PENGARUH KECEPATAN UDARA PENDINGIN
KONDENSOR TERHADAP KOEFISIEN PRESTASI
AIR CONDITIONING
Marwan Effendy
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik UMS Jl.A.Yani Pabelan-Kartasura, Tromol Pos 1 Surakarta
email : effendy@ums.ac.id
ABSTRAK
Kondensor merupakan alat penukar kalor pada sistem refrigerasi yang berfungsi untuk melepas kalor ke lingkungan. Bagian kondensor biasanya diberi kipas untuk menghisap udara yang melewati celah alat penukar kalor. Modifikasi terkadang dilakukan dengan menambahkan kipas udara. Penambahan perangkat tersebut dimaksudkan untuk meningkatkan laju aliran udara sehingga mempercepat proses pelepasan kalor ke lingkungan. Penelitian ini akan mengungkap pengaruh peningkatan laju aliran massa udara di kondensor terhadap koefisien prestasi sistem pendingin AC. Koefisien prestasi yang tinggi sangat diharapkan dalam daur refrigerasi. Dalam melakukan penelitian dirakit sistem pendingin AC yang terdiri dari kompresor, kondensor, katup ekspansi, dan evaporator. Refrigeran yang dipergunakan adalah freon-12. Bagian kondensor dipasang kipas angin yang bisa diatur putarannya. Untuk keperluan pengambilan data ditambahkan alat ukur seperti orifice, manometer, dan termometer yang menyatu dengan sistem, sedangkan kecepatan udara yang dihisap diukur dengan anemometer.
Dalam penelitian berhasil mengukur data tekanan, temperatur, dan laju aliran massa refrigeran dengan variasi kecepatan udara pendingin di kondensor. Kecepatan udara pendingin kondensor diatur dengan menambahkan putaran motor listrik penggerak kipas. Variasi kecepatan udara pendingin antara 0,2 – 2,98m/s yang dihasilkan dari putaran kipas 60-309rpm. Hasil penelitian menunjukkan semakin besar laju aliran udara untuk mendinginkan kondensor maka besarnya koefisien prestasi semakin meningkat. Pada kecepatan udara pendingin di atas 2,98m/s pengaruh perubahan terhadap koefisien prestasi relatif kecil.
Kata kunci : kondensor, koefisien prestasi, refrigeran PENDAHULUAN
Perkembangan dan penerapan sistem refrigerasi pada otomobil mengalami
peningkatan yang sangat pesat. Banyaknya mobil yang dilengkapi dengan AC (air conditioner) bertujuan untuk menyegarkan
udara ruangan. Sistem refrigerasi yang paling sederhana memiliki komponen utama evaporator, kompresor, kondensor dan alat ekspansi. (Arismunandar, 1995).
Dalam kehidupan sehari-hari sering dijumpai banyak pemilik mobil ber-AC memodifikasi pendingin kondensor dengan menambahkan kipas tambahan (extra fan). Penambahan kipas tersebut diharapkan akan mendapatkan suhu ruangan yang lebih sejuk. Fenomena ini menarik untuk dikaji apakah penambahan peralatan akan mempengaruhi kinerja sistem pendingin. Secara analitis muncul dugaan bahwa penambahan kipas akan mempercepat laju aliran udara yang melewati kondensor se-hingga terjadi pertukaran kalor lebih cepat. Menurut Adi (2000) bahwa penambahan aliran udara pendingin pada kondensor akan mempengaruhi kapasitas kondensor. Berkaitan dengan hal di atas selanjutnya akan dikaji pengaruh laju aliran udara pendingin kondensor terhadap unjuk kerja mesin refrigerasi. Unjuk kerja didefinisi-kan sebagai koefisien prestasi.
TINJAUAN PUSTAKA
S
tudi eksperimen mengenai sistempendingin telah banyak dilakukan berbagai ilmuwan. Adi(2000) melakukan penelitian tentang pengaruh kecepatan udara pendingin terhadap unjuk kerja mesin pen-dingin water chiller dengan menggunakan refrigeran R12. Berdasarkan penelitiannya tinggi laju aliran udara di kondensor akan menyebabkan kenaikan kapasitas kondensor. Aliran udara kondensor juga menyebabkan terjadinya kenaikan daya kompresor.
Cah
yo (2003) melakukan penelitiandengan tema analisis sistem mesin
pendingin water chiller dengan
membandingkan fluida R-12 dan R-22. Data yang diambil antara lain kecepatan
udara di kondensor serta temperatur dan tekanan di tiap titik masuk dan keluar komponen utama mesin pendingin untuk mengetahui kondisi refrigeran. Data kemudian diplot pada diagram entalphi refrigeran sehingga didapat nilai enthalphi. Dari analisis data diperoleh kesimpulan bahwa penurunan temperatur evaporator diikuti peningkatan koefisien prestasi. COP akan mengecil jika terjadi penurunan beban di evaporator. Penelitian dengan R-22 dapat diperoleh informasi bahwa refrigeran mempunyai sifat temperatur kerja evaporator lebih rendah, dampak refrigerasi lebih besar, kerja kompresor lebih rendah, dan koefisien prestasi lebih kecil.
Prinsip Kerja Mesin Pendingin
Dalam sebuah mesin pendingin refrigeran dialirkan dalam saluran pipa-pipa. Sebelum masuk kompresor, refrigeran dengan kondisi uap jenuh dikompresikan sehingga uap keluar kompresor menjadi uap panas lanjut. Uap tersebut mengalir pada bagian kondensor untuk melepaskan kalor ke lingkungan sehingga terjadi proses kondensasi. Uap berubah menjadi cair jenuh kemudian melewati dryer, selanjutnya menuju katup ekspansi dan mengalami penurunan sampai tekanan evaporator. Pada evaporator cairan dari katup ekspansi mengalami evaporasi sehingga berubah menjadi uap jenuh dan masuk ke dalam kompresor untuk dikompresikan. Siklus berjalan terus menerus sehingga di dapat temperatur yang diinginkan.
Siklus Kompresi Uap Standar
Proses-proses yang membentuk siklus kompresi standar adalah :
1. Kompresi adiabatik dan reversibel, dari uap jenuh menuju tekanan kondensor.
Gambar 1. Sirkuit sistem pendinginan AC (Boentarto, 2003)
3 2
4 1
Gambar 2. Diagram Mollier dan siklus refrigerasi (Arismunandar, 2002)
2. Pelepasan kalor reversibel pada tekanan konstan, menyebabkan penurunan panas lanjut (desuperheating) dan pengembunan refrigeran.
3. Ekspansi tidak reversibel pada entalpi konstan, dari cairan jenuh menuju tekanan evaporator.
4. Penambahan kalor reversibel pada tekanan tetap, yang menyebabkan penguapan menuju uap jenuh.
Kapasitas laju aliran kalor kondensasi
Q kon = m&ref[h2 - h3] (1)
Q evap = m&ref [h1 - h4] (2) Kerja kompresor, Win [W]
W in = m&ref [h2 - h1] (3)
Dampak refrigerasi, RE [kJ/ kg]
RE = h1 - h4 (4)
Koefisien prestasi, COP COP = 1 2 4 1
h
h
h
h
−
−
(5) dimana :h1 = Entalpi keluar evaporator [kJ/kg]
h2 = Entalpi masuk kondensor [kJ/kg]
h3 = Entalpi keluar kondensor [kJ/kg]
h4 = Entalpi masuk evaporator [kJ/kg]
ref
m& = Laju aliran massa refrigeran [kg/s]
METODE PENELITIAN Bahan dan Alat
Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah peralatan dari mesin refrigerasi dengan pendingin udara, tetapi peralatan ini mempunyai kapasitas yang lebih kecil bila dibandingkan dengan ukuran sebenarnya.
1. Kompresor AC mobil merk sanden Kompresor digunakan untuk meng-kompresikan refrigeran.
2. Kondensor AC ruangan
Kondesor berfungsi untuk melepas kalor refrigeran ke lingkungan.
3. Katup Ekspansi termostatik
Katup ekspansi digunakan untuk me-nurunkan tekanan dari kompresor hingga mencapai tekanan evaporator. 4. Evaporator AC mobil
Evaporator berfungsi untuk menyerap panas atau untuk proses evaporasi. 5. Filter Dryer
Digunakan untuk menyaring kotoran halus agar tidak menyumbat katup ekspansi.
6. Kipas Udara Pendingin
Kipas yang digunakan berpenggerak motor listrik 3 phasa.
7. Ruangan Penyekat
Agar waktu yang dibutuhkan untuk pendingin ruangan lebih cepat maka perlunya ruangan terbatas. Ruangan nantinya dibuat dari triplek dengan isolator aluminium foil
8. Orifice
Orifice digunakan untuk mencari laju aliran refrigeran, dengan menerapkan persamaan kontinuitas aliran dan persamaan Bernoulli
9. Motor Listrik
Motor listrik yang digunakan adalah motor 2 fase dengan daya 2 HP. Motor listrik sebagai penggerak kompresor 10. Pompa Vakum
Berfungsi untuk mengisikan refrigeran ke dalam sistem mesin pendingin
Alat Ukur
1. Termokopel
Untuk mengukur temperatur 2. Pengukur tekanan (pressure gauge)
Untuk mengukur tekanan beroperasinya sistem pendingin
3. RH-meter
Untuk mengukur kelembaban udara 4. Anemometer
Untuk mengukur kecepatan udara pada isapan kipas dan blower
5. Rotameter
Untuk melakukan kalibrasi alat ukur orifice
6. Manometer air raksa
Jalannya Penelitian
Setelah instalasi berhasil dirakit, selanjutnya perlu melakukan penyetelan alat dan tes kebocoran. Mula–mula dilaku-kan pemvakuman untuk memastidilaku-kan tidak adanya udara di dalam sistem. Setelah itu pengisian refrigeran dilakukan secara
perlahan-lahan dengan menghidupkan kompresor. Pengisian refrigeran ini sampai dianggap cukup, keadaan ini ditandai bila refrigeran pada filter dryer tidak ada gelembung uap, hal ini menunjukkan bahwa fase uap seluruhnya berubah menjadi fase cair setelah keluar kondensor.
Pengambilan data dilakukan setelah mesin berjalan selama sekitar satu jam atau setelah bekerja pada kondisi tunak. Data-data yang dicatat yaitu suhu, tekanan dan perbedaan tekanan pada orifice dengan variasi kecepatan udara pada kondensor melalui perubahan rpm motor. Variasi dilakukan untuk putaran 60-309 rpm, yang jika diekspresikan dalam kecepatan setara dengan 0,2-2,98m/s. Untuk putaran kurang
dari 60 rpm berakibat kerja kompresor menjadi sangat panas, sedangkan putaran di atas 309 rpm perubahan parameter tekanan dan temperatur relatif kecil, sehingga untuk kondisi ini tidak dilakukan pengambilan data.
Analisis Data
Data dari hasil pengujian berupa tekanan dan temperatur selanjutnya diplot pada diagram P-h untuk refrigeran Freon 12. Dari pembacaaan ini diketahui besarnya harga entalpi pada setiap titik yaitu h1, h2,
h3, h4 (kJ/kg), dan laju aliran massa
refrigeran (kg/s). Harga enthalpi ini selanjutnya dengan mempergunakan per-samaan 1) sampai 5) dapat dihitung besar-
Instalasi Penelitian
Gambar 3. Skema instalasi pengujian
P4 , T4 Katup ekspansi P1 , T1 P2 , T2 P3 , T3 P5 , T5
KONDENSOR
EVAPORATOR
ORIFICE
DRYER blower Udara dingin Kerja Kompresor Kipas Cabin T6 udaranya perpindahan kalor dari refrigeran ke udara. Untuk satu variasi kecepatan udara pendingin menghasilkan variasi laju aliran massa refrigeran, efek refrigerasi, kerja kompresi dan koefisien prestasi. Kecepatan udara pendingin diekspresikan dalam bilangan Reynolds. Untuk menghitungnya dipergunakan rumus
υ v.D
Re= dengan
v = kecepatan udara, D = diameter kipas dan υ = viskositas kinematik udara saat percobaan.
HASIL DAN PEMBAHASAN Efek Refrigerasi
Dalam Gambar 4 ditunjukkan hasil penelitian untuk 3 kondisi temperatur ruangan cabin yang berbeda. Dalam penelitian ini ruangan yang didinginkan dikondisikan dengan menjaga agar supaya mendekati konstan untuk 3 variasi
temperatur yang berbeda yaitu 300C,
29.20C dan 27.50C. Untuk masing masing
kondisi ini kemudian dilakukan penelitian dengan merubah kecepatan aliran udara yang dilewatkan kondensor sebagai pen-
dingin udara. Variasi kecepatan ini diperoleh dari perubahan rpm pada kipas yang dipasang. Setiap perubahan rpm, kecepatan udara yang lewat diukur dengan anemometer. Di sini percobaan dilakukan untuk variasi kecepatan udara pendingin antara 0.2–2.98m/s. Selanjutnya kecepatan diekspresikan dalam bilangan Reynolds (Re) dengan mengasumsikan dimensi perhitungan diambil dari dimensi kipas dan dimensi kondensor.
Beban di dalam ruangan yang di-isolasi akan memberikan kalornya kepada refrigeran pada evaporator. Refrigeran akan mengalami proses penguapan yang akan mengakibatkan perubahan entalpi dari sebelum masuk evaporator dan setelah keluar. Perubahan enthalpi ini mere-presentasikan efek refrigerasi. Efek refrigerasi ada kecederungan naik dengan adanya kenaikan kecepatan udara pendingin pada kondensor. Kecenderungan kenaikan dampak refrigerasi ini ditunjuk-kan untuk ketiga kondisi temperatur ruangan yang berbeda. Dampak refrigerasi untuk kabin ruangan yang temperaturnya
150 155 160 165 170 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 Re udara pendingin D a m p ak R e fr ig er asi ( kJ/kg ) T ruang=30 C T ruang=29.2 C T ruang=27.5 C Linear (T ruang=30 C) Linear (T ruang=29.2 C) Linear (T ruang=27.5 C)
Gambar 4. Hubungan kecepatan udara pendingin kondensor dengan dampak refrigerasi
3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 Re udara pendingin COP T ruang=30 C T ruang=29.2 C T ruang=27.5 C Linear (T ruang=30 C) Linear (T ruang=29.2 C) Linear (T ruang=27.5 C)
Gambar 5. Hubungan kecepatan udara pendingin kondensor dengan koefisien prestasi
dipertahankan 27,50C menunjukkan angka
yang lebih tinggi dibandingkan kondisi temperatur di atasnya. Namun di sini belum bisa memastikan apakah perubahan ini berlaku untuk setiap kondisi. Ini diperlukan proses penelitian lanjut untuk mampu menjawabnya. Bahkan untuk bisa menyimpulkan dampak refrigerasi untuk daerah bilangan Re yang lebih tinggi diperlukan penelitian serupa pada jangkauan kecepatan udara yang lebih tinggi, mengingat variasi kecepatan udara pendingin kondensor yang diteliti hanya terbatas antara 0.2 – 2.98m/s.
Daya Kompresor
Daya kompresor akan mengalami penurunan seiring dengan kenaikan ke-cepatan udara pendingin pada kondensor. Analisis ini berdasarkan grafik untuk ketiga variasi kondisi temperatur ruangan (lihat Gambar 4).
Koefisien Prestasi
Koefisien prestasi adalah bentuk penilaian dari suatu mesin refrigerasi. Koefisien prestasi yang tinggi sangat
diharapkan. Harga koefisien prestasi yang semakin besar menunjukkan bahwa kerja mesin tersebut semakin baik. Koefisien prestasi yang tinggi akan memperkecil biaya operasional. Pada Gambar 5 me-nunjukkan pengaruh kecepatan udara pendingin kondensor terhadap COP. Terlihat bahwa kenaikan COP seiring dengan kenaikan kecepatan udara pendingin kondensor. Besarnya COP dipengaruhi oleh efek refrigerasi dan kerja kompresi. Kenaikan kecepatan udara pendingin kondensor menyebabkan efek refrigerasi meningkat, sedangkan kerja kompresi mengalami penurunan. Seperti analisis hubungan bilangan Reynolds terhadap efek refrigerasi, bahwa fenomena apa yang terjadi apabila kecepatan udara yang dilewatkan kondensor dinaikan terus menerus melebihi dari yang telah diteliti? Untuk menjawabnya tentunya diperlukan penelitian lanjut pada daerah yang lebih tinggi kecepatannya. Menurut dugaan bahwa pada kondisi tertentu akan terjadi kejenuhan dimana COP akan bernilai sama untuk penambahan kecepatan kipas tertentu.
KESIMPULAN
Semakin besar kecepatan udara pendingin pada kondensor laju aliran refrigeran semakin menurun. Kenaikan kecepatan udara pendingin pada kondensor menyebabkan kenaikan efek refrigerasi, sedangkan kerja kompresi dan daya kompresor ada kecenderungan menurun.
Koefisien prestasi akan meningkat dengan adanya kenaikan kecepatan udara pendingin pada kondensor. Apabila kecepatan dinaikkan terus maka akan mencapai optimal pada kondisi tertentu, dan selanjutnya kenaikan kecepatan udara efeknya relatif kecil terhadap prestasi mesin pendingin.
DAFTAR PUSTAKA
Adi, 2000, Kaji Ekperimental Pengaruh Kecepatan Udara Pendingin Performansi Mesin Pendingin Water Chiller dengan Menggunakan Refrigeran R12, Tugas Akhir S-1 Teknik Mesin Universitas Diponegoro, Semarang.
Arismunandar, W. dan Saito, H., 2002, Penyegaran Udara, Cetakan ke-6, PT Pradnya Paramita, Jakarta.
Boentarto, 2003, Teknik AC Mobil, Penerbit Aneka. Solo
Cahyo., 2003, Analisa Sistem Pendingin Water Chiller dengan Membandingkan Fluida Kerja R12 dan R22, Universitas Diponegoro, Semarang.
