1
KARAKTERISTIK MESIN FREEZER BERPENUKAR KALOR
DENGAN PIPA KAPILER MELILIT PIPA KELUARAN
EVAPORATOR
TUGAS AKHIR
Diajukan untuk memenuhi salah satu syarat memperoleh derajat sarjana S-1
Program Studi Teknik Mesin Jurusan Teknik Mesin
Disusun oleh :
REYNOLD WILLIAM RUNGGEARY NIM : 095214054
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA
YOGYAKARTA
ii
THE HEAT EXCHANGER FREEZER MACHINE
CHARACTERISTIC WITH CAPILARY PIPE WINDING
EVAPORATOR OUTPUT PIPE
FINAL ASSIGNMENT
Presented as partial fulfillment of the requirement to obtain the Sarjana Teknik Degree
in Mechanical Engineering
by
REYNOLD WILLIAM RUNGGEARY Student Number : 095214054
MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT
FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
SANATA DHARMA UNIVERSITY
YOGYAKARTA
vii
ABSTRAK
Mesin pendingin mempunyai fungsi yang sangat penting dalam kehidupan manusia pada masa sekarang ini, baik untuk keperluan rumah tangga maupun industri. Mesin pendingin dapat berfungsi sebagai pengawet makanan maupun penyejuk udara. Dalam penelitian ini membahasa tentang karakteristik mesin freezer berpenukar kalor dengan pipa kapiler melilit pipa keluaran evaporator. Tujuan dari penelitian ini adalah membuat mesin freezer, mengetahui besaran energi persatuan massa refrijeran yang digunakan oleh evaporator, kompresor dan kondenser, serta mengetahui besar COP yang dihasilkan oleh mesin freezer yang diteliti. Penelitian dilakukan di laboratorium. Mesin pendingin yang dipergunakan dalam penelitian memakai siklus kompresi uap. Pipa kapiler dililitkan pada pipa keluaran evaporator dengan panjang pipa kapiler 220 cm.
Dari hasil penelitian diketahui bahwa mesin freezer telah berhasil dibuat dan berfungsi dengan baik. Kerja kompresor persatuan massa refrijeran pada saat stabil sebesar 34 kJ/kg. Kerja kompresor persatuan massa refrijeran dari t = 30 menit sampai t = 480 menit dapat dinyatakan dengan persamaan Wkomp = -0,000000003t4 +
0,000003t3 - 0,001t2 + 0,313t + 11,76 (berlaku untuk t = 30 menit sampai t = 480 menit). Kalor yang diserap evaporator persatuan massa refrijeran pada saat stabil sebesar 145 kJ/kg. Energi kalor persatuan massa refrijeran yang diserap evaporator dari t = 30 menit sampai t = 480 menit dapat dinyatakan dengan persamaan Qevap =
0,00004t2 - 0,031t + 151,9 76 (berlaku untuk t = 30 menit sampai t = 480 menit). Kalor yang dilepas kondenser persatuan massa refrijeran pada saat stabil sebesar -199 kJ/kg. Energi kalor persatuan massa refrijeran yang dilepas kondenser dari t = 30 menit sampai t = 480 menit dapat dinyatakan dengan persamaan Qkond = 0,0000000001t5 + 0,00000002t4 - 0,00001t3 + 0,003t2 - 0,441t - 175,5 (berlaku untuk t = 30 menit sampai t = 480 menit). COP aktual mesin freezer pada saat stabil sebesar 4,26. COP mesin freezer t = 30 menit sampai t = 480 menit dapat dinyatakan dengan persamaan COPaktual = 0,0000000008t4 - 0,000001t3 + 0,000t2 - 0,078t + 9,460 (berlaku untuk t = 30 menit sampai t = 480 menit).
viii
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yesus Kristus atas segala
berkat dan kasih-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir yang
berjudul: MESIN FREEZER BERPENUKAR KALOR DENGA PIPA KAPILER
MELILIT PIPA KELUARAN EVAPORATOR.
Tugas Akhir ini disusun sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik di Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma
Yogyakarta.
Dalam penelitian dan penyusunan Tugas Akhir ini tentunya tidak terlepas dari
bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, dalam kesempatan ini penulis ingin
menyampaikan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :
1. Paulina Heruningsih Prima Rosa, S.Si., M.Sc. Dekan Fakultas Sains dan
Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
2. Bapak Ir. P.K. Purwadi, M.T., Ketua Program Studi Teknik Mesin dan dosen
pembimbing di Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
3. Bapak Wibowo Kusbandono, S.T.,M.T, selaku dosen pembimbing Akademik
2009.
4. Dosen-dosen program studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma, atas ilmu
pengetahuan dan bimbingannya kepada penulis semasa kuliah.
5. Terima kasih kepada Ayah dan Ibu yang telah memberi motivasi dan memberikan
dana untuk kelancaran pembuatan tugas akhir.
6. Rekan-rekan mahasiswa Teknik Mesin Sanata Dharma.
7. Semua pihak yang telah membantu penulis dalam pemberian semangat sampai
dengan penyusunan skripsi ini yang tidak dapat penulis tulis diatas.
Semoga dengan naskah tugas akhir yang telah disusun ini dapat memberi banyak
manfaat bagi penerapan teknologi tepat guna untuk masa depan yang lebih baik serta
menjadi sumber inspirasi bagi mahasiswa maupun pembaca lainya untuk menciptakan
ix
cambuk bagi penulis untuk terus belajar, maka segala bentuk kritik dan saran yang
membangun akan penulis terima. Penulis mohon maaf jika terdapat kesalahan dan
informasi yang kurang dalam naskah ini.
Penulis
x
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ... i
TITLE PAGE ... ii
HALAMAN PENGESAHAN ... iii
DAFTAR DEWAN PENGUJI ... iv
PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR ... v
LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS...vi
ABSTRAK ... vii
BAB II DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA... 4
2.1 Dasar Teori...4
2.1.1 Freezer...4
2.1.2 Laju Perpindahan Kalor...6
xi
2.1.4 Komponen Utama Mesin Pendingin Siklus Kompresi Uap...8
2.1.5 Komponen Pendukung Mesin Pendingin...15
2.1.6 Siklus Kompresi Uap...18
2.1.7 Perhitungan Karakteristik Mesin Pendingin...20
2.2 Tinjauan Pustaka...21
BAB III PEMBUATAN ALAT DAN METODOLOGI PENELITIAN...23
3.1 Pembuatan Alat...23
3.1.1 Komponen Mesin Freezer...23
3.1.2 Peralatan Pendukung Pembuatan Mesin Freezer...26
3.1.3 Langkah-langkah Pembuatan Mesin Freezer...26
3.2 Metodologi Penelitian... ...30
3.2.1 Benda Uji...30
3.2.2 Beban Pendinginan...31
3.2.3 Peralatan Pendukung...32
3.2.4 Cara Pengambilan Data...32
3.2.5 Cara Pengolahan Data...33
3.2.6 Cara Mendapatkan Kesimpulan...34
BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN...35
4.1 Hasil Penelitian...35
4.2 Perhitungan...38
xii
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN...47
5.1 Kesimpulan...47
5.2 Saran...48
DAFTAR PUSTAKA...49
LAMPIRAN...50
xiii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Chest freezer... ...5
Gambar 2.2 Upright freezer... ...6
Gambar 2.3 Komponen utama mesin pendingin siklus kompresi uap...9
Gambar 2.4 Kompresor jenis piston... ...10
Gambar 2.5 Kompresor jenis rotary... ...10
Gambar 2.6 Evaporator mesin freezer...13
Gambar 2.7 Kondenser...13
Gambar 2.8 Pipa kapiler...14
Gambar 2.9 Filter...15
Gambar 2.10 Termostat...16
Gambar 2.11 Overload motor protector...16
Gambar 2.12 Heater ...17
Gambar 2.13 Fan...17
Gambar 2.14 Diagram P-h...18
Gambar 2.15 Siklus kompresi uap dengan pemanasan lanjut...18
Gambar 3.1 Kompresor...23
Gambar 3.2 Kondenser...24
Gambar 3.3 Pipa kapiler...25
Gambar 3.4 Evaporator...26
xiv
Gambar 3.11 Proses uji coba...30
Gambar 3.12 Benda uji...31
Gambar 3.13 Beban pendinginan...31
Gambar 3.14 Posisi penempatan termokopel...32
Gambar 3.15 Proses pengambilan data temperatur...33
Gambar 3.16 Proses pengambilan data tekanan...33
Gambar 3.17 Contoh penggunaan P-h diagram untuk mencari entalpi...34
Gambar 4.1 Energi kalor yang diserap evaporator persatuan massa refrijeran dari t = 30 menit sampai t = 480 menit...42
Gambar 4.2 Kerja kompresor persatuan massa refrijeran dari t = 30 menit sampai t = 480 menit...43
Gambar 4.3 Energi kalor yang dilepas kondenser persatuan massa refrijeran dari t = 30 menit sampai t = 480 menit...44
xv
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1 Tekanan masuk dan keluar kompresor...35
Tabel 4.2 Suhu masuk dan keluar kompresor...36
Tabel 4.3 Suhu masuk dan keluar kondenser...36
Tabel 4.4 suhu masuk dan keluar evaporator...37
Tabel 4.5 Suhu evaporator dan kondenser...38
Tabel 4.5 Nilai entalpi...38
Tabel 4.6 jumlah energi persatuan massa refrijeran yang diserap evaporator...39
Tabel 4.7 Kerja kompresor persatuan massa refrijeran...40
Tabel 4.8 Jumlah energi persatuan massa refrijeran yang dilepas kondenser...41
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Pada jaman sekarang ini mesin pendingin sudah menjadi kebutuhan bagi
manusia. Kebutuhan manusia terhadap mesin pendingin berawal dari keinginan
untuk mengawetkan bahan makanan, fungsi mesin pendingin juga awalnya hanya
terbatas pada mendinginkan bahan makanan, kemudian teknologi dari mesin
pendingin berkembang sehingga dapat digunakan untuk kebutuhan yang lainnya.
Mesin pendingin sekarang dapat digunakan untuk kebutuhan rumah tangga dan
kebutuhan industri. Sebagian besar dari mesin pendingin tersebut menggunakan
siklus kompresi uap.
Untuk rumah tangga mesin pendingin biasanya digunakan sebagai pengawet
makanan dan penyejuk ruangan. Kegunaan lain dari mesin pendingin adalah
untuk kebutuhan industri, seperti mengawetkan daging dalam jumlah banyak pada
tempat pemotongan hewan. Pada perkantoran mesin pendingin berfungsi sebagai
penyejuk ruangan agar orang yang bekerja pada kantor tersebut merasa lebih
nyaman dalam bekerja, sedangkan pada sistem transportasi mesin pendingin dapat
berfungsi sebagai penyejuk udara pada kendaraan pribadi maupun komersil dan
sebagai pendingin untuk mengawetkan bahan makanan pada saat dipindahkan dari
satu tempat ke tempat lainnya.
Proses pendinginan pada mesin pendingin, umumnya menggunakan sistem
diubah bentuknya dari cair menjadi gas maupun dari gas menjadi cair untuk
mengambil panas dari evaporator dan membuangnya di kondenser. Jenis refrijeran
yang umum digunakan pada saat ini adalah refrigeran yang ramah terhadap
lingkungan karena tidak mengandung clorofluorocarbon (CFC) yang dapat
merusak ozon. Mengingat pentingnya mesin pendingin dan luasnya pemakaian
mesin pendingin, maka penulis tertarik untuk mengetahui lebih dalam tentang
mesin pendingin dengan melakukan penelitian tentang mesin pendingin.
1.2. Perumusan Masalah
Dalam penelitian ini, akan dicari karakteristik mesin pendingin siklus
kompresi uap. Mesin pendingin yang akan ditinjau adalah mesin freezer dengan
daya 1/6 PK. Mesin pendingin yang dipergunakan dalam penelitian ini merupakan
mesin pendingin freezer hasil buatan sendiri.
1.3. Tujuan penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah :
a. Membuat mesin freezer.
b. Menghitung kerja kompresor mesin freezer persatuan massa refrijeran.
c. Menghitung energi kalor persatuan massa refrijeran yang diserap mesin
pendingin.
d. Menghitung energi kalor persatuan massa refrijeran yang dilepas mesin
pendingin
1.4. Manfaat penelitian
Manfaat dari penelitian ini adalah :
a. Mampu memahami karakteristik mesin pendingin dengan siklus kompresi
uap.
b. Mempunyai pengalaman dalam pembuatan mesin pendingin, pembeku dan
mesin pengkondisian udara.
c. Hasil dari penelitian ini dapat dipergunakan sebagai referensi bagi peneliti
lainnya.
1.5. Batasan Masalah
Penelitian akan dibatasi pada pembuatan mesin pendingin dengan sistem
siklus kompresi uap dengan menggunakan komponen dengan spesifikasi sebagai
berikut :
a. Kompresor dengan daya 115W.
b. Evaporator dan kondenser yang dipergunakan merupakan evaporator dan
kondenser standar untuk mesin pendingin freezer.
c. Panjang pipa kapiler yang digunakan adalah 220 cm.
d. Refrigeran yang digunakan dalam mesin pendingin adalah R134a.
e. Beban pendinginan yang digunakan adalah air dengan volume 500 ml.
f. Temperatur awal beban pendinginan sama dengan temperatur udara
4
BAB II
DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Dasar Teori
2.1.1. Freezer
Freezer merupakan jenis mesin pendingin yang digunakan untuk membuat es
batu dan membekukan bahan makanan seperti daging, ikan dan sebagainya agar
dapat tetap segar dan tahan lama.
a. Pembagian freezer berdasarkan prinsip kerjanya.
Berdasarkan prinsip kerjanya freezer dibagi menjadi dua kategori :
- Freezer dengan daur kompresi uap
Freezer dengan sistem daur kompresi uap menggunakan kerja mekanik
yang mengevaporasi dan mengkompresi refrijeran dalam proses
pendinginannya.
- Freezer dengan sistem kriogenik
Freezer dengan sistem kriogenik bekerja dengan menyemprotkan secara
langsung bahan pendingin berupa nitrogen cair dan karbon dioksida cair
atau gas secara langsung pada bahan yang akan didinginkan.
Berdasarkan pada laju pergerakan es freezer terbagi menjadi beberapa
kategori :
- Slow freezer (0,2 cm/h), contoh : chest freezer
- Quick freezer (0,5 – 3cm/h), contoh : blast freezer
- Rapid freezer (5 – 10 cm/h), contoh : fluidised bed freezer
- Ultra rapid freezer (10 – 100 cm/h) contoh : kriogenik freezer
c. Macam-macam freezer yang sering dipergunakan
Beberapa jenis freezer yang sering digunakan adalah :
- Chest freezer
Chest freezer merupakan jenis mesin pendingin yang berbentuk seperti
peti dengan suhu kerja antara - 20⁰ C sampai -38⁰ C.
Gambar 2.1 Chest freezer
- Up right freezer
Up right freezer merupakan jenis mesin pendingin yang berbentuk seperti
Gambar 2.2 Upright freezer
2.1.2. Laju perpindahan Kalor
Laju perpindahan kalor pada mesin pendingin terdiri atas dua jenis yaitu laju
perpindahan kalor konduksi dan laju perpindahan kalor konveksi.
a. Laju perpindahan kalor konduksi
Laju perpindahan kalor secara konduksi adalah proses dimana panas
mengalir dari daerah yang bersuhu tinggi ke daerah bersuhu rendah di
dalam satu medium yang diam (padat, cair atau gas) atau antara
medium-medium yang berlainan yang bersinggungan secara langsung.
b. Perpindahan kalor konveksi
Perpindahan kalor secara konveksi adalah proses transpor energi
dengan kerja gabungan dari konduksi panas, penyimpanan energi dan
gerakan mencampur. Konveksi sangat penting sebagai mekanisme
perpindahan energi antara permukaan benda padat dan cairan atau gas.
Perpindahan kalor secara konveksi terbagi menjadi dua cara, yaitu
- Konveksi bebas
Perpindahan kalor konveksi bebas terjadi ketika fluida yang mengalir
pada proses perpindahan kalor mengalir tanpa adanya bantuan peralatan
dari luar, fluida mengalir karena ada perbedaan massa jenis. Pada
umumnya perbedaan massa jenis disebabkan karena adanya perbedaan
suhu.
- Konveksi paksa
Perpindahan kalor konveksi paksa terjadi ketika fluida yang mengalir
pada peroses perpindahan kalor mengalir dengan adanya alat bantu yang
memaksa fluida untuk mengalir. Alat bantu yang diperrgunakan dapat
berupa pompa, blower, kipas angin atau kompressor.
2.1.3. Refrijeran
Refrijeran adalah fluida kerja yang bersirkulasi dalam siklus kompresi uap dari
mesin pendingin. Refrijeran berfungsi untuk menyerap kalor dari benda-benda
yang berada di dalam evaporator dan membuangnya ke lingkungan sekitar
kondenser.
a. Syarat-syarat refrijeran
Refrijeran yang dipergunakan dalam mesin pendingin siklus kompresi
uap sebaiknya mememiliki sifat-sifat sebagai berikut :
- Tidak beracun.
- Tidak menyebabkan korosi pada bahan logam yang yang dipakai pada
- Tidak dapat terbakar atau meledak jika bercampur dengan minyak
pelumas, udara dan sebagainya.
- Mempunyai titik didih dan tekanan kondensasi yang rendah.
- Mempunyai kalor laten penguapan yang besar, agar kalor yang diserap
evaporator sebesar-besarnya.
- Mempunyai konduktifitas termal yang tinggi.
b. Jenis-jenis refrijeran
Refrijeran dibedakan menjadi dua jenis yaitu refrijeran primer dan
refrijeran sekunder.
- Refrijeran primer
Refrijeran primer adalah fluida kerja yang digunakan oleh mesin
pendingin, yang mengalami siklus kompresi uap. Refrijeran mengalami
proses penguapan di evaporator dan mengalami proses pengembunan di
kondenser.
- Refrijeran sekunder
Refrijeran sekunder adalah fluida yang didinginkan oleh evaporator pada
sistem refrijerasi.
2.1.4. Komponen Utama Mesin Pendingin Siklus Kompresi Uap
Komponen utama mesin pendingin siklus kompresi uap terdiri dari beberapa
komponen utama seperti : kompresor, evaporator, kondenser, pipa kapiler atau
Gambar 2.3 Komponen utama mesin pendingin siklus kompresi uap
a. Kompresor
Fungsi kompresor pada mesin pendingin adalah untuk menaikan
tekanan refrigeran dari tekanan rendah menjadi tekanan tinggi.
Jenis-jenis kompresor menurut prinsip kerjanya yang banyak
digunakan pada mesin pendingin siklus kompresi uap standar adalah
sebagai berikut :
Gambar 2.4 Kompresor jenis piston
Kompresor jenis piston banyak digunakan pada kulkas, freezer dan
mesin pendingin lain yang memerlukan kapasitas pendinginan yang tidak
terlalu besar.
- Kompresor jenis rotary
Kompresor jenis rotary banyak digunakan pada mesin pengkondisian
udara jenis central, mesin pengkondisian udara rumah tangga dan mesin
pendingin lain yang memerlukan kapasitas pendinginan yang besar.
Jenis-jenis kompresor jika dilihat dari posisi motor penggeraknya,
dapat dibagi menjadi tiga jenis : kompresor hermetik, kompresor semi
hermetik dan kompresor open type
1. Kompresor hermetic
Kompresor hermetik adalah kompresor yang motor penggerak dan
kompresornya berada dalam suatu rumahan yang tertutup. Motor
penggerak langsung memutarkan poros dari kompresor sehingga putaran
motor penggerak sama dengan kompresor.
Keuntungan dari kompresor hermetik adalah :
- Bentuknya kecil, kompak dan harganya murah.
- Tidak memakai sil pada porosnya, sehingga jarang terjadi kebocoran.
- Tidak memakai tenaga penggerak dari luar sehingga tingkat kebisingannya
rendah.
Kerugian dari kompresor hermetik adalah :
- Kerusakan yang terjadi didalam kompresor susah dideteksi sebelum
rumah kompresor dibuka.
- Ketinggian minyak pelumas kompresor susah diketahui.
Kompresor semi adalah kompresor yang motor serta kompresornya
berada di dalam satu tempat atau rumahan, akan tetapi motor
penggeraknya terpisah dari kompresor. Kompresor digerakan oleh motor
penggerak melalui sebuah poros penggerak.
3. Kompresor Open type
Kompresor open type adalah kompresor yang motor penggeraknya
terpisah dengan kompresor. Kompresor digerakan oleh motor penggerak
melalui hubungan sabuk. Kompresor ini umumnya digunakan pada mesin
pendingin dengan kapasitas besar.
Keuntungan kompresor open type :
- Jika terjadi kerusakan kita dapat dengan mudah melakukan penggantian
komponen.
- Ketinggian minyak pelumas dapat diketahui dengan lebih mudah.
- Putaran kompresor dapat diubah dengan cara mengubah diameter puli.
- Pada daerah yang belum tersedia listrik, kompresor dapat bekerja dengan
sumber tenaga lain seperti mesin diesel.
Kekurangan kompresor open type :
- Bentuknya besar dan berat.
- Berharga mahal.
b. Evaporator
Evaporator pada mesin pendingin merupakan tempat perubahan fase
ini diperlukan energi kalor, energi kalor diambil dari lingkungan
evaporator yaitu dari bagian dalam mesin pendingin.
Gambar 2.6 Evaporator mesin freezer
c. Kondenser
Kondenser pada mesin pendingin merupakan tempat perubahan fase
refrigeran dari gas menjadi cairan (pengembunan atau kondensasi). Pada
proses yang terjadi pada kondenser kondenser mengeluarkan kalor,kalor
yang dikeluarkan kondenser dibuang keluar dan diambil oleh udara
sekitar.
d. Pipa Kapiler
Pipa kapiler pada mesin pendingin berfungsi untuk menurunkan
tekanan refrigeran. Pipa kapiler dipasang diantara kondenser dan
evaporator, pada sisi masuk dari pipa kapiler dipasangi filter. Ketika
refrijeran mengalir di dalam pipa kapiler refrigeran mengalami penurunan
tekanan karena ukuran penampang pipa yang lebih kecil dari pipa
sebelumnya. Diameter pipa kapiler yangumum digunakan pada mesin
pendingin adalah 0,0026 dan 0,0028 m.
Gambar 2.8 Pipa kapiler
e. Filter
Filter pada mesin pendingin berfungsi untuk menyaring kotoran dari
regfrigeran yang melewatinya sehingga kotoran tidak mengganggu kinerja
dari mesin pendingin. Filter juga berfungsi untuk menangkap uap air dari
refrijeran yang melewatinya. Jika tidak ada filter, kotoran dapat masuk ke
pipa kapiler yang berukuran lebih kecil dari pipa aliran refrijeran
sebelumnya dan bisa membuat aliran di dalam pipa kapiler menjadi buntu.
menyebabkan air menjadi beku di dalam pipa yang menyebabkan aliran
refrijeran menjadi buntu.
Gambar 2.9 Filter
2.1.5. Komponen Pendukung Mesin Pendingin
Selain komponen utama, mesin pendingin juga memiliki beberapa komponen
pendukung lain yang berfungsi untuk membantu kerja dari mesin pendingin yaitu
: Thermostat, Overload Protector, Heater dan Fan.
a. Themostat
Themostat pada mesin pendingin berfungsi untuk mengatur suhu di
dalam mesin pendingin agar sesuai dengan suhu yang telah ditentukan.
Jika suhu pada mesin pendingin sesuai dengan suhu yang telah ditentukan,
maka themostat akan memutus aliran listrik ke kompresor dan jika suhu
pada mesin pendingin di atas dari suhu yang telah ditentukan, maka
Gambar 2.10 Thermostat
b. Overload motor protector
Overload motor protector pada mesin pendingin merupakan pengaman
yang berfungsi untuk melindungi motor kompresor dari beban kerja yang
berlebihan. Ketika kompresor mengalami panas yang berlebihan maka
Overload motor protector akan memutus arus ke motor kompresor agar
kompresor tidak mengalami kerusakan.
Gambar 2.11Overload motor protector
Heater pada mesin pendingin berfungsi untuk mencairkan bunga es
yang terdapat pada evaporator. Heater juga dapat mencegah bunga es pada
rak es dan rak penyimpanan lainnya di mesin pendingin.
Gambar 2.12 Heater
d. Fan
Fan pada mesin pendingin berfungsi untuk mensirkulasikan suhu
dingin dari evaporator ke seluruh bagian penyimpanan dari mesin
pendingin. Fan juga berfungsi mencegah terjadinya bunga es di
evaporator, tanpa fan maka suhu dingin akan terkumpul di evaporator saja
dan akan menghasilkan bunga es.
2.1.6. Siklus Kompresi Uap
Siklus kompresi uap dengan pemanasan lanjut pada diagram P-h dapat
digambarkan seperti pada gambar 2.14.
Gambar 2.14 Diagram P-h
Skema siklus kompresi uap dengan pemanasan lanjut dapat digambarkan seperti
pada Gambar 2.15.
Siklus kompresi uap pada gambar 2.14 dan 2.15 dapat dibagi menjadi
beberapa tahapan sebagai berikut : proses kompresi, proses kondensasi, proses
ekspansi dan evaporasi.
a. Proses kompresi
Proses kompresi terjadi pada tahap 1-2 dari gambar 2.14 dan 2.15.
Refrigeran dalam bentuk uap masuk ke kompresor, kerja atau usaha yang
diberikan pada refrijeran akan menyebabkan kenaikan pada tekanan
sehingga temperatur refrigeran akan lebih tinggi dari temperatur
lingkungan atau refrigeran mengalami fasa superheated.
b. Proses kondensasi
Proses kondensasi terjadi pada tahap 2-3 dari gambar 2.14 dan 2.15.
Refrigeran dalam fasa superheated memasuki kondenser dan mengalami
pelepasan kalor pada tekanan konstan ke lingkungan yang menyebabkan
penurunan dari fasa superheated dan pengembunan refrijeran.
c. Proses ekspansi
Proses ekspansi terjadi pada tahap 3-4 dari gambar 2.14 dan 2.15.
Refrigeran dalam fasa cair mengalir menuju ke komponen ekspansi dan
mengalami penurunan tekanan dan suhu. Sehingga suhu dari refrigeran
lebih rendah dari temperatur lingkungan. Pada tahap ini fasa refrigeran
berubah menjadi cair jenuh.
Proses evaporasi terjadi pada tahap 4-5 dari gambar 2.14 dan 2.15.
Refrigeran dalam fasa cair jenuh mengalir ke evaporator memiliki tekanan
dan temperatur rendah sehingga akan menerima kalor dari lingkungan
yang akan didinginkan sehingga fasa dari refrigeran akan berubah
seluruhnya menjadi uap jenuh yang akan masuk ke kompresor untuk di
sirkulasikan kembali.
2.1.7. Perhitungan Karakteristik Mesin Pendingin
Dengan bantuan diagram entalpi-tekanan, besaran yang penting dalam siklus
kompresi uap dapat diketahui. Kerja kompresi, energi kalor yang diserap
evaporator, energi kalor yang dilepas kondenser dan koefisien prestasi (COP).
a. Kerja kompresor (Wcomp)
Kerja kompresor persatuan massa refrijeran merupakan perubahan entalpi
pada titik 1-2 di Gambar 2.15, yang dapat dihitung dengan persamaan
(2.3)
Wcomp = h2 – h1 , kJ/kg (2.3)
b. Energi kalor persatuan massa refrijeran yang dilepas oleh kondenser
Energi kalor persatuan massa refrijeran yang dilepas oleh kondenser
merupakan perubahan entalpi pada titik 2-3 di Gambar 2.15, perubahan
entalpi tersebut dapat dihitung dengan persamaan (2.4).
Qkon = h3 – h2 , kJ/kg (2.4)
Energi kalor persatuan massa yang diserap oleh evaporator merupakan
proses perubahan entalpi pada titik 4-1 di Gambar 2.15, perubahan entalpi
tersebut dapat dihitung dengan persamaan (2.5).
Qevap = h5– h4 , kJ/kg (2.5)
d. Koefisien prestasi (COP)
Koefisien prestasi siklus kompresi uap standar adalah dampak refrijerasi
dibagi kerja kompresi, yang dapat dihitung dengan persamaan (2.6)
COPaktual = Qin/Win = (h1-h4) / (h2-h1) ( 2.6)
2.2. Tinjauan Pustaka
Witjahjo (2009) melakukan uji prestasi mesin pendingin dengan menggunakan
LPG (liquified petroleum gas) sebagai fluida kerja. Pada penelitian ini, LPG
digunakan sebagai pengganti refrigeran R-12 karena LPG dianggap mempunyai
sifat termodinamika yang mendekati sifat termodinamika R-12. Hasil dari
pengujian yang telah dilakukan memberikan indikasi bahwa LPG dapat digunakan
sebagai refrigeran pengganti R-12 terutama pada beban pendinginan sedang.
Anwar (2010) melakukan penelitian tentang efek beban pendinginan terhadap
performa sistem mesin pendingin. Penelitian ini membahas tentang efek beban
pendingin terhadap kinerja sistem mesin pendingin meliputi kapasitas refrigerasi,
koefisien prestasi dan waktu pendinginan. Metode yang digunakan adalah metode
eksperimental dengan variasi beban pendingin yang diperoleh dengan
menempatkan bola lampu 60, 100, 200, 300 dan 400 Watt didalam ruang
pengujian selama 30 menit diperoleh pada bola lampu 200 Watt dengan COP
sebesar 2,64. Sedangkan untuk waktu pendinginan diperolah paling lama oleh
beban paling tinggi (bola lampu 400 Watt).
Willis (2013) melakukan penelitian yang membandingkan prestasi kerja
refrigeran R22 dengan R134a pada mesin pendingin. Penelitian ini membahas
mengenai perbandingan antara refrigeran R22 da R134a untuk menentukan
refrigeran mana yang lebih baik digunakan, baik dari efek refrijerasi, koefisien
prestasi (COP) dan ramah lingkungan. Dari hasil penelitian yang dilakukan pada
kedua jenis refrigeran, diketahui bahwa karakteristik dari kedua refrigeran
berbeda yang berpengaruh pada perstasi kerjanya. R22 dari segi prestasi kerjanya
lebih baik dari R134a, Tetapi R22 tidak ramah lingkungan sebaliknya R134a lebih
23
BAB III
PEMBUATAN ALAT DAN METODOLOGI PENELITIAN
3.1. Pembuatan Alat
3.1.1. Komponen Mesin Freezer
Komponen mesin freezer yang digunakan dalam penelitian ini adalah
kompresor, kondenser, evaporator, filter.
a. Kompresor
Spesifikasi kompresor yang digunakan pada penelitian ini adalah sebagai
berikut :
Gambar 3.1 Kompresor
Jenis kompresor : Hermetic Refrigeration
Seri kompresor : Model BES45H
Arus : 0,88 A
Daya kompresor : 115 Watt
b. Kondenser
Spesifikasi kondenser yang digunakan pada penelitian ini adalah sebagai
berikut :
Gambar 3.2 Kondenser
Panjang pipa : 900 cm
Diameter pipa : 0,47 cm
Bahan pipa : Baja
Bahan sirip : Baja
Diameter sirip : 0,2 cm
jarak antar sirip : 0,45 cm
Jumlah sirip : 110
Gambar pipa kapiler :
Gambar 3.3 Pipa kapiler
Panjang pipa kapiler : 220 cm
Diameter pipa kapiler : 0,028 cm
Bahan pipa kapiler : Tembaga
d. Evaporator
Spesifikasi evaporator yang digunakan pada penelitian ini adalah sebagai
Gambar 3.4 Evaporator
Bahan evaporator : Baja galvanis
3.1.2. Peralatan Pendukung Pembuatan Mesin Freezer
a. Pemotong pipa
Fungsi pemotong pipa adalah untuk memotong pipa pada proses
pembuatan mesin pendingin.
b. Pelebar pipa
Fungsi pelebar pipa adalah untuk memperbesar ujung dari pipa agar
mempermudah proses penyambungan dan pengelasan.
Gambar 3.6 Pelebar pipa
c. Tang
Fungsi tang adalah untuk menahan pipa pada saat proses pengelasan.
Gambar 3.7 Tang kombinasi
Fungsi pompa vakum adalah untuk mengeluarkan udara dari dalam sistem
mesin pendingin agar diperoleh keadaan vakum didalam sistem mesin
pendingin.
Gambar 3.8 Pompa vakum
e. Manifold gauge
Fungsi manifold gauge adalah untuk mengukur tekanan refrijeran pada
saat pengisian maupun pada saat operasi.
f. Alat las
Fungsi Alat las pada penelitian ini adalah untuk menyambung pipa-pipa
pada mesin pendingin.
Gambar 3.10 Alat las
Bahan las : Kuningan & Perak
3.1.3. Langkah - langkah Pembuatan Mesin Freezer
langkah – langkah pembuatan mesin pendingin adalah sebagai berikut :
a. Mempersiapkan komponen komponen mesin pendingin dan alat ukur
tekanan.
b. Mempersiapkan komponen pendukung pembuatan mesin pendingin.
c. Proses penyambungan komponen komponen mesin pendingin beserta
dengan alat ukur tekanan.
d. Proses pengisian metil
e. Proses pemvakuman mesin pendingin.
g. Pemasangan alat ukur suhu/termokopel.
h. Proses uji coba
Gambar 3.11 Proses uji coba
3.2. Metodologi Penelitian
3.2.1. Benda Uji
Benda uji yang dipakai dalam penelitian ini merupakan mesin freezer siklus
kompresi uap hasil buatan sendiri dengan menggunakan komponen standar dari
mesin freezer yang tersedia di pasaran. Modifikasi yang dilakukan adalah
Gambar 3.12 Benda uji
3.2.2. Beban Pendinginan
Beban pendinginan yang digunakan pada penelitian ini adalah air dengan volume
sebesar 0,5 liter. Kondisi awal air bersuhu 27⁰C (sama dengan suhu udara
lingkungan).
3.2.3. Peralatan Pendukung
Alat yang digunakan untuk mendukung proses penelitian yaitu :
a. Termokopel
b. Gelas ukur
c. Air
d. Kabel roll
3.2.4. Cara Pengambilan Data
a. Data suhu dibaca langsung dari alat ukur yang dipakai. Posisi termokopel
ditempatkan pada posisi yang diinginkan.
Gambar 3.15 Proses pengambilan data temperatur
b. Data tekanan diperoleh dari alat ukur tekanan yang dipasang sebelum
masuk kompresor dan setelah keluaran evaporator.
Gambar 3.16 Proses pengambilan data tekanan
3.2.5. Cara Pengolahan data
a. Data yang diperoleh dari penelitian dipergunakan untuk mendapatkan nilai
Gambar 3.17 Contoh penggunaan p-h diagram untuk mencari entalpi
b. Dari nilai nilai entalpi yang didapat kemudian dipergunakan untuk
menghitung besarnya energi persatuan massa yang dilepas kondenser,
energi persatuan massa yang diserap evaporator, kerja kompresor dan
COP mesin pendingin.
3.2.6. Cara Mendapatkan Kesimpulan
Kesimpulan didapatkan dari hasil penelitian yang didasarkan data-data hasil
penelitian dan dari pembahasan yang telah dilakukan dengan cermat, maka suatu
35
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
4.1. Hasil Penelitian
a. Nilai tekanan masuk dan keluar kompresor
Hasil penelitian untuk tekanan masuk dan keluar kompresor dapat dilihat
pada Tabel 4.1
Tabel 4.1 Tekanan masuk dan keluar kompresor
No Waktu
b. Nilai suhu masuk dan keluar kompresor
Hasil penelitian untuk nilai suhu masuk dan keluar kompresor dapat dilihat
Tabel 4.2 Suhu masuk dan keluar kompresor
c. Nilai suhu masuk dan keluar kondenser
Hasil penelitian suhu masuk dan keluar kondenser terdapat pada tabel 4.3
Tabel 4.3 Suhu masuk dan keluar kondenser
d. Nilai suhu masuk dan keluar evaporator
Hasil penelitian untuk nilai suhu masuk dan keluar evaporator dapat dilihat
pada tabel 4.4
Tabel 4.4 suhu masuk dan keluar evaporator
No Waktu
e. Suhu kerja evaporator dan kondenser
Tabel 4.5 Suhu evaporator dan kondenser
Nilai entalpi pada tiap titik pengambilan data suhu dapat dilihat pada tabel
4.2. Perhitungan
a. Kerja evaporator
Perhitungan kerja evaporator diperoleh dengan menggunakan persamaan
2.5 yaitu : Qevap = (h5– h4) , kJ/kg
Tabel 4.6 jumlah energi persatuan massa refrijeran yang diserap
evaporator
Perhitungan nilai kerja dari kompresor diperoleh dari persamaan 2.3 yaitu
Tabel 4.7 Kerja kompresor persatuan massa refrijeran
Perhitungan nilai kerja kondenser diperoleh dari persamaan 2.4 yaitu :
Qkon = (h3 – h2) , kJ/kg
Tabel 4.8 Jumlah energi kalor persatuan massa refrijeran yang dilepas
d. Koefisien Prestasi (COP Aktual)
Perhitungan koefisien prestasi diperloh dengan menggunakan persamaan
2.6 yaitu :
Tabel 4.9 COP aktual
4.1 . Dari Gambar 4.1 , pada awal mula nampak bahwa energi kalor yang diserap
evaporator dengan berjalannya waktu mengalami penurunan sampai pada waktu
tertentu, nilai kalor yang diserap evaporator stabil. Pada penelitian ini nilai kalor
yang diserap evaporator mulai stabil pada waktu sekitar t = 330 menit, dengan
harga Qevap sebesar 145 kJ/kg. Kemungkinan proses penurunan Qevap pada awal
mula disebabkan oleh karena suhu evaporator memerlukan waktu untuk mencapai
suhu kerja rancangan evaporator, dan pada saat itu juga beban pendinginan
mengalami proses pendinginan secara bersamaan dengan suhu kerja evaporator.
Qevap = 0,00004t2 - 0,031t + 151,9 (berlaku untuk t = 30 menit sampai t = 480
menit).
Gambar 4.1 Energi kalor yang diserap evaporator persatuan massa
refrijeran dari t = 30 menit sampai t = 480 menit
Hasil penelitian untuk kerja kompresor persatuan massa refrijeran dari waktu t
= 30 menit sampai t = 480 menit disajikan pada Gambar 4.2. Dari Gambar 4.2,
pada awal mula nampak bahwa kerja kompresor dengan berjalannya waktu
mengalami kenaikan sampai pada waktu tertentu, nilai kerja kompresor persatuan
massa refrijeran menjadi stabil. Pada penelitian ini kerja kompresor persatuan
massa refrijeran mulai stabil pada waktu sekitar t= 150 menit, dengan harga Wkomp
sebesar 34 kJ/kg. Jika nilai Wkomp dinyatakan terhadap waktu t dapat dinyatakan
dengan persamaan Wkomp = -0,000000003t4 + 0,000003t3 - 0,001t2 + 0,313t +
11,76 (berlaku untuk t =30 menit sampai t = 480 menit).
Gambar 4.2 Kerja kompresor persatuan massa refrijeran dari t = 30 menit
sampai t = 480 menit
Hasil penelitian untuk energi kalor yang dilepas kondenser persatuan massa
refrijeran dari waktu t = 30 menit sampai t = 480 menit disajikan pada Gambar
4.3 . Dari Gambar 4.3 , pada awal mula nampak bahwa energi kalor persatuan
massa refrijeran dengan berjalannya waktu mengalami kenaikan sampai pada
waktu tertentu, nilai energi kalor persatuan massa refrijeran yang dilepas
kondenser menjadi stabil. Pada penelitian ini nilai energi kalor persatuan massa
refrijeran yang dilepas kondenser mulai stabil pada waktu sekitar t = 330 menit,
dengan harga Qkond sebesar -199 kJ/kg. Jika nilai Qkond dinyatakan terhadap waktu
Gambar 4.3 Energi kalor yang dilepas kondenser persatuan massa
refrijeran dari t = 30 menit sampai t = 480 menit
Hasil penelitian untuk COP mesin freezer dari waktu t = 30 menit sampai t =
480 menit disajikan dalam Gambar 4.4. Dari Gambar 4.4 dapat dilihat bahwa nilai
COP mesin freezer seiring dengan berjalannya waktu semakin menurun sampai
pada waktu tertentu nilai COP mesin freezer menjadi stabil. Pada penelitian ini
nilai COP mesin freezer mulai stabil pada waktu t = 240 menit,dengan harga COP
sebesar 4,26. Jika nilai COP dinyatakan terhadap waktu t dapat dinyatakan dengan
Gambar 4.4 COP mesin freezer dari t = 30 menit sampai t = 480 menit
COPaktual = (8*10^-10)t4 - (1*10^-6)t3 + 0,000t2 - 0,078t + 9,460 R² = 0,952
0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00
-20 80 180 280 380 480
CO
Pakt
ual
47
BAB VI
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1. Kesimpulan
a. Mesin pendingin sudah berhasil dibuat dan bekerja dengan baik.
b. Kerja kompresor persatuan massa refrijeran pada saat stabil sebesar 34
kJ/kg. Kerja kompresor persatuan massa refrijeran dari t = 30 menit
sampai t = 480 menit dapat dinyatakan dengan persamaan Wkomp =
-0,000000003t4 + 0,000003t3 - 0,001t2 + 0,313t + 11,76 (berlaku untuk t
= 30 menit sampai t = 480 menit).
c. Kalor yang diserap evaporator persatuan massa refrijeran pada saat stabil
sebesar 145 kJ/kg. Energi kalor persatuan massa refrijeran yang diserap
evaporator dari t = 30 menit sampai t = 480 menit dapat dinyatakan
dengan persamaan Qevap = 0,00004t2 - 0,031t + 151,9 76 (berlaku untuk t
= 30 menit sampai t = 480 menit).
d. Kalor yang dilepas kondenser persatuan massa refrijeran pada saat stabil
sebesar -199 kJ/kg. Energi kalor persatuan massa refrijeran yang dilepas
kondenser dari t = 30 menit sampai t = 480 menit dapat dinyatakan dengan
persamaan Qkond= 0,0000000001t5 + 0,000000024 - 0,00001t3 + 0,003t2 -
0,441t - 175,5 (berlaku untuk t = 30 menit sampai t = 480 menit).
e. COP aktual mesin freezer pada saat stabil sebesar 4,26. COP mesin freezer
COPaktual = 0,0000000008t4 - 0,000001t3 + 0,000t2 - 0,078t + 9,460
(berlaku untuk t = 30 menit sampai t = 480 menit).
5.2. Saran
a. Pembuatan mesin pendingin dapat dikembangkan untuk mesin mesin
pendingin yang lain yang mempunyai kapasitas berbeda.
b. Pembuatan mesin pendingin dapat dikembangkan untuk mesin mesin
pendingin dengan fungsi yang lain : ice maker, cold storage, water chiller,
DAFTAR PUSTAKA
Stoecker, WF, 1989, Refrigerasi dan Pengkondisian Udara
Frank Kreith, 1984, perpindahan kalor
Witjahjo, 2009, Uji Prestasi Mesin Pendingin Menggunakan Refrijeran LPG
Anwar, 2010, Efek Beban Pendinginan Terhadap Performa Sistem Mesin
Pendingin
Willis, 2013, Prestasi Kerja Refrijeran R22 Dengan R134a
LAMPIRAN
P-h diagram menit ke 30
P-h diagram menit ke 90
P-h diagram menit ke 150
P-h diagram menit ke 210
P-h diagram menit ke 270
P-h diagram menit ke 330
P-h diagram menit ke 390
P-h diagram menit ke 450
vii
ABSTRAK
Mesin pendingin mempunyai fungsi yang sangat penting dalam kehidupan
manusia pada masa sekarang ini, baik untuk keperluan rumah tangga maupun industri. Mesin pendingin dapat berfungsi sebagai pengawet makanan maupun penyejuk udara. Dalam penelitian ini membahasa tentang karakteristik mesin freezer berpenukar kalor dengan pipa kapiler melilit pipa keluaran evaporator. Tujuan dari penelitian ini adalah membuat mesin freezer, mengetahui besaran energi persatuan massa refrijeran yang digunakan oleh evaporator, kompresor dan kondenser, serta mengetahui besar COP yang dihasilkan oleh mesin freezer yang diteliti. Penelitian dilakukan di laboratorium. Mesin pendingin yang dipergunakan dalam penelitian memakai siklus kompresi uap. Pipa kapiler dililitkan pada pipa keluaran evaporator dengan panjang pipa kapiler 220 cm.
Dari hasil penelitian diketahui bahwa mesin freezer telah berhasil dibuat dan berfungsi dengan baik. Kerja kompresor persatuan massa refrijeran pada saat stabil sebesar 34 kJ/kg. Kerja kompresor persatuan massa refrijeran dari t = 30 menit sampai t = 480 menit dapat dinyatakan dengan persamaan Wkomp = -0,000000003t4 +
0,000003t3 - 0,001t2 + 0,313t + 11,76 (berlaku untuk t = 30 menit sampai t = 480 menit). Kalor yang diserap evaporator persatuan massa refrijeran pada saat stabil sebesar 145 kJ/kg. Energi kalor persatuan massa refrijeran yang diserap evaporator dari t = 30 menit sampai t = 480 menit dapat dinyatakan dengan persamaan Qevap =
0,00004t2 - 0,031t + 151,9 76 (berlaku untuk t = 30 menit sampai t = 480 menit). Kalor yang dilepas kondenser persatuan massa refrijeran pada saat stabil sebesar -199 kJ/kg. Energi kalor persatuan massa refrijeran yang dilepas kondenser dari t = 30 menit sampai t = 480 menit dapat dinyatakan dengan persamaan Qkond = 0,0000000001t5 + 0,00000002t4 - 0,00001t3 + 0,003t2 - 0,441t - 175,5 (berlaku untuk t = 30 menit sampai t = 480 menit). COP aktual mesin freezer pada saat stabil sebesar 4,26. COP mesin freezer t = 30 menit sampai t = 480 menit dapat dinyatakan dengan persamaan COPaktual = 0,0000000008t4 - 0,000001t3 + 0,000t2 - 0,078t + 9,460 (berlaku untuk t = 30 menit sampai t = 480 menit).
