BAB II LANDASAN TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Landasan Teori
2.1.4 Siklus Ideal Kompresi Uap
( ) ( ) (2.8)
2.1.3 Skala Temperatur Termodinamika
Skala temperatur yang digunakan di dalam ilmu Termodinamika adalah skala Kelvin (K). dasar dari pemakaian skala Kelvin secara singkat adalah skala
Kelvin bersifat independent terhadap properti semua substansi dan pada semua siklus daya reversible (reversible power cycles) yang beroperasi di antara dua
reservoir selalu mempunyai efisiensi termal yang sama.
Persamaan untuk konversi temperatur dari temperatur dengan skala ˚C ke skala K dapat dinyatakan dengan persamaan (2.9).
( ) = (℃) + 273.15 (2.9)
2.1.4 Siklus Ideal Kompresi Uap
Mesin pendingin mengerjakan siklus pendinginan (refrigeration cycle). Siklus pendinginan pada mesin pendingin biasa disebut sebagai siklus kompresi uap (vapor compression refrigeration cycle). Pada siklus Carnot, tiap proses berlaku internally reversible atau keadaan mula-mula di dalam sistem dapat dikembalikan lagi tanpa mengubah keadaan di sekelilingnya. Hal itu berarti siklus yang telah terjadi dapat kembali lagi ke keadaan awal setelah proses selesai berlangsung. Siklus Carnot ini yang kemudian diterapkan pada siklus kompresi uap untuk memperoleh pendinginan dengan memindahkan kalor ke fluida kerja
pada suhu rendah (prinsip kerja evaporator) dan memindahkan kalor dari fluida kerja pada suhu tinggi ke lingkungan di luar sistem (prinsip kerja kondensor), sedangkan kerja diperoleh dari sumber energi dari luar sistem berupa daya listrik (Sorensen, 1961).
Gambar 2.7 merupakan ilustrasi dari kerja mesin pendingin. Mesin pendingin yang bekerja dengan prinsip siklus kompresi uap diilustrasikan di dalam lingkaran berwarna merah. Pada ilustrasi tersebut dapat dilihat adanya perpindahan panas yang terjadi dari suhu rendah ke suhu tinggi karena kerja dari mesin pendingin. Proses yang terjadi di dalam siklus kompresi uap ada empat macam, yaitu proses kompresi isentropic adiabatic (1-2), proses pelepasan panas pada tekanan dan temperatur konstan atau isobaric dan isothermal (2-3), proses penurunan tekanan pada isoenthalpy (3-4), dan proses penyerapan panas pada
Gambar 2.7 Prinsip kerja mesin pendingin.
Sumber: Thermodynamics An Engineering Approach oleh Y. A. Çengel dan M. A. Boles, 2006
tekanan dan temperatur konstan (4-1). Proses yang terjadi di dalam siklus kompresi uap diilustrasikan pada Gambar 2.8.
Mesin pendingin terdiri dari empat komponen utama, yaitu kompresor,
kondensor, expansion valve (katup ekspansi) atau capillary tube (pipa kapiler), dan evaporator. Kompresormembutuhkan energi dari sumber energi di luar sistem untuk menaikkan tekanan refrigeran dalam fase gas. Proses yang terjadi di dalam kompresor dianggap isentropic adiabatic, artinya proses terjadi pada entropi tetap dan tanpa perpindahan kalor, baik dari kompresor ke lingkungan maupun sebaliknya. Dalam kondisi ini, kompresor dianggap terisolasi sempurna. Sumber energi yang digunakan kompresor adalah energi listrik. Pada tahapan ini, refrigeran berada dalam fase uap bertekanan tinggi dan bersuhu tinggi dengan nilai entropi tetap, yang berubah adalah nilai enthalpi. Diasumsikan tidak ada perpindahan kalor dari atau menuju kompresor, maka kesetimbangan energi dan massa di dalam kompresor dapat dinyatakan dengan persamaan (2.10).
=
ℎ − ℎ
(2.10)dengan adalah kerja kompresor per satuan massa refrigeran (kJ/kg), h2 adalah nilai enthalpy pada wilayah 2 (kJ/kg), dan h1 adalah nilai enthalpy pada wilayah 1 (kJ/kg).
Refrigerandalam uap bertekanan tinggi dan bersuhu tinggi mengalir dari kompresor menuju kondensor. Proses yang terjadi di dalam kondensor adalah pelepasan kalor dari sistem ke lingkungan yaitu saat uap panas lanjut (superheated vapor) berubah menjadi gas jenuh (saturated vapor) kemudian menjadi zat cair jenuh (saturated liquid) saat keluar dari kondensor, proses itu disebut proses
pengembunan yaitu perubahan fase gas menjadi fase cair. Saat uap panas lanjut menjadi gas jenuh, tekanan dan suhu refrigeran menurun. Perubahan fase refrigeran dari gas ke cair terjadi pada tekanan dan suhu konstan (isobaric dan
isothermal). Nilai perpindahan kalor yang terjadi di dalam kondensor dapat diperoleh dengan persamaan (2.11).
=
ℎ − ℎ
(2.11) Fase ideal refrigeran setelah keluar dari kondensor adalah fase cair, namun yang terjadi sesungguhnya adalah fase campuran antara cair dan gas. Pada kondisi tersebut, rasio fase cair lebih besar daripada rasio fase gas. Dari kondensor, refrigeran mengalir menuju pipa kapiler (capillary tube). Ukuran luas penampang pipa tembaga berkurang tajam. Luas penampang pipa kapiler jauh lebih kecil daripada luas penampang pipa kondensor. Debit refrigeran adalah konstan pada siklus kompresi uap, sedangkan terjadi penurunan luas penampang pipa yang dilalui refrigeran, maka kecepatan aliran refrigeran meningkat seiring dengan penurunan tekanan dan suhu refrigeran. Pada tahapan ini, nilai entalpi refrigeran adalah konstan (isoenthalpy). Berdasarkan pemahaman tersebut, diperoleh persamaan (2.12).ℎ
=ℎ
(2.12)Persamaan tersebut dapat dibuktikan pada p-h diagram, Gambar 2.9.
Selanjutnya refrigeran melalui evaporator setelah keluar dari pipa kapiler. Perpindahan kalor terjadi di dalam evaporator. Perpindahan kalor dari ruang yang didinginkan ke refrigeran menyebabkan proses penguapan pada refrigeran.
Tingkat perpindahan kalor per satuan massa refrigeran didefinisikan dengan persamaan (2.13).
=
ℎ − ℎ
(2.13)dengan ̇ adalah laju aliran massa refrigeran. Laju perpindahan kalor ̇
berkaitan dengan kapasitas pendinginan atau daya refrigerasi. Di dalam sistem satuan SI, daya normalnya dinyatakan dalam kW. Di dalam sistem satuan Inggris (English unit system), daya refrigerasi dinyatakan dalam BTU/ h. Satuan lain yang lazim digunakan untuk menyatakan daya refrigerasi adalah ton r efr iger asi, yang nilainya sama dengan 200 BTU/h atau kira-kira 211 kJ/menit.
Siklus kompresi uap tidak sepenuhnya internally reversible seperti siklus kompresi Carnot karena di dalam siklus konpresi uap terdapat proses irreversible
yaitu pada katup ekspansi atau pipa kapiler. Katup ekspansi atau pipa kapiler digunakan sebagai komponen pengganti turbin isentropic pada siklus pendinginan Carnot dengan tujuan pada aplikasinya sehari-hari lebih realistis. Apabila turbin
isentropic tidak diganti dengan katup ekspansi atau pipa kapiler, maka kapasitas pendinginan akan meningkat dan kerja yang dilakukan kompresor (net work input) mengalami penurunan karena pengaruh dari kerja yang dilakukan turbin
isentropic (net work output). Pengaruh dari penggunaan turbin isentropic dapat dilihat pada diagram T-s pada Gambar 2.8. Refrigeran dari titik 3 akan menuju titik 4’ karena proses yang terjadi adalah proses penurunan tekanan pada kondisi
isentropic adiabatic.
Keempat komponen yang berhubungan dengan siklus kompresi uap adalah perangkat aliran tetap (steady-flow devices) dan keempat proses yang
membentuk siklus kompresi uap dapat dianalisa sebagai proses-proses aliran tetap (steady-flow processes). Perubahan energi kinetik dan energi potensial di dalam sistem relatif kecil sehingga dapat diabaikan. Persamaan energi aliran tetap per satuan massa dapat dinyatakan dengan persamaan (2.14).
( − ) + ( − ) = ℎ − ℎ (2.14)
Condenser dan evaporator tidak melibatkan kerja apapun dan
compressor dapat diasumsikan adiabatic. Selanjutnya, nilai COPR dalam siklus kompresi uap dapat dinyatakan dengan persamaan (2.15).
= ,
= (2.15)
Gambar 2.8 Skema komponen mesin pendingin dan diagram T-s siklus ideal kompresi uap.
Sumber: Thermodynamics An Engineering Approach oleh Y. A. Çengel dan M. A. Boles, 2006
Diagram lain yang dapat dan sering digunakan untuk menggambarkan siklus kompresi uap adalah diagram hubungan tekanan dengan enthalpi. Gambar 2.9 memberikan ilustrasi tentang hubungan P dengan h. Pada diagram P-h dapat ditemukan empat proses yang berlangsung pada siklus kompresi uap dan tiga proses di antaranya digambarkan dengan garis lurus, yaitu proses pelepasan panas (2-3), proses penurunan tekanan (3-4), dan proses penyerapan panas (4-1).