7
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1. Pengertian Umum
Air Conditioning (AC) atau alat pengkondisi udara merupakan modifikasi pengembangan dari teknologi mesin pendingin. Alat ini dipakai bertujuan untuk memberikan udara yang sejuk dan menyediakan uap air yang dibutuhkan bagi tubuh. Untuk negara beriklim tropis yang terdiri dari musim hujan dan musim panas, pada saat musim panas suhu ruangan tinggi sehingga penghuni tidak nyaman. Di lingkungan tempat kerja, AC juga dimanfaatkan sebagai salah satu cara dalam upaya peningkatan produktivitas kerja. Karena dalam beberapa hal manusia membutuhkan lingkungan udara yang nyaman untuk dapat bekerja secara optimal. Tingkat kenyamanan suatu ruang juga ditentukan oleh temperatur, kelembapan, sirkulasi dan tingkat kebersihan udara.
Untuk dapat menghasilkan udara dengan kondisi yang diinginkan, maka peralatan yang dipasang harus mempunyai kapasitas yang sesuai dengan beban pendinginan yang dimiliki ruangan tersebut. Untuk itu diperlukan survey dan menentukan
8 Secara garis besar beban pendinginan terbagi atas dua kelompok,yaitu beban pendinginan sensibel dan beban pendinginan laten. Beban pendinginan sensibel adalah beban panas yang dipengaruhi oleh perbedaan suhu, seperti beban panas yang lewat kontruksi bangunan, peralatan elektronik, lampu, dll. Sedangkan beban pendinginan laten adalah beban yang dipengaruhi oleh adanya perbedaan kelembaban udara.
Di dalam ruang Pengajaran Umun, untuk merencanakan penggunaan Air Conditioning (AC) perubahan pembebanan terjadi pada peralatan yang menghasilkan kalor seperti: lampu, komputer. Selain itu faktor manusia dan kecepatan udara yang masuk ke dalam ruangan juga mempengaruhi perubahan pembebanan, yang nilai bebannya dapat berubah-ubah baik secara acak maupun teratur.
2.2. Prinsip Kerja Pendingin Ruangan
Gambar 2.1. Prinsip Kerja Mesin Pendingin Ruangan
Sumber : http://starelektronic.wordpress.com/teori-mesin-pendingin/teori-mesin-pendingin-kondensor/
9 Kompresor AC yang ada pada sistem pendingin dipergunakan sebagai alat untuk memampatkan fluida kerja (refrigerant), jadi refrigerant yang masuk ke dalam kompresor AC dialirkan ke kondensor yang kemudian dimampatkan di kondensor. Di bagian kondensor ini refrigerant yang dimampatkan akan berubah fase dari refrigerant fase uap menjadi refrigerant fase cair, maka refrigerant mengeluarkan kalor yaitu kalor penguapan yang terkandung di dalam refrigerant. Adapun besarnya kalor yang dilepaskan oleh kondensor adalah jumlah dari energi kompresor yang diperlukan dan energi kalor yang diambil evaporator dari substansi yang akan didinginkan. Pada kondensor tekanan refrigerant yang berada dalam pipa-pipa kondensor relatif jauh lebih tinggi dibandingkan dengan tekanan refrigerant yang berada pada pipa-pipa evaporator.
Prinsip pendinginan udara pada AC melibatkan siklus refrigeransi, yakni udara didinginkan oleh refrigerant / pendingin (freon), lalu freon ditekan menggunakan kompresor sampai tekanan tertentu dan suhunya naik, kemudian didinginkan oleh udara lingkungan sehingga mencair. Proses tersebut diatas berjalan berulang-ulang sehingga menjadi suatu siklus yang disebut siklus pendinginan pada udara yang berfungsi mengambil kalor dari udara dan membebaskan kalor ini ke luar ruangan. Prinsip kerja mesin pendingin ruangan ditunjukkan pada Gambar 2.1.
2.3. Jenis-Jenis Pendingin Ruangan
Berdasarkan jenisnya ada 4 jenis AC yang sering dipergunakan pada rumah tangga yatiu AC Split, AC Window, AC Central dan Standing AC.
10 Pada AC jenis split komponen AC dibagi menjadi dua unit yaitu unit indoor yang terdiri dari filter udara, evaporator dan evaporator blower, ekspansion valve dan controll unit, serta unit outdoor yang terdiri dari kompresor, kondenser, kondenser blower dan refrigeran filter. Selanjutnya antara unit indoor dengan unit outdoor dihubungkan dengan 2 buah saluran refrigerant, satu buah untuk menghubungkan evaporator dengan kompresor dan satu buah untuk menghubungkan refrigeran filter dengan ekspansion valve serta kabel power untuk memasok arus listrik untuk kompresor dan kondenser blower.AC Split cocok untuk ruangan yang membutuhkan ketenangan, seperti ruang tidur, ruang kerja atau perpustakaan. Kelebihan AC Split :
a. Bisa dipasang pada ruangan yang tidak berhubungan dengan udara luar, b. Suara di dalam ruangan tidak berisik.
c. Kekurangan AC Split :
d. Pemasangan pertama maupun pembongkaran apabila akan dipindahkan membutuhkan tenaga yang terlatih.
e. Pemeliharaan / perawatan membutuhkan peralatan khusus dan tenaga yang terlatih.
f. Harganya lebih mahal.
2) AC Window
Pada AC jenis window, semua komponen AC seperti filter udara, evaporator, blower, kompresor, kondenser, refrigerant filter, ekspansion valve dan controll unit terpasang pada satu base plate, kemudian base plate beserta semua komponen AC tersebut dimasukkan kedalam kotak plat sehingga menjadi satu
11 unit yang kompak. Biasanya dipilih karena pertimbangan keterbatasan ruangan, seperti pada rumah susun.
Kelebihan AC window :
a. Pemasangan pertama maupun pembongkaran kembali apabila akan dipindahkan mudah dilaksanakan.
b. Pemeliharaan / perawatan mudah dilaksanakan. c. Harga murah.
d. Kekurangan AC window :
e. Karena semua komponen AC terpasang pada base plate yang posisinya dekat dengan ruangan yang didinginkan, maka cederung menimbulkan suara berisik (terutama akibat suara dari kompresor).
f. Tidak semua ruangan dapat dipasang AC window, karena AC window harus dipasang dengan cara bagian kondenser menghadap ketempat terbuka supaya udara panas dapat dibuang ke alam bebas
3) AC Sentral
Pada AC jenis ini udara dari ruangan didinginkan pada cooling plant di luar ruangan tersebut, kemudian udara yang telah dingin dialirkan kembali kedalam ruangan tersebut. Biasanya cocok untuk dipasang di sebuah gedung bertingkat (berlantai banyak), seperti di hotel atau mall.
Kelebihan AC sentral :
a. Suara di dalam ruangan tidak berisik sama sekali. b. Estetika ruangan terjaga, karena tidak ada unit indoor. Kekurangan AC sentral :
12 a. Perencanaan, instalasi, operasi dan pemeliharaan membutuhkan tenaga
yang betul-betul terlatih.
b. Apabila terjadi kerusakan pada waktu beroperasi, maka dampaknya dirasakan pada seluruh ruangan.
c. Pengaturan temperatur udara hanya dapat dilakukan pada sentral cooling plant.
d. Biaya investasi awal serta biaya operasi dan pemeliharaan tinggi. 4) Standing AC
Jenis AC ini cocok dipergunakan untuk kegiatan-kegiatan situasional dan mobil karena fungsinya yang mudah dipindahkan, seperti seminar, pengajian outdoor dsb.
2.4. Komponen Utama Sistem Pendingin 2.4.1. Kompresor
Kompresor atau pompa isap mempunyai fungsi yang vital. Dengan adanya kompresor, refrigerant bisa mengalir ke seluruh sistem pendingin. Sistem kerjanya adalah dengan mengubah tekanan, sehingga terjadi perbedaan tekanan yang memungkinkan refrigeran mengalir (berpindah) dari sisi bertekanan rendah ke sisi bertekanan tinggi.
Ketika bekerja, refrigerant yang dihisap dari evaporator dengan suhu dan tekanan rendah dimampatkan sehingga suhu dan tekanannya naik. Gas yang dimampatkan ini ditekan keluar dari kompresor lalu dialirkan ke kondensor, tinggi rendahnya suhu dikontrol dengan thermostat. Jenis kompresor yang banyak digunakan
13 adalah kompresor torak, kompresor rotary, kompresor sudu, dan kompresor sentrifugal.
a. Kompresor torak (Reciprocating compressor)
Pada saat langkah hisap piston, gas refrigerant yang bertekanan rendah ditarik masuk melalui katup hisap yang terletak pada piston atau di kepala kompresor. Pada saat langkah buang, piston menekan refrigerant dan mendorongnya keluar melalui katup buang, yang biasanya terletak pada kepala silinder.
b. Kompresor rotary
Rotor adalah bagian yang berputar didalam stator, rotor terdiri dari dua baling-baling.Langkah hisap terjadi saat katup mulai terbuka dan berakhir setelah katup tertutup.Pada waktu katup sudah tetutup dimulai langkah tekan sampai katup pengeluaran membuka, sedangkan pada katup secara bersamaan sudah terjadi langkah hisap, demikian seterusnya.
c. Kompresor sudu
Kompresor jenis ini kebanyakan digunakan untuk lemari es, frezer, dan pengkondisan udara rumah tangga, juga digunakan sebagai kompresor pembantu pada bagian tekanan rendah sistem kompresi bertingkat besar.
2.4.2. Kondensor
Kondensor adalah alat untuk membuat kondensasi bahan pendingin gas dari kompresor dengan suhu dan tekanan tinggi. Untuk penempatanya sendiri, kondensor di tempatkan di luar ruangan yang sedang di dinginkan, agar dapat membuang panasnya keluar. Kondensor merupakan jaringan pipa yang berfungsi sebagai pengembunan. Dari sini refrigerant yang dipompakan dari kompresor
14 akan mengalami penekanan sehingga mengalir ke pipa kondensor, kemudian mengalami pengembunan. Dari sini refrigerant yang sudah mengembun dan menjadi zat cair akan mengalir menuju pipa evaporator. Kondensor merupakan alat penukar kalor (Heat Exchanger) yang berfungsi mengkondensasikan fluida kerja.
Fungsi kondensor pada prototype spray drying ini adalah untuk membantu kerja heater dengan cara memanfaatkan panas,untuk mengetahui jumlah panas yang dimanfaatkan dan panas yang terbuang dapat digunakan rumus :
∆t = T1 - T4 Dimana :
1. ∆t = Temperatur udara yang dibuan oleh kondensor 2 (0C)
2. t1 = Temperatur refrigerant yang keluar dari kompesor (0C)
3. t4 = Temperatur udara yang keluar dari kondensor 1 (0C)
Untuk mencari massa jenis dapat menggunakan rumus
=
×( ℃) Dimana :
= Massa jenis (Kg/m3)
P2A = Tekanan udara absolut (N/m3)
15 TD2 = Udara yang keluar dari evaporator (0C)
Untuk mendapatkan enthalpy masing – masing temperatur dapat dilihat pada p-h diagram R134a.
Untuk enthalpy -6 0C Adalah : h1 = 203,07
h2 = 43,84
h3 = 246,91
Untuk enthalpy -4 0C Adalah : h1 = 201,46
h2 = 46,50
h3 = 248,10
Untuk enthalpy -2 0C Adalah : h1 = 229,04
h2 = 180,08
h3 = 49,17
Masalah yang umum dan sering terjadi pada kondensor adalah Fouling, Fouling memperbesar hambatan yang berarti menurunkan transmitasi. Bila transmitasi (U) turun, maka beda temperatur antara uap dan air pendingin naik untuk sejumlah panas (Q) yang harus dipindahkan, kenaikan suhu pada
permukaan Kondensor akan berefek kenaikan tekanan dalam Kondensor sebagai konsekuensinya.
16 Gambar 2.2 Kondensor
Sumber :
http://3.bp.blogspot.com/-5X5XI_F37VM/T3KDzl9CRjI/AAAAAAAAAC8/BGo1hsbgAik/s1600/kondens or+2.bmp
2.4.2.1. Fungsi Utama Kondensor
Mengkondensasikan fluida kerja dari uap menjadi cair.
Menurunkan tekanan fluida kerja. 2.4.2.2. Bagian Utama Kondensor
Kondensor secara umum terdiri dari sirip – sirip,blade,motor listrik,dan sebagainya.
1. Sirip – sirip
Fungsi sirip pada kondensor adalah untuk mrmperbesar laju perpindahan kalor dan juga memperluas permukaan pipa,sirip – sirip ini juga untuk menambah kekuatan konstruksi pada kondensor.
. 2. Blade
Fungsi blade pada kondensor adalah untuk menghisap udara dan membuang panas.Pada kondensor berpendingn udara sangat tergantung pada suhu
17 udara luar, jika udara luarnya sangat panas, maka efisiensi pendinginanya berkurang.
3. Motor listrik
Fungsi motor listrik pada kondensor adalah untuk menggerakan blade.
2.4.3. Alat Bantu Kondensor
Pada kondensor diperlukan alat-alat pendukung untuk pengoperasiannya , agar kerja kondensor bisa maksimal dan menaikkan efesiensi. Adapun alat-alat pendukung tersebut adalah :
1.Starting Air Ejektor , digunakan untuk menyedot dan membuang udara dari sistem air pendingin utama agar air pendingin dapat mengisi seluruh permukaan kondensor sehingga proses pendinginan efektif. Saluran pembungan udara sisi air pendingin terletak pada bagian atas water box sisi inlet dan sisi outlet condensor.
2. Main Air Ejektor , digunakan setelah Starting Air Ejektor beroperasi . Main Air
Ejektor berfungsi membuat vacum pada sisi uap , sampai vacum kondensor normal sekitar 650 mmHg.
3. Ball Cleaning System (Tapproge Ball System) , berfungsi untuk membersihkan pipa-pipa (tubes) pendingin kondensor dari kotoran seperti lumpur dan kotoran halus dengan cara menginjeksikan bola karet (Tapproge Ball) kedalam pipa-pipa pendingin kondensor secara terus menerus proses ini dilakukan oleh pompa sirkulasi (Circulation Pump) dengan cara memompakan bola tapproge pada sisi masuk air pendingin dan mengambil kembali bola pada sisi keluar air pendingin untuk selanjutnya disirkulasikan kembali pada kondensor.
18 2.4.4. Katup Ekspansi
Komponen utama yang lain untuk mesin refrigerasi adalah katup ekspansi. Katup ekspansi ini dipergunakan untuk menurunkan tekanan dan untuk mengekspansikan secara adiabatik cairan yang bertekanan dan bertemperatur tinggi sampai mencapai tingkat tekanan dan temperatur rendah, atau mengekspansikan refrigeran cair dari tekanan kondensasi ke tekanan evaporasi, refrigerant cair diinjeksikan keluar melalui oriffice, refrigerant segera berubah menjadi kabut yang tekanan dan temperaturnya rendah.
Selain itu, katup ekspansi juga sebagai alat kontrol refrigerasi yang berfungsi : 1. Mengatur jumlah refrigeran yang mengalir dari pipa cair menuju evaporator sesuai dengan laju penguapan pada evaporator.
2. Mempertahankan perbedaan tekanan antara kondensor dan evaporator agar penguapan pada evaporator berlangsung pada tekanan kerjanya.
Pipa Kapiler
Pipa kapiler adalah salah satu alat ekspansi. Alat ekspansi ini mempunyai dua kegunaan yaitu untuk menurunkan tekanan refrigeran cair dan untuk mengatur aliran refrigeran ke evaporator. Cairan refrigeran memasuki pipa kapiler tersebut dan mengalir sehingga tekanannya berkurang akibat dari gesekan dan percepatan refrigeran. Pipa kapiler hampir melayani semua sistem refrigerasi yang berukuran kecil, dan penggunaannya meluas hingga pada kapasitas regrigerasi 10kw. Pipa kapiler mempunyai ukuran panjang 1 hingga 6 meter, dengan diameter dalam 0,5 sampai 2 mm (Stoecker, 1996). Diameter dan panjang pipa kapiler ditetapkan berdasarkan kapasitas pendinginan, kondisi operasi dan jumlah refrigeran dari mesin refrigerasi yang bersangkutan.
19 Konstruksi pipa kapiler sangat sederhana, sehingga jarang terjadi gangguan. Pada waktu kompresor berhenti bekerja, pipa kapiler menghubungkan bagian tekanan tinggi dengan bagian tekanan rendah, sehingga menyamakan tekanannya dan memudahkan start berikutnya. Pipa kapiler ditunjukkan pada Gambar 2.2.
Gambar 2.3 Pipa Kapiler
Sumber : http://sekawan-servis-pendingin.blogspot.com/2012/05/fungsi-pipa-kapiler.html?m=1
2.4.5. Evaporator (Penguap)
Evaporator adalah komponen pada sistem pendingin yang berfungsi sebagai penukar kalor, serta bertugas menguapkan refrigeran dalam sistem, sebelum dihisap oleh kompresor. Panas udara sekeliling diserap evaporator yang menyebabkan suhu udara disekeliling evaporator turun. Suhu udara yang rendah ini dipindahkan ketempat lain dengan jalan dihembus oleh kipas, yang menyebabkan terjadinya aliran udara.
20 Ada beberapa macam evaporator sesuai tujuan penggunaannya dan bentuknya dapat berbeda-beda. Hal tersebut disebabkan karena media yang hendak didinginkan dapat berupa gas, cairan atau padat. Maka evaporator dapat dibagi menjadi beberapa golongan, sesuai dengan refrigeran yang ada di dalamnya, yaitu : jenis ekspansi kering, jenis setengah basah, jenis basah, dan sistem pompa cairan.
1) Jenis ekspansi kering
Dalam jenis ekspansi kering, cairan refrigerant yang diekspansikan melalui katup ekspansi pada waktu masuk ke dalam evaporator sudah dalam keadaan campuran cair dan uap, sehingga keluar dari evaporator dalam keadaan uap air.
2) Evaporator jenis setengah basah
Evaporator jenis setengah basah adalah evaporator dengan kondisi refrigeran diantara evaporator jenis ekspansi kering dan evaporator jenis basah. Dalam evaporator jenis ini, selalu terdapat refrigeran cair dalam pipa penguapnya.
3) Evaporator jenis basah
Dalam evaporator jenis basah, sebagian besar dari evaporator terisi oleh cairan refrigerant. Perpindahan Kalor di dalam Evaporator
Perpindahan panas yang terjadi pada evaporator adalah konveksi paksa yang terjadi di dalam dan di luar tabung serta konduksi pada tabungnya. Perpindahan panas total yang terjadi merupakan kombinasi dari ketiganya. Harga koefisien perpindahan panas menyeluruh dapat ditentukan dengan terlebihi dahulu menghitung koefisien perpindahan kalor pada sisi refrigeran dan sisi udara yang telah dijelaskan sebelumnya. Selanjutnya koefisien perpindahan panas total
21 dihitung berdasarkan luas permukaan dalam pipa dan berdasarkan luas permukaan luar pipa.
2.5. Termodinamika Sistem Refrigerasi 2.5.1. Siklus Refrigerasi Carnot
Siklus refrigerasi carnot merupakan kebalikan dari mesin carnot. Mesin carnot menerima energi kalor dari temperatur tinggi, energi kemudian diubah menjadi suatu kerja dan sisa energi tersebut dibuang ke sumber panas pada temperatur rendah. Sedangkan siklus refrigerasi carnot menerima energi pada temperatur rendah dan mengeluarkan energi pada temperatur tinggi. Oleh sebab itu pada siklus pendingin diperlukan penambahan kerja dari luar. Dan untuk Daur Refigerasi carnot ditunjukan pada Gambar 2.3.
Gambar 2.4. Daur refrigerasi carnot
Sumber : http://gipeng.blogspot.com/2012/04/siklus-carnot.html?m=1
Proses-proses yang membentuk daur refrigerasi carnot : • Proses kompresi adiabtik (1-2)
22 • Proses ekspansi adiabatik (3-4)
• Proses penyerapan kalor isothermal (4-1)
Tujuan utama dari daur ini adalah penyerapan kalor dari sumber bersuhu rendah pada proses 4-1 yaitu penyerapan kalor isothermal.
2.5.2. Siklus Kompresi Uap Standar (Teoritis)
Siklus kompresi uap standar merupakan siklus teoritis, dimana pada siklus tersebut mengasumsikan beberapa proses sebagai berikut :
1.Proses Kompresi
Proses kompresi berlangsung dari titik 1 ke titik 2. Pada siklus sederhana diasumsikan refrigeran tidak mengalami perubahan kondisi selama mengalir dijalur hisap. Proses kompresi diasumsikan isentropik sehingga pada diagram tekanan dan entalpi berada pada satu garis entropi konstan, dan titik 2 berada pada kondisi super panas. Proses kompresi memerlukan kerja dari luar dan entalpi uap naik dari h1 ke h2, besarnya kenaikan ini sama dengan besarnya kerja kompresi yang dilakukan pada uap refrigeran.
2. Proses Kondensasi
Proses 2-3 merupakan proses kondensasi yang terjadi pada kondensor, uap panas refrigeran dari kompresor didinginkan oleh air sampai pada temperatur kondensasi, kemudian uap tersebut dikondensasikan. Pada titik 2 refrigeran pada kondisi uap jenuh pada tekanan dan temperatur kondensasi. Proses 2-3 terjadi pada tekanan konstan, dan jumlah panas yang dipindahkan selama proses ini adalah beda entalpi antara titik 2 dan 3.
23 Proses ekspansi berlangsung dari titik 3 ke titik 4. Pada proses ini terjadi proses penurunan tekanan refrigeran dari tekanan kondensasi (titik 3) menjadi tekanan evaporasi (titik 4). Pada waktu cairan di ekspansi melalaui katup ekspansi atau pipa kapiler ke evaporator, temperatur refrigeran juga turun dari temperatur kondensat ke temperatur evaporasi. Proses 3-4 merupakan proses ekspansi adiabatik dimana entalpi fluida tidak berubah disepanjang proses. Refrigeran pada titik 4 berada pada kondisi campuran-uap.
4. Proses Evaporasi
Proses 4-1 adalah proses penguapan yang terjadi pada evaporator dan berlangsung pada tekanan konstan. Pada titik 1 seluruh refrigeran berada pada kondisi uap jenuh. Selama proses 4-1 entalpi refrigeran naik akibat penyerapan kalori dari ruang refrigerasi. Besarnya kalor yang diserap adalah bedaentalpi titik 1 dan titik 4 biasa disebut dengan efek pendinginan. Tekanan entalpi siklus kompresi uap standart ditunjukan pada Gambar 2.4.
Gambar 2.5. Diagram tekanan entalpi siklus kompresi uap standar Sumber : http://www.arca53.dsl.pipex.com/index_files/phrefrig.html
24 2.5.3. Siklus Kompresi Uap Aktual
Siklus kompresi uap yang sebenarnya (aktual) barbeda dari siklus standar (teoritis). Perbedaan ini muncul karena asumsi yang ditetapkan dalam siklus standar. Pada siklus aktual terjadi pemanasan lanjut uap refrigeran yang meninggalkan evaporator sebelum masuk ke kondensor.Pemanasan lanjut ini terjadi akibat tipe peralatan ekspansi yang di gunakan atau dapat juga karena penyerapan panas dijalur masuk (suction line) antara evaporator dan kompresor. Demikian juga pada refrigeran cair mengalami pendinginan lanjut atau bawah dingin sebelum masuk katup ekspansi atau pipa kapiler. Keadaan diatas adalah peristiwa normal dan melakukan fungsi yang diinginkan untuk menjamin bahwa seluruh refrigeran yang memasuki kompresor atau alat ekspansi dalam keadaan 100 % uap atau cair.
Perbedaan yang penting antara daur nyata (aktual) dan standar terletak pada penurunan tekanan dalam kondensor dan evaporator. Daur standar dianggap tidak mengalami penurunan tekanan pada kondensor dan evaporator, tetapi pada daur nyata terjadi penurunan tekanan karena adanya gesekan antara refrigeran dengan dinding pipa. Akibat dari penurunan tekanan ini, kompresor pada titik 1 dan 2 memerlukan lebih banyak kerja dibandingkan dengan daur standar. Untuk Silkus aktual dan siklus standar ditunjukan pada Gambar 2.5.
25 Gambar 2.6. Perbandingan siklus aktual dan siklus standar
Sumber : http://www.chiler.co.id/sistem-kompresi-uap/
Garis 4-1’ diperlihatkan penurunan tekanan yang terjadi pada refrigeran pada saat melewati suction line dari evaporator ke kompresor. Garis 1-1’ diperlihatkan terjadinya panas lanjut pada uap refrigeran yang ditunjukkan dengan garis yang melewati garis uap jenuh. Proses 1’-2’ adalah proses kompresi uap refrigeran didalam kompresor. Pada siklus teoritis proses kompresi diasumsikan isentropik, yang berarti tidak ada perpindahan kalor diantara refrigeran dan dinding silinder. Pada kenyataannya proses yang terjadi bukan isentropik maupun politropik. Garis 2’-3 menunjukkan adanya penurunan tekanan yang terjadi pada pipa-pipa kondensor. Sedangkan pada garis 3-3’ menunjukkan tekanan yang terjadi dijalur cair.
2.6. Klasifikasi Sistem Refrigerasi
Ditinjau dari prinsip kerjanya, sistem refrigerasi di bagi menjadi 3 jenis, yaitu: 1. Sistem refrigerasi kompresi uap
26 3. Sistem refrigerasi udara
2.6.1. Sistem Refrigerasi Kompresi Uap
Siklus refrigerasi kompresi mengambil keuntungan dari kenyataan bahwa fluida yang bertekanan tinggi pada suhu tertentu cenderung menjadi lebih dingin jika dibiarkan mengembang. Jika perubahan tekanan cukup tinggi, maka gas yang ditekan akan menjadi lebih panas dari pada sumber dingin di luar (contoh udara di luar) dan gas yang mengembang akan menjadi lebih dingin dari pada suhu dingin yang dikehendaki. Dalam kasus ini, fluida digunakan untuk mendinginkan lingkungan bersuhu rendah dan membuang panas ke lingkungan yang bersuhu tinggi. Untuk Sistem refrigerasi kompresi uap di tunjukan pada Gambar 2.6
Gambar 2.7. Sistem refrigerasi kompresi uap
Sumber : http://bayuutama.blogspot.com/2011/04/pengetahuan-refrigerasi-kompresi-uap.html?m=1
27 Dalam siklus refrigerasi absorbsi, dipergunakan penyerap untuk menyerap refrigeran yang diuapkan di dalam evaporator sehingga menjadi suatu larutan absorbsi. Kemudian, larutan absorbsi tersebut dimasukan ke dalam sebuah generator untuk memisahkan refrigeran dari larutan absorbsi tersebut dengan cara memanasi, yang sekaligus akan menaikan tekanannya sampai mencapai tingkat keadaan mudah diembunkan. Untuk Sistem refrigerasi absorbsi di tunjukan pada Gambar 2.6.2.
Gambar 2.8. Sistem refrigerasi absorbs Sumber :
http://rudinimulyateknikindustrimercubuana.blogspot.com/2014/03/teknik-sistem-kerja-refrigerasi-dan-ac.
2.7. Sistem Refrigerasi Udara
Pada siklus ini, udara bertindak sebagai refrigerant, yang menyerap panas pada tekanan konstan P, di dalam refrigerator.Udara panas keluar refrigerator, dikompressi untuk dibuang panasnya ke lingkungan melalui cooler pada tekanan
28 konstan P2 (P2 > P1). Udara keluar cooler dikembalikan ke keadaan awal oleh mesin ekspansi untuk dapat melakukan langkah awal pada siklus berikutnya. Sitem refrigerasi di tunjukan pada Gambar 2.6.3.
Gambar 2.9. Sistem refrigerasi udara
Sumber : http://ptwhm.blogspot.com/2013/05/prinsip-dasar-refrigeration.html?m=1
2.8. Spray Drying
2.8.1. Pengertian Spray Drying
Spray drying merupakan suatu proses pengeringan untuk mengurangi kadar air suatu bahan sehingga dihasilkan produk berupa bubuk melalui penguapan cairan. Spray drying menggunakan atomisasi cairan untuk membentuk droplet, selanjutnya droplet yang terbentuk dikeringkan menggunakan udara kering dengan suhu dan tekanan yang tinggi. Bahan yang digunakan dalam pengeringan spry drying dapat berupa suspensi, dispersi maupun emulsi. Sementara produk akhir yang dihasilkan dapat berupa bubuk, granula maupun aglomerat tergantung sifat fisik-kimia bahan yang akan dikeringkan, desain alat pengering dan hasil akhir produk yang diinginkan.
29 Prinsip dasar Spray drying adalah memperluas permukaan cairan yang akan dikeringkan dengan cara pembentukan droplet yang selanjutnya dikontakkan dengan udara pengering yang panas. Udara panas akan memberikan energi untuk proses penguapan dan menyerap uap air yang keluar dari bahan.
Bahan (cairan) yang akan dikeringkan dilewatkan pada suatu nozzle (saringan bertekanan) sehingga keluar dalam bentuk butiran (droplet) yang sangat halus. Butiran ini selanjutnya masuk kedalam ruang pengering yang dilewati oleh aliran udara panas. Hasil pengeringan berupa bubuk akan berkumpul dibagian bawah ruang pengering yang selanjutnya dialirkan ke bak penampung.
Secara umum proses pengeringan dengan metode spray drying melalui 5 tahap :
a. Penentuan konsentrasi : konsentrasi bahan yang akan dikeringkan harus tepat, kandungan bahan terlarut 30% hingga 50%. Jika bahan yang digunakan sangat encer dengan total padatan terlarut yang sangat rendah maka harus dilakukan pemekatan terlebih dahulu melalui proses evaporasi. Jika kadar air bahan yang akan dikeringkan terlalu tinggi maka proses spray drying kurang maksimal dimana bubuk yang dihasilkan masih mengandung kadar air yang tinggi. Selain itu juga menyebabkan kebutuhn energi yang tinggi dalam proses pengeringan.
Perbandingan konsumsi energy yang akan dibutuhkan sesuai dengan Total Solid (konsentrasi) feed (bahan) yang masuk ke dalam spray drying:
- 10 % = 23.650 kJ/kg powder - 40% = 3.970 kJ/kg Powder
- 20% = 10.460 kJ/kg powder - 50% = 2.680 kJ/kg powder
30 b. Atomization : Bahan yang akan dimasukkan dalam alat spray drier harus dihomogenisasikan terlebih dahulu agar ukuran droplet yang dihasilkan seragam dan tidak terjadi penyumbatan atomizer. Homogenisasi dilakukan dengan cara pengadukan. selanjutnya bahan dialirkan kedalam atomizer berupa ring/wheel dengan lubang-lubang kecil yang berputar. Atomization merupakan proses pembentukan droplet, dimana bahan cair yang akan dikeringkan dirubah ukurannya menjadi partikel (droplet) yang lebih halus. Tujuan dari atomizer ini adalah untuk memperluas permukaan sehingga pengeringan dapat terjadi lebih cepat. Pada Industri makanan, luas permukaan droplet setelah melalui atomizer adalah mencapai 1-400 mikrometer.
c. Kontak droplet dengan udara pengering : Pada sebagian besar spray dryer, nozzle (atomizer) tersusun melingkar. Dan pada tengahnya disemprotkan udara panas bertekanan tinggi dengan suhu mencapai 300 0C. Udara panas dan droplet hasil atomisasi disemprotkan ke bawah. Kondisi ini menyebabkan terjadinya kontak antara droplet dengan udara panas sehingga terjadi pengeringan secara simultan.
d. Pengeringan droplet : adanya kontak droplet dengan udara panas menyebabkan evaporasi kadungan air pada droplet hingga 95% sehingga dihasilkan bubuk. Bubuk yang telah kering jatuh ke bawah drying chamber (ruang pengering) yang berukuran tinggi sekitar 84cm dan diameter 47cm. dari atas chamber hingga mencapai dasar hanya memerlukan waktu selama beberapa detik.
31 e. Separasi : udara hasil pengeringan dipisahkan dengan pengambilan udara yang mengandung serpihan serbuk dalam chamber, selanjutnya udara akan memasuki separator. Udara hasil pengeringan dan serpihan serbuk dipisahkan dengan menggunakan gaya sentrifulgal. Selanjutnya udara dibuang, dan serpihan bahan dikembalikan dengan cara diblow sehingga bergabung lagi dengan produk dalam line proses.
2.8.3. Desain Spray Dryer Atomizer
Atomizer merupakan bagian terpenting pada spray drier dimana memiliki fungsi untuk menghasilkan droplet dari cairan yang akan dikeringkan. Droplet yang terbentuk akan didistribusikan (disemprotkan) secara merata pada alat pengering agar terjadi kontak dengan udara panas. Ukuran droplet yang dihasilkan tidak boleh terlalu besar karena proses pengeringan tidak akan berjalan dengan baik. Disamping itu ukuran droplet juga tidak boleh terlalu kecil karena menyebabkan terjadinya over heating.
Chamber merupakan ruang dimana terjadi kontak antara droplet cairan yang
dihasilkan oleh atomizer dengan udara panas untuk pengeringan. Kontak udara panas dengan droplet akan menghasilkan bahan kering dalam bentuk bubuk. Bubuk yang terbentuk akan turun ke bagian bawah chamber dan akan dialirkan dalam bak penampung.
Heater : Heater berfungsi sebagai pemanas udara yang akan digunakan sebagai
pengering. Panas yang diberikan harus diatur sesuai dengan karakteristik bahan, ukuran droplet yang dihasilkan dan jumlah droplet. Suhu udara pengering yang digunakan diatur agar tidak terjadi over heating.
32 Cyclone : Cyclone berfungsi sebagai bak penampung hasil proses pengeringan.
Bubuk yang dihasilkan akan dipompa menuju Cyclone.
Bag Filter : Bag Filter berfungsi untuk menyaring atau memisahkan udara
setelah digunakan pengeringan dengan bubuk yang terbawa setelah proses. 2.8.4. Parameter Kritis Spray Drying
a. Suhu pengering yang masuk : Semakin tinggi suhu udara yang digunakan untuk pengeringan maka proses penguapan air pada bahan akan semakin cepat, namun suhu yang tinggi memungkinkan terjadinya kerusakan secara fisik maupun kimia pada bahan yang tidak tahan panas.
b. Suhu pengering yang keluar : Suhu pengering yang keluar mengontrol kadar air bahan hasil pengeringan (bubuk) yang terbentuk.
c. Viskositas bahan (larutan) yang masuk : Viskositas bahan yang akan dikeringkan mempengaruhi partikel yang keluar melalui nozel. Viskositas yang rendah menyebabkan kurangnya energi dan tekanan dalam menghasilkan partikel pada atomization.
d. Jumlah padatan terlarut : Jumlah padatan terlarut pada bahan yang masuk diatas 30% agar ukuran partikel yang terbentuk tepat.
e. Tegangan permukaan : Tegangan permukaan yang tinggi dapat menghambat proses pengeringan, umumnya untuk menurunkan tegangan permukaan dilakukan penambahan emulsifier. Emulsifier juga dapat menyebabkan ukuran partikel yang keluar dari nozzle lebih kecil sehingga mempercepat proses pengeringan.
33 f. Suhu bahan yang masuk : Peningkatan suhu bahan yang akan dikeringkan sebelum memasuki alat akan membawa energi sehingga proses pengeringan akan lebih cepat.
g. Tingkat volatilitas bahan pelarut : bahan pelarut dengan tingkat volatilitas yang tinggi dapat mempercepat proses pengeringan. Namun dalam prakteknya air menjadi pelarut utama dalam bahan pangan yang dikeringkan.
h. Bahan dasar nozzle umumnya terbuat dari stainless steel karena tahan karat sehingga aman dalam proses penggunaannya.
2.8.5. Kelebihan dan Kekurangan metode Spray Drying a. Kelebihan
Kapasitas pengeringan besar dan proses pengeringan terjadi dalam waktu yang sangat cepat. Kapasitas pengeringan mencapai 100 ton/jam.
Tidak terjadi kehilangan senyawa volatile dalam jumlah besar (aroma) Cocok untuk produk yang tidak tahan pemanasan (tinggi protein)
Memproduksi partikel kering dengan ukuran, bentuk, dan kandungan air serta
sifat-sifat lain yang dapat dikontrol sesuai yang diinginkan
Mempunyai kapasitas produksi yang besar dan merupakan system kontinyu
yang dapat dikontrol secara manual maupun otomatis
34 Memerlukan biaya yang cukup tinggi
Hanya dapat digunakan pada produk cair dengan tingkat kekentalan tertentu
Tidak dapat diaplikasikan pada produk yang memiliki sifat lengket karena akan menyebabkan penggumpalan dan penempelan pada permukaan alat
2.8.6. Aplikasi Spray Drying
Pengeringan semprot (spray drying) cocok digunakan untuk pengeringan bahan pangan cair seperti susu dan kopi (dikeringkan dalam bentuk larutan ekstrak kopi).
2.8.7. Skema Rangkaian Alat
