Menurut Subagyo et al. (1986), simulasi adalah duplikasi atau abstraksi dari persoalan dalam kehidupan nyata ke dalam model matematik. Dalam hal ini dilakukan penyederhanaan, sehingga pemecahan dengan model matematika bisa dilakukan. Model simulasi bisa membantu memecahkan suatu masalah secara jauh lebih ekonomis daripada tanpa model ini, tetapi tidak menjamin bahwa model yang disusun sudah merupakan model yang paling tepat.
Model simulasi dapat dikelompokkan ke dalam beberapa penggolongan, antara lain adalah model stokastik atau probabilistik, model deterministik, model statik, model dinamik dan model heuristik. Model stokastik adalah kebalkan dari model deterministik dan model statik kebalikan dari model dinamik. Model simulasi stokastik disebut model simulasi yang menggunakan permodelan matematik untuk mempelajari suatu sistem yang berkarakteristik adanya kejadian acak (random events).
Menurut Muslich (1993) dalam Rahajeng (1997), tahapan atau prosedur yang perlu dilakukan dalam melakukan simulasi adalah formulasi masalah, menentukan kelayakan simulasi, menyusun model, memvalidasi model, menerapkan model simulasi dan menganalisa hasil simulasi. Formulasi masalah dilakukan untuk menentukan alternatif metode pemecahan masalah. Pemecahan masalah yang rumit sering kali tidak dapat dilakukan dengan teknik analisa biaya sehingga alternatif pemecahan dengan simulasi sangat memungkinkan pemecahan yang lebih baik.
Validasi model dilakukan untuk meyakinkan bahwa model simulasi mencerminkan sistem yang sebenarnya. Validasi dilakukan dengan cara membandingkan hasil simulasi dengan hasil sebenarnya. Akan tetapi jika model simulasi itu sifatnya memberikan prediksi, perbandingan hasil tersebut
dilakukan setelah validasi model dilakukan, model validasi harus dicoba dengan memberikan nilai dan parameternya. Jika analisa keluaran dari simulasi tersebut menunjukkan kesesuaian dengan tujuan, maka model simulasi tersebut dapat digunakan. Akan tetapi jika tujuan tersebut tidak terpenuhi maka perlu dilakukan perubahan desain dan formulasi model, sehingga model simulasi ini merupakan suatu prosedur kerja trial and error (uji coba). Tujuan simulasi secara umum yaitu untuk menyingkat waktu, untuk keselamatan (safety), dan mengurangi biaya.
B. SISTEM REFRIGERASI KOMPRESI UAP
Perpindahan panas dari medium yang bersuhu rendah ke medium yang bersuhu lebih tinggi akan membutuhkan peralatan khusus yang dikenal dengan mesin pendingin (mesin refrigerasi). Mesin ini merupakan sebuah siklus yang banyak digunakan pada mesin pendingin dan biasa disebut sebagai siklus refrigerasi kompresi uap. Komponen dasar yang digunakan mesin ini adalah: kondensor, evaporator, kompresor, dan pipa kapiler (katup ekspansi) dan juga beberapa perlengkapan tambahan dan pipa-pipa penghubung (Gambar 1).
Gambar 1. Skema sederhana siklus pendinginan kompresi uap
Uap refrigeran bertekanan rendah, dihisap dari evaporator ke kompresor menjadi uap yang bertekanan tinggi ke arah alat pengembun (kondensor). Dengan cara mendinginkan dengan air atau udara, uap panas
Kondensor
Evaporator
Kompresor
bertekanan tinggi itu mengembun menjadi cairan. Panas pengembunan dibuang dari refrigeran bersama air atau udara pendinginan kondensor.
Dari kondensor, cairan refrigeran mengumpul di dalam tangki penerimaan sebagai cairan bertekanan tinggi. Cairan bertekanan tinggi ini mengalir melalui katup ekspansi yang menentukan jumlah cairan refrigeran bertekanan rendah mengaliri gulungan pipa evaporator. Di dalam evaporator, refrigeran mendidih, memuai atau menguap. Tenaga panas untuk menguap itu diserap dari lingkungan sekitar ruangan dan juga dari medium yang didinginkan. Panas yang dikandung oleh uap refrigeran bertekanan rendah, diisap melalui pipa pengisapan, ke dalam kompresor, untuk dimampatkan menjadi uap refrigeran bertekanan tinggi, dan selanjutnya diubah menjadi refrigeran cair yang dapat lagi digunakan untuk proses refrigerasi selanjutnya. Demikianlah diselesaikan siklus dari sistem kompresi uap untuk diulangi seterusnya selama proses refrigerasi.
Dari hukum I thermodinamika, pengukuran kinerja dari siklus refrigerasi ditunjukkan oleh COP (Coefficient of Performance). COP merupakan perbandingan tingkat keluaran panas yang bermamfaat yang dikirimkan oleh unit pompa panas yang lengkap (tergolong pengganti pemenas) ke tingkat penyesuaian masukan energi, pada unit konsisten dan di bawah kondisi-kondisi spesifik.
Pada siklus kompresi uap di pendingin carnot, COP didefinisikan sebagai jumlah pendinginan yang dapat diproduksi per satuan kerja yang digunakan yang dirumuskan dengan:
e c e net e
T
T
T
W
Q
COP
−
=
=
...(1)dimana Qe adalah beban pendingan, Wnet adalah input kerja bersih, Te adalah suhu evaporator, dan Tc adalah suhu kondensor.
COP juga merupakan rasio perbandingan antara selisih entalpi di kompresor dengan selisih entalpi di evaporator, yang dapat dinyatakan dengan
1 2 4 1 h h h h COP − − = ...(2)
Kerja yang digunakan pada siklus aktual selalu lebih besar daripada yang reversible dan perbedaan ini merupakan kerja yang hilang (loss work), yang disebut juga exergy loss atau irreversibility. Exergy loss dapat diperoleh dari perhitungan pertumbuhan entropi, yang merupakan ukuran penting dari suatu proses yang irreversible. Pertumbuhan entropi untuk aliran yang steady dinyatakan dengan:
∑
∑
∑
−
−
≥
=
i i i i in i e out e genT
Q
s
m
s
m
S
0
……….(3)Pertumbuhan entropi adalah jumlah eksergi output dikurangi eksergi input dan dikurangi laju perpindahan entropi melalui permukaan kendali dimana suhu mutlak yang terjadi adalah Ti. Eksergi yang hilang (exergy loss) digambarkan sebagai ukuran ketidakmampubalikan suatu proses termodinamika. Eksergi yang hilang dapat dihitung dengan rumus:
gen o
L
T
S
W
=
………..………...(4)Efisiensi hukum II termodinamika yang dikenal dengan efisiensi eksergi atau effectiveness dapat didefinisikan sebagai perbandingan kerja minimum yang dibutuhkan terhadap input kerja aktual, yaitu:
L rev rev ac rev
W
W
W
W
W
II
+
=
=
η
………...…....….(5) Sedangkan,⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
−
−
=(
)
01
3 1 e revT
T
h
h
W
……...…...(6)1. Prinsip Kerja Mesin Refrigerasi Kompresi Uap 1.a. Kompresor
Kompresor berfungsi untuk menggerakkan sistem refrigerasi agar dapat mempertahankan suatu perbedaan tekanan rendah dan tekanan tinggi pada sistem.
Gambar 2. Kompresor
Ada dua hal yang dilakukan kompresor dalam melaksanakan fungsinya. Yang pertama adalah menghisap uap refrigeran dari evaporator dan menciptakan tekanan rendah di evaporator. Dengan demikian memungkinkan cairan refrigeran mendidih dan menguap pada suhu rendah. Panas yang diserap dari bahan yang akan didinginkan dibutuhkan untuk pengupan refrigeran. Yang kedua yaitu memampatkan uap refrigeran yang diisap dari evaporator, sehingga tekanan dan suhu refrigeran meningkat menuju kondensor untuk diembunkan menjadi cairan oleh udara dan air di kondensor.
1.b. Kondensor
Kondensor adalah bagian refrigeran yang menerima uap panas bertekanan tinggi dari kompresor. Kondensor berfungsi untuk mengubah wujud refrigeran uap panas bertekanan tinggi menjadi refrigeran cair bertekanan tinggi. Prinsipnya adalah dengan menghilangkan panas sensibelnya yang diikuti oleh penghilangan panas laten.
1.c. Katup Ekspansi
Katup ekspansi secara umum berfungsi untuk menurunkan tekanan tinggi refrigeran cair ke tekanan konstan yang lebih rendah dengan cara mengubah bentuk refrigeran cair menjadi butir-butir air ketika melewati evaporator.
1.d. Evaporator
Evaporator berfungsi untuk mengubah refrigeran cair menjadi uap dengan menyerap panas di ruangan. Evaporator selalu berpasangan dengan fan. Fungsi fan adalah untuk menghisap udara panas yang melewati evaporator sekaligus mendorongkan udara dingin ke ruangan.
2. Proses Evaporasi dan Kondensasi 2.a. Evaporasi (Penguapan)
Evaporasi suatu cairan berawal dan mungkin berlanjut sampai semuanya sudah dalam bentuk uap. Selama periode ini, suhu evaporasi pada kedaan jenuh tetap konstan pada tekanan jenuh. Panas yang ditambahkan selama fase perubahan ini merupakan perubahan entalpi selama evaporasi yang mengakibatkan kenaikan energi internal dan terjadinya kerja mekanis dalam merubah cairan tersebut untuk mengatasi tekanan konstan.
Kerja mekanis bisa mencapai 5 – 10% dari total entalpi uap dan jumlah tersebut tergantung pada tekanan yang terjadi. Jumlah entalpi cairan pada keadaan jenuh dan perubahan entalpi penguapan merupakan entalpi uap jenuh.
2.b. Kondensasi (Pengembunan)
Kondensasi merupakan kebalikan dari proses evaporasi, yaitu perubahan uap refrigeran yang mampat jenuh akan panas, mengembun menjadi cairan. Agar proses ini terlaksana, diperlukan usaha pengeluaran
panas dari uap jenuh refrigeran itu. Dalam terminologi fisika, kecepatan dan jarak antara molekul gas menurun diakibatkan oleh panas yang berlangsung sehingga zat tersebut mengembun, membentuk butiran cairan yang dinamakan embun dan berada di permukaan kondensasi.