BAB II. DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Dasar Teori
Kebutuhan akan pendingin yang mana digunakan untuk mengawetkan
makanan ataupun untuk keperluan menyimpan bahan-bahan kimia mendorong
terciptanya freezer. Pada dasarnya prinsip kerja dari freezer adalah memanfaatkan
sifat dari gas freon yang suhunya akan menjadi rendah bila tekanannya juga
rendah.
Dengan adanya aliran listrik maka motor kompresor akan bekerja
mengisap gas refrigeran yang bersuhu dan bertekanan rendah dari saluran hisap.
Kompresor kemudian memampatkan gas refrigeran sehingga menjadi uap/gas
bertekanan tinggi dan bersuhu tinggi, gas tersebut ditekan keluar oleh kompresor
memasuki kondenser yang dingin. Gas refrigeran yang panas dan bertekanan
tinggi tersebut di dalam kondenser akan didinginkan oleh udara di luar kulkas
(panasnya berpindah dari kondenser ke udara sekelilingnya) sehingga suhunya
turun (menjadi dingin) mencapai suhu kondensasi (berkondensasi atau
mengembun) dan wujudnya berubah menjadi cair tetapi tekanannya tetap tinggi.
Refrigeran cair yang bertekanan tinggi (tetapi suhunya telah rendah) ini
selanjutnya mengalir kedalam penyaring (strainer dan drier). Refrigeran cair
tekanannya turun drastis.Dari pipa kapiler, refrigeran cair yang tekanannya
sudah sangat rendah ini kemudian memasuki ruang evaporator yang memiliki
tekanan yang rendah hingga vakum sehingga titik didihnya yang sudah rendah
menjadi semakin bertambah rendah, oleh sebab itu refrigeran segera berubah
wujud menjadi gas (menguap). Ketika berubah wujud dari cair menjadi gas di
dalam pipa evaporator, oleh sebab itu zat refrigeran memiliki kalor laten
penguapan yang besar. Kerja ini diperkuat oleh adanya daya hisap kompresor
yang menyebabkan gas refrigeran mendapat percepatan sehingga bergerak cepat
padapipa evaporator sambil mengambil panas dari sekeliling evaporator dengan
efeknya adalah isi kulkas menjadi dingin, begitu seterusnya proses ini
berulang-ulang.
Berikut ini adalah spesifikasi mesin freezer :
Freezer yang dirancang menggunakan daya kompresor 1/6 PK, menggunakan
panjang pipa kapiler 160 cm, diameter standar 0,110 in, dan menggunakan
refrigeran 134a
2.1.2 Perpindahan Kalor
Perpindahan kalor pada mesin pendingin terdiri atas dua jenis yaitu laju
perpindahan kalor konduksi dan laju perpindahan kalor konveksi
a. Perpindahan kalor konduksi
Perpindahan kalor konduksi yaitu yaitu perpindahan kalor melalui suatu zat
tanpa disertai perpindahan partikel-partikel zat tersebut. Perpindahan kalor
konduksi dapat berlangsung pada benda padat, cair dan gas.Untuk perpindahan
kalor konduksi pada zat cair dan gas, syaratnya adalah dalam keadaan yang diam.
b. Perpindahan Kalor Konveksi
Perpindahan kalor konveksi yaitu perpindahan kalor pada suatu zat yang
disertai perpindahan partikel-partikel zat tersebut. Perpindahan kalor konveksi
terjadi pada fluida yang mengalir (zat cair dan gas). Perpindahan kalor konveksi
tidak dapat berlangsung pada benda padat.
2.1.3 Komponen Utama Freezer
a. Evaporator
Evaporator adalah bentuk pipa yang dikonstruksi sedemikian rupa.
dalamnya (hingga vakum) karena adanya hisapan yang dilakukan oleh motor
kompresor. Refrigeran cair yang berasal dari pipa kapiler atau keran ekspansi
segera berubah wujudnya menjadi gas ketika memasuki evaporator yang vakum
tersebut. Gas yang berubah wujud tersebut akan menyerap kalor (panas) dari
ruangan (isi) kulkas sehingga isi kulkas menjadi dingin. Pipa evaporator ada yang
terbuat dari bahan tembaga, besi, alumanium atau dari kuningan. Namun
kebanyakan terbuat dari alumanium dan besi.
Gambar 2.2 Evaporator
b. Kompresor
Kompresor berfungsi untuk menaikan tekanan freon dari tekanan rendah
ke tekanan tinggi. Kompresor merupakan bagian terpenting pada mesin pendingin.
Pergerakannya dengan menghisap sekaligus memompa freon sehingga terjadilah
sirkulasi freon yang mengalir dari pipa‐pipa mesin pendingin. Kompresor yang sering digunakan pada mesin pendingin adalah jenis hermetik. Kontruksi dari
kompresor jenis ini menempatkan motor listrik dengan komponen mekanik ada
dalam satu rumah. Fase refrigeran ketika masuk dan keluar kompresor berupa gas.
Gambar 2.3 Kompresor
c. Kondenser
Kondenser adalah alat penukar kalor untuk mengubah wujud gas bahan
pendingin pada suhu dan tekanan tinggi menjadi wujud cair. Jenis kondenser yang
banyak digunakan pada teknologi kulkas saat ini adalah kondenser dengan
pendingin udara. Kondenser seperti ini memiliki bentuk yang sederhana dan tidak
memerlukan perawatan khusus. Saat freezer bekerja, kondenser akan terasa hangat
bila dipegang. Agar proses perubahan wujud yang diinginkan ini dapat terjadi,
maka kalor/panas yang ada dalam gas refrigeran yang bertekanan tinggi harus
dibuang keluar dari sistem.
d. Pipa kapiler
Pipa kapiler adalah suatu pipa pada mesin pendingin baik itu Air
conditioner, kulkas dll. Pipa kapiler ini adalah pipa yang paling kecil jika di
banding dengan pipa lainnya. Kerusakan pada pipa kapiler di mesin pendingin ini
biasanya di sebabkan karena pipa kapiler ini mengalami kebuntuan akibat kotoran
yang masuk dan juga oli. Gas Refrigeran yang keluar dari kompresor telah
menjadi gas yang bertekanan kemudian mengalir melalu pipa-pipa kondenser dan
melewati proses penyaringan yang biasa di sebut drier strainer setelah itu baru
menuju pipa kapiler.
Penempatan pipa kapiler ini biasanya di gulung untuk menghemat tempat
dengan menggunakan mal kapasitor agar tidak rusak (di gulung melingkar).Pipa
kapiler berfungsi sebagai alat untuk menurunkan tekanan, merubah bentuk dari
gas menjadi bentuk cairan dan mengatur cairan refrigeran yang berasal dari pipa
pipa kondenser. Sebelum gas refrigeran masuk melewati pipa kapiler terlebih
dahulu harus melalui alat yang disebut drien strainer yaitu saringan gas yang
sudah terpasang dari pabrikan mesin pendingin. Fungsi dari drier stariner ialah
menyaring dan menerap debu yang akan masuk ke ruang pipa kapiler dan ke jalur
pipa yang menuju evaporator.
a. Filter
Filter (saringan) berguna menyaring kotoran yang mungkin terbawa aliran
bahan pendingin yang keluar setelah melakukan sirkulasi agar tidak masuk
kedalam pipa kapiler dan kompresor. Selain itu, bahan pendingan yang akan
disalurkan pada proses berikutnya lebih bersih sehingga dapat menyerap kalor
lebih maksimal.
Gambar 2.6 Filter
2.1.4. Refrigeran
Refrigeran merupakan bahan pendingin atau fluida yang digunakan untuk
menyerap panas melalui perubahan fase dari cair ke gas (evaporasi) dan
membuang panas melalui perubahan fase dari gas ke cair (kondensasi), sehingga
refrigeran dapat dikatakan sebagai pemindah panas dalam sistem pendingin.
Adapun pengertian lainnya adalah Refrigerasi atau pendinginan merupakan proses
pengambilan atau pengeluaran kalor dari suatu materi atau ruangan dan
mempertahankan keadaannya sedemikian rupa sehingga temperaturnya lebih
rendah dari pada lingkungan sekitarnya.
Persyaratan refrigeran untuk unit refrigerasi adalah sebagai berikut :
b. Tidak dapat terbakar atau meledak bila bercampur dengan udara, pelumas
dan sebagainya
c. Tidak menyebabkan korosi terhadap bahan logam yang dipakai pada
sistem pendingin.
d. Bila terjadi kebocoran mudah mencari gantinya.
e. Mempunyai susunan kimia yang stabil, tidak terurai setiap kali
dimampatkan, diembunkan dan diuapkan.
f. Konduktivitas thermal tinggi.
R134a sebagai salah satu alternatif memiliki beberapa properti yang baik,
tidak beracun, tidak mudah terbakar dan relatif stabil. R-134a juga memiliki
kelemahan di antaranya, tidak bisa dijadikan pengganti R-12 secara langsung
tanpa melakukan modifikasi sistem refrigerasi, relatif mahal, dan masih memiliki
potensi sebagai zat yang dapat menyebabkan efek pemanasan global karena
memiliki Global Warming Potential (GWP) yang signifikan. Selain itu R-134a
sangat bergantung kepada pelumas sintetik yang sering menyebabkan masalah
dengan sifatnya yang higroskopis (kemampuan menyerap molekul air yang baik).
2.1.5 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
dan ada isolator yang tahan terhadap suhu panas. Pada persoalan ini dipilih
Karakteristik styrofoam antara lain : a. Isolator panas b. Ringan c. Tahan air d. Mudah dipotong e. Ekonomis
2.1.6 Cara Kerja Mesin Pendingin Siklus Kompresi Uap Standar
a. Skematik mesin pendingin siklus kompresi uap
Komponen utama mesin pendingin dengan sistem kompresi uap terdiri
dari : evaporator, kompresor, kondenser, filter dan pipa kapiler. Skematik mesin
pendingin disajikan pada Gambar 2.6
Gambar 2.6 Skematik mesin pendingin siklus kompresi uap
Keterangan :
a. Evaporator b. Kompresor c. Kondenser d. Filter e. Pipa kapiler
a c Kompresor Pipa kapiler b e 3 4 1 2 Kondensor Evaporator d Filter
b. Diagram P-h dan Diagram T-s siklus kompresi uap
Diagram P-h dan Diagram T-s siklus kompresi uap disajikan pada Gambar 2.7.
Gambar 2.7 Diagram P-h siklus kompresi uap
Gambar 2.8 Diagram T-s siklus kompresi uap
Siklus kompresi uap pada Gambar 2.6 dan 2.7 dapat dibagi menjadi
beberapa tahapan sebagai berikut : proses kompresi, proses kondensasi, proses
ekspansi dan evaporasi.
a. Proses kompresi
Proses kompresi terjadi pada tahap 1-2 dari Gambar 2.6 dan 2.7.
Refrigeran dalam bentuk uap masuk ke kompresor, kerja atau usaha yang
diberikan pada refrigeran akan menyebabkan kenaikan pada tekanan sehingga
temperatur refrigeran akan ikut naik dan harganya lebih tinggi dari temperatur
lingkungan atau refrigeran berada pada fasa superheated.
b. Proses kondensasi
Proses penurunan suhu refrigeran dan proses kondensasi terjadi pada tahap
2-3 dari Gambar 2.6 dan 2.7. Refrigeran dalam fasa superheated memasuki
kondenser dan mengalami pelepasan kalor pada tekanan konstan ke lingkungan
yang menyebabkan fasa refrrigeran berubah dari fasa superheated ke fasa cair.
c. Proses ekspansi
Proses ekspansi terjadi pada tahap 3-4 dari Gambar 2.6 dan 2.7. Refrigeran
dalam fasa cair mengalir menuju ke komponen ekspansi dan mengalami
penurunan tekanan dan suhu. Sehingga suhu dari refrigeran lebih rendah dari
temperatur lingkungan. Pada tahap ini fasa refrigeran berubah menjadi campuran
cair dan gas.
d. Proses evaporasi
Proses evaporasi terjadi pada tahap 4-5 dari Gambar 2.6 dan 2.7.
temperatur rendah sehingga akan menerima kalor dari lingkungan yang akan
didinginkan sehingga fasa dari refrigeran akan berubah seluruhnya menjadi uap
jenuh yang akan masuk ke kompresor untuk di sirkulasikan kembali.
2.1.7 Perhitungan Untuk Karakteristik Freezer
Dengan menggunakan diagram P-h, nilai-nilai entalpi pada siklus
kompresi uap dapat diketahui. Besaran-besaran kerja kompresi, laju pengeluaran
kalor, laju penyerapan kalor, dan koefisien prestasi (COP) dapat dihitung dengan
mempergunakan nilai-nilai entalpi yang didapat.
a. Kerja kompresor persatuan massa.
Kerja kompresor persatuan massa refrigeran merupakan perubahan entalpi
pada titik 1-2 diGambar 2.6 dan 2.7. Kerja kompresor persatuan massa refrigeran
yang diperlukan agar mesin pendingin dapat bekerja dapat dihitung dengan
Persamaan (2.3).
Wkomp = h2-h1, kJ/kg………..……….(2.3)
Pada persamaan (2.3) :
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
b. Kalor yang dilepas oleh kondenser persatuan massa.
Energi kalor persatuan massa refrigeran yang dilepas oleh kondenser
yang dilepas kondenser persatuan massa refrigeran dapat dihitung dengan
Persamaan (2.4).
Qkond = h2-h3, kJ/kg ………..……….(2.4)
Pada persamaan (2.4) :
h2 : nilai entalpi refrigeran masuk ke kondenser, kJ/kg h3 : nilai entalpi refrigeran keluar dari kondenser, kJ/kg
c. Kalor yang diserap evaporator persatuan massa
Besar kalor yang diserap evaporator persatuan massa refrigeran dapat
dihitung dengan Persamaan (2.5) :
Qevap = h1-h4 = h1-h3, kJ/kg……….(2.5)
Pada persamaan (2.5) :
h1 : nilai entalpi refrigeran keluar dari evaporator , kJ/kg h4 : nilai entalpi refrigeran keluar dari pipa kapiler, kJ/kg
d. COP aktual freezer
COP aktual freezer adalah perbandingan antara kalor yang diserap
evaporator dengan energi listrik yang diperlukan untuk menggerakkan kompresor.
Nilai COP mesin pendingin dapat dihitung dengan persamaan :
COPaktual = Qin/Win = (h1-h4)/(h2-h1). ……….….…..……....(2.6) Nilai COP lebih besar dari 1. Semakin tinggi nilai COP semakin baik, tetapi nilai
e. COP ideal freezer
COP ideal freezer adalah COP maksimum yang dapat dicapai oleh mesin
pendingin yang bekerja pada temperatur kerja evaporator sebesar te dan
temperatur kerja kondenser sebesar tc . Besarnya COP ideal dapat dihitung
dengan persamaan :
COPideal = (273,15+te)/(tc–te) ………..…..…..(2.7) Te : suhu evaporator, oC
Tc : suhu condenser, oC
f. Efisiensi freezer
Efisiensi freezer adalah presentase perbandingan antara COPactual dan COPideal. Besarnya Efisiensi freezer dapat dihitung dengan persamaan (2.8) :
Efisiensi = (COPaktual/COPideal)x 100 % ………..…...(2.8)
