BAB II. DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Dasar Teori
Freezer bekerja dengan mengambil panas dari kompartemen. Panas yang terus menerus diambil akan menurunkan suhu dan membuat makanan menjadi
beku. Freezer menggunakan zat yang disebut refrigeran untuk mengambil panas. Refrigeran yang paling umum digunakan adalah freon. Namun sekarang secara
bertahap freon telah digantikan dengan bahan lain yang lebih ramah terhadap
lingkungan. Komponen penting lain dari freezer adalah kompresor dan katup ekspansi/pipa kapiler. Komponen-komponen ini bersama dengan termostat dan
kumparan membuat sebuah freezer bisa mendinginkan makanan sehingga awet disimpan dalam jangka lama. freezer bekerja dengan membuang panas dari dalam kompartemen. Proses diawali dengan refrigeran dalam bentuk gas masuk ke
kompresor sehingga refrigeran menjadi sangat panas. Gas panas bergerak melalui
kumparan dan mulai didinginkan. Hal ini menyebabkan gas berubah menjadi cair.
Gas dipaksa menuju katup ekspansi dalam bentuk cair. Katup ekspansi memiliki
bukaan yang sangat kecil yang ketika refrigeran melalui bukaan itu akan berubah
menjadi kabut yang sangat dingin.Saat melewati kumparan bawah freezer, kabut refrigeran mulai menguap dan berubah kembali menjadi gas. Suhu kabut bisa
mencapai sekitar -27 derajat dan mengambil panas dari kompartemen freezer. Sebagai akibatnya suhu refrigeran akan mulai naik lagi karena membawa keluar
panas. Refrigeran kemudian dikirim kembali ke kompresor untuk memulai proses
lagi dari awal.
2.1.2. Komponen utama Freezer. a. Kompresor
Kompresor adalah suatu alat mekanis yang bertugas untuk menghisap
uap refrigeran dari evaporator. Kemudian menekannya (mengkompres) dan
dengan demikian suhu ditekanan uap tersebut menjadi lebih tinggi.
Gambar 2.1 Kompresor hermetik
b. Kondensor
Kondensor adalah sebuah alat yang digunakan untuk membuang kalor ke
lingkungan, sehingga uap refrigeran akan mengembun dan berubah fasa dari uap
ke cair. Sebelum masuk kondensor refrigeran berupa uap yang bertemperatur dan
bertekanan tinggi, sedangkan setelah keluar dari kondensor refrigeran berupa uap
jenuh yang bertemperatur lebih rendah dan bertekanan sama (tinggi) seperti
Gambar 2.2 Kondensor
c. Pipa Kapiler
Pipa kapiler merupakan komponen utama yang berfungsi menurunkan
tekanan refrigeran dan mengatur aliran refrigeran menuju evaporator. Pipa kapiler
ini adalah pipa yang paling kecil jika di banding dengan pipa lainnya, untuk pipa
kapiler suatu frezzer atau dispenser berukuran 0,26" s/d 0,31". Kerusakan pada pipa kapiler di mesin pendingin ini biasanya di sebabkan karena pipa kapiler ini
mengalami kebuntuan akibat kotoran yang masuk dan juga oli.
d. Evaporator
Evaporator adalah sebuah alat yang berfungsi mengubah refrigeran dari
bentuk cair menjadi uap.Evaporator mempunyai dua prinsip dasar, untuk menukar
panas dan untuk memisahkan uap yang terbentuk dari cairan.
Gambar 2.4 Evaporator
2.1.3. Perpindahan Panas a. Perpindahan kalor konduksi
Laju perpindahan kalor secara konduksi adalah proses dimana panas mengalir
dari daerah yang bersuhu tinggi ke daerah bersuhu rendah di dalam satu medium
yang diam (padat, cair atau gas) atau antara medium-medium yang berlainan yang
Gambar 2.5 Perpindahan kalor konduksi
Persamaan laju perpindahan kalor konduksi :
………..(2.1)
qk : Laju perpindahan kalor konduksi, ( W )
k : Konduktivitas termal, (W/m ⁰C)
A : Luas permukaan benda yang tegak lurus dengan arah perpindahan kalor
(m2)
T1 : Suhu permukaan dinding 1, (⁰C ) T2 : Suhu permukaan dinding 2, (⁰C )
b. Perpindahan kalor konveksi
Merupakan perpindahan kalor (panas) yang disertai dengan berpindahnya zat
perantara. Konveksi sebenarnya mirip dengan Induksi, hanya saja jika Induksi
adalah perpindahan kalor tanpa disertai zat perantara sedangkan konveksi
merupakan perpindahan kalor yang di ikuti zat perantara.
Gambar 2.6 Perpindahan kalor konveksi
Persamaan perpindahan kalor konveksi :
qc = h A ( Ts - T∞ )……….(2.2)
qc : Perpindahan kalor secara konveksi, ( W )
A : Luas yang bersentuhan dengan fluida, (m2)
Ts : Suhu permukaan benda yang bersentuhan dengan fluida, (⁰C)
T∞ : Suhu fluida yang mengalir di atas benda, (⁰C) h : Koefisien perpindahan panas konveksi, (W/m2 ⁰C)
Laju perpindahan panas kalor konveksi dapat berlangsung dalam 2 cara, yaitu
Konveksi bebas
Perpindahan kalor konveksi bebas terjadi ketika fluida yang mengalir
pada proses perpindahan kalor mengalir tanpa adanya bantuan peralataaan
dari luar. Fluida mengalir karena ada perbedaan massa jenis, pada umumnya
perbedaan massa jenis disebabkan karena adanya perbedaan suhu.
Konveksi paksa
Perpindahan kalor konveksi paksa terjadi ketika fluida yang mengalir
pada proses perpindahan kalor mengalir dengan adanya alat bantu yang
memaksa fluida untuk mengalir. Alat bantu yang dipergunakan dapat berupa
pompa, blower, kipas angin, atau kompresor. 2.1.4. Refrigeran
Refrigeran adalah fluida yang mengangkut kalor dari bahan yang sedang
didinginkan ke evaporator pada sistem refrigerasi. Refrigeran mengalami
perubahan temperatur bila menyerap kalor dan membebaskannya pada evaporator,
tetapi tidak mengalami perubahan phasa. Anti beku yang banyak digunakan
adalah larutan air dan glikol etalin, glikol propelin, ataupun kalsium kloida. Salah
satu sifat larutan anti beku yang penting adalah titik pembekuannya.
2.1.5. Beban Pendinginan dan Proses Perubahan fase a. Beban Pendinginan
Besarnya kalor total yang dihisap evaporator dari lingkungannya ketika mesin
pendingin bekerja merupakan besar beban pendingin. Beban pendinginan
1) Beban Laten :
Besarnya energi yang dihisap evaporator yang berasal dari perubahan phase
media yang didinginkan (proses pembekuan). Persamaan yang dipergunakan :
Qlaten= m . C ………..……….(2.3)
Pada persamaan (2.3) :
m : massa zat.
C : kalor laten zat.
2) Beban Sensibel :
Besarnya energi yang dihisap evaporator yang berasal dari penurunan suhu
media yang didinginkan.
Qsensibel = m . c . ΔT = m . c . (Tawal–Tsuhu yang dituju) ...…….…..(2.4)
Pada persamaan (2.4) :
m : massa zat, Kg
c : kalor jenis zat,
b. Proses Perubahan fase
1) Proses Pengembunan (kondensasi)
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
2) Proses penguapan (evaporasi)
Penguapan atau evaporasi adalah proses perubahan molekul di dalam keadaan
cair (contohnya : air) dengan spontan menjadi gas (contohnya : uap air). Proses ini
adalah kebalikan dari kondensasi. Umumnya penguapan dapat dilihat dari
lenyapnya cairan secara berangsur-angsur ketika terpapar pada gas dengan volume
signifikan.
2.1.6. Siklus kompresi uap standar a. Komponen utama mesin pendingin
Komponen utama mesin pendingin dengan sistem kompresi uap terdiri dari :
evaporator, kompresor, kondenser dan pipa kapiler. Skematik mesin pendingin
serperti terlihat pada Gambar 2.7.
Gambar 2.7 Skematik mesin pendingin siklus kompresi uap standar
Keterangan :
a. Evaporator b. Kompresor c. Kondenser
b. Siklus refrigerasi ditunjukkan dalam Gambar 2.7 dan 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 menurunkan panas superheated
gas sebelum gas ini dikembalikan menjadi bentuk cairan. Refrigerasi untuk
proses ini biasanya dicapai dengan menggunakan udara atau air. Penurunan
suhu lebih lanjut terjadi pada pekerjaan pipa dan penerima cairan, sehingga
cairan refrigeran didinginkan ke tingkat lebih rendah ketika cairan ini
4 - 1
Cairan yang sudah didinginkan dan bertekanan tinggi melintas melalui
peralatan ekspansi, yang mana akan mengurangi tekanan dan
mengendalikan aliran menuju evaporator.
2.1.7. Perhitungan untuk karakteristik mesin pendingin a. Gambar siklus kompresi uap pada diagram P-h dan T-s.
Gambar 2.8 P-h diagram
b. Kerja kompresor persatuan massa.
Kerja kompresor persatuan massa refrigeran yang diperlukan agar mesin
pendingin dapat bekerja dapat dihitung dengan persamaan :
Wkomp = h2-h1 , kJ/kg. ……….……….(2.5)
Wkomp : kerja yang dilakukan kompresor, kJ/kg
h2 : nilai entalpi refrigeran keluar dari kompresor, kJ/kg
h1 : nilai entalpi refrigeran masuk ke kompresor, kJ/kg
c. Energi kalor persatuan massa refrigerant yang dilepas oleh kondensor.
Besar kalor yang dilepas kondensor persatuan massa refrigeran dapat dihitung
dengan persamaan :
Qkond = h2-h3 , kJ/kg. ………..………..…..……...(2.6)
h2 : nilai entalpi refrigeran masuk ke kondensor, kJ/kg
h3 : nilai entalpi refrigeran keluar dari kondensor, kJ/kg
d. Kalor yang diserap evaporator per satuan massa
Besar kalor yang diserap evaporator per satuan massa refrigeran dapat dihitung
dengan persamaan :
Qevap = h1-h4 = h1-h3 , kJ/kg..………..…………...…..…..(2.7)
h1 : nilai entalpi refrigeran keluar evaporator, kJ/kg
e. COP aktual mesin pendingin
COP aktual mesin pendingin adalah perbandingan antara kalor yang diserap
evaporator dengan energi listrik yang diperlukan untuk menggerakkan kompresor.
Nilai COP mesin pendingin dapat dihitung dengan persamaan :
COP aktual = Qevap / Wkomp = (h1-h4)/(h2-h1)...…..……….…………...(2.8)
Nilai COP aktual lebih besar dari 1. Semakin tinggi nilai COP aktual semakin
baik, tetapi nilai COP aktual tidak dapat melebihi nilai COP ideal.
f. COP ideal mesin pendingin
COP ideal mesin pendingin adalah COP maksimum yang dapat dicapai oleh mesin pendingin yang bekerja pada temperatur kerja evaporator sebesar te dan temperatur kerja kondensor sebesar tc. Besarnya COP ideal dapat dihitung dengan persamaan :
COPideal = (273,15 + te) / (tc –te))...…………..……….…………...(2.9)
te : suhu evaporator, oC
tc : suhu kondensor, oC
g. Efisiensi mesin pendingin
Efisiensi = COPactual / COPideal, %...…………..……….………...(2.10)
2.1.8. Isolator
Isolator adalah bahan yang dipergunakan untuk mencegah keluarnya kalor
dari pipa kapiler menuju evaporator. Sifat dari isolator adalah mempunyai nilai
konduktivitas termal yang rendah. Ada isolator yang tahan terhadap suhu dingin
isolator yang tahan terhadap suhu dingin : gabus. Tentukan sifat sifta gabus :
massa jenis, kalor jenis, dan nilai konduktivitas termal bahan.
