BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI
2.1 Dasar Teori
Sistem AC mobil digunakan untuk membuat kondisi udara di dalam ruangan
menjadi nyaman. Apabila suhu udara pada ruangan tinggi maka kalor akan diserap dari
udara sehinga temperature udara turun dan apabila udara mempunyai kelembaban yang
tinggi maka akan di kurangi kelembabannya sampai dengan tingkat yang diinginkan.
Selain itu system AC mobil juga berfungsi untuk mengkondisikan udara menjadi
bersih, udara luar sebelum masuk keruangan mobil melewati beberapa kali
penyaringan sehingga ketika masuk kondisi udara sudah menjadi bersih. Siklus kerja
AC mobil adalah siklus kompresi uap. Dalam bekerjanya mesin AC, Kerja fluida yang
dipergunakan dalam siklus kompresi uap disebut refrigeran. Komponen utama AC
mobil terdiri dari : Kompresor, kondensor, receiver dryer, katup ekspansi dan
evaporator. Komponen tambahan berupa blower, dan peralatan listrik. Pada AC mobil
terdapat 2 blower. Blower yang pertamadipasang di dekat kondensor dipergunakan
untuk mempercepat kondensor dalam membuang kalor. Sedangkan blower kedua
dipergunakan untuk menghisap udara luar ruangan yang kemudian dilewatkan ke
evaporator dan menghembuskannya ke dalam ruangan mobil. Blower kedua ini
yang dipergunakan kembali untuk mengkondisikan udara di dalam ruangan mobil.
Dengan adanya udara balik maka akan menghemat bahan bakar
Gambar 2.1 Skematik AC mobil
Pada kompresor terdapat kopling magnet. Kopling magnet berfungsi untuk
memutuskan daya dari penggerak kompresor. Pada mobil penggerak kompresor adalah
Gambar 2.2 AC mobil YANG terpasang
a. Kompresor
Kompresor merupakan unit tenaga dalam sistem AC. Kompresor akan
memompa gas refrigeran dibawah tekanan dan panas yang tinggi pada sisi tekanan
tinggi dari sistem dan menghisap gas bertekanan rendah pada sisi intake (sisi tekanan
rendah). Kompresor adalah suatu alat dalam AC mobilyang cara kerjanya dinamis atau
bergerak. Kompresor berfungsi untuk menaikkan tekanan freon (daritekanan rendah ke
tekanan tinggi). Kompresor bekerja menghisap sekaligusmemompa refrigeran
sehingga terjadi sirkulasi (perputaran) refrigeran. Kompresor yang sering dipakai pada
AC mobil adalah : swash plate, resipro (crank shaft) dan wobble plate . Pada kompresor
jenis swash plate, gerakan torak diatur oleh swash plate pada jarak tertentu dengan 6
yang lainnya melakukan langkah isap. Pada dasarnya, proses kompresi pada tipe ini
sama dengan proses kompresi pada kompresor tipe crank shaft. Perbedaannya terletak
pada adanya tekanan oleh katup isap dankatup tekan. Selain itu , perpindahan gaya pada
tipe swash plate tidak melalui batang penghubung (connecting rod), sehingga
getarannya lebih kecil.
Gambar 2.3 Kompresor jenis swash plate
Selain kompresor swash plate terdapat juga kompresor resipro (crank shaft) dan
wobble plate yang biasa digunakan dalam mesin AC mobil. Kompresor resipro (crank
shaft) bekerja dengan memanfaatkan gerak putar dari mesin yang diterima oleh crank
shaft kompresor. Di dalam kompresor gerak putar dari crank shaft diubah menjadi
menjadi gerak bolak balik torak untuk menghisap dan memampatkan refrigeran.
Prinsip kerja kompresor torak terdiri dari dua langkah, yaitu langkah hisap dan langkah
kompresi. Saat langkah hisap torak bergerak turun dari titik mati atas ke titik mati
bawah, volume silinder mengembang sehingga tekanan di dalam silinder turun atau
masuk ke dalam silinder. Proses ini berlangsung sampai torak mencapai titik mati
bawah.Pada langkah kompresi, torak bergerak naik dari titik mati bawah ke titik mati
atas. Refrigeran mengalami pemampatan sehingga tekanan dan temperaturnya naik.
Akibat tekanan refrigeran yang tinggi, katup hisap akan menutup dan katup buang
membuka sehingga refrigeran keluar dan mengalir ke kondensor.
Gambar 2.4 Kompresor resipro (crank shaft)
(Sumber : https://otogembel.files.wordpress.com/2012/09/bagian-bagian-kompresor-resipro.png)
Sedangkan kompresor wobble plate adalah kompresor yang mempunyai sistem
kerja sama dengan kompresor tipe swash plate. Namun dibandingkan dengan
kompresor tipe swash plate, penggunaan kompresor tipe wobble plate lebih
sesuai dengan kebutuhan beban pendinginan. Selain itu, pengaturan kapasitas yang
bervariasi akan mengurangi kejutan yang disebabkan oleh kopling magnet (magnetic
clutch). Cara kerjanya, gerakan putar dari poros kompresor diubah menjadi gerak
bolak-balik oleh plat penggerak (drive plate) dan wobble plate dengan bantuan guide
ball. Gerakan bolak-balik ini selanjutnya diteruskan ke torak melalui batang
penghubung. Berbeda dengan jenis kompresor swash plate, kompresor jenis wobble
plate hanya menggunakan satu torak untuk satu silinder. Meskipun jenis kompresor
wobble plate mempunyai cara kerja dan konstruksi yang berbeda, namun pada
prinsipnya sama, yaitu menekan refrigeran dan menghasilkan laju aliran massa
refrigeran.
Gambar 2.5 Kompresor wobble plate
(Sumber : https://otogembel.files.wordpress.com/2012/09/bagian-bagian-kompresor-tipe-wobble-plate.png)
Kompresor bekerja secara dinamis atau bergerak. Pergerakanya dengan
menghisap sekaligus memompa udara sehingga terjadilah sirkulasi (perputaran) udara
yang mengalir dari pipa‐pipa AC mobil. Fase refrigeran ketika masukdan keluar kompresor berupa gas. Kondisi gas keluar kompresor berupa uap panaslanjut. Suhu gas
refigeran keluar dari kompresor lebih tinggi dari suhu kerjakondensor.
b. Kondensor
Kondensor di dalam sistem air conditioner merupakan alat yang digunakan untuk
merubah gas refrigeran bertekanan tinggi menjadi cairan. Alat tersebut melakukan cara
ini dengan menghilangkan panas dari refrigeran ke temperature atmosfir. Kondensor
terdiri dari coil dan fin yang berfungsi mendinginkan refrigeran ketika udara tertiup
diantaranya. Kondensor ditempatkan didepan radiator yang pendinginanya dijamin
oleh kipas.Untuk refrigeran jenis R-134a menggunakan kondensor jenis parallel flow
untuk memperbaiki efek pendinginan udara. Dengan cara itu maka efek pendinginan
udara dapat diperbaiki sekitar 15% sampai 20%.
c. Katup ekspansi
Katup ekspansi adalah salah satu alat ekspansi. Alat ekspansi ini mempunyaidua
kegunaan yaitu untuk menurunkan tekanan refrigeran dan untuk mengatur aliran
refigeran ke evaporator. Katup ekspansi merupakan suatu pipa dan katup yang
mempunyai diameter yang paling kecil jika dibandingkandengan pipa‐pipa lainnya. Penurunan tekanan refrigeran dikarenakan adanya gesekan dengan bagian dalam katup
ekspansi. Proses penurunan tekanandalam katup ekspansi diasumsikan berlangsung
pada entalpi konstan atau sering disebut isoenthalpy (proses yangideal ). Pada saat
refrigeran masuk ke dalam katup ekspansi, refrigeran berada dalam fase cair
penuh,tetapi ketika masuk evaporator fase refrigeran berupa campuran fase cair dan
gas.
d. Evaporator
Zat pendingin cair dari receiver drier dan kondensor harus dirubah kembali
menjadi gas dalam evaporator, dengan demikian evaporator harus menyerap panas,
agar penyerapan panas ini dapat berlangsung dengan sempurna, pipa–pipa evaporator juga diperluas permukaannya dengan memberi kisi–kisi (elemen) dan kipas listrik (blower), supaya udara dingin juga dapat dihembus ke dalam ruangan. Rumah
evaporator bagian bawah dibuat saluran/pipa untuk keluarnya air yang mengumpul
disekitar evaporator akibat udara yang lembab. Air ini juga akan membersihkan
kotoran–kotoran yang menempel pada kisi–kisi evaporator, karena kotoran itu akan turun bersama air.
Gambar 2.8 Evaporator
e. Filter (receiver drier)
Receiver drier merupakan tabung penyimpan refrigeran cair, dan ia juga
berisikan fiber dan desiccant (bahan pengering) untuk menyaring benda-benda asing
dan uap air dari sirkulasi refrigerant. Receiver-drier menerima
cairan refrigeran bertekanan tinggi dari kondensor dan disalurkan ke katup ekspansi
glass . Cairan refrigeran dialirkan ke dalam pipa untuk disalurkan ke katup ekspansi
melalui outlet pipe yang ditempatkan pada bagian bawah main body setelah
tersaringnya uap air dan benda asing oleh filter dan desiccant. Gambar 2.7
Gambar 2.9 Receiver Drier
f. Kipas ( Fan atau Blower )
Pada komponen AC, Blower terletak di bagian indoor yang berfungsi
menghembuskan udara dingin yang di hasilkan evaporator. Fan atau kipas terletak pada
bagian outdoor yang berfungsi mendinginkan refrigeran pada kondensor serta untuk
membantu pelepasan panas pada kondensor
g. Kopling magnet
Kopling magnet adalah alat yang berfungsi menghubungkan dan memutus kompresor
dengan motor penggeraknya. Cara kerja kopling magnet : bila sakelar dihubungkan,
magnet listrik akan menarik plat penekan sampai berhubungan dengan roda pulley dan
poros kompresor terputar. Pada waktu sakelar diputuskan pegas plat pengembali akan
menarik plat penekan sehingga putaran motor penggerak terputus dari poros kompresor
(putaran mesin hanya memutar puli saja).
2.1.2 Dasar Kerja AC Mobil
AC mobil pada kendaraan terdiri dari kompresor, kondensor, receiver, katup
ekspansi dan evaporator. Gambar 2.10 menyajikan skemati AC mobil, Gambar 2.11
menyajikan siklus kompresi uap pada P-h diagram dan Gambar 2.12 Menyajikan siklus
kompresi uap pada T-S diagram.
Gambar 2.13 Skematik AC mobil
Gambar 2.14 Siklus kompresi uap pada diagram P-h
Gambar 2.15 Siklus kompresi uap dengan pemanasan lanjut dan pendinginan lanjut pada diagram T-s
a. Proses kompresi (1-2)
Proses kompresi terjadi pada tahap 1-2 dari Gambar 2.14 dan Gambar 2.15.
Refrigeran dalam bentuk uap panas lanjut masuk ke kompresor, kerja atau usaha yang
temperatur refrigeran akan lebih tinggi dari temperatur lingkungan (refrigeran
mengalami fasa superheated / gas panas lanjut).
b. Proses pendinginan suhu gas panas lanjut (2-2a)
Proses pendingin dari gas panas lanjut menjadi gas jenuh terjadi pada tahap 2-2a
dari Gambar 2.14 dan Gambar 2.15. Refrigeran mengalami penurunan suhu pada
tekanan tetap. Hal ini disebabkan adanya kalor yang mengalir ke lingkungan, karena
suhu refigeran lebih tinggi dari suhu lingkungan.
c. Proses kondensasi (2a-2b)
Proses kondensasi terjadi pada tahap 2a-2b dari Gambar 2.14 dan Gambar 2.15.
Pada proses ini gas jenuh mengalami perubahan fase menjadi cair jenuh. Proses
berlangsung pada suhu dan tekanan tetap. Pada proses ini terjadi aliran kalor dari
kondensor ke lingkungan karena suhu kondensor lebih tinggi dari suhu udara
lingkungan.
d. Proses pendinginan lanjut (2b-3)
Proses pendinginan lanjut terjadi pada tahap 2b-3 dari Gambar 2.14 dan Gambar
2.15. Pada proses pendinginan lanjut terjadi proses penurunan suhu refrigeran dari
keadaan cair jenuh ke refrigeran cair. Proses ini berlangsung pada tekanan konstan.
Proses ini di perlukan agar kondisi refrigeran keluar kondensor benar- benar dalam fase
cair
Proses penurunan tekanan terjadi pada tahap 3-4 dari Gambar 2.14 dan Gambar
2.15. Dalam fasa cair refrigeran mengalir menuju ke katup ekspansi dan mengalami
proses penurunan tekanan dan penurunan suhu. Sehingga suhu refrigeran lebih rendah
dari temperatur lingkungan. Pada tahap ini fasa refrigeran berubah dari fase cair
menjadi fase campuran : cair dan gas.
f. Proses evaporasi (4-4a)
Proses evaporasi terjadi pada tahap 4-4a dari Gambar 2.14 dan Gambar 2.15.
Refrigeran dalam fasa campuran cair dan gas mengalir ke evaporator dan kemudian
menerima kalor dari lingkungan yang akan di dinginkan sehingga fasa dari refrigeran
berubah seluruhnya menjadi gas jenuh. Proses berlangsung pada tekanan yang tetap,
demikian juga berlangsung pada suhu yang tetap.
g. Proses pemanasan lanjut (4a-1)
Proses pemanasan lanjut terjadi pada tahap 4a-1 dari Gambar 2.14 dan Gambar
2.15. Pada saat refrigeran meninggalkan evaporator refrigeran kemudian mengalami
proses pemanasan lanjut. Dengan adanya proses pemanasan lanjut fase refrigeran
berubah dari fase gas jenuh menjadi gas panas lanjut. Dengan demikian refrigeran
sebelum masuk kompresor benar – benar dalam fase gas. Proses berlangsung pada tekanan konstan.
Berikut adalah proses dari siklus kompresi uang yang terjadi dalam p-h diangram
diatas.
Proses pengembunan atau kondensasi ini merupakan proses perubahan fase dari
gas menjadi cair. Proses kondensasi berlangsung pada tekanan dan suhu yang tetap.
Pada proses kondensasi kalor dilepaskan dari kondensor ke lingkungan sekitar
kondensor. Dalam proses pelepasan kalor biasanya di bantu fan untuk mempercepat
proses pelepasan kalor.
2.1.4 Proses Pendidihan (Evaporasi)
Dalam proses pendinginan proses pendidikan atau proses evaporasi adalah proses
dimana refrigerant berubah fase dari fase cair menjadi fase gas. Dalam proses
pendidihan diperlukan kalor dari lingkungan di sekitar. Pada AC mobil proses
pendidihan refrigerant berlangsung di evaporator. Kalor untuk proses pendidihn di
ambil dari udara ruangan yang di lewatkan evaporator.
2.1.5 Beban Pendinginan
Beban pendinginan pada AC mobil adalah energy kalor yang diserap oleh
evaporator dari mesin AC. Kalor yang diserap evaporator adalah kalor yang berasal
dari ruang kabin yang berada dalam ruang yang didinginkan.
Jenis beban pendingin dibagi menjadi 2, yaitu:
a. Beban sensible (sensible heat)
Beban sensible adalah beban yang diterima udara di dalam mobil yang dapat
berdampak pada perubahan suhu tanpa di sertai perubahan fase. Contoh beban sensible
luar mobil yang masuk melewati dinding-dinding mobil, kalor radiasi yang ,asuk
melalui dinding-dinding kaca mobil, udara luar yang msuk ke dalam mobil.
b. Beban laten (latent heat)
Beban laten adalah beban yang diterima udara di dalam mobil akibat adanya
perubahan fase. Contohnya adalah perubahna air atau keringat menjadi uap dan
pengembunan udara luar yang masuk ke dalam mobil..
2.1.6 Perhitungan Karakteristik Mesin AC
Untuk mengetahui unjuk kerja mesin AC mobil yang meliputi: kerja kompresor,
kalor yang di lepas kondensor, kalor yang di serap evaporator, COP aktual, COP ideal,
efisiensi dan laju aliran kalor, di perlukan persamaan-persamaan yang di perlukan
untuk menghitungnya.
1. Kerja kompresor
Besarnya kerja kompresor pada AC mobil persatuan massa refrigeran dapat
dihitung dengan persamaan (2.1):
�� = ℎ − ℎ (2.1)
Pada Persamaan (2.1)
ℎ = Enthalpy saat masuk kompresor
ℎ = Enthalpy saat keluar kompresor
Win = Kerja kompresor persatuan massa refrigeran
Kalor yang dilepas kondensor persatuan massa refrigeran dapat dihitung dengan
persamaan (2.2):
� = ℎ − ℎ (2.2)
Pada Persamaan (2.2)
ℎ = Enthalpy saat keluar kondensor
ℎ = Enthalpy saat keluar kondensor
� = Kalor yang dilepas kondensor persatuan massa refrigeran 3. Kalor yang diserap evaporator
Kalor yang diserap evaporator persatuan massa refrigeran dapat dihitung dengan
Persamaan (2.3):
�� = ℎ − ℎ (2.3)
Pada Persamaan (2.3)
ℎ = Enthalpy saat keluar evaporator
ℎ = Enthalpy saat masuk evaporator
�� = Kalor yang diserap evaporator persatuan massa refrigeran 4. Coefficient of Performance (COP aktual)
COP dipergunakan untuk menyatakan perfomance (unjuk kerja) dari siklus
refrijerasi. Semakin tinggi COP yang dimiliki oleh suatu mesin pendingin maka akan
semakin baik mesin pendingin tersebut. COP tidak mempunyai satuan karena
merupakan perbandingan antara dampak refrigerasi (h1-h4)dengan kerja kompresor (h2 -h1) dinyatakan dalam Persamaan (2.4)
COP
aktual=
ℎ −ℎ4 ℎ −ℎ (2.4)Pada Persamaan (2.4) :
o COP aktual : koefisien prestasi mesin AC mobil aktual
o h1 : entalpi refrigeran saat masuk kompresor (kJ/kg)
o h2 : entalpi refrigeran saat keluar kompresor (kJ/kg)
o h4 : entalpi refrigeran saat masuk evaporator (kJ/kg) 5. COPideal (Coefficient of Performance).
Besarnya koefisien yang menyatakan performance dalam posisi ideal pada siklus
kompresi uap dapat dihitung dengan Persamaan (2.5)
COP ideal = �
� −� (2.5)
Pada Persamaan (2.5) :
o COP ideal :koefisien prestasi maksimum mesin AC mobil,
o Te :suhu evaporator (K)
o Tc :suhu kondensor (K)
6. Efisiensi mesin AC mobil
Besarnya efisiensi mesin AC mobil dapat dihitung dengan menggunakan
Persamaan (2.6)
h =� � �
Pada Persamaan (2.6) :
o COPideal : koefisien prestasi maksimum mesin AC mobil
o COPaktual : koefisien prestasi aktual mesin AC mobil 7. Laju aliran massa
Laju aliran massa refrigerant di dalam mesin AC dapat dihitung dengan
persamaan
m = � / �� =
�� (2.7)
Pada Persamaan (2.7)
m : Laju aliran massa refrigeran
V : Voltase kompresor
I : Arus kompresor
P : Daya kompresor
Dengan bantuan diagram tekanan-entalpi, mulai entalpi di setiap proses pada
siklus kompresor uap dapat diketahui dengan demikian kerja kompresor, kalor yang di
lepas kondensor persatuan massa kalor yang diserap evaporator, COP actual, COP
ideal, efisiensi, laju aliran massa. Pada mesin AC mobil ini di perlukan 134a dan P-h
Gambar 2.16 P-h diagram refrigeran R-134a