BAB II DASAR TEORI DAN TINJUAN PUSTAKA
2.1 Dasar Teori
2.1.3 Siklus Kompresi Uap
Dalam sistem refrijerasi terdapat fungsi dimana kalor berpindah dari tempat yang bersuhu rendah ke tempat yang bersuhu tinggi. Dari beberapa jenis sistem refrijerasi yang paling umum digunakan adalah refrijerasi dengan siklus kompresi uap. Pada umumnya refrigeran memiliki beberapa jenis dalam siklus kompresi uap antara lain R-11, R-12, R-21, R-22, R-502, R-410a, dan R-13a. Pada siklus komprsi uap untuk saat ini umumnya menggunakan refrigeran jenis R-410a sebagai fluida kerja dikarenakan refrigeran jenis tersebut lebih ramah lingkungan, dan tidak memberikan efek pemanasan global.
2.1.3.1 Komponen-komponen Utama pada Mesin Kompresi Uap
Terdapat komponen-komponen utama didalam siklus kompresi uap yaitu evaporator, kompresor, kondensor dan pipa kapiler. Qin adalah energi kalor yang dihisap evaporator persatuan massa refrigeran, Qout adalah energi kalor yang dilepas kondensor persatuan massa refrigeran dan Win adalah kerja yang dilakukan kompresor persatuan massa refrigeran. Tanda panah yang menunjukkan arah pada rangkaian gambar 2.7, menentukan arah aliran refrigeran yang mengalir pada siklus kompresi uap.
Gambar 2.7 Siklus kompresi uap
Dalam siklus kompresi uap ini refrigeran bertekanan rendah akan dikompresi oleh kompresor sehingga menjadi uap refrigeran bertekanan tinggi, kemudian uap refrigeran bertekanan tinggi tersebut diembunkan menjadi cairan refrigeran bertekanan tinggi ketika melewati kondensor. Selanjutnya refrigeran bertekanan tinggi tersebut akan dilewatkan kedalam pipa kapiler sehingga tekanannya menjadi turun, supaya cairan refrigeran bertekanan rendah tersebut dapat menguap kembali ke dalam evaporator menjadi uap refrigeran bertekanan rendah.
Berikut adalah penjelasan komponen-komponen utama sistem kompresi uap : a. Kompresor
Kompresor adalah komponen utama dari sistem kompresi uap yang berfungsi untuk meningkatkan tekanan refrigeran. Kompresor memiliki tugas untuk menghisap uap refrigeran keluaran evaporator lalu mendorongnya dengan cara kompresi agar mengalir masuk ke kondensor.
b. Kondensor
Kondensor berfungsi untuk merubah fase refrigeran, dari fase uap menjadi fase cair. Proses ini berlangsung pada tekanan dan suhu yang konstan. Ketika berlangsungnya fase refrigeran yang berubah, kalor mengalir keluar dari refrigeran karen temperatur refrigeran lebih tinggi daripada temperatur lingkungan yang ada.
c. Pipa Kapiler
Pipa kapiler adalah salah satu alat ekspansi, dimana refrigeran yang berasal dari kondensor akan mengalami proses ekspansi di dalam pipa kapiler sehingga tekanan dan temperatur refrigeran menjadi rendah karena terjadi gesekan antara refrigeran dengan permukaan pipa.
d. Evaporator
Evaporator memiliki berfungsi untuk menyerap kalor dari lingkungan sekitar yang kemudian akan diserap oleh refrigeran yang mengakibatkan refrigeran mengalami penguapan. Proses ini terjadi pada tekanan dan temperatur yang konstan.
e. Filter
Filter berfungsi untuk menyaring kotoran-kotoran dan uap air dari refrigeran yang akan mengalir ke dalam pipa kapiler, sehingga ketika refrigeran mengalir melewati pipa kapiler dan siklus kompresi uap, kondisinya bersih dan aliran tidak terganggu.
2.1.3.2 Diagram T-s dan Diagram P-h
Dalam siklus kompresi uap, refrigeran mengalami proses-proses sebagai berikut : proses kompresi, desuperheating, kondensasi (pengembunan), throtling, proses penguapan (evaporasi)
Gambar 2.9 Siklus kompresi uap pada diagram T-s a. Proses 1-2 : Proses kompresi isentropik
Proses 1-2 adalah proses kompresi isentropik. Dimana proses ini berfungsi untuk menaikkan tekanan refrigeran dari tekanan rendah ke tekanan tinggi. Proses berlangsung di kompresor dan secara sentropis adiabatis (proses ideal). Fluida refrigeran yang masuk kompresor memiliki fase gas jenuh dan keluaran berupa gas panas lanjut yang memiliki tekanan tinggi serta bertemperatur tinggi. Tekanan hasil kompresor harus menghasilkan temperatur kerja kondensor lebih tinggi dari temperatur lingkungan atau temperatur di sekitar kondensor.
b. Proses 2-2a : Proses penurunan suhu (desuperheating)
Proses 2-2a merupakan proses penurunan suhu (desuperheating). Proses tersebut berlangsung pada tekanan yang konstan. Pada proses tersebut terjadi penurunan suhu pada refrigeran dari fase gas panas lanjut menjadi gas jenuh. Penurunan suhu ini dapat terjadi karena adanya perpindahan kalor dari refrigeran ke lingkungan. Proses ini terjadi sebelum refrigeran memasuki kondensor pada tekanan yang konstan.
c. Proses 2a-3 : Proses kondensasi
Proses 2a-3 adalah proses kondensasi atau keluarnya kalor ke udara lingkungan sekitar kondensor. Proses ini merupakan proses perubahan fase dari gas jenuh menjadi fase cair jenuh, proses tersebut berlangsung pada tekanan dan suhu yang konstan. Ketika perubahan fase refrigeran berlangsung, kalor keluar
dari refrigeran dikarenakan temperature refrigeran lebih tinggi dibandingkan temperature lingkungan.
d. Proses 3-4 : Proses penurunan tekanan (throtling)
Proses 3-4 adalah proses penurunan tekanan atau throtling. Proses penurunan tekanan ini terjadi pada entalpi yang konstan. Akibat dari penurunan tekanan suhu refrigerant yang turun. Proses tersebut berlangsung di dalam pipa kapiler, fase refrigerant ketika masuk pipa kapiler berbentuk cair jenuh berubah menjadi campuran antara fase cair dan gas.
e. Proses 4-1 : Proses penguapan (evaporasi)
Proses 4-1 merupakan proses penguapan. Proses ini terjadi di evaporator pada tekanan dan temperatur yang konstan. Dikarenakan suhu evaporator yang lebih rendah dari pada lingkungan maka, ada kalor yang masuk dari lingkungan di sekitar evaporator, kalor yang masuk tersebut digunakan untuk merubah fase refrigeran dari fase campuran cair dan gas menjadi gas jenuh
2.1.3.3 Perhitungan – Perhitungan Siklus Kompresi Uap dalam Diagram P-h Dalam siklus kompresi uap pada diagram P-h bisa didapat (a) Energi yang diserap evaporator persatuan massa refrigeran (Qin), (b) Energi yang keluar kondensor persatuan massa refrigeran (Qout), (c) Kerja kompresor persatuan massa refrigeran (Win), (d) coefficient of performance aktual (COPaktual) mesin siklus kompresi uap, (e) coefficient of performance ideal (COPideal) mesin siklus kompresi uap, dan (f) Efisiensi dari mesin siklus kompresi uap.
a. Energi yang diserap evaporator (Qin)
Energi yang diserap evaporator persatuan massa refrigeran (Qin) dapat dihitung dengan Persamaan (2.3)
Qin = h1 – h4 ...(2.3)
Pada Persamaan (2.3) :
Qin : Energi / kalor yang diserap evaporator persatuan massa refrigerant
(kJ/kg) h1 : Entalpi refrigerant saat keluar evaporator = entalpi refrigerant masuk
h4 : Entalpi refrigerant sebelum masuk evaporator = entalpi refrigerant keluar dari pipa kapiler (kJ/kg)
b. Energi yang keluar dari kondensor (Qout)
Energi yang keluar kondensor persatuan massa refrigeran (Qout) dapat dihitung dengan Persamaan (2.4)
Qout = h2 – h3 ...(2.4) Pada Persamaan (2.4) :
Qout : Energi yang keluar kondensor persatuan massa refrigeran (kJ/kg) h2 : Entalpi refrigeran saat masuk kondensor persatuan massa refrigeran
(kJ/kg)
h3 : Entalpi refrigeran saat masuk pipa kapiler = entalpi refrigeran saat keluar kondensor persatuan massa refrigeran (kJ/kg)
c. Kerja Kompresor (Win)
Kerja kompresor persatuan massa refrigeran (Win) dapat dihitung dengan Persamaan (2.5)
Win = h2 – h1 ...(2.5) Pada Persamaan (2.5) :
Win : Kerja kompresor persatuan massa refrigeran (kJ/kg)
h2 : Entalpi saat masuk kondensor persatuan massa refrigeran (kJ/kg) h1 : Entalpi saat keluar evaporator = entalpi saat masuk kompresor persatuan
massa refrigeran (kJ/kg)
d. COPaktual mesin siklus kompresi uap
Unjuk kerja aktual mesin siklus kompresi uap (COPaktual) dapat dihitung dengan Persamaan (2.6)
COPaktual = ...(2.6)
Pada Persamaan (2.6) :
COPaktual : Unjuk kerja aktual / nyata mesin siklus kompresi uap
Qin : Energi / kalor yang diserap evaporator persatuan massa refrigeran (kJ/kg)
e. COPideal mesin siklus kompresi uap
Unjuk kerja ideal mesin siklus kompresi uap (COPideal) dapat dihitung dengan Persamaan (2.7)
COPideal = ...(2.7)
Pada Persamaan (2.7)
COPideal : Unjuk kerja ideal mesin siklus kompresi uap Tc : Suhu mutlak kondensor (K)
Te : Suhu mutlak evaporator (K) f. Efisiensi mesin siklus kompresi uap
Efisiensi mesin siklus kompresi uap (ƞ) dapat dihitung dengan Persamaan (2.8)
Ƞ = ...(2.8)
Pada Persamaan (2.8) :
Ƞ : Efisiensi mesin siklus kompresi uap %
COPaktual : Unjuk kerja aktual / nyata mesin siklus kompresi uap
COPideal : Unjuk kerja ideal (tidak ada rugi-rugi) mesin siklus kompresi uap