BAB II DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Dasar Teori
2.1.1 Mesin Pendingin yang Diteliti
Mesin pendingin yang diteliti menggunakan kondensor tipe U dengan 2 ukuran berbeda, yaitu kondensor 12U dan 13U. Gambar 2.1 menyajikan sketsa mesin pendingin yang diteliti.
Gambar 2.1 Sketsa mesin pendingin yang diteliti
Kotak Pendingin Evaporator Kondenser Fan/kipas Kompresor Pipa kapiler Filter Katup pengatur kondenor Kerangka mesin
5
2.1.1.1 Variasi Kondensor Pada Mesin Pendingin yang Diteliti
Kondensor yang digunakan adalah kondensor tipe U dengan 2 ukuran kondensor yang berbeda, yaitu 12U dan 13U. Kondensor tipe U adalah kondensor yang bentuk pipanya ditekuk hingga membentuk huruf U, sedangkan ukuran 12U atau 13U itu ditentukan oleh banyaknya lengkungan yang terdapat pada kondensor tersebut. Misalnya kondensor 12U, berarti kondensor tersebut memiliki lengkungan U sebanyak 12 lengkungan, 13U memiliki lengkungan sebanyak 13 lengkungan, begitu seterusnya. Gambar 2.2 menyajikan contoh foto kondensor tipe U.
Gambar 2.2 Kondensor tipe U
Gambar 2.2 menyajikan foto kondensor tipe U dengan ukuran 8U, yang memiliki 16 baris (row). Semakin banyak lekukan U pada kondensor, semakin panjang pipa kondensornya.
2.1.2 Komponen-Komponen Utama Mesin Pendingin
Untuk beroperasi dengan sistem kompresi uap, mesin pendingin kulkas memiliki komponen-komponen yang mendukung proses pengoprasiannya, yaitu:
6
a. Kompresor
Kompresor adalah alat yang digunakan untuk mensirkulasikan refrigeran dengan cara meningkatkan tekanan refrigeran. Cara kerja kompresor adalah menghisap refrigeran lalu mendorongnya dengan piston untuk diteruskan ke pipa yang menuju kondensor. Ada 3 jenis kompresor, yaitu hermetic, semi-hermetic, dan open type. Kompresor hermetic adalah kompresor yang poros engkol dan motor penggeraknya dalam satu casing kompresor. Kompresor semi-hermetic adalah kompresor yang poros engkol dan motor penggeraknya terpisah tetapi masih dalam satu kompresor. Kompresor open type adalah kompresor yang poros penggeraknya terpisah dengan motor listriknya. Tidak dalam satu casing, sehingga memerlukan belt untuk menggerakan kompresor dari motor listriknya.
Gambar 2.3 Kompresor hermetic
Keuntungan kompresor hermetic adalah bentuknya yang kecil karena poros kompresor dengan motor listriknya dalam satu casing, harganya lebih murah dari pada kompresor jenis lain, tidak berisik, tidak menghasilkan getaran yang kuat dan tidak memakai tenaga penggerak dari luar.
Kekurangan kompresor hermetic adalah jika bagian dalam kompresor yang rusak maka harus merusak casingnya, minyak pelumas kompresor hermetic susah diperiksa.
7
Gambar 2.4 Kompresor semi-hermetic
Kelebihan kompresor semi-hermetic adalah perawatan lebih mudah dari pada kompresor hermetic, tidak perlu memotong casing kompresor untuk memperbaiki bagian kompresor, tidak memakai tenaga penggerak dari luar, tidak berisik dan tidak menghasilkan getaran yang kuat.
Kekurangan kompresor semi-hermetic adalah masih terlalu besar untuk kulkas 2 pintu, dan harganya mahal.
Gambar 2.5 Kompresor open type
Kelebihan kompresor open type adalah jika pada motornya rusak dapat diperbaiki motornya saja, kecepatan putar (rpm) kompresor dapat diatur dengan menggunakan puli, minyak kompresor mudah diperiksa, jika tidak ada listrik kompresor open type dapat dihidupkan dengan menggunakan tenaga diesel atau motor bensin.
Kekurangan kompresor open type adalah bentuknya paling besar, bobotnya paling berat, dan harganya paling mahal dari kompresor jenis lain.
8
b. Kondensor
Kondensor adalah alat untuk melepas kalor dari refrigeran yang masuk dari kompresor. Pada kondensor terjadi proses penurunan temperatur, kondensasi dan pendinginan lanjut. Di dalam kondensor terjadi perubahan fase dari gas panas lanjut menjadi gas jenuh, gas jenuh menjadi cair jenuh dan cair jenuh menjadi cair lanjut yang disertai penurunan temperatur di pendinginan lanjut.
Gambar 2.6 Kondensor
Kondensor dibagi menjadi 2 jenis: kondensor bersirip, dan kondensor biasa. Pada sebuah mesin pendingin pemakaian kondensor disesuaikan pada kegunaan (kulkas menggunakan kondensor biasa dan AC menggunakan kondensor bersirip).
c. Filter
Filter adalah alat untuk menyaring kotoran yang dibawa oleh refrigeran sebelum memasuki pipa kapiler. filter dapat menyaring kotoran hasil pengelasan, hasil korosi, dan air yang terkandung dalam refrigeran.
9
Gambar 2.7 Filter d. Pipa kapiler
Pipa kapiler adalah pipa untuk menurunkan tekanan dari refrigeran karena diameter pipa yang kecil sehingga terjadi hambatan yang dapat menurunkan tekanan refrigeran sebelum masuk kedalam evaporator. temperatur refrigeran menurun.
Gambar 2.8 Pipa kapiler
Panjang pipa kapiler yang biasa digunakan pada kulkas 2 pintu adalah 1,5 m dengan diameter 0,028 inch. Bahan pipa kapiler terbuat dari tembaga. Sedangkan pada mesin pendingin AC, lebih sering digunakan katub ekpansi.
e. Evaporator
Evaporator adalah alat untuk menyerap kalor yang berasal dari beban pendinginan di ruang pendinginan. Pada evaporator terjadi perubahan fase refrigeran dari campuran cair jenuh menjadi gas panas lanjut tanpa adanya perubahan temperatur, dan perubahan fase dari gas menjadi gas panas lanjut yang disertai dengan peningkatan temperatur pada pemanasan lanjut.
10
Gambar 2.9 Evaporator AC (kiri) dan kulkas 2 pintu (kanan)
Jenis-jenis evaporator ada 2 yaitu evaporator bersirip dan evaporator jenis plat. Beda evaporator bersirip dan evaporator pipa berplat fungsi dan bentuknya. Fungsi evaporator bersirip adalah untuk mendinginkan udara, evaporator plat pada kulkas 1 pintu untuk mendinginkan beban pendingin yang bersentuhan dengan evaporator oleh karena itu evaporator bersirip terdapat rongga dan sirip agar udara yang melewati evaporator dapat bersentuhan dengan evaporator. Evaporator jenis pipa berplat kulkas 1 pintu berbentuk plat agar dapat menampung barang yang menjadi beban pendingin.
f. Kipas (fan)
Kipas adalah alat untuk mensirkulasikan udara dingin dari evaporator ke ruang pendinginan dan ke evaporator lagi. Pada kulkas 2 pintu udara dingin yang dihembuskan yang akan mendinginkan benda-benda yang akan didinginkan atau dibekukan di dalam ruang evaporator.
11
g. Refrigeran
Pada suatu sistem pendingin kompresi uap refrigeran adalah bagian yang penting dalam fluida yang digunakan. Refrigeran berfungsi sebagai cairan untuk menyerap kalor di evaporator dan melepas kalor di kondensor. Refrigeran yang biasa digunakan pada kulkas 2 pintu adalah R-134a. Sifat R-134a adalah tidak merusak lapisan ozon, titik didih R-134a -30°C, rumus molekul CH2FCF3.
Gambar 2.11 Refrigeran 134a
Refrigeran yang dipergunakan dalam mesin pendingin siklus kompresi uap sebaiknya mememiliki sifat-sifat sebagai berikut :
- Tidak beracun.
- Tidak menyebabkan korosi pada bahan logam 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 besar.
12
Secara khusus sifat dari refrigeran R-134a adalah:
- Tidak mudah terbakar. - Tidak merusak lapisan ozon.
- Tidak beracun, berwarna, dan berbau. - Mudah diperoleh.
- Memiliki kestabilan yang tinggi.
Salah satu aplikasi mesin pendingin adalah kulkas 2 pintu, yang saat ini sangat luas penggunaannya. Pada Gambar 2.21 disajikan contoh mesin pendingin kulkas 2 pintu yang ada di pasaran.
Gambar 2.12 Contoh kulkas 2 (dua) pintu yang umum terdapat di pasaran
Dimensi : 1090 mm x 560 mm x 535 mm
Evaporator : Aluminium pipe OD8 x t 1,0 mm
Capilary pipe : 1500 mm
13
Kompresor : Panasonic SF48C10RAX. 220V/50Hz,139W
Refrigeran : R-134a, 100 gram
Temperature Control : Automatic (Adjustable)
2.1.3 Beban Pendinginan
Beban pendinginan adalah besarnya kalor yang diserap oleh evaporator. Kalor yang diserap evaporator tersebut berasal dari benda-benda yang akan didinginkan di ruang pendinginan.
Jenis beban pendingin dibagi menjadi 2, yaitu (a) beban sensibel dan (b) beban laten
a. Beban sensibel
Beban sensibel adalah kalor yang diterima atau dilepaskan suatu benda akibat perubahan temperatur. Contoh, proses pendinginan air dari 100°C sampai menjadi es 0°C. Kalor yang dilepas air dari 100°C menjadi 0°C (masih air) disebut kalor sensibel (beban sensibel).
b. Beban laten
Kalor laten adalah kalor yang diterima atau dilepaskan suatu benda karena adanya perubahan fase. Contoh, jika air yang temperaturnya sudah 0°C jika didinginkan lagi akhirnya menjadi es. Pada temperatur 0°C tidak terjadi perubahan temperatur tetapi perubahan fase. Kalor yang diserap disini disebut kalor laten (beban laten).
2.1.4 Perubahan Fase Refrigeran Mesin Pendingin Kulkas 2 Pintu
Perubahan fase terjadi pada temperatur yang tetap. Contohnya cair menjadi padat, cair menjadi uap, padat menjadi cair, dan seterusnya. Pada sistem kompresi uap kulkas 2 (dua) pintu terjadi 2 proses perubahan fase pada refrigeran yang digunakan dalam sistem, yaitu penguapan (cair menjadi gas), dan proses pengembunan (gas menjadi cair).
14
Penguapan berarti perubahan fase dari cair menjadi gas. Pada mesin pendingin kulkas 2 (dua) pintu, proses penguapan refrigeran terjadi di evaporator. Proses penguapan ini memerlukan kalor, dan kalor tersebut diambil dari beban pendinginan. Temperatur beban pendinginan lebih tinggi dari temperatur evaporator. Perpindahan kalor terjadi dari beban pendinginan ke evaporator.
2.1.4.2 Proses Pengembunan (kondensasi)
Pengembunan adalah perubahan fase dari gas menjadi cair. Pada mesin pendingin kulkas 2 (dua) pintu proses pengembunan terjadi di kondensor. Proses pengembunan ini terjadi karena ada pelepasan kalor yang terjadi di kondensor sehingga refrigeran mengalami perubahan fasa.
2.1.5 Cara Kerja Mesin Pendingin Kulkas 2 pintu
Cara kerja mesin pendingin kulkas 2 pintu adalah dengan menggunakan siklus kompresi uap. Refrigeran ditekan oleh kompresor, dari kompresor refrigeran masuk kondensor untuk membuang panas. Refrigeran kemudian mengalir ke filter untuk disaring kotoran-kotoran yang terbawa refrigeran sebelum memasuki pipa kapiler. Pada pipa kapiler tekanan dan temperatur refrigeran diturunkan. Selanjutnya refrigeran mengalir masuk ke evaporator. Pada evaporator ada udara yang dialirkan fan untuk mendinginkan ruang pendingin. Setelah melewati evaporator refrigeran mengalir lagi masuk ke kompresor.
2.1.6 Siklus Kompresi Uap
Dari berbagai jenis sistem refrigerasi, siklus kompresi uap yang paling banyak digunakan pada mesin pendingin kulkas 2 pintu. Komponen utama yang digunakan pada siklus kompresi uap adalah kompresor, kondensor, pipa kapiler, evaporator. Skema siklus kompresi uap disajikan pada Gambar 2.22, Gambar 2.23, dan Gambar 2.24.
15
Gambar 2.13 Skema siklus kompresi uap
Gambar 2.14 Siklus kompresi uap dengan pendinginan lanjut dan pemanasan lanjut pada p-h diagram
kondensasi
h3 = h4 h1 h2
pendinginan lanjut penurunan temperatur
kompresi isentropis
pemanasan lanjut
16
Gambar 2.15 Siklus kompresi uap dengan pemanasan lanjut dan pendinginan lanjut pada diagram T-s
Proses-proses pada siklus kompresi uap tersusun atas: a. Proses 1 - 2 (Proses kompresi)
Proses kompresi dilakukan oleh kompresor. Refrigeran berbentuk gas panas lanjut bertekanan rendah masuk kompresor lalu ditekan oleh kompresor sehingga tekanan refrigeran meningkat menjadi gas panas lanjut bertekanan tinggi. Proses kompresi berlangsung secara isentropic.
b. Proses 2 - 2a (Proses penurunan temperatur)
Proses ini terjadi sebelum masuk kondensor. Pada proses ini refrigeran berbentuk gas panas lanjut menjadi gas jenuh disertai dengan penurunan temperatur. Penurunan temperatur disebabkan adanya kalor yang keluar ke udara lingkungan di sekitar kondensor. Proses berlangsung pada tekanan yang tetap.
Tc
Te
S1 = S2
17
c. Proses 2a - 2b (Proses kondensasi)
Proses ini berlangsung pada kondensor. Refrigeran bertemperatur tinggi masuk kondensor untuk melepaskan kalor sehingga terjadi proses perubahan fase. Dalam proses ini terjadi perubahan fase dari gas jenuh menjadi cair jenuh. Proses berlangsung pada tekanan tinggi yang tetap dan temperatur yang tetap. Pelepasan kalor dari kondensor dapat berlangsung karena temperatur kondensor lebih tinggi dibandingkan temperatur udara lingkungan.
d. Proses 2b - 3 (Proses pendinginan lanjut)
Pendinginan lanjut adalah proses untuk mengondisikan agar refrigeran yang keluar dari kondensor benar-benar dalam kondisi cair. Proses ini diperlukan agar refrigeran yang masuk kedalam pipa kapiler tidak bercampur dengan gas yang dapat menyebabkan timbulnya masalah pada sistem pendingin. Jika refrigeran berbentuk cairan utuh maka akan memudahkan refrigeran mengalir pada pipa kapiler. Penurunan temperatur terjadi pada proses ini. Temperatur refrigeran lebih rendah dari temperatur refrigeran saat mengembunkan di kondensor.
e. Proses 3 - 4 (Proses penurunan tekanan dan penurunan temperatur)
Pada proses ini refrigeran dalam fase cair masuk kedalam pipa kapiler agar tekanannya menurun karena diameter pipa yang kecil, sehingga terjadi hambatan yang melawan tekanan dari refrigeran. Karena diameter pipa yang sangat kecil maka terjadi penurunan tekanan, akibat adanya penurunan tekanan terjadi pula penurunan temperatur. Proses berlangsung pada entalpi yang konstan.
f. Proses 4 - 1a (Proses evaporasi)
Pada proses ini refrigeran memasuki evaporator untuk menyerap kalor pada ruang yang akan didinginkan. Pada proses ini terjadi perubahan fase dari campuran cair dan gas menjadi gas jenuh. Proses berlangsung pada temperatur dan tekanan konstan.
g. Proses 1a – 1 (Proses pemanasan lanjut)
Pemanasan lanjut adalah proses untuk mengondisikan agar refrigeran yang keluar dari evaporator benar-benar dalam bentuk gas sebelum memasuki kompresor. Jika refrigeran masuk kedalam kompresor dalam bentuk cair maka
18
akan dapat merusak kompresor. Dengan adanya pemanasan lanjut maka nilai Qin akan meningkat dan COP juga akan meningkat.
Untuk mendapatkan karakteristik kulkas 2 (dua) pintu diperlukan persamaan-persamaan perhitungan untuk menghitung Win, Qout, Qin, efisiensi, COP dan laju aliran massa.
a. Kerja kompresor (Win)
Besarnya kerja kompresor per satuan massa refrigeran dapat dihitung dengan Persamaan (2.1).
(2.1)
Pada Persamaan (2.1) :
= Kerja kompresor ( )
= Enthalpy saat masuk kompresor ( ) = Enthalpy saat keluar kompresor ( )
b. Kalor yang dilepas kondensor (Qout)
Kalor yang dilepas kondensor persatuan massa refrigeran dapat dihitung dengan Persamaan (2.2).
(2.2)
Pada Persamaan (2.2) :
= Kalor yang dilepas kondensor (
) = Enthalpy saat keluar kondensor ( ) = Enthalpy saat keluar kondensor ( )
c. Kalor yang diserap evaporator (Qin)
Kalor yang diserap evaporator persatuan massa refrigeran dapat dihitung dengan Persamaan (2.3).
19
Pada Persamaan (2.3) :
= Kalor yang diserap evaporator ( ) = Enthalpy saat keluar evaporator ( ) = Enthalpy saat masuk evaporator ( )
d. COP (Coefficient Of Performance)
COP dari kulkas 2 pintu dapat dihitung dengan persamaan (2.4) dan (2.5).
(2.4)
COP ideal =
(2.5)
Pada Persamaan (2.4) dan (2.5) :
COP ideal = koefisien prestasi maksimum kulkas 2 pintu
= koefisien prestasi aktual kulkas 2 pintu
Te = temperatur evaporator (K)
Tc = temperatur kondensor (K)
COP digunakan untuk mengetahui performa dari siklus kompresi uap. Semakin tinggi nilai COP maka semakin baik pula siklus kompresi uapnya. COP sendiri tidak memiliki satuan karena merupakan hasil pembandingan antara kalor yang diserap evaporator dengan kerja kompresor.
e. Efisiensi
Efisiensi adalah besarnya tingkat efektifitas pada kulkas 2 pintu, yang dapat dihitung dengan Persamaan (2.6).
Efisiensi =
(2.6)
20
Laju aliran massa adalah laju massa per satu satuan waktu, yang dapat dihitung dengan Persamaan (2.7).
̇ =
=
(2.7)
Pada Persamaan (2.7) :
̇ : laju aliran massa refrigeran
V : Voltase kompresor (V)
I : Arus kompresor (ampere)
P : Daya kompresor
P-h diagram digunakan untuk mengetahui nilai entalphi.. P-h diagram untuk refrigeran 134a disajikan pada Gambar 2.25.