BAB II DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Dasar Teori
2.1.1. Freezer
Freezer merupakan jenis mesin pendingin yang digunakan untuk membuat es batu dan membekukan bahan makanan seperti daging, ikan dan sebagainya agar dapat tetap segar dan tahan lama.
a. Pembagian freezer berdasarkan prinsip kerjanya.
Berdasarkan prinsip kerjanya freezer dibagi menjadi dua kategori :
- Freezer dengan daur kompresi uap
Freezer dengan sistem daur kompresi uap menggunakan kerja mekanik yang mengevaporasi dan mengkompresi refrijeran dalam proses pendinginannya.
- Freezer dengan sistem kriogenik
Freezer dengan sistem kriogenik bekerja dengan menyemprotkan secara langsung bahan pendingin berupa nitrogen cair dan karbon dioksida cair atau gas secara langsung pada bahan yang akan didinginkan.
Berdasarkan pada laju pergerakan es freezer terbagi menjadi beberapa kategori :
- Slow freezer (0,2 cm/h), contoh : chest freezer
- Quick freezer (0,5 – 3cm/h), contoh : blast freezer
- Rapid freezer (5 – 10 cm/h), contoh : fluidised bed freezer
- Ultra rapid freezer (10 – 100 cm/h) contoh : kriogenik freezer
c. Macam-macam freezer yang sering dipergunakan Beberapa jenis freezer yang sering digunakan adalah : - Chest freezer
Chest freezer merupakan jenis mesin pendingin yang berbentuk seperti peti dengan suhu kerja antara - 20⁰ C sampai -38⁰ C.
Gambar 2.1 Chest freezer
- Up right freezer
Up right freezer merupakan jenis mesin pendingin yang berbentuk seperti lemari dengan suhu kerja -20⁰C.
Gambar 2.2 Upright freezer
2.1.2. Laju perpindahan Kalor
Laju perpindahan kalor pada mesin pendingin terdiri atas dua jenis yaitu laju perpindahan kalor konduksi dan laju perpindahan kalor konveksi.
a. Laju 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 bersinggungan secara langsung.
b. Perpindahan kalor konveksi
Perpindahan kalor secara konveksi adalah proses transpor energi dengan kerja gabungan dari konduksi panas, penyimpanan energi dan gerakan mencampur. Konveksi sangat penting sebagai mekanisme perpindahan energi antara permukaan benda padat dan cairan atau gas. Perpindahan kalor secara konveksi terbagi menjadi dua cara, yaitu konveksi bebas dan konveksi paksa
- Konveksi bebas
Perpindahan kalor konveksi bebas terjadi ketika fluida yang mengalir pada proses perpindahan kalor mengalir tanpa adanya bantuan peralatan 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 peroses perpindahan kalor mengalir dengan adanya alat bantu yang memaksa fluida untuk mengalir. Alat bantu yang diperrgunakan dapat berupa pompa, blower, kipas angin atau kompressor.
2.1.3. Refrijeran
Refrijeran adalah fluida kerja yang bersirkulasi dalam siklus kompresi uap dari mesin pendingin. Refrijeran berfungsi untuk menyerap kalor dari benda-benda yang berada di dalam evaporator dan membuangnya ke lingkungan sekitar kondenser.
a. Syarat-syarat refrijeran
Refrijeran yang dipergunakan dalam mesin pendingin siklus kompresi uap sebaiknya mememiliki sifat-sifat sebagai berikut :
- Tidak beracun.
- Tidak menyebabkan korosi pada bahan logam yang yang dipakai pada mesin pendingin.
- Tidak dapat terbakar atau meledak jika bercampur dengan minyak pelumas, udara dan sebagainya.
- Mempunyai titik didih dan tekanan kondensasi yang rendah.
- Mempunyai kalor laten penguapan yang besar, agar kalor yang diserap evaporator sebesar-besarnya.
- Mempunyai konduktifitas termal yang tinggi. b. Jenis-jenis refrijeran
Refrijeran dibedakan menjadi dua jenis yaitu refrijeran primer dan refrijeran sekunder.
- Refrijeran primer
Refrijeran primer adalah fluida kerja yang digunakan oleh mesin pendingin, yang mengalami siklus kompresi uap. Refrijeran mengalami proses penguapan di evaporator dan mengalami proses pengembunan di kondenser.
- Refrijeran sekunder
Refrijeran sekunder adalah fluida yang didinginkan oleh evaporator pada sistem refrijerasi.
2.1.4. Komponen Utama Mesin Pendingin Siklus Kompresi Uap
Komponen utama mesin pendingin siklus kompresi uap terdiri dari beberapa komponen utama seperti : kompresor, evaporator, kondenser, pipa kapiler atau katup ekspansi.
Gambar 2.3 Komponen utama mesin pendingin siklus kompresi uap a. Kompresor
Fungsi kompresor pada mesin pendingin adalah untuk menaikan tekanan refrigeran dari tekanan rendah menjadi tekanan tinggi.
Jenis-jenis kompresor menurut prinsip kerjanya yang banyak digunakan pada mesin pendingin siklus kompresi uap standar adalah sebagai berikut :
Gambar 2.4 Kompresor jenis piston
Kompresor jenis piston banyak digunakan pada kulkas, freezer dan mesin pendingin lain yang memerlukan kapasitas pendinginan yang tidak terlalu besar.
- Kompresor jenis rotary
Kompresor jenis rotary banyak digunakan pada mesin pengkondisian udara jenis central, mesin pengkondisian udara rumah tangga dan mesin pendingin lain yang memerlukan kapasitas pendinginan yang besar.
Jenis-jenis kompresor jika dilihat dari posisi motor penggeraknya, dapat dibagi menjadi tiga jenis : kompresor hermetik, kompresor semi hermetik dan kompresor open type
1. Kompresor hermetic
Kompresor hermetik adalah kompresor yang motor penggerak dan kompresornya berada dalam suatu rumahan yang tertutup. Motor penggerak langsung memutarkan poros dari kompresor sehingga putaran motor penggerak sama dengan kompresor.
Keuntungan dari kompresor hermetik adalah : - Bentuknya kecil, kompak dan harganya murah.
- Tidak memakai sil pada porosnya, sehingga jarang terjadi kebocoran. - Tidak memakai tenaga penggerak dari luar sehingga tingkat kebisingannya
rendah.
Kerugian dari kompresor hermetik adalah :
- Kerusakan yang terjadi didalam kompresor susah dideteksi sebelum rumah kompresor dibuka.
- Ketinggian minyak pelumas kompresor susah diketahui. 2. Kompresor semi-hermetik
Kompresor semi adalah kompresor yang motor serta kompresornya berada di dalam satu tempat atau rumahan, akan tetapi motor penggeraknya terpisah dari kompresor. Kompresor digerakan oleh motor penggerak melalui sebuah poros penggerak.
3. Kompresor Open type
Kompresor open type adalah kompresor yang motor penggeraknya terpisah dengan kompresor. Kompresor digerakan oleh motor penggerak melalui hubungan sabuk. Kompresor ini umumnya digunakan pada mesin pendingin dengan kapasitas besar.
Keuntungan kompresor open type :
- Jika terjadi kerusakan kita dapat dengan mudah melakukan penggantian komponen.
- Ketinggian minyak pelumas dapat diketahui dengan lebih mudah. - Putaran kompresor dapat diubah dengan cara mengubah diameter puli. - Pada daerah yang belum tersedia listrik, kompresor dapat bekerja dengan
sumber tenaga lain seperti mesin diesel. Kekurangan kompresor open type : - Bentuknya besar dan berat.
- Berharga mahal. b. Evaporator
Evaporator pada mesin pendingin merupakan tempat perubahan fase refrigeran dari cairan menjadi gas (penguapan). Pada saat perubahan fase
ini diperlukan energi kalor, energi kalor diambil dari lingkungan evaporator yaitu dari bagian dalam mesin pendingin.
Gambar 2.6 Evaporator mesin freezer c. Kondenser
Kondenser pada mesin pendingin merupakan tempat perubahan fase refrigeran dari gas menjadi cairan (pengembunan atau kondensasi). Pada proses yang terjadi pada kondenser kondenser mengeluarkan kalor,kalor yang dikeluarkan kondenser dibuang keluar dan diambil oleh udara sekitar.
d. Pipa Kapiler
Pipa kapiler pada mesin pendingin berfungsi untuk menurunkan tekanan refrigeran. Pipa kapiler dipasang diantara kondenser dan evaporator, pada sisi masuk dari pipa kapiler dipasangi filter. Ketika refrijeran mengalir di dalam pipa kapiler refrigeran mengalami penurunan tekanan karena ukuran penampang pipa yang lebih kecil dari pipa sebelumnya. Diameter pipa kapiler yangumum digunakan pada mesin pendingin adalah 0,0026 dan 0,0028 m.
Gambar 2.8 Pipa kapiler
e. Filter
Filter pada mesin pendingin berfungsi untuk menyaring kotoran dari regfrigeran yang melewatinya sehingga kotoran tidak mengganggu kinerja dari mesin pendingin. Filter juga berfungsi untuk menangkap uap air dari refrijeran yang melewatinya. Jika tidak ada filter, kotoran dapat masuk ke pipa kapiler yang berukuran lebih kecil dari pipa aliran refrijeran sebelumnya dan bisa membuat aliran di dalam pipa kapiler menjadi buntu. Demikian juga dengan uap air, karena suhu yang dingin dapat
menyebabkan air menjadi beku di dalam pipa yang menyebabkan aliran refrijeran menjadi buntu.
Gambar 2.9 Filter
2.1.5. Komponen Pendukung Mesin Pendingin
Selain komponen utama, mesin pendingin juga memiliki beberapa komponen pendukung lain yang berfungsi untuk membantu kerja dari mesin pendingin yaitu : Thermostat, Overload Protector, Heater dan Fan.
a. Themostat
Themostat pada mesin pendingin berfungsi untuk mengatur suhu di dalam mesin pendingin agar sesuai dengan suhu yang telah ditentukan. Jika suhu pada mesin pendingin sesuai dengan suhu yang telah ditentukan, maka themostat akan memutus aliran listrik ke kompresor dan jika suhu pada mesin pendingin di atas dari suhu yang telah ditentukan, maka themostat akan mengalirkan listrik ke kompresor.
Gambar 2.10 Thermostat b. Overload motor protector
Overload motor protector pada mesin pendingin merupakan pengaman yang berfungsi untuk melindungi motor kompresor dari beban kerja yang berlebihan. Ketika kompresor mengalami panas yang berlebihan maka
Overload motor protector akan memutus arus ke motor kompresor agar kompresor tidak mengalami kerusakan.
Gambar 2.11Overload motor protector
Heater pada mesin pendingin berfungsi untuk mencairkan bunga es yang terdapat pada evaporator. Heater juga dapat mencegah bunga es pada rak es dan rak penyimpanan lainnya di mesin pendingin.
Gambar 2.12 Heater
d. Fan
Fan pada mesin pendingin berfungsi untuk mensirkulasikan suhu dingin dari evaporator ke seluruh bagian penyimpanan dari mesin pendingin. Fan juga berfungsi mencegah terjadinya bunga es di evaporator, tanpa fan maka suhu dingin akan terkumpul di evaporator saja dan akan menghasilkan bunga es.
2.1.6. Siklus Kompresi Uap
Siklus kompresi uap dengan pemanasan lanjut pada diagram P-h dapat digambarkan seperti pada gambar 2.14.
Gambar 2.14 Diagram P-h
Skema siklus kompresi uap dengan pemanasan lanjut dapat digambarkan seperti pada Gambar 2.15.
Siklus kompresi uap pada gambar 2.14 dan 2.15 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 2.14 dan 2.15. Refrigeran dalam bentuk uap masuk ke kompresor, kerja atau usaha yang diberikan pada refrijeran akan menyebabkan kenaikan pada tekanan sehingga temperatur refrigeran akan lebih tinggi dari temperatur lingkungan atau refrigeran mengalami fasa superheated.
b. Proses kondensasi
Proses kondensasi terjadi pada tahap 2-3 dari gambar 2.14 dan 2.15. Refrigeran dalam fasa superheated memasuki kondenser dan mengalami pelepasan kalor pada tekanan konstan ke lingkungan yang menyebabkan penurunan dari fasa superheated dan pengembunan refrijeran.
c. Proses ekspansi
Proses ekspansi terjadi pada tahap 3-4 dari gambar 2.14 dan 2.15. 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 cair jenuh.
Proses evaporasi terjadi pada tahap 4-5 dari gambar 2.14 dan 2.15. Refrigeran dalam fasa cair jenuh mengalir ke evaporator memiliki tekanan dan 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 Karakteristik Mesin Pendingin
Dengan bantuan diagram entalpi-tekanan, besaran yang penting dalam siklus kompresi uap dapat diketahui. Kerja kompresi, energi kalor yang diserap evaporator, energi kalor yang dilepas kondenser dan koefisien prestasi (COP).
a. Kerja kompresor (Wcomp)
Kerja kompresor persatuan massa refrijeran merupakan perubahan entalpi pada titik 1-2 di Gambar 2.15, yang dapat dihitung dengan persamaan (2.3)
Wcomp = h2 – h1 , kJ/kg (2.3) b. Energi kalor persatuan massa refrijeran yang dilepas oleh kondenser
Energi kalor persatuan massa refrijeran yang dilepas oleh kondenser merupakan perubahan entalpi pada titik 2-3 di Gambar 2.15, perubahan entalpi tersebut dapat dihitung dengan persamaan (2.4).
Qkon = h3 – h2 , kJ/kg (2.4) c. Energi kalor persatuan massa yang diserap evaporator
Energi kalor persatuan massa yang diserap oleh evaporator merupakan proses perubahan entalpi pada titik 4-1 di Gambar 2.15, perubahan entalpi tersebut dapat dihitung dengan persamaan (2.5).
Qevap = h5– h4 , kJ/kg (2.5) d. Koefisien prestasi (COP)
Koefisien prestasi siklus kompresi uap standar adalah dampak refrijerasi dibagi kerja kompresi, yang dapat dihitung dengan persamaan (2.6) COPaktual = Qin/Win = (h1-h4) / (h2-h1) ( 2.6)