B. Komponen Mesin Pendingin Kompresi Uap
2. Penukar Panas ( Heat Exchanger )
Sistem pendinginan kompresi uap menggunakan dua jenis penukar panas, yaitu kondensor dan evaporator. Prinsip kerja kedua alat ini adalah sama namun proses yang terjadi di kedua alat ini berbeda. Refrigeran akan berkondensasi di kondensor sedangkan di evaporator refrigeran akan menguap. Tiga cara penukaran panas (radiasi, konveksi, konduksi) berperan dalam proses pertukaran panas di kedua komponen ini. Pindah panas total yang terjadi pada penukar panas dinyatakan sebagai
q = Uo A Tm
dimana q = laju perpindahan panas yang terjadi (W)
Uo = koefisien pindah panas total (W/m2 K)
Tm = perbedaan suhu logaritmik (K) nilai U didapat dari persamaan (Stoecker, 1982)
o U 1 = o h 1 + m o kA xA + i ff o A h A + i i o A h A
dimana Uo=koefisien penukar panas total pada pemukaan luar (W/m2 K)
ho = koefisien perpindahan panas pada bagian luar pipa (W/m2 K)
x = ketebalan pipa (m)
Ao = luas permukaan pipa bagian luar (m2)
k = konduktivitas pipa (W/m K)
Am = luas pipa (m2)
hff = fouling factor (W/m2 K)
Ai = luas permukaan pipa bagian dalam (m2)
hi = koefisien pindah panas pada bagian dalam pipa (W/m2 K) dan nilai Tm dihitung dengan persamaan (Stoecker, 1982)
Tm = ) / ) ln[( ) ( ) ( o c i c o c i c t t t t t t t t − − − − − dengan tc = suhu refrigeran (0C)
ti = suhu air masukan (0C)
to = suhu air keluaran (0C)
Koefisien pindah panas konveksi pada fluida yang mengalir dalam pipa ditentukan oleh persamaan di bawah yang berlaku untuk aliran turbulen (Stoecker, 1982).
k hD
= 0.023 (VDρ/μ)0.8 (cpμ/k)0.4 dimana h = koefisien pindah panas konveksi (W/m2 K)
D = diameter dalam pipa (m)
k = konduktivitas panas fluida (W/m K)
V = kecepatan rata-rata fluida (m/detik) ρ = kerapatan jenis fluida (kg/m3) μ = viskositas fluida (Pa detik)
cp = kalor jenis fluida (J/kg K)
Penurunan tekanan akan terjadi pada pipa lurus maupun pada pipa lengkung. Penurunan tekanan yang terjadi pada pipa lurus dinyatakan dengan persamaan (Stoecker, 1982) Δp = f D L 2 2 V ρ dimana Δp = penurunan tekanan (Pa)
f = koefisien gesek
L = panjang pipa (m)
a. Kondensor
Fungsi kondensor pada sistem pendinginan kompresi uap adalah untuk mengembunkan/mengkondensasikan uap refrigeran bertekanan tinggi (superheated vapor) dari kompresor (Trott, 1989). Proses pelepasan panas ini dilakukan dengan bantuan medium pendingin. Medium pendingin yang umumnya digunakan adalah air dan udara. Panas dari refrigeran akan meningkatkan suhu medium pendingin yang sesuai dengan persamaan (Dossat, 1961)
Δt =
mc
qkond
dengan Δt = perubahan suhu medium pendingin (0C)
qkond = beban kondenser (W)
m = laju aliran massa medium pendingin (kg/detik)
c = panas jenis medium pendingin (J/kg 0C)
Suhu kondensasi yang rendah lebih disukai karena adanya peningkatan efisiensi kompresi dan penurunan kebutuhan daya. Suhu kondensasi adalah penjumlahan suhu medium pendingin dan perbedaan suhu antara medium pendingin dan refrigeran. Suhu kondensasi yang rendah dapat dicapai dengan memperbesar luas permukaan pindah panas dan meningkatkan laju aliran medium pendingin. Namun penambahan luas permukaan pindah panas sulit dilakukan karena adanya pertimbangan ruangan. Untuk setiap jenis kondensor dan beban kondensor, besarnya suhu kondensasi bergantung pada suhu rata-rata media pendingin. Suhu kondensasi yang rendah akan tercapai saat suhu rata-rata medium pendingin rendah. Suhu rata-rata medium pendingin ditentukan oleh suhu masukan medium pendingin dan kenaikan suhu di kondensor. Karena kenaikan suhu medium pendingin menurun saat laju aliran bertambah, maka dengan makin besarnya laju aliran massa medium pendingin maka suhu rata-rata medium pendingin akan berkurang. Karenanya untuk beban kondensor tertentu, makin besar laju aliran medium pendingin maka suhu kondensasi akan menurun (Dossat,1961).
Laju aliran yang besar juga menimbulkan turun tekan yang besar sehingga peningkatan efisiensi kompresor kurang bermanfaat. Perlu ditentukan besarnya laju aliran optimum sehingga efisiensi kompresor sebanding dengan turun tekan yang terjadi. Cara lain untuk mendapatkan suhu kondensasi rendah adalah dengan menurunkan suhu masukan medium pendingin (Dossat,1961).
Pada kondensor pendingin udara, semakin besar kecepatan udara pendingin, laju aliran refrigeran semakin menurun. Kenaikan kecepatan udara pendingin pada kondensor menyebabkan kenaikan efek refrigerasi, sedangkan kerja kompresi dan daya kompresor terdapat kecenderungan menurun. Koefisien prestasi akan meningkat dengan adanya kenaikan kecepatan udara pendingin pada
kondensor. Apabila kecepatan dinaikkan terus maka akan mencapai optimal pada kondisi tertentu, dan selanjutnya kenaikan kecepatan udara efeknya relatif kecil terhadap prestasi mesin pendingin (Efendi, 2005)
Sistem kondenser pendingin air dapat dibedakan menjadi dua jenis, yaitu sistem kondensor pendingin air dengan pembuangan air dan dengan sirkulasi air. Air pendingin pada kondensor dengan sirkulasi akan masuk pada menara pendingin untuk disirkulasi lagi. Pada kondensor dengan pembuangan air, air akan dibuang setelah melalui kondensor. Pemilihan sistem sirkulasi atau pembuangan dipengaruhi oleh biaya dan ketersediaan air di suatu tempat. Pemilihan ini juga mempengaruhi laju aliran air yang digunakan sebagai media pendingin (Dossat,1961).
Hal lain yang harus diperhatikan adalah adanya pengendapan mineral ataupun kotoran yang terbawa oleh air pendingin. Pengendapan akan mengurangi permukaan kontak dan mengurangi jumlah air yang disirkulasi. Umumnya, tingkat pengendapan dipengaruhi oleh kualitas air pendingin, suhu penguapan, dan lamanya pembersihan dilakukan (Dossat,1961).
Konstruksi kondensor berpendingin air dapat digolongkan menjadi tiga macam, yaitu double tube, shell and coil, dan shell and tube (Dossat, 1961).
Double tube condenser terdiri dari dua pipa yang digabungkan, sehingga pipa pertama berada di dalam pipa kedua. Shell and coil condenser terdiri dari pipa yang dibentuk menjadi koil sebagai tempat air mengalir dan selubung tempat refrigeran yang akan didinginkan berada. Pipa dibuat menjadi koil agar permukaan kontak lebih luas. Shell and tube condenser berupa silinder baja dengan sejumlah pipa paralel yang dipasang didalamnya.
b. Evaporator
Evaporator dalam sistem pendinginan kompresi uap berfungsi untuk menguapkan cairan refrigeran menjadi uap jenuh pada tekanan rendah (Trott, 1989). Panas laten penguapan diambil dari lingkungan sekitar, sehingga terjadi efek pendinginan. Pendinginan dapat terjadi pada udara atau pada cairan, hal ini membedakan evaporator menjadi evaporator pendingin udara dan evaporator pendingin cairan (air-cooling evaporator dan liquid cooler).
Menurut Dossat (1961) berdasarkan konstruksinya, evaporator pendingin udara dapat dibedakan menjadi evaporator pipa, plat, dan sirip (bare-tube, plate, finned). Evaporator pipa umumnya berbentuk flat zigzag ataupun oval trombone. Evaporator plat umum digunakan pada mesin pendingin rumah tangga karena mudah perawatannya dan ekonomis. Evaporator sirip terbuat dari pipa dengan sirip-sirip yang disisipkan pada badan pipa. Sirip pada pipa berfungsi untuk menambah luas permukaan pindah panas.
Pendinginan cairan lebih efektif jika evaporator bersentuhan langsung dengan cairan yang didinginkan. Penggunaan evaporator pendingin cairan (liquid chilling evaporator) berbeda menurut tipe dan desainnya. Tipe yang sering digunakan adalah pendingin pipa pipa ganda, Baudelot, tipe tangki, shell and coil,
dan shell and tube. Liquid chilling evaporator umumnya digunakan untuk mendinginkan air dan cairan lainnya (Dossat,1961).
Pada sistem dimana pindah panas terjadi secara langsung, dari refrigeran ke lingkungan sekitar, disebut sebagai sistem pendinginan langsung (direct refrigerating system). Beberapa sitem pendingin dirasakan kurang ekonomis jika sistem pendingin langsung diterapkan. Terdapat alternatif untuk menggunakan sistem pendingin tak langsung dengan bantuan refrigeran kedua (secondary refrigerant). Refrigeran kedua ini dapat berupa air ataupun larutan garam (brine). Air dapat digunakan jika suhu yang diinginkan di atas titik beku air. Larutan garam yang umumnya digunakan adalah kalsium klorida dan sodium klorida. etilen dan propilen glikol, metanol dan gliserin (Dossat,1961).
Pembentukan bunga es (frosting) di evaporator terjadi saat suhu evaporator berada di bawah titik beku air. Frosting kurang disukai dalam proses pendinginan karena lapisan es yang dihasilkan berfungsi sebgai insulasi dan dalam evaporator dengan aliran udara paksa, adanya bunga es akan mengurangi laju aliran udara. Metode defrosting yang umum digunakan adalah dengan menggunakan uap panas atau dengan air. Pada defrosting dengan uap panas, gas keluaran kompresor disalurkan lansung ke evaporator dan evaporator bertindak sebagai kondenser selama waktu itu. Defrosting menggunakan air dilakukan dengan mengalirkan air pada evaporator hingga bunga es hilang (Stoecker, 1982).
