2.1 Dasar Teori
2.1.1 Mesin Pendingin
Mesin pendingin adalah alat yang bekerja untuk menurunkan suhu dari bahan yang didinginkan. Contoh mesin pendingin yaitu Showcase, kulkas, freezer, atau AC. Siklus kerja dari mesin pendingin menggunakan siklus kompresi uap. Proses pendinginan menggunakan bahan pendingin (refrigeran). Refrigeran bersirkulasi menyerap panas dan melepaskan kalor dengan disertai perubahan tekanan di dalam sistem dari tekanan rendah menjadi tekanan tinggi, dan dari tekanan tinggi ke tekanan rendah, begitu selanjutnya selalu bersirkulasi secara terus menerus.
Untuk menjaga temperatur rendah pada mesin pendingin memerlukan tempat pembuangan kalor (kondensor) dan tempat penyerapan kalor (evaporator). Siklus kompresi uap bekerja dengan menyerap energi kalor dari ruang pendinginan yang diperlukan untuk merubah fase refrigeran dari fase cair menjadi gas. Kalor yang diserap di evaporator kemudian dibuang di kondensor. Proses perubahan fase dari cair menjadi gas berlangsung pada suhu yang tetap dan berlangsung di evaporator. Pada saat pembuaangan kalor di kondensor, selain proses penurunan suhu refrigeran, proses juga disertai dengan proses pengembunan yang berlangsung pada tekanan yang tetap. Prinsip kerja mesin pendingin adalah jika motor penggerak berputar maka akan memutar kompresor. Dengan berputarnya kompresor, suhu maupun tekanan refrigeran akan naik. Hal ini disebabkan
molekul-molekul dari refrigeran bergerak lebih cepat akibat proses kompresi. Dari kompresor refrigeran akan mengalir menuju kondensor untuk melepaskan kalor ke lingkungan sekitar kondensor.
Kalor dari kondensor dapat mengalir ke lingkungan di sekitar kondensor karena suhu kondensor lebih tinggi dari suhu lingkungan. Setelah mengalami perubahan fase dari gas menjadi cair, refrigeran keluar dari kondensor, refrigeran kemudian mengalir menuju pipa kapiler dengan melewati filter terlebih dahulu untuk mengalami proses penyaringan kotoran. Di pipa kapiler refrigeran mengalami proses penurunan tekanan dan suhu. Proses di pipa kapiler berlangsung pada entalpi yang tetap. Fase refrigeran berubah dari fase campuran yaitu fase cair dan gas. Dari pipa kapiler, refrigeran mengalir ke evaporator. Didalam evaporator refrigeran mengalami perubahan fase dari campuran ( cair + gas ) menjadi gas semuanya. Proses perubahan fase ini dapat terjadi karena adanya kalor yang mengalir dari lingkungan sekitar evaporator ke dalam evaporator. Kalor dapat mengalir karena suhu lingkungan lebih tinggi dari suhu kerja evaporator. Keluar dari evaporator, refrigeran dihisap kembali ke kompresor dan siklus kompresi berlangsung kembali seperti semula.
2.1.2 Showcase
Showcase adalah lemari pendingin minuman dalam kemasan. Secara umum merupakan suatu mesin pendingin yang fungsinya mendinginkan minuman. Mesin showcase bekerja dengan siklus kompresi uap
Gambar 2.1 Showcase 1. Kompresor 2. Kondensor 3. Pipa kapiler 4. Evaporator 5. Filter
Komponen utama dari showcase yaitu kompresor, kondensor, pipa kapiler, evaporator, dan refrigeran sebagai fluida kerja yang bersirkulasi pada bagian-bagian tersebut, serta beberapa peralatan tambahan : filter dan termostat.
a. Kompresor
Kompresor adalah alat yang berfungsi menaikkan tekanan refrigeran, sehingga refrigeran dapat tersirkulasi dengan baik. Jenis kompresor yang biasa
dipergunakan pada showcase adalah kompresor hermetik. Pada kompresor
hermetik, motor listrik dan komponen – komponen yang lainnya menyatu dalam satu rumah. Fase refrigeran ketika masuk dan keluar kompresor berupa gas. Kondisi gas keluar kompresor berupa uap panas lanjut. Suhu gas refrigeran keluar dari kompresor tinggi, lebih tinggi dari suhu kerja kondenser demikian pula dengan nilai tekanannya. Proses berlangsung secara isentropic adiabatis. Pada proses ini entalpi refrigeran mengalami kenaikan, sebesar : ∆h = h2-h1.
b. Kondensor
Fungsi dari kondensor untuk mengubah fase gas menjadi cair. Kondensor ini merupakan tempat pembuangan kalor. Sebagai akibat dari kehilangan kalor, kondisi refrigeran mengalami perubahan dari gas panas lanjut menjadi gas jenuh, kemudian mengalami proses pengembunan dan berubah menjadi cair. Berlangsung pada tekanan dan suhu yang tetap.
c. Pipa Kapiler
Merupakan alat yang berfungsi menurunkan tekanan dan menurunkan suhu. Pipa kapiler mempunyai diameter terkecil. Refrigeran yang mengalir di dalam saluran pipa yang berdiameter kecil akan mengalami gesekan yang cukup
besar, yang mengakibatkan proses penurunan tekanan. Diameter pipa kapiler yang dipergunakan pada showcase adalah 0,026 in. Proses penurunan tekanan di dalam pipa kapiler diasumsikan berlangsung pada entalpi konstan (proses yang ideal). Pada saat masuk pipa kapiler, fase freon cair penuh, tetapi ketika masuk evaporator fase freon berupa campuran fase cair dan gas.
d. Evaporator
Evaporator adalah tempat penyerapan kalor dan tempat terjadinya perubahan fase Refrigeran dari cair menjadi gas. Di dalam evaporator refrigeran mengalami proses penguapan dari refrigeran cair menjadi gas. Panas diambil dari lingkungannya sehingga beban yang akan didinginkan menjadi dingin. Pipa evaporator terbuat dari tembaga karena tembaga mudah menghantar panas dengan baik. Pada proses perubahan fase terjadi peningkatan entalpi refrigeran yang
besarnya ∆h = h1-h4. Proses penguapan freon di evaporator berlangsung pada
tekanan dan suhu yang tetap. e. Filter
Filter adalah alat yang digunakan untuk menyaring kotoran dalam sistem agar tidak terjadi penyumbatan pada pipa kapiler. Misalnya sisa pengelasan yang masuk sistem, korosi pipa, kotoran, serbuk-serbuk sisa pemotongan, atau uap air.
f. Termostat
Termostat berfungsi untuk mengatur suhu ruang pendinginan. Termostat akan mematikan kompresor apabila suhu yang didapat telah sesuai dengan pengaturan yang sudah diset. Sebagai contoh pada kontrol termostat diputar kearah 5°C maka
kompresor akan mati ketika suhu ruang mencapai suhu tersebut, dan menyala lagi jika suhu lebih tinggi dari 5°C.
2.1.3 Refrigeran
Refrigeran adalah suatu zat yang mudah dirubah bentuknya dari gas menjadi cair dan sebaliknya, dipakai untuk mengambil kalor dari evaporator dan membuangnya ke kondensor.
Macam – macam refrigeran diantaranya adalah :
a. Ammonia (NH3)
Ammonia (R717) digunakan secara luas pada refregerasi yang besar (industri). Titik didih normalnya adalah 33°C. Ammonia mempunyai karakteristik bau meskipun pada konsentrasi yang kecil di udara. Karena efek korosi dari ammonia, tembaga atau campuran tembaga harus tidak digunakan pada mesin-mesin dengan ammonia.
b. Refrigeran-12
Simbolnya R-12 dan rumus kimianya CCl2F2. Refrigeran ini tidak ramah lingkungan, R-12 mempunyai titik didih -30°C pada tekanan 1 atm. R-12 ini sudah mulai ditinggalkan pemakaiannya karena mampu merusak lapisan ozon. c. Refrigeran - 22
Disimbolkan R-22 rumus kimianya CHCIF2 mempunyai titik didih -41°C Refrigeran ini di gunakan untuk menggantikan R-12. Refrigeran ini juga tidak ramah lingkungan, sehingga tidak dipakai lagi karena juga merusak lapisan ozon.
d. Refrigeran - 134a
Refrigeran ini dilambangkan R-134a rumus kimianya CH3CHF2F. R134a
pada tekanan 101,3 kPa mempunyai titik didih – 26,2 °C dan memiliki titik beku – 96,6 °C. Refrigeran ini memiliki Tekanan kritis 4,06 MPa dan temperatur kritis 101,10 C. Refrigeran ini memiliki kelebihan tidak mudah terbakar, tidak merusak ozon, memiliki kestabilan yang tinggi, dan ramah lingkungan. Kelemahan R-134a harga belinya relatif mahal. Pada saat ini refrigeran ini banyak dipergunakan. e. Refrigeran – 600a
Simbolnya R-600a dan rumus kimianya C4H10. Disebut juga isobutana yang memiliki karbon tersier. Bobot molekul 58.12. Refrigeran ini cukup banyak di gunakan untuk saat ini, R-600a sebagai pengganti R-12 karena kekhawatiran akan semakin menipisnya lapisan ozon, sebab R-12 dapat merusak ozon.
2.1.4 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 kalor 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. Laju Perpindahan kalor konveksi
Perpindahan kalor secara konveksi adalah proses transportasi 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.
1. 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.
2. 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 dipergunakan dapat berupa pompa,blower, kipas angin atau kompressor.
2.1.5 Siklus Kompresi Uap pada Showcase
Siklus yang dipergunakan pada mesin pendingin showcase adalah siklus kompresi uap. Komponen utama pada showcase adalah (a) kompresor, (b) kondensor, (c) Pipa kapiler, (d) evaporator, dan (e) filter (komponen tambahan).
Fluida kerja yang dipergunakan pada siklus kompresi uap adalah refrigeran. Skematik mesin showcase siklus kompresi uap tersajikan pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2 Skematik mesin showcase dengan siklus kompresi uap Siklus kompresi uap jika di sajikan pada diagram P-h dan diagram T-s seperti terjadi pada Gambar 2.3 dan Gambar 2.4.
Proses yang terjadi pada siklus kompresi uap mesin refrigerasi : ● Proses (l -2)
Proses (l -2) adalah proses kompresi. Proses ini berlangsung di kompresor secara isentropik adiabatik ( isoentropi atau entropi konstan ). Kondisi awal refrigeran pada saat masuk di kompresor adalah uap jenuh bertekanan rendah, setelah dikompresi refrigeran menjadi uap panas lanjut bertekanan tinggi.
Gambar 2.3 Diagram P-h
Proses berlangsung secara isentropik. Temperature refrigeran ke luar dari kompresorpun meningkat.
● Proses (2-2a)
Proses (2-2a) adalah proses penurunan suhu. Proses ini berlangsung sebelum memasuki kondensor. Refrigeran yang bertekanan dan bertemperatur tinggi keluar dari kompresor membuang kalor di kondensor sehingga fasenya berubah dari gas panas lanjut menjadi cair.
● Proses (2a -3a)
Proses (2a -3a) adalah proses pembuangan kalor ke lingkungan sekitar kondenser pada suhu yang tetap. Di kondensor terjadi pertukaran kalor antara refrigeran dengan udara, kalor berpindah dari refrigeran ke udara yang ada sekitar kondensor sehingga refrigeran mengembun menjadi cair. Di kondensor terjadi isobar (tekanan sama) dan isotermal (suhu sama). Pada kondisi ini refrigeran dalam kondisi zat cair karena proses kondensasi.
● Proses (3a-3)
Proses (3a-3) adalah proses pendinginan lanjut. Terjadi pelepasan panas yang lebih besar dari pada yang dibutuhkan untuk kondensasi sehingga suhu refrigeran cair yang keluar dari kondensor lebih rendah dari suhu pengembunan dan berada pada keadaan cair super-dingin (cair terkompresi).
● Proses (3-4)
Proses (3-4) adalah proses ekspansi. Proses ini berlangsung di pipa kapiler secara isoentalpi (entalpi sama). Hal ini berarti tidak terjadi penambahan entalpi tetapi terjadi penurunan tekanan dan penurunan temperatur.
● Proses (4 -1a)
Proses (4 -1a) adalah proses evaporasi. Proses ini berlangsung di evaporator secara isobar (tekanan sama) dan isotermal (suhu sama). Refrigeran dalam wujud cair bertekanan rendah menyerap kalor dari lingkungan sekitar / media yang didinginkan sehingga wujudnya berubah menjadi gas jenuh bertekanan rendah. ● Proses (1a ke 1)
Proses (1a ke 1) adalah proses pemanasan lanjut. Pada proses ini temperatur refrigeran mengalami ( super heat ). Walaupun temperatur uap refrigeran ( super heat ) naik, tetapi tekanan tidak berubah. Sebenarnya ada perubahan sedikit namun perubahan – perubahan ini diabaikan dalam siklus refrigerasi.
2.1.6 Perhitungan Karakteristik Showcase
Dengan diagram entalpi-tekanan, besaran yang penting dalam siklus kompresi uap dapat diketahui. Besaran-besaran kerja kompresi, laju pengeluaran kalor, dampak refrigerasi, koefisien prestasi (COP).
a. Kerja kompresor (Win)
Kerja kompresor persatuan massa refrijeran merupakan perubahan entalpi pada titik 1-2 di Gambar 2.3, yang dapat dihitung dengan persamaan (2.1)
Win = h2– h1 , kJ/kg (2.1) Pada persamaan (2. l) :
Win : kerja kompresor persatuan massa refrigeran, kJ/kg
h1 : nilai entalpi refrigeran saat masuk kompresor, kJ/kg
b. Energi kalor persatuan massa refrijeran yang dilepas oleh kondenser (Qout)
Energi kalor persatuan massa refrijeran yang dilepas oleh kondenser merupakan perubahan entalpi pada titik 2-3 di Gambar 2.3, perubahan entalpi tersebut dapat dihitung dengan persamaan (2.2)
Qout = h2– h3, kJ/kg (2.2) Pada persamaan (2.2) :
Qout : energi kalor yang dilepas kondensor persatuan massa
refrigeran, kJ/kg
h3 : nilai entalpi refrigeran saat keluar kondensor, kJ/kg
h2 : nilai entalpi refrigeran saat masuk kondensor, kJ/kg
c. Energi kalor persatuan massa yang diserap evaporator (Qin)
Energi kalor persatuan massa yang diserap oleh evaporator merupakan proses perubahan entalpi pada titik 4-1 di Gambar 2.3, perubahan entalpi tersebut dapat dihitung dengan persamaan (2.3)
Qin = h1– h4, kJ/kg (2.3) Pada persamaan (2.3) :
Qin : energi kalor yang diserap evaporator persatuan massa refrigeran, kJ/kg
h1 : nilai entalpi refrigeran saat keluar evaporator atau sama dengan nilai
entalpi pada saat masuk kompresor, kJ/kg
h4 : nilai entalpi refrigeran saat masuk evaporator atau sama dengan nilai
entalpi saat keluar dari pipa kapiler. Karena proses pada pipa kapiler berlangsung pada entalpi yang tetap maka nilai h4=h3, kJ/kg
d. Koefisien Prestasi / Coefficient Of Performance (COP)
Koefisien prestasi siklus kompresi uap standar adalah pembanding antara panas yang dilepaskan dari ruang yang didinginkan dengan kerja yang disalurkan. Dampak refrijerasi dibagi kerja kompresi, yang dapat dihitung dengan persamaan (2.4)
COPaktual = Qin/Win = (h1-h4) / (h2-h1) ( 2.4) Pada persamaan (2. 4) :
COPaktual : koefisien prestasi showcase aktual
Qin : kalor yang diserap evaporator persatuan massa refrigeran, kJ/kg
Win : kerja yang dilakukan kompresor persatuan massa refrigeran, kJ/kg
h1 : nilai entalpi refrigeran saat keluar evaporator atau sama dengan nilai
entalpi pada saat masuk kompresor, kJ/kg
h2 : nilai entalpi refrigeran saat masuk kondensor, kJ/kg
h4 : nilai entalpi refrigeran saat masuk evaporator atau sama dengan nilai
entalpi saat keluar dari pipa kapiler. Karena proses pada pipa kapiler berlangsung pada entalpi yang tetap maka nilai h4=h3, kJ/kg
e. Koefisien prestasi ideal (COPideal)
Koefisien prestasi ideal pada siklus kompresi uap standar dapat dihitung dengan persamaan (2.5).
COPideal = (273,15 + Te ) / (Tc - Te ) ( 2.5)
Pada persamaan (2.5) :
COPideal : koefisien prestasi maksimum showcase
Te : suhu evaporator, oC
Tc : suhu kondensor, oC
f. Efisiensi showcase
Efisiensi showcase dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (2.6).
Efisiensi = COPaktual / COPideal ( 2.6)
Pada persamaan (2.6) :
COPideal : koefisien prestasi maksimum showcase
2.2 Tinjauan Pustaka
Anwar (2010) telah melakukan penelitian tentang efek beban pendinginan terhadap performa system mesin pendingin. Penelitian tersebut bertujuan : (a) membahas efek beban pendinginan terhadap kinerja sistem mesin pendinginan meliputi kapasitas refrigerasi (b) menghitung koefisien prestasi mesin pendingin (c) waktu pendinginan yang ideal pada mesin ini. Penelitian ini dilakukan dengan batasan-batasan sebagai berikut: (a) beban pendinginan menempatkan bola lampu 60, 100, 200, 300, dan 400 watt, didalam ruang pendingin (b) data dianalisis secara teoritis berdasarkan data eksperimen dengan focus model 802 (c) data dianalisis secara teoritis berdasarkan data eksperimen dengan menentukan kondisi refrigerant pada setiap titik siklus. Dari hasil penelitian didapatkan: (a) peningkatan beban pendinginan menyebabkan koefisien prestasi system pendingin akan membentuk kurva parabola (b) performa optimum pada pengujian selama 30 menit diperoleh pada bola lampu 200 watt dengan COP sebesar 2,64 (c) waktu pendinginan diperoleh paling lama oleh beban paling tinggi ( bola lampu 400 watt).
Indriyanto (2013) telah melakukan penelitian karakteristik mesin kulkas dengan panjang pipa kapiler 175 cm. Penelitian tersebut bertujuan: (a) : membuat kulkas (b) mengetahui kerja kompresor kulkas (c) mengetahui kerja yang diserap evaporator (c) mengetahu kalor yang di lepas kondensor (e) mengetahui COP. Penelitian ini memberikan hasil. (a) kulkas ini dapat bekerja dengan baik mampu mendinginkan 1,5 liter air dalam waktu 485 menit.( b) mampu menyerap kalor,
mampu membuang kalor, kinerja kerja kompresor yang stabil, (c) rata-rata COP yang kurang irit yaitu sebesar 2.20.
Leo (2013) telah melakukan penelitian tentang mesin pendingin air dengan siklus kompresi uap. Penelitian tersebut bertujuan: (a) : membahas tentang beban pendinginan air terhadap kinerja sistem mesin pendinginan (b) menghitung koefisien prestasi mesin pendingin. Penelitian ini dilakukan dengan batasan-batasan sebagai berikut: (a) refrigeran yang digunakan R134a (b) menggunakan motor penggerak kompresor berkapasitas 1/8 Pk. Dari hasil penelitian didapatkan: (a) rata-rata mesin pendingin prestasi kerjanya sebesar 5,1 dengan cop yang sebesar itu berarti kinerja mesin pendingin cukup irit (b) kalor yang di serap evaporator, kalor yang di buang kondensor, kerja kompresor yang sama pada mesin pendingin pada umumnya.
Willis (2013) telah melakukan penelitian tentang penggunaan refrigeran R22 dan R134a pada mesin pendingin. Penelitian tersebut bertujuan: (a) menghitung potensi kerja refrigeran R22 yang dibandingkan dengan refrigeran R134a (b) membahas refrigeran yang lebih ramah lingkungan antara R22 dengan R134a. Penelitian ini dilakukan dengan batasan-batasan sebagai berikut: (a) refrigeran yang digunakan R22 dan R134a (b) menggunakan mesin pengkodisian udara motor penggerak kompresor berkapasitas 2HP. Dari hasil penelitian didapatkan: (a) refrigeran R22 dari segi prestasi kerjanya lebih baik dari R134a, tetapi tidak ramah lingkungan (b) refrigeran R134a lebih ramah lingkungan, tetapi prestasi kerjanya lebih rendah dari R22.
22