran
udara melalui evaporator denggan tujuan membebani evaporator dengan
mengatur posisi regavolt sesuai varian data untuk masing-masing
kelompok.c) Kompresor dijalankan sehingga terjadi siklus
refrigeran. Instalasi dibiarkan beropersi sampai terbentuk air
kondensasi pada evaporator dan ditampung pada gelas ukur yang sudah
dipasang termometer.d) Akhiri pembebanan air flow duct dengan
menggunakan semua saklar dari komponen pelengkap (boiler,
preheater, reheater, regavolt) posisinya disesuaikan dengan
kombinasi dan variasi duct yang telah ditentukan untuk setiap
kelompok praktikan.c. Menghentikan Operasia) Semua saklar dari
semua komponen pelengkap dimatikanb) Kompresor dimatikanc) Regavolt
diturunkan posisinya secara perlahan sampai posisi 0d) Matikan
saklar induke) Cabut steker dan power supply
3.4 Pengambilan Dataa. Pengambilan data baru boleh dimulai
setelah ada air kondesat yang terbentuk pada evaporator (terlihat
pada jatuhnya tetes air pada gelas ukur penampung air kondensat).b.
Setiap kombinasi parameter diambil data sebanyak 3x.c. Data-data
dianggap valid jika pencatatan dilakukan setelah kondisi
betul-betul dalam keadaan steady.
BAB IVPENGOLAHAN DATA
4.1 Data Praktikum(Lampiran 1)4.2 PerhitunganDari perhitungan
didapatkan data sebagai berikut: Tekanan refrigerant keluar
evaporatorP1 = 368,3 kN/m2 Tekanan refrigerant keluar kondensorP3=
1833 kN/m2 Inclined manometerPd= 0,65 mmH2O Temperatur refrigerant
keluar evaporatorT1= 31,83C Temperatur refrigerant keluar
kondensorT3= 47,5C Temperatur refrigerant masuk evaporatorT4= -0,38
C Temperatur kondensasiTcon= 26,3 C Temperatur bola basah udaraTWA=
31,3 CTWB= 43,33 CTWC= 30,3CTWD= 37,3C Temperatur ruangan bola
basahTWb= 43,3 C Temperatur bola kering udaraTDA= 32,16 CTDB=
47,66CTDC= 32,6CTDD= 42,66C Temperatur ruangan bola keringTdb= 28 C
Debit air masuk ketelQ1= 126,6 ml /10 mnt Debit air kondensasiQ2=
193 ml /10 mnt Kelembaban relatif RH= 82 % RegavoltRv= 40 Daya
PreheaterH1= 1 kW Daya ReheaterH2= kW Daya boilerB= 2 kW Tekanan
udara atmosferPo= 730 mmHgPerhitungan-perhitungan sebagai berikut:
Tekanan udara atmosfer ( Po )Po = 730 mmHg = 97,325 kN/m2 = 97,325
kPa Tekanan refrigerant keluar evaporator (P1=P4)P1atm = P1 gauge +
Po = (368,3+97,32533) kN/m2= 465,6253 kN/m2= 465,625 kPa = 0,465Mpa
Tekanan refrigerant keluar kondensor (P3=P2)P3 atm = P3 + Po= (833
+ 97,325) kN/m2= 1930,325 kN/m2P3 atm = 1930,325kPa =1,930325Mpa
Temperatur refrigerant keluar evaporatorT1 = 31,83 C + 273 = 304,83
K Temperatur refrigerant keluar kondensorT3 = 47,5 C + 273 = 320,5
K Temperatur Freon masuk evaporatorT4 = -0,83 C + 273 = 272,17K
Temperatur air kondensasiTcon = 26,3 C + 273 = 299,3 K
Kondisi udara pada air duct berdasarkan temperatur bola kering
dan temperaturbola - basah berdasarkan diagram Psikometri.
(Lampiran 2)
hA berdasarkan diagram Psikometri dan perhitungan interpolasi
didapat:TDATWAhA
330C32,16 0C320C320C31,30C310C110,6 kJ/kgx kJ/kg105,5 kJ/kg
x= 106,6 kJ/kghb berdasarkan diagram Psikometri diketahui nilai
TDB= 47,66 0C dan TWB=43,330C, maka didapat hb= 195,91 kJ/kg
hcberdasarkan diagram Psikometri dan perhitungan interpolasi
didapat:TDCTWChC
330C32,60C320C310C30,30C300C108,6 kJ/kgx kJ/kg100,0 kJ/kg
x = 101,1 kJ/kghD berdasarkan diagram Psikometri pada TDD =
42,660C ; TWD = 37.30Cdidapat hD = 144,01kJ/kg
Volume spesifik udara pada penampang di C-D (Vd)VD = 0,951
m3/kg
A. Antara penampang C-D
Gambar 4.1 : Penampang C-D Air flow ductSumber : Buku petunjuk
praktikum pengujian mesin pendingin (2014)
Kesetimbangan energi antara C-D :
( .hc ) (.hD ) = - PH2 + H1 C-D Kekentalan Massa Aliran
Fluida
= =
= 0,0416 kg/s Kalor yang hilang antara C-D :
H1 C-D = PH2 + ( .hc ) (.hD ) H1 C-D = + (0,0416.101,1)
(0,0416.144,01)H1 C-D = -1,2850(kJ/s)
B. Antara penampang B-C
Gambar 4.2 : Penampang B-C Air flow ductSumber : Buku petunjuk
praktikum pengujian mesin pendingin (2014)
Laju aliran massa air kondensasi
Keterangan Q2 = debit air kondensasi
(kg/s)
Enthalpi pada masingmasing titikDari diagram (p h) untuk
refrigerant R-22 didasarkan pada harga satuan tekanan dan
temperatur di dapat :h1pada T1 = 304,83 KP1= 0,465MPah1 =
648kJ/kgh3pada T3 = 320 KP2 =P3 = 1,930325 Mpah3 = 477kJ/kg
h4padaP1= P4= 0,465Mpah4 = h3 = 477kJ/kgh2pada P2 = P3 =
1,930325 Mpas1 = s2h2= 682 kJ/kg Entalpi air kondensasi hCON pada
TCON menurut grafik dari Tabel A-1 Air;Sifat-sifat cairan dan uap
jenuh,Refrigerasi dan penkondisian udara : J.J.Stoecker. (Lampiran
3)TCON = 26,3OC didapatkan hCON = 110,59 Kj/Kg Mencari QrefWComp =
1,76 kWPComp= comp . WComp= 0.847 . 1,76 kW= 1,490 kW
PComp= . (h2-h1)
=
=
== 0,043 kg/s
Qref = (h1h4)= 0,043 (648 477)= 7,353 kW Kekekalan Massa
= +
= 0,0416(kg/s) + (kg/s)
= 0,0419(kg/s)
Kesetimbangan energi
( .hB ) (.hC )= Qref + . hCON + H1 B-C
(0,0419. 192,91) (0,0416. 101,1) =7,353+ (.110,59) + H1
B-C8.087-4,205 = 7,353+ 0,0355+ H1 B-CH1 B-C = -7,388+ 3,882 kJ/s =
-3,506 kJ/s
C. Antara penampang A-B
Gambar 4.3 : Penampang A-B Air flow ductSumber : Buku petunjuk
praktikum pengujian mesin pendingin (2014)
Kesetimbangan energi:
( .hA ) (.hB ) = -PM - (.hS ) PA + H1 A-B Kekekalan massa
= +
= Q1.KeteranganQ1 = debit air pengisi boiler= massa jenis
air
=
=
= 2,11 x 10-4(kg/s)
= + = 0,041511
0,0419(kg/s) = + 2,11 x 10-4(kg/s)
= 0,041689 (kg/s)
Daya motor penggerak blower PM= V . I . Rv = 220. 8. 0,40= 704 W
= 0,704 kW Dari table A-1 Air : Sifat-sifat cairan dan uap jenuh,
Refrigerasi dan pengkondisian udara : J.J.Stoecker (Lampiran 4)PO =
97,325 kPa dapat diperoleh hs ;
P (kPa)hs (kJ/kg)
94,3097,325101,332672,9x2676
18.812,28-7,03x = 12,4155x = 2674,23 kJ/kg
Energi yang hilang Hl-A-B
H1 A-B = ( .hA ) (.hB) + (.hS ) PM+ PPH1 A-B =
(0,041689.106,6kJ/kg)-(0,0419.192,91)+(2,11 x 10-4.2674,23)
-0.704+2H1 A-B = 4,444 8,082 + 0,564 -0,704 + 2H1 A-B = -1,778
kJ/s
Efisiensi boiler :
= = 28,21% COP actual
COP idealWcomp = h2-h1= kerja kompresor
== 5,02
4.3. PembahasanA. Pembahasan pada tiap tiap segmen penampang
Pada penampang C-DAliran fluida bermassa 0,0416kg/s keluar dari
mesin pendingin selama proses berlangsung terjadi energi losses
sebesar -1,250 kJ/s. Hal ini terjadi kemungkinan karena beberapa
hal antara lain :1. Kerugian karena tahanan gesek antara fluida
dengan dinding saluran.2. Kerugian karena tahanan aliran lokal
yaitu karena adanya penyempitan saluran.3. Tingkat ketelitian dan
kesalahan dalam pembacaan alat ukur dan diagram juga berpengaruh
terhadap perhitungan losses yang terjadi. Pada penampang B-CAliran
fluida bermassa 0,0419kg/s kemudian didinginkan oleh
Evaporator.Sebagian fluida berubah menjadi air kondensasi yang
bermassa 0,0416kg/s. Selama proses berlangsung terjadi energi
losses sebesar -3,4057 kJ/s, hal ini terjadi kemungkinan beberapa
hal :1.Kerugian karena tahanan gesek antara fluida udara dengan uap
air dengan dinding duct.2. Isolasi saluran duct yang kurang
sempurna.3.Tingkat ketelitian dan kesalahan dalam pembacaan alat
ukur. Pada penampang A-BMotor penggerak blower berdaya 0,704 kW
menghisap fluida bemassa 0,041689(kg/s) ke dalam mesin pendingin
hingga menumbuk uap bermassa 2,111 x 10-4yang dihasilkan oleh
boiler berdaya 2 KW. Selama proses berlangsung, terjadi losses
energi sebesar -1,778 kJ/s. Kemungkinan terjadinya losses
dikarenakan beberapa hal yaitu :1. Kerugian karena tahanan gesek
antara fluida dengan dinding-dinding saluran.2. Kerugian antara
fluida udara dengan uap saat memasuki blower yang menghasilkan
gesekan antara fluida tersebut.3. Kalor panas yang kurang sempurna
sehingga terjadi perpindahan panas dari dalam atau keluar
system.4.Tingkat ketelitian dan kesalahan dalam pembacaan alat
ukur.B. Secara keseluruhan Dari hasil perhitungan diperolehCOP pada
mesin pendingin kompresi uap secara mekanik sebesar : COP aktual =
2,66 dan COP ideal = 5,02. Hal ini disebabkan karena pada siklus
mesin pendingin kompresi uap ideal dianggap tidak mengalami
perubahan tekanan pada kondensor dan evaporator (isobarik)
sedangkan pada siklus mesin pendingin kompresi uap aktual terjadi
pressure drop pada kondensor maupun evaporator, dimana kompresor
harus mengkompresi uap refrigerant dari tekanan hisap yang rendah,
menyebabkan daya kompresor yang dibutuhkan meningkat. Berdasarkan
perbedaan hasil perhitungan COP, disebabkan oleh beberapa hal :
RegavoltSemakinbesarregavoltmakakapasitasaliranudarameningkat,sehinggameningkatkankapasitaspendinginanpadaevaporator,
mengakibatkanCOPmenurun. EvaporatorDi dalam evaporator terjadi
perpindahan panas dari udara ke refrigerat, sehingga temperatur
udara setelah lewat evaporator lebih rendah dibanding sebelum masuk
evaporator ada yang berubah fasa menjadi air kondensasi karena
menurunnya temperatur. Massa aliran udara sebelum masuk evaporator
sama dengan jumah massa aliran udara di setelah evaporator dan
massa aliran air kondensat. Efisiensi dari boiler pada instalasi
memiliki nilai sebesar 28,21%
BAB VPENUTUP
5.1 KesimpulanDari air flow duct dapat ditentukan:1). Perubahan
sifat udara sepanjang duct dalam diagram psychometrima = 0,041689
kJ/kgmb = 0,0419 kJ/kgmc = 0,0416 kJ/kgmd = 0,0416 kJ/kg2). COP
aktual dari seluruh instalasi mesin pendingin
3). Energi hilang pada setiap potongan duct- energi hilang pada
potongan C D = -1,288 kJ/s- energi hilang pada potongan B C =
-3,506kJ/s- energi hilang pada potongan A B = -1,778 kJ/s4).
Efisiensi boiler sebagai komponen pelengkap instalasi P.A HILTON
boiler = 28,21%
Dari siklus refrigerant didapat1. Siklus refrigerasi R-22
aktual
Gambar 5.1 Diagram P-hSumber : Dokumentasi Pribadi2. Kapasitas
pendinginan (Qref)Qref dari hasil perhitungan = 7,353 kW3. COP
berdasarkan siklus refrigerantCOP yang didapat dari siklus
refrigerant = 5,02
5.2 Saran1. Dalam praktikum sebaikanya menggunakan jenis
refrigerant yang berbeda-beda untuk masing-masing kelompok sehingga
praktikan dapat membandingkan data untuk tiap refrigerant yang
berbeda.2. Dalam pengambilan data dan pembacaan pada diagram /
tabel hendaknya dilakukan dengan teliti oleh praktikan.3. Dalam
penyediaan literatur sebaiknya laboratorium juga menyediakan buku
yang dapat digunakan oleh praktikan4. Keramahan dan dedikasi untuk
para asisten sudah baik, perlu dipertahankan
Laporan Praktikum Mesin Pendingin Semester Genap 2014/2015