Universitas Mercu Buana Page 7 BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Definisi Pengkondisian Udara
Pengkondisian udara adalah suatu proses pendinginan dan pemanasan udara dengan cara memanaskan udara maupun mendinginkan udara, sehingga dapat dicapai suhu, temperatur, kelembaban, dan tekanan yang diinginkan di suatu ruangan tersebut.
Pada prinsipnya mesin pengkondisian udara adalah suatu alat pemindahan panas/kalor dari medium satu ke medium lain dengan perantara, yaitu refrigerant
Untuk mendapatkan hasil yang maksimal maka kita harus menguasai perinsip dasar dari teknik pendinginan yaitu zat cair dapat diuapkan pada suhu berapa saja dengan memberikan tekanan tertentu diatasnya.
Menurut penggunaan refrigeration unit dapat dibagi atas beberapa kelompok
1. Domestic Refrigeration
Yang termasuk dalam kelompok ini adalah segala alat-alat pendinginan yang digunakan untuk keperluan rumah tangga seperti :
a. Small Freezer unit
b. Small unit air conditioning c. Small water unit
Universitas Mercu Buana Page 8
2. Commercial Refrigeration
Yang termasuk dalam kelompok ini adalah segala pendinginan yang digunakan untuk komersil instalasi pendinginan antara lain :
a. Cold stodaya : buttoher
Restaurat
Food cooker, dsb
b. Display cabinet : candy
Meat
Frozen food, dsb
3. Industrial Refrigeration
Yang termasuk dalam kelompok ini antara lain :
a. Chemical and synthetic rubber manufacturing b. Oil refining and synthetic rubber manufacturing c. Manufacturing and treatment of metals
d. Ice making, dsb
4. Marine and Transportation Refrigeration
Pendinginan ini berhubungan dengan pendinginan untuk pengawetan dari bahan-bahan yg memerlukan penyimpanan dalam masa transportasi dengan jangka waktu yang lama contohnya pada pesin pendinginan pada kapal-kapal tongkang, kereta api dan pengangkut es krim.
Universitas Mercu Buana Page 9 2.2 Macam Macam Sistem Pengkondisian Udara
Ada berbagai cara untuk melakukan proses perpindahan panas untuk mendapatkan kondisi udara sesuai dengan yang diinginkan. Cara tersebut harus sesuai dengan kebutuhan dan penggunaannya agar efektif dan efisien. Ada 3 macam siklus pengkondisian udara, diantaranya :
2.2.1Vapor Compression Refrigeration
Kebanyakan mesin-mesin pendingin yang banyak dipakai pada waktu sekarang ialah mesin-mesin pendingin dengan system kompresi. Peralatan yang dipakai adalah system yang terdiri dari :
a) Kompresor b) Kondensor c) Evaporator
d) Expansion valve
Secara bagian mesin-mesin pendingin dengan system kompresi ini dapat digambar sebagai berikut: Sumber : http://www.google.com/imgres?sa=X&biw=1149&bih=591&tbm=isch&tbnid=kxt5y1jzyPJ70M%3A&imgrefurl=http%3A %2F%2Fteachintegration.wordpress.com%2Fhvac-forum%2Fbasic%2Fsiklus-refrigerasi%2F&docid=2zyq34WJl75i1M&imgurl=http%3A%2F%2Fteachintegration.files.wordpress.com%2F2010%2F0 1%2F13569_105898692755723_100000067771783_159046_5617303_n.jpg&w=604&h=190&ei=0Y3fUsWjNo2CrgfX24 C4Bg&zoom=1&ved=0CGMQhBwwBQ&iact=rc&dur=5956&page=1&start=0&ndsp=14
Universitas Mercu Buana Page 10 Perinsip-perinsip kerja dari system ini dapat diuraikan sebagai berikut :
Dengan menganggap bahwa system mengalami proses ideal maka refrigerant yang bertekanan tinggi dilakukan melalui expansion valve dan akan mengalami proses exprasi (throttling process) Sampai mencapai tekanan yang lebih rendah sehingga mencapai “wet temperature vapor”. Dalam evaporator wet low temperature refrigerant mengabsobsi panas dengan proses tekanan konstan dan meninggalkan evaporator dalam keadaan “dry saturated vapor” yang kemudian memasuki kompresor.
“Super heated refrigerant” yang meninggalkan kompresor dalam kondensor akan melepaskan panas pada tekanan konstan. Cycle dari mesin pendingin dengan system kompresi dapat digambarkan dalam grafik p-h dan T-S diagram sebagai berikut :
Sumber : http://www.google.com/imgres?sa=X&biw=1149&bih=591&tbm=isch&tbnid=kxt5y1jzyPJ70M%3A&imgrefurl=http%3A %2F%2Fteachintegration.wordpress.com%2Fhvac-forum%2Fbasic%2Fsiklus-refrigerasi%2F&docid=2zyq34WJl75i1M&imgurl=http%3A%2F%2Fteachintegration.files.wordpress.com%2F2010%2F0 1%2F13569_105898692755723_100000067771783_159046_5617303_n.jpg&w=604&h=190&ei=0Y3fUsWjNo2CrgfX24 C4Bg&zoom=1&ved=0CGMQhBwwBQ&iact=rc&dur=5956&page=1&start=0&ndsp=14
Gambar 2.2 Skema Vapor Compression Refrigeration
Pada proses kompresi 3’ – 4’ maka system kompresi ini disebut “wet compression cycle” dan pada waktu sekarang cycle tersebut jarang dipakai.
Universitas Mercu Buana Page 11 2.2.1.1 Actual Vapor Compression Cycle
Penyimpangan actual vapor compression cycle terhadap ideal vapor
compression cycle disebabkan oleh beberapa hal seperti berikut :
a. Temperature penguapan dari refrigerant harus lebih rendah dari temperature ruang yang didinginkan agar supaya panas dapat diabsorbsi. b. Temperature condenser harus lebih tinggi dari temperature air pendingin
atau udara pendingin agar supaya panas dapat dilepaskan
c. Proses kompresi pada kompresor tidak isentropic disebabkan kerugian yang terjadi dalam kompresor itu sendiri.
d. Kerugian tekanan berupa “pressure drop” dalam katup-katup kompresor dan dalam pipa-pipa.
e. “Refrigerant” meninggalkan kondensor dalam keadaan “sub cooled” f. Pengaliran panas yang terjadi dalam pipa-pipa.
g. “Vapor refrigerant” memasuki kompresor dalam keadaan super heated h. Proses expansi pada expansion valve tidak mengalami proses isentropic
expansion.
Grafik dibawah ini untuk actual vapor compression cycle sebagai berikut :
Sumber :
http://www.google.com/imgres?biw=1149&bih=591&tbm=isch&tbnid=33NrhOrbVpkJtM%3A&imgrefurl=http%3A%2F %2Fwww.alephzero.co.uk%2Fref%2Fcirceff.htm&docid=iISfAlIC8SS1oM&imgurl=http%3A%2F%2Fwww.alephzero.co .uk%2Fref%2Fimages%2Fvapcompoints.gif&w=224&h=235&ei=MI7fUs_JLMP7rAe6vIGIBg&zoom=1&ved=0CHAQh BwwCg&iact=rc&dur=3067&page=1&start=0&ndsp=14
Universitas Mercu Buana Page 12 2.2.1.2 Analisa matematis “Theorical vapor compression cycle”
a. Besarnya panas yang diabsorbsi dalam evaporator didefinisikan dengan refrigerating effect sebagai :
𝑄𝑒𝑣𝑎 = 3− 2 , (Watt/m²˚C) ... (2.1) b. Besarnya panas yang dikeluarkan (heat reject) dalam kondensor :
𝑄𝑘𝑜𝑛 = 4− 1 , (Watt/m²˚C) ... (2.2) c. Kerja kompresor
𝑊𝐾 = 4− 3 , (Watt/m²˚C)... (2.3)
d. Head balance
Head balance secara ideal dapat ditulis sebagai berikut : 𝑄𝐾𝑜𝑛𝑑 = 𝑄𝑒𝑣𝑎 +
𝑊𝐾
𝐽 ... (2.4) e. Berat refrigerant yang disirkulasikan per menit (ton of
prefigeration) didapat dari jumlah panas yang diabsorbsi per-minutes ton of refrigeration dibagi oleh refrigeration effect :
𝑚𝑟𝑒𝑓 = 200
(2−3) ... (2.5)
2.2.2 Siklus 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 daripada sumber dingin diluar (contoh udara diluar) dan gas yang mengembang akan menjadi lebih dingin daripada suhu dingin yang dikehendaki. Dalam kasus ini, fluida digunakan untuk mendinginkan lingkungan bersuhu rendah dan membuang panas ke lingkungan yang bersuhu tinggi.
Universitas Mercu Buana Page 13 Siklus refrigerasi kompresi uap memiliki dua keuntungan. Pertama, sejumlah besar energi panas diperlukan untuk merubah cairan menjadi uap, dan oleh karena itu banyak panas yang dapat dibuang dari ruang yang disejukkan. Kedua, sifat-sifat isothermal penguapan membolehkan pengambilan panas tanpa menaikan suhu fluida kerja ke suhu berapapun didinginkan. Hal ini berarti bahwa laju perpindahan panas menjadi tinggi, sebab semakin dekat suhu fluida kerja mendekati suhu sekitarnya akan semakin rendah laju perpindahan panasnya.
Siklus refrigerasi ditunjukkan dalam Gambar 1 dan 2 dan dapat dibagi menjadi tahapan-tahapan berikut:
1 – 2. 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 diberi pemanasan berlebih/ superheated gas.
2 – 3. Uap yang diberi panas berlebih masuk menuju kompresor dimana tekanannya dinaikkan. Suhu juga akan meningkat, sebab bagian energi yang menuju proses kompresi dipindahkan ke refrigeran.
3 – 4. Superheated gas bertekanan tinggi lewat dari kompresor menuju kondenser. Bagian awal proses refrigerasi (3-3a) menurunkan panas superheated gas sebelum gas ini dikembalikan menjadi bentuk cairan (3a-3b). Refrigerasi untuk proses ini biasanya dicapai dengan menggunakan udara atau air. Penurunan suhu lebih lanjut terjadi pada pekerjaan pipa dan penerima cairan (3b - 4), sehingga cairan refrigeran didinginkan ke tingkat lebih rendah ketika cairan ini menuju alat ekspansi.
4 - 1 Cairan yang sudah didinginkan dan bertekanan tinggi melintas melalui peralatan ekspansi, yang mana akan mengurangi tekanan dan mengendalikan aliran menuju
Universitas Mercu Buana Page 14 Sumber : http://www.google.com/imgres?biw=1149&bih=639&tbm=isch&tbnid=ayhxOWlahMf2jM%3A&imgrefurl=http%3A%2F %2Fmajalahenergi.com%2Fforum%2Fenergi-baru-dan-terbarukan%2Fenergi-surya%2Fair-conditioner-dengan-tenaga- surya-terobosan-baru-pendinginan-hemat-energi&docid=YLhDqNDslAVm-M&imgurl=http%3A%2F%2F4.bp.blogspot.com%2F_ZeurAMJQI9M%2FTCSzTw3yW3I%2FAAAAAAAAAKg%2Fw7 V4fzYO1L8%2Fs320%2Fskemakompresiuap.jpg&w=320&h=204&ei=LzPfUsDVBMeFrQfe3IGYCQ&zoom=1&ved=0C JkBEIQcMBU&iact=rc&dur=1032&page=2&start=14&ndsp=18
Gambar 2.4 Gambaran skematis siklus
` Sumber : http://www.google.com/imgres?biw=1149&bih=639&tbm=isch&tbnid=1O5XGbWFdC1DXM%3A&imgrefurl=http%3A %2F%2Fdheimaz.blogspot.com%2F2009_07_01_archive.html&docid=sfFzYrb0UwsmbM&imgurl=http%3A%2F%2F1.b p.blogspot.com%2F_bKPPB8mKJI0%2FSmh7xFqarOI%2FAAAAAAAAAB8%2FuXf3ux7mHek%2Fs320%2Fskema%2 52Bsiklus%252Bkompresi%252Buap.jpg&w=320&h=202&ei=LzPfUsDVBMeFrQfe3IGYCQ&zoom=1&ved=0CK4BEI QcMBw&iact=rc&dur=520&page=2&start=14&ndsp=18
Gambar 2.5. Gambaran skematis siklus refrigerasi termasuk perubahan tekanannya
Universitas Mercu Buana Page 15 Kondenser harus mampu membuang panas gabungan yang masuk evaporator dan kondenser. Dengan kata lain: (1 - 2) + (2 - 3) harus sama dengan (3 - 4). Melalui alat ekspansi tidak terdapat panas yang hilang maupun yang diperoleh.
2.2.3 Siklus Gas/Udara (Air Refrigeration cycle)
Ketika fluida kerja adalah gas yang dikompresi dan diperluas, namun tidak berubah fase, siklus refrigerasi disebut siklus gas. Karena tidak ada kondensasi dan penguapan dimaksudkan dalam siklus gas, komponen sesuai dengan kondensor dan evaporator dalam siklus kompresi uap adalah penukar panas panas dan dingin gas-ke-gas dalam siklus gas.
Siklus gas kurang efisien daripada siklus kompresi uap karena siklus gas bekerja pada siklus Brayton sebaliknya siklus Rankine. Dengan demikian fluida kerja tidak menerima dan menolak panas pada temperatur konstan. Dalam siklus gas, efek pendinginan sama dengan produk dari panas spesifik dari gas dan kenaikan temperatur gas di sisi suhu rendah. Oleh karena itu, untuk beban pendinginan yang sama, siklus refrigerasi gas yang membutuhkan tingkat aliran massa yang besar dan besar.
Karena efisiensi yang lebih rendah dan curah yang lebih besar, siklus pendingin udara tidak sering digunakan saat ini dalam perangkat pendingin terestrial. Namun, mesin siklus udara sangat umum pada turbin gas bertenaga pesawat jet sebagai pendingin dan unit ventilasi, karena kompresi udara tersedia dari bagian kompresor mesin '. Unit tersebut juga melayani tujuan menekan pesawat. Pada dasarnya prinsip kerja dari air refrigeration cycle terbagi atas 3 langkah dasar, yaitu :
Universitas Mercu Buana Page 16 a. Menaikan Tekanan (Compresion)
udara yang berfungsi sebagai refrigerant masuk dalam kompresor, kemudian dikompresikan sehingga mencapai tekanan yang lebih tinggi dari tekanan ruangan yang akan dikondisikan dalam proses tekanan (P) dan temperatur (T) akan mengalami kenaikan.
b. Pertukaran panas pada Heat Exchanger
Setelah udara dikompresi dengan kompresor, temperature yang tinggi akibat proses kompresi selanjutnya akan dibuang (didinginkan) pada heat
exchanger, dimana kana terjadi pertukaran panas antara udara bertekanan dengan
udara luar atau ram air yang suhunya lebih rendah. c. Penurunan Tekanan Ekspansi (Expansion)
Udara yang telah melewati heat exchanger akan mengalami penurunan temperature dan akan terus mengalir menuju turbin yang berfungsi untuk mengekspansikan udara. Proses ekspansi dari turbin mengakibatkan penurunan tekanan dan temperature. Setelah keluar dari turbin, udara dialirkan ke beban pendinginan. Proses ini juga akan menyebabkan turbin berputas memutar kompresor sehingga siklus dapat berjalan.
2.2.4 Mesin Refrigerasi Siklus Absorpsi
Mesin refrigrasi siklus absorpsi sedikit berbeda dengan mesin refrigerasi siklus kompresi uap. Komponen sistem seperti kondensor, alat ekspansi dan evaporator juga digunakan pada mesin refrigerasi absorpsi. Sedangkan kompresor pada sistem refrigerasi siklus kompresi uap diganti fungsinya oleh generator, absorber, dan pompa, seperti yang ditunjukkan pada Gambar
Universitas Mercu Buana Page 17
Sumber : http://raspbali.blogspot.com/2009/08/siklus-refrigerasi-absorbsi-difusi.html
Gambar 2.6 Siklus Absorbasi
Ada beberapa jenis dari sistem refrigerasi siklus absorpsi diantaranya: Continuous absorption system
Continuous absorption system with pump Continuous absorption system without pump 2.2.4.1 Intermitten absorption system
Sebagai sumber energi penggerak sistem adalah energi panas (kalor) sehingga sering disebut heat-operated cycle. Sebagai sumber energi panas didapatkan dari gas alam, kerosin, elemen pemanas listrik, uap panas, gas panas buang dan sumber-sumber panas yang lainnya. Aplikasi dari sistem ini dapat diterapkan pada refrigerasi domestik maupun pada sistem refrigerasi komersial dan juga pada pengkondisian udara.
Secara umum fluida kerja yang digunakan pada sistem refrigerasi siklus absorpsi adalah refrigeran dua substansi berupa campuran tak bereaksi seperti;
amonia-air (NH3 – H2O)
Universitas Mercu Buana Page 18 Pada sistem Air-Amonia, air berfungsi sebagai absorbent dan amonia berfungsi sebagai refrigeran. Sedangkan pada sistem Litium bromida-air, litium bromida berfungsi sebagai absorben dan air sebagai refrigerannya.
2.2.4.2 Continuous Absorption System with Pump.
Mesin refrigerasi siklus absorpsi dengan pompa sering disebut dengan siklus refrigerasi absorpsi dua tekanan. Pada siklus ini ada sisi tekanan tinggi dan tekanan rendah yang dibatasi oleh katup ekspansi dan katup throtle yang terdapat antara absorber dan generator. Dan sebagai ilustrasi dari siklus ini dapat dilihat pada Gambar-3.
Sumber : http://raspbali.blogspot.com/2009/08/siklus-refrigerasi-absorbsi-difusi.html
Gambar 2.7 Skema sederhana Siklus Absorbsi
Komponen utama dari siklus refrigerasi absorpsi dua tekanan adalah; generator, absorber, pompa, kondensor, evaporator, alat ekspansi, dan katup throttle. Adapun cara kerjanya adalah sebagai berikut:
Universitas Mercu Buana Page 19 Campuran kuat refrigeran-absorben (strong solution) dipanaskan di dalam generator sehingga refrigeran menguap dan terpisah dari absorbennya. Uap refrigeran selanjutnya dimurnikan dalam rectifier dengan mendinginkannya sehingga absorben yang ikut menguap akan mengembun dan mengalir kembali ke generator.Uap refrigeran murni kemudian mengalir melalui kondensor. Di kondensor refrigeran didinginkan sehingga refrigeran mengalami proses pengembunan.
Kondensatnya yang sudah berupa wujud cair yang keluar dari kondensor, kemudian dialirkan menuju alat ekspansi. Pada alat espansi refrigeran diekspansikan sehingga tekanannya menjadi rendah (tekanan evaporator) dan disertai dengan turunnya temperatur refrigeran.
Di dalam evaporator refrigeran mengalami proses penguapan dengan menyerap panas yang ada disekeliling evaporator. Proses absorpsi uap refrigeran oleh absorbennya berlangsung di dalam absorber dengan cara melepas kalor, dimana absorben yang datang dari generator sudah berupa larutan lemah (weak
solution) sehingga bisa menyerap uap refrigeran yang datang dari evaporator.
Dengan terjadinya penyerapan uap refrigeran oleh absorben, maka di absorber terbentuklah larutan kuat (strong solution) yang selanjutnya akan dialirkan lagi menuju generator dengan menggunakan pompa. Demikian proses ini berlagsung secara terus menerus.
2.2.5 Siklus Refrigerasi Absorpsi Diffusi
Siklus refrigerasi absorpsi diffusi sering disebut juga Continuous
absorption system with out pump atau siklus refrigerasi absorpsi satu tekanan atau absorption refrigeration cycle work on three fluid system.
Siklus refrigerasi absorpsi difusi (diffusion absorption refrigeration cycle) pertama kali dibuat oleh Von Platen dan Munters tahun 1928 dengan menggunakan amoniak sebagai refrigeran dan air sebagai absorben serta hydrogen sebagai auxiliary inert gas. Pada siklus refrigerasi absorpsi difusi (DAR) tidak ada komponen mekanik yang bergerak (moving part). Hal ini berbeda dengan siklus
Universitas Mercu Buana Page 20 refrigerasi absorpsi (AR) yang menggunakan pompa untuk mensirkulasikan fluida kerja. Pada diffusion absorption refrigeration cycle (DAR) menggunakan ”bubble pump” untuk mensirkulasikan refrigeran dan larutan yang digunakan dalam sistem. Dengan demikian sistem pemeliharan, kebisingan dan getaran dapat diminimalkan pada DAR, sedang pada siklus refrigerasi absorpsi (AR) masih menimbulkan kebisingan dan getaran cukup besar yang ditimbulkan oleh pompa.
Diffusion absorption refrigeration cycle biasanya digunakan pada
refrigerator rumah tangga, perkantoran, rumah sakit dan hotel-hotel yang membutuhkan tingkat kenyamanan yang tinggi. Sumber energi penggerak di generator pada siklus DAR maupun AR adalah energi panas, yang bisa didapatkan dari bahan bakar misalnya kerosin, gas alam, dan bisa juga dari sumber energi lain misalnya uap panas (steam) sisa, panas dari listrik, dan energi panas matahari (solar energy).
2.2.5.1 Fungsi Masing-Masing Komponen Sistem Refrigerasi Absorpsi Diffusi
Generator; yang berfungsi untuk menguapkan refrigeran dari dalam larutan dengan jalan memberi panas pada generator.
Bubble pump berfungsi untuk memisahkan liquid solution dengan gas refrigeran yang terbentuk pada generator.
Kondensor; yang berfungsi untuk mengkondensasikan refrigeran dengan jalan membuang panasnya ke lingkungan (media pendingin)
Evaporator; yang berfungsi untuk mengevaporasikan refrigeran dengan jalan menyerap panas yang ada di sekitar evaporator (ruang beban) Absorber; yang berfungsi sebagai tempat penyerapan uap refrigeran oleh
absorben sehingga membentuk larutan kuat (strong solution).
Reservoir; yang berfungsi untuk menyimpan dan menampung larutan refrigeran yang terbentuk di absorber
Universitas Mercu Buana Page 21 Heat exchanger; adalah alat yang berfungsi untuk penukar kalor/ panas
sehingga panas yang semestinya dibuang, sebagian dapat dimanfaatkan kembali
Sumber : http://raspbali.blogspot.com/2009/08/siklus-refrigerasi-absorbsi-difusi.html
Gambar 2.8 Skematik Diagram Siklus Refrigerasi Absorpsi Diffusi (DAR) 2.2.5.2 Cara Kerja Siklus Refrigerasi Absorpsi Diffusi
Adapun cara kerjanya berdasarkan sketsa Gambar 2.10 adalah sebagai berikut; pertama larutan kuat (strong solution) yang ada di generator bila biberi panas maka refrigerannya akan menguap membentuk gelembung-gelembung uap refrigeran. Karena uap refrigeran massa jenisnya jauh lebih kecil dibanding larutannya, maka gelembung uap refrigeran akan bergerak ke atas menuju pipa ”bubble pump”. Pada pipa ”bubble pump” gelembung-gelembung uap refrigeran terus naik ke atas dan membawa serta cairan/ larutan lemah (konsentrasi R22 dalam larutan DMF kecil) ke atas menuju sparator. Dengan adanya aliran massa ini, mengakibatkan terjadinya kevakuman massa pada bagian bawah generator. Kevakuman pada bagian bawah generator, akan menarik larutan
Universitas Mercu Buana Page 22 kuat (konsentrasi R22 dalam larutan besar) yang ada di reservoir menuju generator.
Pada separator akan terjadi pemisahan antara uap refrigeran dengan larutan lemah (weak solution) yang ikut terbawa ke atas bersama uap refrigeran, di mana uap refrigeran akan bergerak ke atas menuju kondensor, sedang larutan lemah bergerak ke bawah menuju absorber lewat pipa selubung yang ada di sekeliling pipa ”Bubble pump”. Uap refrigeran yang bergerak ke atas menuju kondensor akan membilas gas hidrogen yang ada di sepanjang pipa sparator dan kondensor, dan mendesaknya menuju pipa saluran bypass.
Di kondensor uap refrigeran yang datang dari sparator selanjutnya mengalami proses kondensasi. Proses kondensasi berlangsung dengan jalan membuang sebagian panas refrigeran ke lingkungan sehingga refrigeran berubah dari uap menjadi refrigeran cair. Selanjutnya refrigeran cair yang terbentuk di kondensor, karena mempunyai massa jenis yang lebih besar dibanding dalam bentuk uap, maka akan bergerak ke bawah menuju bagian bawah kondensor dan selanjutnya menuju tempat ekspansi (Tp).
Di tempat ekspansi, refrigeran cair bertemu dengan gas hydrogen yang mengandung sedikit uap refrigeran yang berasal dari absorber. Tekanan parsial uap refrigeran (refrigerant vapour)yang datang dari absorber jauh lebih kecil dibanding dengan tekanan saturated liquid refrigeran yang datang dari kondensor. Adanya perbedaan ini menyebabkan refrigeran cair akan menguap sampai tercapai kesetimbangan dimana Pvapour,ref = Psat liquid,ref. Proses penguapan refrigeran cair dapat berlangsung dengan mengambil sebagian energi panas yang dikandung oleh refrigeran cair yang datang dari kondensor dan energi panas yang dikandung oleh campuran gas yang datang dari absorber. Dengan adanya proses tersebut akan mengakibatkan temperatur refrigeran turun (rendah).
Cairan refrigeran dengan temperatur yang rendah selanjutnya bergerak menuju evaporator. Di evaporator refrigeran cair akan menguap dengan jalan menyerap panas/kalor dari sekeliling evaporator (diberikan panas lewat heater sebagai beban evaporator). Uap refrigeran yang terbentuk di evaporator akan
Universitas Mercu Buana Page 23 bercampur dengan gas hydrogen. Berat jenis uap refrigeran lebih besar dibanding gas hydrogen sehingga uap refrigeran akan bergerak ke bawah sambil membawa gas hydrogen menuju absorber melewati tangki reservoir. Dengan pergerakan gas refrigeran menuju absorber, maka proses penguapan refrigeran cair di evaporator akan tetap terjaga.
Di absorber campuran uap refrigeran dan gas hydrogen yang datang dari evaporator dipisahkan, dimana uap refrigeran diserap (diabsorpsi) kembali oleh larutan lemah yang datang dari sparator. Proses penyerapan uap refrigeran oleh larutan lemah (proses absorpsi) dapat berlangsung dengan membuang panas larutan lemah dan panas yang ditimbulkan saat proses absorpsi ke lingkungan. Proses absorpsi ini akan menghasilkan larutan kuat yang selanjutnya akan bergerak ke bawah dan ditampung dalam tangki reservoir. Sedang gas hydrogennya tidak ikut terabsorpsi oleh larutan lemah. Karena massa jenis gas hydrogen kecil, maka gas hidrogen akan bergerak ke atas kembali menuju evaporator sambil membawa sedikit uap refrigeran yang tidak terabsorpsi. Larutan kuat yang ada di tangki reservoir akan bergerak kembali menuju generator sebagai akibat adanya kevakuman massa yang terjadi pada bagian bawah generator prosesnya kembali lagi ke awal, dan begitu seterusnya.
2.3 Pembagian Air Refrigeration System
Ada dua system refrigerasi udara yaitu siklus tertutup (close air cycle) dan siklus terbuka (open Air Cycle). Siklus tertutup mempunyai keuntungan termodinamik. Antara lain tekanan masuk kompresor dapat lebih tinggi dari tekanan atmosfer sehingga kerja yang dibutuhkan lebih sedikit dan nilai COP-nya (Coefisiensi of Performance) lebih tinggi. Sedangkan pada system refrigerasi gas jenis siklus terbuka atau open cycle, kompresor yang digunakan harus besar karena mengingat volume yang harus dikondisikan lebih besar dari pada ruang tertutup. Tetapi masalah ini sudah tidak menjadi masalah lagi karena dengan teknologi turboprop saat ini kecepatan putaran kompresornya dapat mencapai 100.000 rpm
Universitas Mercu Buana Page 24
Air cycle refrigeration dapat diklasifikasikan kedalam dua system yaitu :
2.3.1 Siklus Tertutup (Closed System)
Pada system ini terjadi resirkulasi udara sebagai medium pendinginan yang telah digunakan untuk mendinginkan beban pendinginan yang kemudian akan kembali kedalam rangkaian mesin pendingin untuk melakukan proses pendinginan kembali. System ini dapat bekerja pada tekanan yang lebih tinggi dari tekanan atmosfir. Dan dapat menghasilkan coeffisiensi of performance yang lebih tinggi.
2.3.2 Siklus Terbuka (Open Sistem)
System ini umumnya digunakan pada pesawat terbang yang mempunyai tinggi jelajah diatas 3048 m. pada system ini pendistribusian udara merupakan sebuah rangkaian terbuka. Dimana tidak terjadi pada system tertutup.
System terbuka dapat diklasifikasikan kedalam 4 macam siklus, yaitu :
a. Simple System / Basic
Udara bersuhu dan bertekanan tinggi datang dari turbo kompresor untuk didinginkan di heat exchanger, kemudian pendingin dilanjutkan pada cooling
turbine dimana terjadi work extraction dari udara yang diekspansikan. Udara
dingin dari cooling turbine setelah melewati water extraction langsung dialirkan ke kabin dan bagian-bagian lain yang ada di pesawat.
System ini dilengkapi dengan: Heat Exchanger Cooling Turbin Water Separator
Universitas Mercu Buana Page 25
b. Bootrap System
Perinsip kerja dari system jenis ini hampir sama dengan system jenis sebelumnya. Setelah melalui primary heat exchanger. Kamudian udara masuk ke dalam
cooling turbine sehingga terjadi penurunan suhu yang selanjutnya dapat dialirkan
kedalam kabin.
Pada system ini lebih lengkap dibandingkan dengan simple system/basic. Dalam jenis ini terdapat :
Primary Heat exchanger (penukar panas utama) Secondary Heat Exchanger (penukar panas sekunder) Secondary Compresor (kompresor sekunder)
Cooling Turbine (turbine pendingin)
c. Regenerative System
Jenis system ini merupakan penyempurnaan dari system sebelumnya. Pada jenis ini media pendingin untuk heat exchanger dipakai dari sebagian udara yang didinginkan yang di ambil dari discharge cooling turbine. Kerja turbin lebih rendah dan suhunya lebih dingin. Namun jenis ini sangat kompleks dan menambah berat air conditioning packs. Jenis system pendingin ini dilengkapi :
Primary Heat Exchanger Regenerative Heat Exchanger Cooling Turbine
d. Reduce Ambience System
Perinsip kerja jenis pendingin ini sama dengan jenis simple
system/basic. Perbedaannya terdapat pada media pendinginan yang digunakan
untuk mendinginkan udara di heat exchanger menggunakan ram air yang telah didinginkan dahulu dalam expansion turbine yang dipasang di dekat heat
Universitas Mercu Buana Page 26 Berbagai system refrigerasi yang dipakai dalam pesawat terbang dapat dilihat perbandingannya pada diagram DART (Dry Air Rated Temperatur). Diagram ini merupakan perbandingan antara kecepatan pesawat dalam marc number dengan temperature rata-rata udara kering. DART adalah suhu didinginkan yang kelur dari turbin yang akan masuk ke kabin, kokpit, dan bagian bagian yang lain dalam pesawat.
Gambar 2.9 Diagram DART
Berdasarkan diagram DART di atas maka :
1. Simple System lebih cocok untuk digunakan pesawat dengan kecepatan rendah
2. Bootstrap System dan Regenerative System digunakan untuk pesawat dengan kecepatan menengah.
3. Reduced Ambient System biasanya digunakan pada pesawat supersonic dan roket
Universitas Mercu Buana Page 27 2.4 Refrigeran
Refrigerant adalah nama yang diberikan kepada tiap zat yang men-absorbsi dalam proses vaporisasi atau dalam proses expansi. Dalam mesin pendingin refrigerant mengalami proses perubahan fasa yaitu dari fasa cair berubah menjadi fasa gas dalam evaporator setelah mengabsorbsi panas.
Kemudian setelah mengalami proses kompresi dalam kompresor kembali menjadi fasa cair yaitu setelah mengalami proses pendinginan dalam kondensor. Jadi disini refrigerant bisa disebut juga sebagai working fluid.
Macam-macam refrigerant yang biasa dipakai dipakai dalam mesin pendingin adalah sebagai berikut :
1. udara
2. ammonia 3. carbon dioxide 4. erean and genetron 5. menthyl chloride 6. sulfur dioxide 7. water
8. hydro carbon, antara lain : ethane, prepane, isebutane
9. Halogenated hydro Carbon, antara lain : dieline, ethyl chloride, methylene chloride.
10. Other refrigerant
2.4.1. Persyaratan Refrigeran
Persyaratan refrigeran (zat pendingin) untuk unit refrigerasi adalah sebagai berikut :
a. Tekanan penguapannya harus cukup tinggi. Sebaiknya refrigeran memiliki temperature penguapan pada tekanan yang lebih tinggi, sehingga dapat dihindari kemungkinan terjadinya vakum pada
Universitas Mercu Buana Page 28 evaporator, dan turunnya efisiensi volumetrik karena naiknya perbandingan kompresi.
b. Tekanan pengembunan yang tidak terlampau tinggi. Apabila tekananpengembunannya rendah, maka perbandingan kompresinya menjadi lebih rendahsehingga penurunan prestasi kompresor dapat dihindarkan. Selain itu, dengan tekanankerja yang lebih rendah, mesin dapat bekerja lebih aman karena kemungkinan terjadinya kebocoran, kerusakan, ledakan menjadi lebih kecil.
c. Kalor laten penguapan harus tinggi. Refrigeran yang memiliki kalor laten penguapanyang tinggi lebih menguntungkan karena untuk kapasitas refrigerasi yang sama, jumlah refrigeran yang bersirkulasi menjadi lebih kecil.
d. Volume spsifik (terutama dalam fasa gas) yang cukup kecil. Refrigeran dengan kalorlaten penguapan yang besar dan volume spesifik gas yang kecil akan memungkinkan penggunaan kompresor dengan volume torak yang lebih kecil.
e. Koefisien prestasi harus tinggi. Dari segi karakteristik termodinamika dari refrigeran,koefisien prestasi merupakan parameter yang terpenting untuk menekan biaya operasi.
f. Konduktifitas termal yang tinggi . konduktivitas termal sangat penting untuk menentukan karakteristik perpindahan kalor.
g. Viskositas yang rendah dalam fasa cair maupun fasa gas. Dengan turunnya tahanan aliran refrigeran dalam pipa, kerugian tekanan akan berkurang.
h. Konstanta dielektrika dari refrigeran yang keci, tahanan listrik yang besar, serta tidak menyebabkan korosi pada material isolator listrik (utamanya untuk kompresor hermatik).
i. Refrigeran hendaknya stabil dan tidak bereaksi dengan material yang dipakai, sehingga tidak menyebabkan korosi
j. Refrigeran tidak boleh beracun dan berbau merangsang k. Refrigeran tidak boleh mudah terbakar dan meledak l. Refrigeran harus mudah dideteksi, jika terjadi kebocoran
Universitas Mercu Buana Page 29 m. Harganya tidak mahal dan mudah diperoleh
n. Ramah lingkungan.
2.4.2. Sifat – Sifat Refrigerant Pada Mesin Pendingin
Sifat – sifat refrigrerant yang harus dipenuhi untuk kebutuhan mesin pendingin adalah :
a. Tekanan penguapan harus cukup tinggi.
Sebaiknya pendingin memiliki temperatur pada tekanan yang lebih tinggi, sehingga dapat dihindari kemungkinan terjadinya vakum pada evaporator dan turunnya efisiensi volumetrik karena naiknya perbandingan kompresi.
b. Tekanan pengembunan yang tidak terlampau tinggi. Apabila tekanan pengembunannya terlalu rendah, maka perbandingan kompresinya menjadi lebih rendah, sehingga penurunan prestasi kondensor dapat dihindarkan, selain itu dengan tekanan kerja yang lebih rendah, mesin dapat bekerja lebih aman karena kemungkinan terjadinya kebocoran, kerusakan, ledakan dan sebagainya menjadi lebih kecil.
c. Kalor laten penguapan harus tinggi. Refrigeran yang mempunyai kalor laten penguapan yang tinggi lebih menguntungkan karena untuk kapasitas pendingin yang sama, jumlah refrigeran yang bersirkulasi menjadi lebih kecil.
d. Volume spesifik ( terutama dalam fasa gas ) yang cukup kecil. Refrigeran dengan kalor laten penguapan yang besar dan volume spesifik gas yang kecil ( berat jenis yang besar ) akan memungkinkan penggunaan kompresor dengan volume langkah torak yang lebih kecil. Dengan demikian untuk kapasitas pendingin yang sama ukuran unit refrigerasi yang bersangkutan menjadi lebih kecil. Namun, untuk unit pendingin air sentrifugal yang kecil lebih dikehendaki refrigeran dengan volume spesifik yang agak besar. Hal tersebut diperlukan
Universitas Mercu Buana Page 30 untuk menaikkan jumlah gas yang bersirkulasi, sehingga dapat mencegah menurunnya efisiensi kompresor sentrifugal.
e. Koefisien prestasi harus tinggi. Dari segi karakteristik thermodinamika dari pendingin, koefisien prestasi merupakan parameter yang terpenting untuk menentukan biaya operasi.
f. Konduktivitas termal yang tinggi. Konduktivitas termal sangat penting untuk menentukan karakteristik perpindahan kalor.
g. Viskositas yang rendah dalam fasa cair maupun fasa gas. Dengan turunnya tahanan aliran refrigeran dalam pipa, kerugian tekanannya akan berkurang.
h. Konstanta dielektrika dari refrigeran yang kecil, tahanan listrik yang besar, serta tidak menyebabkan korosi pada material isolator listrik. Sifat-sifat tersebut dibawah ini sangat penting, terutama untuk refrigeran yang akan dipergunakan pada kompresor hermetik.
i. Refrigeran hendaknya stabil dan tidak bereaksi dengan material yang dipakai, jadi juga tidak menyebabkan korosi.
j. Refrigeran tidak boleh beracun dan berbau merangsang. k. Refrigeran tidak boleh mudah terbakar dan mudah meledak.
Berbagai jenis refrigeran yang digunakan dalam sistim pendinginan. Suhu refrigerasi yang dibutuhkan sangat menentukan dalam pemilihan fluida. Refrigeran yang umum digunakan adalah yang termasuk kedalam keluarga
chlorinated fluorocarbons (CFCs, disebut juga Freons): R-11, R-12, R-21, R-22
dan R-502.
Sifat-sifat bahan-refrigeran dan kinerja bahan refrigeran tersebut diberikan dalam Tabel dibawah:
Universitas Mercu Buana Page 31
Sumber : http://neozgx.blogspot.com/2011/02/macam-macam-gas-refrigerant.html
Table 2.1 Sifat-Sifat Refrigerant
Pemilihan refrigeran dan suhu pendingin dan beban yang diperlukan menentukan pemilihan kompresor, juga perancangan kondenser, evaporator, dan alat pembantu lainnya. Faktor tambahan seperti kemudahan dalam perawatan, persyaratan fisik ruang dan ketersediaan utilitas untuk peralatan pembantu (air, daya, dll.) juga mempengaruhi pemilihan komponen.
2.5 Beban Pendinginan (load)
Load dalam system pendinginan diartikan sebagai banyakan panas yang harus
diabsorbsi (diambil) per-unit time yang besarnya diukur dalam BTU per-hour atau dalam ton of refrigeration.
Kelompok dari load ini terdiri dari : Heat Conduction
Perpindahan panas secara konduksi yang disebabkan karena perbedaan temperature antara refrigerated spack dan sekelilingnya, misalnya melalui dinding, lantai, atap dan sebagainya.
Universitas Mercu Buana Page 32 Besarnya panas yang mengalir per-hour dapat dihitung ;
𝑄𝐾 = 𝑈. 𝐴. 𝛥𝑡 ... (2.6) Besarnya U dapat dihitung dari persamaan sebagai berikut :
𝑈 = 1 1 𝑓0+ 𝑥 1 𝑘1+ 𝑥 2 𝑘2+⋯...+ 𝑥 𝑛 𝑘𝑛+ 1 𝑎+ 1 𝑐𝑛+ 1 𝑓𝑖 ... (2.7) Infiltration
Besarnya panas yang diabsorbsi dari refrigerated disebabkan adanya pemasukan udara panas dari luar. Banyaknya panas dapat dihitung dari persamaan berikut :
𝑄𝑖𝑛𝑓 = 𝑉 1 𝑣 | 𝑂− 𝑆 + (𝑊𝑂− 𝑊𝑆)𝑓𝑔 ... (2.8)
Product heat
Panas yang dihasilkan dari proses pendinginan yang terjadi dalam refrigerated space. Dengan sendirinya panas tersebut akan mempengaruhi temperature dari refrigerated space. Besarnya panas yang timbulkan dari product heat dapat dihitung sebagai berikut :
𝑄𝑝 = 𝑀|𝐶 𝑡𝑂− 𝑡𝑓 + 𝑓𝑖 + (𝐶𝑓 − 𝑡𝑠)|... (2.9)
Heat sources
Heat sources in a space bisa terjadi dari
a. Man working in cold storage space (refrigerated space)
Besarnya panas yang ditimbulkan oleh orang yang sedang bekerja adalah 175.95-293,26 W/hour persen.
Universitas Mercu Buana Page 33
b. Motor and their driven equipment
Besarnya panas yang timbul oleh motor dan penggeraknya dalam refrigerated
space untuk berbagai-bagai HP :
I. Untuk dibawah 0,746 kW, panas yang timbulkan 1230.9 W II. Untuk 0,746 – 2,237 kW, panas yang timbulkan 1084.36 W III. Untuk diatas 2,237 kW, panas yang ditimbulkan 864.56 W
c. Electronic light
Besarnya panas yang ditimbulkan oleh electric light dapat dihitung sebagai : Total watt x 3.41 (dalam BTU/hour)
Jadinya besarnya total refrigeration load dihitung sebagai berikut : 𝑇𝑜𝑛𝑠 =𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑒𝑎𝑑 𝑙𝑜𝑎𝑑
12000 ×
24 𝑟
𝑥 𝑟 ... (2.10) 2.6 Tata Udara Pada Pesawat
Tata udara pada kabin menyediakan refrigerant-gas-vapor cycle system pendinginan. Kompresor dipasang disebelah kanan mesin bagian aksesori. Refrigerant disalurkan ke hidung pesawat dimana kumparan kondensor, receiver dryer, ekspansi katup by pas, dan evaporator.
Kompresor mendapatkan energy dari putaran mesin setiap diatas 62% N1. Jika AC digunakan pada putaran dibawah N1 akan menyalakan tombol lampu hijau AIR COND N1 LOW sebagai peringatan pada panel. Tinggi atau rendahnya refrigerant saklar akan menyalakan lampu tombol reset pada roda gigi depan dengan baik.
AC pada kabin harus memberikan kondisi kenyamanan yaitu sekitar 22 ± 24˚C, 90 – 100 kPa dan 50 – 70%RH dalam keadaan tertutup (kabin), dalam segala keadaan yang akan datang walaupun dalam atmosfer tertentu dapat mencapai -60 sampai +50˚C, 10 – 100kPa, 0 – 100%RH, ozon,dan lain – lain.
Universitas Mercu Buana Page 34 AC adalah system tenaga pemakan kedua terbesar setelah propulsi, pada
Beechcraft King Air B200GT yang akan dibahas pada bab selanjutnya. AC
memasuki kabin dari saluran distribusi pada langit-langit dan kisi – kisi yang ter arah, dan masuk dan keluar melalui kisi – kisi lain dan mengumpulkan pada saluran (Gambar 2.12) sekitar setengahnya akan keluar dibagian bawah, dan setengah lainnya ditarik oleh saluran melalui filter khusus sebagai pembersih dari partikel microskopik, bakteri dan virus kemudian disirkulasikan pada beberapa deck penerbangan tidak si sirkulasikan karena akan langsung disirkulasikan pada bagian avionic sebagai pendinginan
Sumber : Martines Isidoro, AIRCRAFT ENVIRONMENTAL CONTROL, United States of America, 1995
Gambar 2.10 Aliran Udara didalam Kabin
Ventilasi berguna mengatur masuknya udara. Kualitas udara termasuk oksigen dalam darah diukur dengan CO₂ dan tidak hanya dikonsentrasikan dalam kesediaan oksigen saja menurut pada ANSI-ASRAE Standard 62-1989: Ventilasi untuk menerima kualitan udara dalam ruangan, Penghitungannya adalah :
𝑣̇𝑎𝑖𝑟 .𝑆𝑇𝑃 = 𝑣̇𝐶𝑂 2.𝑔𝑒𝑛 𝑥𝐶𝑂 2.𝑐𝑎𝑏𝑖𝑛 −𝑥𝐶𝑂 2.𝑜𝑢𝑡𝑠𝑖𝑑𝑒 = 4%×(0.5𝐿/(𝑏𝑟𝑒𝑎𝑡 )).(1/3 𝑏𝑟𝑒𝑎𝑡 /𝑠 (1700 −380)10−6 = 5 𝐿/𝑠 𝑝𝑎𝑥 ... (2.11)
Universitas Mercu Buana Page 35 Pernapasan normal orang dewasa adalah 0.5 L 20 kali per menit jika dalam keadaan genting (terengah-engah) bisa mencapai 2L dan tingkatnya bervariasi bisa sampai 120 nafas/menit. Pada saat istirahat bisa 12nafas/menit. Komposisi udara segar adalah 77% N₂ + 21% O₂ + 1% H₂O + 1% Ar + 0.04% CO₂ dan komposisi untuk pernafasan adalah 74% N₂ + 17% O₂ + 4% H₂O + 1% Ar + 4% CO₂. tingkat CO₂ untuk kenyamanan maksimum dalam ruangan adalah 0.17% (1700 ppm). Yang paling penting adalah design setiap ruang huni untuk menjamin aliran udara 10 L/(s.cap), dengan oksigen 0.15 L(s.cap) akan cukup (0.5L/bernafas . 1/3 bernafas/s) yang terutama untuk menyapu bau, mikro
organism, dan pelepasan panas.
Sebuah metabolism seorang memperoses minimal 0.1x10−3𝑘𝑔/𝑠 udara dalam respirasi, yang mengkonsumsi minimal 5 × 10−6𝑘𝑔/𝑠 𝑂
2 dan menghasilkan minimal 7 × 10−6𝑘𝑔/𝑠 𝐶𝑂2 dan minimal 3 × 10−6𝑘𝑔/𝑠 𝐻2𝑂 . Transpirasi kulit kering dan kulit pada saat basah (berkeringat) memberikan kontribusi dalam jumlah yang lebih besar dari uap H₂O.
Dahulu, merokok tidak diperbolehkan ditempat umum dan pesawat komersil, pada saat itu, ECS (Environmental Control System)ditambahkan untuk menyingkairkan asap tembakau yang ada pada kabin jika ada awak atau penumpang yang merokok.
