BAB II LANDASAN TEORI

(1)

4 BAB II

LANDASAN TEORI

2.1 Sistem Refrigerasi Kompresi Uap

Cara kerja dari mesin pendingin dengan siklus refrigerasi kompresi uap adalah sebagai berikut :“Fluida kerja dikompresikan di dalam kompresor dari tingkat keadaan 1 ke tingkat keadaan 2, pada tekanan tinggi ini fluida kerja diembunkan di dalam kondensor ke tingkat keadaan 3 dan kemudian diekspansikan dengan katup ekspansi ke tingkat keadaan 4 dan berevaporasi di dalam evaporator kembali ke tingkat keadaan 1.”

Sistem pendinginan ini terdiri dari beberapa alat utama yang pokok untuk dapat terjadinya proses kompresi uap, yaitu :

a. Kompresor, berfungsi untuk menaikkan tekanan refrigerant.

b. Kondensor berfungsi mendinginkan atau mengembunkan refrigerant berarti terjadi panas yang dibuang di dalam kondensor.

c. Katup ekspansi, berfungsi untuk mengeskpansikan refrigerant secara entalpi konstan dan tidak ada panas yang diserap maupun dibuang pada proses ekspansi untuk menurunkan tekanan refrigerant.

d. Evaporator, berfungsi untuk memanaskan atau menguapkan refrigerant, berarti ada panas yang diserap oleh refrigerant sehingga terjadi efek pendinginan pada lingkungan sekitarnya.

Untuk mengetahui kemampuan mesin pendingin maka digunakan koefisien

performansi (Coefficient of Performance, COP), yang dimaksud dengan COP

adalah perbandingan antara efek pendinginan dan kerja yang dilakukan oleh

kompresor. (gregoriusagung, 2010).

(2)

5 Gambar 2.1 Skema sistem refrigerasi dan diagram tekanan-entalpi pada kompresi

uap (sumber: wardika, 2011)

Siklus refrigerasi kompresi uap merupakan suatu sistem yang memanfaatkan aliran perpindahan kalor melalui refrigeran. Proses utama dari kompresi uap yaitu:

Proses kompresi (1 – 2). Refrigeran dalam bentuk uap masuk menuju kompresor dimana tekanannya dinaikkan. Suhu kemudian juga akan meningkat, sebab bagian energi yang menuju proses kompresi dipindahkan ke refrigeran. Oleh karena itu kompresor membutuhkan kerja . Daya kompresor dapat dihitung dangan persamaan : (dossat, 1981)

W = 𝑚 ( ̇ ℎ

₂

− ℎ

₁

) ... (2.1)

Dimana :

W = Daya kompresor, kW

𝑚̇ = Laju aliran massa refrigerant, kg/s

ℎ

₂

= Entalpy refrigeran keluar kompresor, kJ/kg ℎ

₁

= Entalpy refrigeran masuk kompresor, kJ/kg

Proses (2 – 3). Superheated gas bertekanan tinggi lewat dari kompresor menuju kondenser. Bagian awal proses refrigerasi menurunkan panas superheated gas sebelum gas ini dikembalikan menjadi bentuk cairan.

Refrigerasi untuk proses ini biasanya dicapai dengan menggunakan udara KONDENSER

EVAPORATOR 1 2 3

4 Ekspansi

Kompresor

1 3 2

Pres su re (k Pa ) 4

Enthalpy (kJ/kg) P

c

P

e

h

3

=h

4

h

1

h

2

(3)

6 atau air. Penurunan suhu lebih lanjut terjadi pada pekerjaan pipa dan penerima cairan, sehingga cairan refrigeran didinginkan ke tingkat lebih rendah ketika cairan ini menuju alat ekspansi. Jadi laju perpindahan panas dari kondensor ke temperature lingkungan adalah dapat dilihat dengan persamaan dibawah ini : (dossat, 1981)

Q

c

= 𝑚̇ ( h

2

– h

3

) ...(2.2)

Dimana :

𝑄

_𝑐

= Kapasitas pembuangan panas, kW 𝑚̇ = Laju aliran massa refrigeran, kg/s

ℎ

₂

= Entalpy refrigeran saat masuk kondensor, kJ/kg ℎ

₃

= Entalpy refrigeran saat keluar kondensor, kJ/kg

Proses ekspansi (3 – 4). Cairan yang sudah didinginkan dan bertekanan tinggi melintas melalui peralatan ekspansi, yang mana akan mengurangi tekanan dan mengendalikan aliran menuju evaporator. Proses ini terjadi secara adiabatik sehingga tidak ada panas yang keluar ataupun masuk.

(dossat, 1981)

h

3

– h

4

...(2.3)

Dimana :

ℎ

₃

= Entalpy refrigeran masuk ekspansi, kJ/kg ℎ

₄

= Entalpy refrigeran keluar ekspansi, kJ/kg

Proses evaporasi (4 – 1). Cairan refrigeran dalam evaporator menyerap

panas dari sekitarnya, biasanya udara, air atau cairan proses lain. Selama

proses ini cairan merubah bentuknya dari cair menjadi gas, dan pada

keluaran evaporator gas ini masuk kembali ke kompresor. Besarnya panas

(4)

7 yang diserap oleh evaporator disebut dengan kapasitas refrigerasi atau beban pendinginan. Dapat dihitung dengan rumus : (dossat, 1981)

𝑄

_𝑒

= 𝑚̇ ( h

2

- h

1

) ...(2.4)

Dimana :

𝑄

_𝑒

= Kapasitas pendingin, kW

𝑚̇ = Laju aliran massa refrigeran,kg/s

ℎ

₂

= Entalpy refrigeran masuk evaporator, kJ/kg ℎ

₁

= Entalpy refrigeran keluar evaporator, kJ/kg

2.1.1 Kinerja Sistem Refrigerasi

a. COP

actual

adalah perbandingan kalor yang diserap oleh evaporator dari lingkungan terhadap kerja yang dilakukan oleh kompresor. Dapat diketahui bahwa (Jodi hidayat, 2013)

COP

actual

=

_𝑞w^𝑞e

... (2.5) Dimana :

q

e

= efek refrigerasi,kJ/kg q

w

= kerja kompresi, kJ/kg

b. COP

carnot

adalah perbandingan temperatur evaporasi dibandingkan dengan selisih temperatur kondensasi dan evaporasi. Satuan temperatur yang digunakan dalam rumus COP

carnot

adalah Kelvin. (Jodi hidayat, 2013)

COP

carnot

=

_{𝑇c−𝑇e}^𝑇e

... (2.6)

(5)

8 Keterangan,

Te = Temperatur evaporator, K Tc = Temperatur kondensor,K

c. Efisiensi refrigerasi adalah perbandingan antara COP

actual

dan COP

carnot.

(Jodi hidayat, 2013)

ɳ =

_{𝐶𝑂𝑃𝑐𝑎𝑟𝑛𝑜𝑡}^{𝐶𝑂𝑃𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙}

………..….………(2.7)

2.2 Termostat Katup Ekspansi (TXV)

Sistem refrigerasi terdiri dari berbagai komponen. Salah satu komponen utama sistem refrigerasi adalah katup ekspansi. katup ekspansi merupakn katup jatuh tekan. artinya katup ini berfungsi untuk merubah zat alir dari tekanan tinggi menjadi tekanan rendah. Dengan adanya katup ekspansi bahan refrigeran sebelum melalui katup ekspansi berupa cairan, setelah melewati katup ekspansi bahan refrigeran berubah wujud menjadi percikan cairan refrigeran, hal ini terjadi karena proses jatuh tekan. ini dapat di analogikan seperti selang air yang terhubung dengan keran air dan keran air ini kira buka full lalu di ujung keran diberi lubang kecil (ditekan) maka air tersebut keluar dengan memancar.

Katup ekspansi terdiri dari:

1. Body katup 2. Sensing bulb 3. Bellow 4. Jarum nozzle 5. Pegas

6. Celah alir (orivice)

(6)

9 Gambar: 2.2 Thermostatic Expansi Valve (TXV)

Sumber ( http://www.alpinehomeair.com )

Katup ekspasi termostat dalam keadaan tertutup. katup ini bekerja membuka dan menutup secara otomatis. katup ini membuka dan menutup berdasarkan suhu.

sensor suhu pada katup ekspansi ini umumnya di sebut dengan "sensing bulb" yaitu tabung yang berisi cairan refrigeran. (areajaya, 2012)

2.2.1 Termostat Katup Ekspansi Tertutup

sensor "sensing bulb" di letakan pada bagian ujung beban (evaporator). pada saat evaporator berada dalam temperatur yang dingin maka sensor "sensing bulb"

menerima suhu rendah, sehingga cairan yang ada di dalam sensing bulb berubah

menjadi cairan dan karena bentuknya berupa cairan maka volume dan tekanan

sensing bulb berkurang. karena tekanan sensing bulb berkurang maka bellow

menjadi mengkerut sehingga nozzle akan terdorong oleh pegas sehingga akan

menutup celah oriefice. (transmis, 2012)

(7)

10 Gambar: 2.3 Thermostatic Expansi Valve Tertutup (transmis, 2012)

2.2.2 Termostat Katup Ekspansi Terbuka

Sensor "sensing bulb" di letakan pada bagian ujung beban (evaporator).

pada saat evaporator berada dalam temperatur yang tinggi (lebih tinggi daripada

temperatur mencair) maka sensor "sensing bulb" menerima suhu tinggi, sehingga

cairan yng ada di dalam sensing bulb berubah menjadi gas dan karena bentuknya

berupa gas maka volume dan tekanan sensing bulb bertambah. karena tekanan

sensing bulb bertambah maka bellow/dipragma menjadi mengembang sehingga

nozzle akan terdorong oleh bellow/dipragma sehingga akan membuka celah

oriefiice. (transmis, 2012)

(8)

11 Gambar: 2.4 Thermostatic Expansi Valve Terbuka (transmis, 2012)

2.2.3 Fungsi Katup Ekspansi Termostat (TXV)

Katup expansi berfungsi untuk mengatur refrigeran yang masuk ke evaporator. Katup expansi dilengkapi pegas katup, bola thermal dan diafragma.

Katup ditekan oleh pegas agar selalu menutup sedangkan bola thermal selalu berusaha mendorong katup untuk membuka. Diafragma terletak di atas katup expansi dan berhubungan dengan pena penggerak katup. Jika pena katup turun, maka katup akan membuka dan sebaliknya apabila kompresor hidup, maka aliran refrigeran cair yang bertekanan tinggi masuk dan katup jarum akan membuka lebar.

Ketika kevakuman pada saluran masuk, besar tekanan dalam bola thermal sangat

tinggi , kemudian tekanan ini diteruskan oleh diafragma lewat pipa kapiler. Tekanan

bola thermal dalam diafragma melawan tekanan pegas katup dan tekanan pipa

equalizer sampai diafragma melengkung. Lengkungan diafragma tersebut

diteruskan ke katup dengan perantaraan pena penggerak. Katup membuka dan

refrigeran dalam evaporator naik karena dipanasi oleh udara hangat yang melewati

evaporator, akibatnya refrigeran mendidih dan menjadi gas. Gas refrigeran tersebut

(9)

12 mengalir menuju saluran pemasukan pemasukan ke kompresor. Walau sedang mendidih suhunya tetap dingin dan membantu mendinginkan bola thermal sehingga akan mengurangi tekanan pada diafragma. (areajaya, 2012)

Gambar: 2.5 Bagian-bagian Thermostatic Expansi Valve (TXV) (hvactutorial, 2011)

2.3 Pipa Kapiler

Pipa yang memiliki diameter paling kecil jika dibandingkan dengan pipa-

pipa lainnya. Pipa kapiler media yang digunakan untuk aliran refrigeran pada sistem

pendingin sejenis freezer, kulkas dan lainnya. (Warta, 2014)

(10)

13 Gambar: 2.6 Pipa kapiler (Hamparanmandiri, 2013)

Pipa dengan ukuran lubang sebatang jarum ini sering kali buntu dan rentan patah.

Pipa kapiler berfungsi sebagai alat untuk menurunkan tekanan, merubah bentuk dari gas menjadi bentuk cairan, dan mengatur cairan refrigeran yang berasal dari pipa kondensor.

Sebelum gas refrigeran melewati pipa kapiler terlebih dahulu harus melalui alat yang sudah terpasang dari pabrikan mesin pendingin sebagai saringan gas (drien strainer). Kebuntuan yang terjadi karena partikel kotoran yang terbawa bersama refrigeran, kemudian pada kejadian yang alami kotoran berasal dari bubuk besi yang tercampur dengan oli pada pendingin mobil.

Pipa kapiler biasanya ditempatkan dengan cara digulung melingkar demi menghemat tempat dengan menggunakan mal kapasitor bekas agar tidak pipih.

(Warta, 2014)

Menurut yang lain Sistem pengontrol laju refrigeran yang paling sederhana

adalah pipa kapiler. Seperti namanya pipa kapiler terdiri dari pipa panjang dengan

diameter yang sangat kecil. Pada ukuran panjang dan diameter tertentu, pipa kapiler

memiliki tahanan gesek yang cukup tinggi sehingga dapat menurunkan tekanan

kondensasi yang tinggi ke tekanan evaporasi yang rendah. Pipa kapiler memiliki

banyak macam dan ukuran berdasarkan ukuran diameter dalam dan luar. Sistem

(11)

14 yang memakai pipa kapiler berbeda dengan sistem yang memakai katup ekspansi.

Pipa kapiler tidak dapat dapat menahan atau menghentikan aliran bahan pendingin pada waktu kompresor sedang bekerja maupun waktu kompresor sedang berhenti.

Waktu kompresor dihentikan, bahan pendingin dari sisi tekanan tinggi akan terus mengalir ke sisi tekanan rendah, sampai tekanan pada kedua bagian tersebut menjadi sama disebut waktu penyama tekanan (Equalization time). Setelah tekanan pada sisi tekanan tinggi dan sisi tekanan rendah menjadi sama, dimana sistem dalam keadaan seimbang (balance). Maka kompresor dapat start kembali dengan mudah.

Selain itu pipa kapiler sendiri harganya sangat murah dibandingkan alat pengatur lain. Ini adalah keuntungan sistem yang memakai pipa kapiler. Kerugian pipa kapiler yaitu tidak sensitif terhadap perubahan beban, seperti pada alat pengatur yang lain. tidak boleh lebih atau kurang. Jumlah bahan pendingin yang tepat yaitu apabila pada evaporator telah merata dinginya dan mencapai suhu dibawah -5 C.

Kondensor panasnya merata, bagian atas dan bawah sampai saringan terasa hangat.

Pengukuran dan pemeliharaan pipa kapiler memakai pipa kapiler pada sistem

refrigerasi harus memperhatikan dua hal : kebersihan dan ukuran. Kebersihan harus

sangat diperhatikan jangan sampai kotoran seperti debu, lumpur, potongan logam,

flux, udara dan uap air dapat masuk ke dalam lubang kapiler. Pipa kapiler

mempunyai lubang dalam yang sangat kecil. Sedikit saja kotoran dapat

membuntukan pipa kapiler tersebut. Ukuran pipa kapiler panjang dan diameter

dalam sangat peka dalam menentukan besar tahananya. Sedikit saja perubahan

diameter dalam pipa kapiler dapat mengubah jumlah aliran bahan pendingin yang

sangat besar. Misalnya menukar pipa kapiler dari 0,031 inci menjadi 0,036 inci

diameter dengan panjang yang sama akan menambah jumlah aliran bahan

pendingin dua kali lipat. Panjang pipa kapiler adalah salah satu faktor yang dengan

mudah dapat kita atur, mengubah tahanan pipa kapiler yang paling mudah yaitu

dengan mengubah panjangya. Tukar pipa kapiler dengan yang lebih panjang dan

tahananya pun akan bertambah besar. Ada satu hal yang pada umumnya kurang kita

pahami, bahwa ada batasnya untuk memperpanjang atau memperpendek pipa

kapiler. Memilih panjang pipa kapiler sebaiknya jangan kurang dari 5 feet (1,5

meter) dan jangan lebih panjang dari 16 feet (4,88 meter). Mengalirnya bahan

(12)

15 pendingin dalam pipa kapiler yang pendek, kurang dari 1,5 meter menjadi sangat cepat, makin pendek makin cepat. Pipa kapiler yang sangat pendek, jika panjangnya dikurangi sedikit saja, pipa kapiler tersebut akan menyebabkan perubahan aliran bahan pendingin yang sangat besar. Akhirnya panjang pipa kapiler tidak lagi mempengaruhi jumlah aliran bahan pendingin. Sistem dengan pipa kapiler yang terlalu panjang atau ukuran lubang dalam yang terlalu kecil, tahananya menjadi besar dan bahan pendingin yang mengalir berkurang. Pipa kapiler yang sangat panjang sampai lebih dari lima meter, selain tidak ekonomis juga hasilnya pasti (Warta, 2014)

2.3.1 Cara kerja Pipa Kapiler

Pada saat refrigerant dipompa, oil yang telah bercampur dengan kotoran ini ikut terbawa sirkulasi, bubuk besi dengan ukuran lebih besar akan terjaring oleh filter dryer sedangkan bubuk dengan ukuran kecil akan terus melewati pipa kapiler, evaporator dan kembali masuk kompresor. Proses ini terjadi berulang-ulang maka kotoran akan membentuk lapisan yang menempel pada dinding pipa kapiler dan akan mengalami kerusakan.