2.5 Prinsip Kerja Mesin Pendingin Kompresi Uap
2.5.4 Proses Penguapan Aliran Refrigeran di Dalam Evaporator
Tugas utama siklus refrigerasi adalah mendinginkan suatu media di sekitarnya, yang dapat berupa media padat, cair atau gas. Sebagai pelaksana tugas untuk misi pendinginan tersebut tersebut adalah evaporator, di dalamnya mengalir fluida refrigeran bertemperatur rendah yang mampu menyerap sejumlah tertentu energi panas dari media bertemperatur lebih tinggi yang bersirkulasi di sekitar evaporator. Dengan kata lain, aliran refrigeran mengalami proses penguapan, sambil menyerap sejumlah energi panas dari lingkungan sekitarnya. Pada umumnya proses penguapan tersebut berlangsung pada temperatur dan tekanan tertentu yang konstan.
Gambar 2.19 Diagram proses siklus kerja mesin pendingin kompresi uap
Sumber: http://www.nt.ntnu.no/users/skoge/book-cep/diagrams/additional_ diagrams/R134a%col_common_refridgrant_without_CI.pdf, dengan plotting
Pada gambar 2.19, diperlihatkan diagram proses bagi aliran refrigeran R-134a yang mengalami proses-proses di dalam siklus kerja mesin pendingin. Proses yang pertama yaitu proses perubahan tingkat keadaan yang dialami aliran refrigeran pada saat melakukan proses pendinginan di dalam evaporator. Proses tersebut ditunjukkan oleh proses dari tingkat keadaan (4) ke tingkat keadaan (1), di mana evaporator menyerap sejumlah tertentu energi panas (Qevap). Karena menyerap sejumlah tertentu energi panas maka fluida refrigeran akan mengalami perubahan tingkat keadaan, di mana sebelum masuk ke dalam evaporator tingkat keadaannya adalah dalam keadaan fasa campuran cairan dan uap pada tingkat keadaan (4).
Setelah menyerap energi panas tingkat keadaannya berubah menjadi fasa uap jenuh, yaitu pada tingkat keadaan (1).
Energi panas yang diserap oleh aliran refrigeran di dalam evaporator (Qrefr) berasal dari energi panas yang dilepaskan oleh aliran udara hangat (Qud) yang dialirkan ke arah permukaan-permukaan pipa bersirip di dalam alat evapoprator. Karena melepaskan sejumlah energi panas maka temperatur aliran udara pada saat meninggalkan alat evaporator menjadi lebih dingin yang kemudian pada saat bersirkulasi di dalam ruangan tertentu akan menyerap energi panas dari dalam ruangan.
Gambar 2.20 Skema sederhana kesetimbangan energi di evaporator
Sumber: Chandrasa Soekardi. Termodinamika Dasar Mesin Konversi Energi. Hal. 240
Di dalam evaporator pertukaran energi panas dari aliran udara hangat ke aliran refrigeran yang lebih rendah temperaturnya berlangsung melalui perantaraan permukaan dinding-dinding pipa. Skema sederhana prinsip kesetimbangan energi antara aliran refrigeran yang mengalami proses penguapan dan aliran udara yang mengalami pendinginan di dalam alat evaporator diperlihatkan pada gambar 2.20. Pada sistem tersebut, aliran refrigeran saat memasuki evaporator dianggap
refrigeran menyerap energi panas sebesar Qrefr, maka saat meninggalkan evaporator energinya telah meningkat menjadi 𝐸1. Pada saat yang bersamaan, aliran udara hangat saat masuk ke evaporator kita anggap memiliki energi total sebesar 𝐸2, karena kemudian melepaskan energi panas sebesar Qud maka pada saat meninggalkan evaporator energinya telah menurun menjadi 𝐸3. Untuk mempelajari penerapan prinsip kesetimbangan energi bagi kedua aliran fluida yang bekerja di dalam evaporator dapat ditinjau pada sistem yang ada pada gambar 2.21 berikut ini.
Gambar 2.21 Skema kesetimbangan energi pada aliran refrigeran dan aliran udara
Sumber: Chandrasa Soekardi. Modul 2 Mesin Pendingin Kompresi Uap Ideal. Hal. 7
Pertama-tama kita tinjau apa yang terjadi pada sistem aliran refrigeran. Pada gambar tersebut aliran refrigeran memasuki evaporator dengan mengangkut sejumlah tertentu energi total sebesar 𝐸4. Kemudian, di dalam evaporator aliran refrigeran menyerap energi panas sebesar Qrefr. Selama proses mendinginkan aliran
udara, energi aliran refrigeran di dalam evaporator dapat berubah sejalan dengan fungsi waktu. Selama proses pendinginan berlangsung bisa juga terdapat sejumlah energi panas tertentu yang masuk (sebesar 𝑑𝑞) yang berasal dari sekeliling karena adanya perbedaan temperatur, di samping terdapatnya sejumlah energi yang hilang ke sekeliling karena akibat gesekan (sebesar 𝑑𝐸𝑓) di dalam evaporator.
Selanjutnya, saat meninggalkan evaporator aliran refrigeran mengangkut energi total sebesar 𝐸1. Dengan menerapkan prinsip kesetimbangan energi, di mana jumlah energi yang masuk ke dalam sistem harus sama dengan perubahan energi yang terjadi di dalam sistem ditambah dengan jumlah energi yang keluar dari sistem, maka bagi aliran refrigeran di dalam evaporator didapat persamaan berikut:
𝐸4+ 𝚀𝑟𝑒𝑓𝑟 + 𝑑𝑞 =𝑑𝐸
𝑑𝑡 + 𝐸1+ 𝑑𝐸𝑓 (2.19)
Selanjutnya, agar persamaan di atas dapat ditanggapi secara praktis maka perlu menerapkan beberapa asumsi atau anggapan. Pada analisis ini hanya akan ditinjau sistem setelah beroperasi mencapai keadaan yang stasioner atau steady state. Dalam hal ini refrigeran diasumsikan telah mengalir dalam keadaan stasioner sehingga dapat mengabaikan besaran (dE/dt). Sistem juga dianggap adiabatik, artinya 𝑑𝑞 dianggap kecil (𝑑𝑞 = 0) dibandingkan dengan besarnya energi 𝐸4 dan 𝐸1. Kerugian energi yang hilang karena gesekan juga dianggap kecil sehingga dapat diabaikan. Oleh karena itu dengan menerapkan beberapa asumsi di atas maka persamaan (2.1) berubah menjadi:
Atau,
𝚀𝑟𝑒𝑓𝑟 = 𝐸1− 𝐸4 (2.21)
Beda antara energi total aliran refrigeran saat keluar evaporator dengan energi total aliran refrigeran saat masuk evaporator (kJ/kg) merupakan gabungan dari beda enthalpinya ditambah dengan beda energi kinetiknya dan beda energi potensialnya seperti diberikan oleh persamaan berikut:
𝐸1 − 𝐸4 = (ℎ1– ℎ4) + 1 2⁄ (𝑣12 − 𝑣42 ) + 𝑔 (𝑍1− 𝑍4) (2.22)
Apabila beda energi kinetik dan energi potensial kita anggap kecil, seperti yang memang banyak terjadi pada aliran refrigeran di dalam evaporator mesin pendingin, maka besarnya laju energi panas yang diserap oleh aliran refrigeran (kJ/s) dapat diperkirakan menggunakan persamaan:
𝚀̇𝑟𝑒𝑓𝑟 = 𝑚𝑟𝑒𝑓𝑟 . (ℎ1– ℎ4) (2.23)
Di sini 𝑚𝑟𝑒𝑓𝑟 adalah laju aliran massa refrigeran yang mengalir di dalam evaporator. Sekarang apabila ditinjau apa yang terjadi pada sistem aliran udara hangat yang mengalir ke dalam evaporator yang akan didinginkan oleh aliran refrigeran dingin. Dalam hal ini, aliran udara hangat harus melepaskan sejumlah tertentu energi panas yang kemudian diserap oleh aliran refrigeran. Dengan
menerapkan prinsip balans energi pada aliran udara seperti yang tertera pada gambar 2.3. maka kita akan memiliki persamaan berikut:
𝐸2+ 𝑑𝑞 =𝑑𝐸
𝑑𝑡 + 𝚀𝑢𝑑 + 𝐸3+ 𝑑𝐸𝑓 (2.24)
Selanjutnya, apabila pada aliran udara diasumsikan bahwa alirannya stasioner, sistem adiabatik, gesekan diabaikan, beda energi kinetik dan energi potensial dianggap kecil maka laju pelepasan energi panas oleh aliran udara hangat (kJ/kg) dapat diperkirakan besarnya menggunakan persamaan berikut:
𝚀𝑢𝑑 = ℎ2− ℎ3 (2.25)
Apabila dalam keadaan tertentu udara dianggap sebagai gas ideal, maka besarnya energi panas yang dilepaskan oleh aliran udara (kJ/s) dapat diperkirakan menggunakan persamaan:
𝚀̇𝑢𝑑 = 𝑚𝑢𝑑. 𝐶𝑝(𝑇2− 𝑇3) (2.26)
Dalam kebanyakan keadaan kehilangan energi panas dari evaporator ke sekelilingnya dapat dianggap kecil sehingga besarnya laju energi panas yang diserap oleh aliran refrigeran sama dengan besarnya laju energi panas yang dilepaskan oleh aliran udara (𝚀̇𝑟𝑒𝑓𝑟= 𝚀̇𝑢𝑑).