BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.2 Sistem Refrigerasi
2.2.2 Kondensor dan Analisis Kondensor
Pada diagram P-h dari siklus kompresi uap sederhana, kondensor mempunyai tugas merealisasikan garis 2-3. Pada prinsipnya kondensor merupakan APK yang fungsinya mengubah fasa refrigeran yaitu merubah fase refrigeran dari uap menjadi cair. Pada dasarnya kondensor mempunyai dua fungsi penting, yaitu: Kondensor membuang panas yang diambil oleh refrigeran dari dalam evaporator dan Kondensor mengkondensasikan refrigeran uap menjadi refrigeran cair. Pemindahan panas dan proses kondensasi di dalam kondensor dapat terjadi dalam dua cara, yaitu:
1. Proses dengan bantuan air. Air digunakan untuk membantu mengambil panas dari refrigeran uap. Refrigeran uap yang mengalir dalam kondensor disimpan dalam suatu tempat atau air dilewatkan pada kondensor yang berisi refrigeran uap. Air masuk mempunyai temperatur lebih rendah
dibandingkan dengan temperatur refrigeran uap. Panas dari refrigeran uap dipindahkan ke air melalui dinding kondensor. Air tersebut membawa panas dari wadah melalui saluran ke luar. Jika medium pendigin yang digunakan adalah air, kelebihannya adalah air mempunyai sifat membawa dan memindahkan panas yang jauh lebih baik daripada udara. Oleh karena itu tidak dibutuhkan peralatan yang besar untukproses perpindahan panas. Tetapi air tidak boleh dibuang begitu saja ke lingkungan. Misalnya setelah digunakan sebagai pendingin kondensor air akan menjadi panas dan tidak bisa dibuang begitu saja ke sungai atau danau karena dapat berefek buruk bagi lingkungan. Untuk menghindari efek lingkungan ini, biasanya kondensor berpendingin air dilengkapi dengan cooling tower yang fungsinya mendinginkan air panas yang berasal dari kondensor dengan menjatuhkannya dari suatu ketinggian agar dapat didinginkan oleh udara. Oleh karena itu biaya awal kondensor berpendingin air ini biasanya lebih besar tetapi biaya operasionalnya lebih kecil, oleh karena itu sistem ini biasanya digunakan pada SKU dengan kapasitas besar.
2. Proses dengan bantuan udara. Udara digunakan untuk membuang panas dari refrigeran uap melalui permukaan kondensor. Udara dihembuskan dengan menggunakan kipas ke permukaan kondensor. Karena udara lebih dingin dari refrigeran uap, maka terjadi perpindahan panas dari refrigeran uap ke udara bebas melalui permukaan kondensor. Jika medium yang digunakan adalah udara, kelebihannya adalah tidakdiperlukan pipa untuk mengalirkannya dan tidak perlu repot untuk membuangnyakarena setelah menyerap panas bisa langsung dilepas ke udara lingkungan.Kelemahannya, udara tidak mempunyai sifat membawa dan menghantar panasyang baik. Oleh karena itu diperlukan usaha yang lebih untuk mengalirkan lebihbanyak udara. Bisa dipastikan kondensor dengan medium pendingin udaraumumnya digunakan pada siklus refrigerasi dengan kapasitas pendinginan yangkecil.
(a) air (b) udara
Gambar 2.10 Jenis pendingin kondensor dengan (a) air dan (b) udara [19]
Selain kedua media pendingin kondensor yang umum di atas ada juga kondensor berpendingin gabungan air dan udara yang biasa disebut evaporative condensor. Pada evaporative condensor air dan udara digunakan untuk mendinginkankondensor. Air disiramkan ke pipa-pipa kondensor dan udara juga ditiupkan. Halini akan mengakibatkan terjadinya penguapan di permukaan kondensor. Karenapanas penguapan air sangat tinggi, dan ini diambil dari refigeran melalui dindingpipa maka kondensor jenis ini akan mempunyai koefisien perpindahan panas yang sangat baik.
Selain perbedaan-perbedaan mendasar di atas, kondensor berpendingin air dan udara memiliki perbedaan-perbedaan lainnya dan dapat dilihat pada tabel 2.2 berikut.
Tabel 2.2 Perbandingan Kondensor Berpendingin Udara dan Air [2]
Parameter Pendingin udara Pendingin air
Perbedaan temperatur, Tc - Tpendingin 6 s/d 22 oC 6 s/d 12 oC Laju aliran pendingin per TR 12 s/d 20 m3/menit 0,007 s/d 0,02 m3/menit Luas Perpindahan panas per TR 10 s/d 15 m2 0,5 s/d 1 m2 Kecepatan fluida pendingin 2,5 s/d 6 m/s 2 s/d 3 m/s Daya pompa/blower per TR 75 s/d 100 W kecil
Untuk media pendingin air menggunakan cooling tower biasanya diaplikasikan pada siklus kompresi uap berskala besar. Pada siklus kompresi uap yang menggunakan cooling tower biasanya temperatur kondensasi pada kondensor tidak diturunkan. Ini dikarenakan temperatur keluaran air pendingin dari cooling tower sangat tergantung dari temperatur bola basah (wet bulb temperature) dari udara sekitar. Keterbatasan temperatur udara lingkungan yang dapat mencapai lebih dari 30 oC ini lah maka temperatur kondensasi siklus kompresi uap menggunakan cooling tower tetap dijaga di atas temperatur udara harian.
Pada kondensor sebagai alat penukar kalor inilah sebenarnya diaplikasikan semua ilmu perpindahan panas.Oleh karena itu, akan dijumpai perhitungan-perhitungan perpindahan panas yangsangat rumit.Pada dasarnya sangat banyak variasi kondensor yang mungkin jika dilihatberdasarkan jenis fluida pendinginnya, metode perpindahan panasnya, dankonfigurasi bidang perpindahan panasnya. Karena pada skripsi ini media pendingin yang digunakan adalah air yang dipompa dari tanah sebagai aplikasi dari groundcooling maka hanya akan dilakukan pembahasan pada kondensor yang berpendingin airdan jenisnya adalah APK shell-and-tube heat exchanger (biasanya diterjemahkansebagai APK pipa-cangkang). Pada APK ini, air pendingin mengalir di dalamtabung dan uap refrigeran mengalir di luar tabung dan masih di dalam shell.Konfigurasi aliran fluida pada APK ini ditunjukkan pada Gambar 2.11 berikut ini. Ditampilkan juga profil temperatur kedua fluida yang diidealkan pada gambar 2.12 berikut.
Gambar 2.12 Profil temperatur pada kondensor [2]
Laju perpindahan panas pada refrigeran dan air pendingin dapat dihitungdengan persamaan berikut:
... (2.8) Dan
... (2.9) Di mana :
Qr = Laju perpindahan panas refrigeran (kJ/s) = Laju aliran massa refrigeran (kg/s)
h = entalpi refrigeran pada diagram p-h (kJ/kg) Qw = Laju perpindahan panas air (kJ/s)
= Laju aliran massa air (kg/s) cp = Kalor jenis air (4,19 kJ/kgK)
Tw,o = Temperatur air keluar kondensor (K) Tw,i = Temperatur air masuk kondensor (K)
Laju perpindahan panas dari refrigeran ke air jika dihitung berdasarkan luasbidang perpindahan panas di sisi luar pipa Ao, adalah:
Q = UoAoLMTD ... (2.10) Di mana :
Uo = Koefisien perpindahan panas menyeluruh (W/m2K) Ao = Luas penampang pipa (m2)
SedangkanLMTD adalah perbedaan temperatur rata-rata logaritmik (Log MeanTemperature Difference). Untuk kasus kondensor yang profil temperaturnyadiidealkan seperti pada Gambar 2.5 nilainya dapat dihitung dengan persamaan:
... (2.11) Di mana Tk adalah temperatur kondensor
Sedangkan Uo adalah koefisien perpindahan panas menyeluruh pada sisi luar pipa yangmerupakan gabungan koefisien perpindahan panas konveksi di sisi luar dan di sisidalam pipa, konduksi di dinding pipa, fouling factor, dan efek fin (jika ada). Jikatidak terdapat fin pada pipa, persamaan yang dapat digunakan untuk menghitung nilai Uoadalah:
... (2.12) Di mana :
ro = jari-jari luar pipa (m) ri = jari-jari dalam pipa (m)
Rfi = tahanan thermal akibat kerak bagian dalam pipa Rfo = tahanan thermal akibat kerak bagian luar pipa
hi = koefisien konveksi permukaan bagian dalam pipa (W/m2K) ho = koefisien konveksi permukaan bagian luar pipa (W/m2K)
Karena pada skripsi ini yang dibahas secara spesifik adalah air yang mengalir didalam pipa, maka koefisien konveksi di dalam pipa dapat dihitung denganmenggunakan persamaan Dittus-Boelter (khusus untuk aliran turbulen penuh dengan Re > 2300), yaitu :
... (2.13) Di mana :
kw = konduktifitas termal air (W/mK) di = diameter dalam pipa (m)
Sedangkan Re adalah bilangan Reynold yang dapat ditentukan dengan persamaan berikut :
... (2.14) Di mana :
ρ = massa jenis fluida (kg/m3) v = kecepatan rata-rata fluida (m/s)
μw = viskositas absolut fluida (Pa.s)
Koefisien perpindahan panas di permukaan luar pipa lebih rumit karena begitu banyak variasi yang dapat digunakan. Salah satu persamaan yangdapat digunakan jika pipa kondensornya horizontal adalah:
... (2.15) Di mana :
kf = konduktifitas termal refrigeran (W/mK)
ρf = massa jenis refrigeran (kg/m3) g = percepatan gravitasi (m/s2)
hfg = entalpi perubahan fasa refrigeran (kJ/kg) N = jumlah pipa kondensor tiap baris
μf = viskositas absolut refrigeran (Pa.s) do = diameter luar pipa (m)
∆T = perbedaan temperatur kondensasi dan temperatur permukaan luar pipa (K)
Semua sifat fluida pendingin di atas dievaluasi pada temperatur film yaitu : ... (2.16) Di mana :
Tw,o = Temperatur air keluar kondensor (K) Tw,i = Temperatur air masuk kondensor (K)
