BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Dasar Refrigerasi dan Pengkondisian Udara
Bidang refrigerasi dan pengkondisian udara saling berkaitan satu sama lain, tetapi
masing-masing mempunyai ruang lingkup yang berbeda. Penerapan teknik refrigerasi yang terbanyak refrigerasi industri, yang meliputi pemprosesan, pengawetan makanan, penyerapan kalor dari bahan-bahan kimia, perminyakan dan industri petrokimia. Selain dari itu terdapat penggunaan khusus seperti pada industri manufaktur dan konstruksi. Dalam hal yang sama, teknik pengkondisian udara tidak hanya berfungsi sebagai pendingin tetapi lebih daripada itu.
Definisi pengkodisian udara nyaman (comfort air conditioning) adalah proses perlakuan terhadap udara untuk mengatur suhu, kelembaban, kebersihan dan pendistribusiannya secara serentak guna mencapai kondisi nyaman yang dibutuhkan oleh penghuni yang berada di dalamnya. Pada dasarnya refrigerasi (refrigeration) dan pengkondisian udara (air conditioning) merupakan terapan dari teori perpindahan kalor dan termodinamika. Kebanyakan kendaraan yang dikondisikan udaranya adalah otomobil, jenis kendaraan lain yang juga dikondisikan misalnya bis, kereta api, truk, kendaraan rekreasi, traktor, kabin mesin penderek, pesawat terbang, kapal dan jenis kendaraan lainnya.
2.2 Pengkondisian Udara Pada Kendaraan
Pengkondisian udara atau air conditioning (AC) merupakan istilah umum untuk perlengkapan pemeliharaan udara di dalam ruangan agar temperatur dan kelembabannya sesuai dengan kenyamanan tubuh manusia. Bila temperaturnya tinggi, maka panas yang diambil agar temperatur turun disebut pendinginan. Sebaliknya, ketika temperatur ruangan rendah panas yang diberikan agar temperatur naik disebut pemanasan. Sebagai tambahan, kelembabannya ditambah atau dikurangi agar terasa nyaman. Perlengkapan yang diperlukan untuk suatu pengkondisian udara (air conditioning) terdiri atas cooler, heater, ventilator (pengatur aliran udara) dan saringan udara. Dengan demikian pengkondisian udara di dalam kabin bisa disesuaikan dengan kebutuhan pengendara apakah pendinginan atau pemanasan yang diperlukan.
Gambar 2.1 Tata letak komponen AC pada kendaraan
Sumber:
Sistem pengontrolan sirkulasi dan distribusi udara pada kendaraan difungsikan untuk mengatur sirkulasi dan pendistribusian aliran udara sesuai kebutuhan yang diharapkan. Sirkulasi udara pada AC mobil terbagi menjadi dua bagian, yaitu sirkulasi di dalam kabin (recirculation air) dan di luar kabin (fresh air). S irkulasi tersebut menggunakan blower atau kipas untuk mensirkulasikan udara, pengaturan pencampur udara (air mix control) melengkapi proses sirkulasi sehingga dapat menghasilkan udara yang lebih bersih. Pengontrolan distribusi aliran udara dalam kabin difungsikan untuk menentukan pendistribusian aliran udara sesuai kebutuhan pengguna. Terdapat beberapa pilihan mode distribusi aliran seperti ke arah wajah, kaki, arah wajah dan kaki, serta arah kaki dan defroster.
Gambar 2.2 Skema pengontrolan sirkulasi dan distribusi udara
Sumber: Nissan Motor Corp., Ltd. Nissan Model L11 Series Service Manual. Hal. HAC-11
2.3 Komponen Utama Sistem AC Pada Kendaraan
Sistem kerja AC pada kendaraan merupakan suatu siklus yang terus berproses tanpa berhenti selama dihidupkan. Prinsip kerjanya adalah dengan cara mensirkulasikan refrigeran atau freon pada komponen AC kendaraan yang merupakan sirkulasi tertutup. Komponen utamanya terdiri dari kompresor, kondensor, katup ekspansi (expansion valve) dan evaporator.
2.3.1 Kompresor
Kompresor merupakan jantung dari sistem refrigerasi dan air conditioner karena kompresor memompa bahan pendingin (refrigeran) ke seluruh sistem, sama seperti jantungnya manusia yang memompa darah ke seluruh tubuh manusia. Adapun fungsi dari kompresor adalah:
1. Mensirkulasikan bahan pendingin (refrigeran).
2. Mempertinggi tekanan agar bahan pendingin (refrigeran) dapat berkondensi pada kondisi ruangan.
3. Mempertahankan tekanan yang konstan pada evaporator (superheat vapour) dari evaporator dan kemudian menekan/memampatkan gas tersebut, sehingga menjadi gas dengan tekanan dan suhu tinggi lalu dialirkan ke kondensor, sehingga gas tersebut dapat mengembun yang memberikan panasnya pada medium yang mendinginkan kondensor dengan medium udara, air, fan (air cooled/water cooled).
4. Menciptakan perbedaan antara daerah sisi tekanan tinggi dan daerah sisi tekanan rendah.
Adapun empat jenis kompresor yang paling umum adalah kompresor torak (reciprocating compressor), sekrup (screw), sentrifugal dan sudu (vane). Kompresor torak terdiri atas sebuah piston yang bergerak ke depan dan ke belakang di dalam suatu silinder yang mempunyai katup-katup hisap (suction valve) dan katup buang (discharge valve) sehingga berlangsung proses pemompaan. Kompresor sekrup, sentrifugal dan sudu, semuanya menggunakan elemen-elemen yang berputar.
Gambar 2.3 Kompresor
Sumber: Dokumentasi pribadi
2.3.2 Kondensor
Kondensor berkemampuan mendinginkan refrigeran bertemperatur tinggi dan dalam bentuk gas yang datang dari kompresor menggunakan bantuan cooling fan mesin atau condenser fan untuk mengubah refrigeran menjadi cair. Panas yang dilepaskan kondensor didapat dari panas yang diserap dari ruangan penumpang oleh evaporator yang kerjanya dilakukan oleh kompresor dengan mengkompresikan refrigeran.
Untuk mencairkan uap refrigeran yang bertekanan dan bertemperatur tinggi (yang keluar dari kompresor), diperlukan usaha melepaskan panas dengan cara mendinginkan uap refrigeran tersebut. Jumlah panas yang dilepaskan oleh uap refrigeran pada udara pendingin atau air pendingin, di dalam kondensor, sama dengan selisih entalpi uap refrigeran pada seksi masuk dan pada seksi keluar kondensor.
Gambar 2.4 Kondensor
Sumber: Dokumentasi pribadi
2.3.3 Katup Ekspansi (Expansion Valve)
Katup ekspansi dipasang pada lubang masuk evaporator. Katup ekspansi mengubah refrigeran cair tekanan tinggi yang berasal dari receiver drier menjadi butiran halus sebelum mengirimnya ke evaporator. Beban panas dari sebuah air conditioning kendaraan bermotor sangat bervariasi tergantung pada temperatur udara luar, kelembaban, jumlah penumpang dan lain-lain. Agar seluruh peralatan yang jumlahnya banyak dapat bekerja dengan kapasitas penuh sebagai reaksi atas
disirkulasikan dalam siklus pendinginan untuk tujuan inilah katup ekspansi digunakan.
Jika beban panas bertambah, sedangkan jumlah refrigeran yang dialirkan tetap. refrigeran akan sepenuhnya menguap sebelum mencapai saluran keluar evaporator. Lebih banyak panas yang akan diserap kemudian, sehingga temperatur uap refrigeran akan menjadi lebih tinggi dari temperatur penguapannya. Situasi ini disebut superheating. Temperatur superheating dari 3°C sampai 5°C dianggap benar dari standpoint design. Keadaan ini tidak menjadi masalah selama derajat superheating rendah, tetapi bila menjadi tinggi, temperatur refrigeran pada lubang keluar kompresor menjadi sangat tinggi, menyebabkan overheating pada silinder kompresor.
Sebaliknya bila beban panas rendah, refrigeran tidak diuapkan dengan sempurna sebelum mencapai saluran keluar evaporator dan masih tetap cair saat dikirim ke kompresor, maka compressor valve dapat rusak saat cairan ini ditekan. Expansion valve menyediakan sejumlah refrigeran yang tepat ke evaporator, meskipun beban panas berubah, untuk menjaga derajat superheating pada tingkat yang konstan.
Gambar 2.5 Katup ekspansi (Expansion valve)
2.3.4 Evaporator
Evaporator adalah penukar kalor yang di dalamnya mengalir cairan refrigeran yang berfungsi sebagai penyerap panas dari daerah sekitar. Temperatur refrigeran di dalam evaporator selalu lebih rendah daripada temperatur sekelilingnya, sehingga dengan demikian panas dapat diserap oleh refrigeran. Refrigeran cair bertekanan tinggi yang masuk katup ekspansi kemudian dikabutkan sehingga tekanannya menurun, baru kemudian masuk ke evaporator. Pada evaporator refrigeran cair bertekanan rendah menguap dengan menyerap panas dari sekitar sehingga terbentuklah udara dingin di sekitar evaporator. Blower motor kemudian menghembuskan angin melewati kisi-kisi evaporator sehingga udara dingin bisa dirasakan di dalam kabin.
Gambar 2.6 Evaporator
2.4 Komponen Pendukung Sistem AC Pada Kendaraan
Komponen pendukung sistem AC pada kendaraan juga mempunyai peranan penting dalam praktiknya. Komponen-komponen tersebut meliputi receiver drier, compressor clutch, blower motor, thermo control amplifier, pipa-pipa dan selang, refrigeran dan minyak pelumas.
2.4.1 Receiver Drier
Salah satu komponen dari pengkondisian udara yang dapat menyerap uap air dan menyaring kotoran di dalam sistem pendingin disebut pengering (drier). Di dalam pengering diisikan bahan pengering dan kawat saringan, maka dapat menyerap dan menyaring uap air, asam, kotoran dan benda-benda lain yang tidak diperlukan dalam sistem. Tujuan pemakaian sistem pengering (drier) untuk menyerap semua kotoran seperti air, uap air, asam, campuran dan endapan-endapan hasil uraian minyak pelumas. Saringan (filter) pada pengering dipakai untuk menyaring butiran-butiran kotoran di dalam sistem.
Gambar 2.7 Receiver drier
2.4.2 Compressor Clutch
Compressor clutch terdiri dari stator, rotor dengan pulley dan pressure plate untuk mengikat drive pulley dan compressor secara magnetik. Stator diikat pada compressor housing, sedangkan pressure plate dipasangkan pada kompresor shaft. Apabila mesin hidup, maka pulley berputar karena gerakan oleh shaft melalui tali penggerak (drive belt), tetapi kompresor tidak berputar kecuali magnetic clutch dialiri arus listrik. Saat sistem AC pada posisi dihidupkan, amplifier mengalirkan arus listrik ke stator koil, sehingga gaya elektro magnetik pada stator akan menarik pressure plate dan menarik plate terhadap permukaan gesek pada pulley. Pergesekan antara permukaan dan plate menyebabkan clutch assembly berputar sebagai satu unit dan menggerakkan kompresor.
Gambar 2.8 Compressor clutch
Sumber: Nissan Motor Corp., Ltd. Nissan Model L11 Series Service Manual. Hal. HA-20
2.4.3 Blower motor
Blower motor adalah kipas motor bertipe elektro magnetik. Kipas motor membangkitkan aliran udara di dalam kabin kendaraan atau memasukkan udara luar yang segar ke dalam kabin kendaraan. Air conditioning manual menggunakan resistor untuk mengontrol kecepatan blower motor, biasanya dari kecepatan satu sampai empat. Sedangkan pada air conditioning otomatis menggunakan transistor kuat untuk mengontrol aliran udara secara linier dan kecepatannya bisa sampai tujuh.
Gambar 2.9 Blower motor Sumber: Dokumentasi pribadi
Blower motor berfungsi untuk menghembuskan udara ke evaporator sehingga udara dingin di sekitar evaporator tertiup ke kabin kendaraan. Blower motor diatur oleh AC control unit yang biasanya terletak pada bagian tengah dashboard. Di dalam AC unit assembly (dudukan blower motor) dilengkapi sebuah saringan debu (air conditioner filter) yang menyaring partikel-partikel halus sebelum angin yang dingin ditiupkan ke dalam kabin kendaraan, sehingga udara yang dihembuskan lebih bersih.
Gambar 2.10 AC control
Sumber: Dokumentasi pribadi
2.4.4 Thermo Control Amplifier
Thermo control amplifier diletakkan pada fin-fin outlet evaporator, hal ini dimaksudkan untuk membaca seberapa banyak suhu ruangan yang dibutuhkan sesuai pengaturan pada temperatur kontrol. Jika diletakkan pada bagian inlet evaporator maka yang terjadi adalah pembekuan pada dinding evaporator karena yang disensor bagian udara panas yang dihasilkan dari hembusan blower motor.
Gambar 2.11 Thermo control amplifier
2.4.5 Pipa-Pipa dan Selang
Pipa-pipa dalam sistem AC kendaraan digunakan untuk menghubungkan berbagai macam komponen-komponen AC dari dan ke sistem AC. Flexible hose digunakan pada tempat yang mana terjadi vibrasi dan digunakan pada kedua tipe tekanan rendah dan tinggi. Material flexible rubber hose terbuat dari bahan karet sintetis khusus agar tidak rusak oleh refrigeran dan oli kompresor. Sedangkan pipa-pipa tembaga atau aluminium yang digunakan ada dua tipe sambungan yaitu flare nut dan o-ring. Pipa-pipa tersedia dalam dua ukuran yaitu imperial dan metrik.
Gambar 2.12 Pipa-pipa dan selang
Sumber: Nissan Motor Corp., Ltd. Nissan Model L11 Series Service Manual. Hal. HA-33
2.4.6 Refrigeran
Refrigeran adalah bahan pendingin berupa fluida yang digunakan untuk menyerap panas melalui perubahan phasa cair ke gas (menguap) dan membuang panas melalui perubahan phasa gas ke cair (mengembun). Association Heating Refrigeration and Air Conditioning Engineer (ASHRAE, 2005) mendefinisikan refrigeran adalah zat yang mengalir dalam mesin pendingin. Refrigeran merupakan komponen terpenting siklus refrigerasi karena dialah yang menimbulkan efek pendinginan dan pemanasan pada mesin pendinginan. Zat ini berfungsi untuk menyerap panas dari benda atau media yang didinginkan dan membawanya, kemudian membuang panas tersebut ke udara luar atau ke atmosfir. Refrigeran yang baik harus memenuhi syarat sebagai berikut:
1. Tidak beracun, tidak berwarna, tidak berbau dalam semua keadaan.
2. Tidak dapat terbakar atau meledak sendiri, juga bila bercampur dengan udara, minyak pelumas dan sebagainya.
3. Tidak korosif terhadap logam yang banyak dipakai pada sistem refrigerasi dan air conditioning.
4. Dapat bercampur dengan minyak pelumas kompresor, tetapi tidak mempengaruhi atau merusak minyak pelumas tersebut.
5. Mempunyai struktur kimia yang stabil, tidak boleh terurai setiap kali di mampatkan, diembunkan dan diuapkan.
6. Mempunyai titik didih yang rendah. Harus lebih rendah daripada suhu evaporator yang direncanakan.
7. Mempunyai tekanan kondensasi yang rendah. Tekanan kondensasi yang tinggi memerlukan kompresor yang besar dan kuat, juga pipanya harus kuat
dan kemungkinan bocor besar.
8. Mempunyai tekanan penguapan yang sedikit lebih tinggi dari 1 atmosfir. Apabila terjadi kebocoran, udara luar tidak dapat masuk ke dalam sistem. 9. Mempunyai kalor laten uap yang besar, agar jumlah panas yang diambil
oleh evaporator dari ruangan jadi besar.
10. Apabila terjadi kebocoran mudah diketahui dengan alat-alat yang sederhana. 11. Harganya murah.
Andika (2006) mengelompokkan jenis-jenis refrigeran menjadi refrigeran sintetik dan refrigeran alami. Refrigeran sintetik tidak terdapat di alam dan dibuat oleh manusia dari unsur-unsur kimia. Jenis refrigeran sintetik yaitu:
1. Refrigeran CFC (Chloro-Fluoro-Carbon). Refrigeran ini terdiri dari unsur Chlor (Cl), Fluor (F) dan Carbon (C). Contoh dari refrigeran ini adalah R-11 (CFC-R-11), R-12 (CFC-12). Karena tidak mengandung hidrogen CFC adalah senyawa yang sangat stabil dan tidak mudah bereaksi dengan zat lain meskipun terlepas ke atmosfir. Karena mengandung chlor, CFC merusak ozon di atmosfer (stratosfer) jauh di atas muka bumi. Zat ini memiliki nilai potensi merusak ozon yang tinggi (ODP = 1). Lapisan ozon bermanfaat untuk melindungi mahluk hidup dari pancaran sinar ultraviolet intensitas tinggi. Oleh sebab itu kelestariannya perlu dijaga.
2 . Refrigeran HCFC (Hydro-Chloro-Fluoro-Carbon). Refrigeran ini terdiri dari unsur Hydrogen (H), Chlor (Cl), Fluor (F) dan Carbon (C). Karena mengandung hidrogen, refrigeran ini menjadi kurang stabil jika berada di atmosfer, sehingga sebagian besar akan terurai pada lapisan atmosfer
bawah dan hanya sedikit yang mencapai lapisan ozon. Oleh sebab itu HCFC memiliki ODP yang rendah. Contoh refrigeran ini adalah R-22 (HCFC-22).
3. Refrigeran HFC (Hydro-Fluoro-Carbon). Refrigeran ini tidak memiliki unsur chlor. Oleh sebab itu refrigeran ini tidak merusak lapisan ozon dan nilai ODP nya sama dengan nol. Contoh dari refrigeran ini adalah R-134a (HFC-R-134a), R-152a (HFC-152a), R-123 (HFC-123).
Refrigeran alami adalah refrigeran yang dapat ditemui di alam, namun demikian masih diperlukan pabrik untuk penambangan dan pemurniannya. Contoh refrigeran alami adalah Hidrocarbon (HC), Carbondioksida (CO2) dan Amonnia (NH3). Jenis refrigeran ini tidak mengandung chlor oleh sebab itu refrigeran ini tidak merusak lapisan ozon (ODP = 0).
Refrigeran dibuat oleh beberapa negara dari beberapa perusahaan dengan
memakai nama dagang mereka masing-masing. Beberapa diantaranya yang telah beredar di Indonesia adalah:
Tabel 2.1 Beberapa merk dagang refrigeran
Nama Pabrik Negara
Freon E.I.du Pont de Nemours & Company U.S.A
Genetron Allied Chemical Corporation U.S.A
Frigen Hoechst AG Jerman
Arcton Imperial Chemical Industries Ltd. Inggris
Asahi Fron Asahi Glass Co., Ltd. Jepang
Forane Pacific Chemical Industries Pty. Australia Daiflon Osaka Kinzoku Kogyo Co., Ltd. Jepang Ucon Union Carbide Chemical Corporation U.S.A Isotron Pennsylvania Salt Manufacturing Co. U.S.A
Jenis refrigeran yang umum digunakan pada kendaraan adalah jenis R-12 dan R-134a. Kendaraan saat ini banyak menggunakan R-134a karena memiliki banyak keunggulan dibandingkan R-12, karena refrigeran R-12 diketahui dapat merusak lapisan ozone, maka penggunaannya dihentikan. Penggantinya adalah R-134a (HFC-134a) yang mempunyai sifat termodinamika yang sama seperti R-12, bahkan lebih baik dan juga tidak berpotensi merusak lapisan ozone. Refrigeran biasanya disimpan dalam tabung dan drum. Untuk mengetahui isinya, tabung-tabung tersebut diberi berbagai warna serta keterangan pada tabung. Warna tabung fluida pendingin dari Du Pont adalah sebagai berikut:
Tabel 2.2 Warna tabung refrigeran merk Du Pont
Refrigeran Warna Tabung
Freon 11 Jingga (Orange)
Freon 12 Putih
Freon 22 Hijau
Freon 113 Ungu Tua (Purple)
Freon 114 Biru Tua
Freon 134a Biru Muda (Biru Langit)
Freon 500 Kuning
Freon 502 Ungu Muda (Orchid)
Pada tabel digambarkan masing masing jenis freon dibedakan dengan warna tabung, ditunjukkan untuk jenis freon 134a dengan warna tabung biru muda atau biru langit seperti terlihat pada gambar berikut.
Gambar 2.13 Jenis refrigeran R-134a
Sumber: Dokumentasi pribadi
2.4.7 Minyak Pelumas
Minyak pelumas dalam sistem pendingin merupakan bagian yang penting untuk melumasi dan melindungi bagian-bagian yang bergerak dari kompresor. Kompresor mesin pendingin harus terus-menerus mendapat pelumasan. Jika cara pelumasannya kurang sempurna, bagian-bagian yang bergerak dari kompresor akan cepat aus dan rusak. Kegunaan minyak pelumas dalam sistem pendingin adalah:
1. Mengurangi gesekan dari bagian-bagian yang bergerak. 2. Mengurangi terjadinya panas pada bus dan bantalan.
3. Membentuk lapisan penyekat antara torak dan dinding silender
4. Membantu mendinginkan kumparan motor listrik di dalam kompresor hermetik.
Di dalam kompresor minyak pelumas selalu berhubungan, bahkan bercampur dengan refrigeran dan mengalir bersama-sama ke semua bagian dari sistem. Minyak pelumas harus tetap stabil pada suhu dan tekanan yang tinggi dari kompresor, juga harus tetap dapat memberikan pelumasan dan melindungi bagian-bagian yang bergerak agar tidak aus dan rusak. Pada suhu rendah minyak pelumas harus tidak menimbulkan kotoran atau endapan yang dapat menyebabkan katup ekspansi menjadi buntu. Minyak pelumas yang ikut terbawa oleh refrigeran harus dapat dikembalikan ke kompresor dengan perencanaan dari sistem, terutama evaporator yang baik. Minyak pelumas dapat dibagi dalam tiga jenis yaitu yang berasal dari hewan, tumbuhan dan mineral.
Minyak pelumas yang berasal dari hewan dan tumbuhan adalah minyak pelumas yang tetap (fixed oil), karena tidak dapat dimurnikan tanpa diuraikan. Minyak tersebut tidak stabil, mudah membentuk asam dan endapan, sehingga tidak dapat dipakai untuk mesin pendingin. Minyak pelumas untuk mesin pendingin dibuat dari mineral yang baik dari golongan napthene.
Gambar 2.14 Minyak pelumas refrigerasi
Minyak mineral harus dibersihkan melalui proses penyulingan minyak, untuk diambil kandungan lilin, air, belerang dan lain-lain kotorannya. Umumnya minyak pelumas diberi bahan tambahan untuk menghindarkan terjadinya endapan atau busa. Minyak pelumas harus mempunyai pour point (suhu terendah dimana minyak masih dapat mengalir) yang rendah, agar pada suhu rendah lilinnya tidak memisah lalu membeku. Lilin yang membeku dapan membuat buntu alat kontrol refrigeran seperti katup ekspansi. Syarat-syarat minyak pelumas untuk mesin pendingin adalah:
1. Tidak mengandung air, lilin, asam dan lain-lain kotoran.
2. Mempunyai pour point yang rendah yaitu -32°C sampai dengan -40°C. Agar pemakaian pada sistem dengan suhu rendah, lilinnya tidak memisah dan membeku.
3. Mempunyai dielektrik (tidak menghantar listrik) yang kuat, minimum 25 kV.
4. Mempunyai struktur kimia yang stabil, tidak mudah bereaksi dengan refrigeran atau benda lain yang dipakai pada sistem pendingin.
5. Tidak berbusa, karena jika berbusa minyak pelumas dapat membawa refrigeran cair masuk ke kompresor, dapat merusak katup kompresor.
6. Mempunyai kekentalan (viscosity) pada 100°F (37,8°C) antara 150-300 SUV (Saybolt Universal Viscosity) dan untuk kompresor AC mobil 500 SUV.
2.5 Prinsip Kerja Mesin Pendingin Kompresi Uap
Mesin pendingin kompresi uap merupakan salah satu mesin pendingin yang penggunaannya sangat massif di sektor industri maupun di sektor rumah tangga, baik untuk keperluan pendinginan maupun untuk sistem pengkondisian udara. Proses-proses utama yang terjadi pada mesin pendingin kompresi uap terbagi menjadi beberapa tahapan yaitu kompresi, kondensasi, ekspansi dan evaporasi. Proses evaporasi refrigeran di dalam evaporator merupakan proses yang paling strategis yang merupakan tugas utama mesin pendingin. Bahkan performansi sebuah mesin pendingin kompresi uap bergantung pada kemampuan proses evaporasi menyerap energi panas sebanyak-banyaknya dari media hangat yang akan didinginkan.
Mesin pendingin mempunyai fungsi utama memindahkan energi dalam bentuk panas dari daerah bertemperatur rendah ke daerah bertemperatur lebih tinggi. Fluida kerja pendingin yang mengalir bersirkulasi di dalam mesin pendingin adalah fluida refrigeran. Aliran refrigeran yang bertemperatur cukup rendah (dingin) dalam siklus kerjanya mengalami proses penguapan atau evaporasi di dalam evaporator sambil menyerap energi panas dari suatu daerah tertentu yang didinginkan. Setelah itu, refrigeran yang telah mengangkut sejumlah tertentu energi panas yang diserapnya dari aliran udara hangat yang melewati elemen-elemen evaporator mengalir ke dalam mesin kompresor untuk kemudian dikompresikan sehingga tekanan dan juga temperaturnya meningkat. Setelah memiliki temperatur yang lebih tinggi daripada temperatur media (udara atau air) yang mengalir di sekeliling kondensor, refrigeran kemudian dialirkan ke dalam kondensor dan didinginkan pada temperatur tertentu sampai mengalami kondensasi sehingga refrigeran berubah dari tingkat keadaan uap menjadi cair. Proses
kondensasi dapat berlangsung berkat adanya aliran fluida pendingin (air atau udara) yang mengalir secara kontinyu mendinginkan permukaan elemen-elemen kondensor.
Gambar 2.15 Skema sederhana siklus kerja mesin pendingin kompresi uap
pada kendaraan
Sumber: Nissan Motor Corp., Ltd. Nissan Model L11 Series Service Manual. Hal. HA-14
Selanjutnya, agar refrigeran kembali ke tingkat keadaan tekanan dan temperatur yang rendah sebelum memasuki evaporator, aliran refrigeran dari kondensor terlebih dahulu diexpansikan di dalam katup ekspansi agar tekanan dan temperaturnya menurun mencapai tekanan dan temperatur tertentu yang diinginkan. Setelah itu refrigeran dialirkan kembali ke dalam evaporator untuk melakukan tugas utamanya yaitu menyerap energi panas dari aliran udara hangat yang bersirkulasi pada suatu daerah tertentu yang ingin didinginkan.
Aliran udara hangat dengan batuan blower motor dialirkan ke dalam evaporator melewati permukaan-permukaan luar elemen-elemen evaporator sehingga terjadi kontak secara tidak langsung antara kedua aliran tersebut. Pada saat itulah terjadi perpindahan energi panas dari aliran udara hangat ke aliran refrigeran yang lebih dingin di dalam pipa melalui perantaraan permukaan luar dinding-dinding pipa. Dalam kondisi tersebut, aliran udara hangat melepaskan sejumlah energi panas, sehingga saat meninggalkan evaporator temperaturnya turun ke tingkat yang diinginkan.
Untuk melakukan fungsinya secara kontinyu mesin pendingin memerlukan sumber energi untuk menggerakkan kompresor agar dapat mengkompresikan aliran refrigeran yang berasal dari evaporator agar mencapai tingkat keadaan tertentu sehingga kemudian mampu melepaskan energi panasnya pada saat mengalami proses kondensasi di kondensor. Kebutuhan energi di kompresor tersebut pada umumnya disuplai oleh mesin penggerak yang dapat berupa motor listrik, motor bakar, atau mesin penggerak lainnya. Dalam pengoperasiannya pada kendaraan konvensional yang menggunakan motor bakar, kompresor diputar dengan crankshaft pulley mesin melalui sabuk penggerak (drive belt), sehingga putaran dari mesin mempengaruhi putaran kompresor.
2.5.1 Proses Kompresi Aliran Refrigeran di Dalam Kompresor
Tugas utama kompresor pada sistem mesin pendingin kompresi uap adalah mengkompresikan aliran refrigeran yang berasal dari evaporator agar tekanannya meningkat beberapa kali lipat sehingga temperaturnya lebih tinggi daripada temperatur media yang ada di sekeliling kondensor agar mampu melepaskan energi panasnya pada saat mengalir di dalam kondensor.
Gambar 2.16 Skema sederhana kesetimbangan energi pada kompresor
Sumber: Chandrasa Soekardi. Termodinamika Dasar Mesin Konversi Energi. Hal. 222
Pada siklus mesin pendingin yang skemanya diberikan pada gambar 2.15, apabila kita tinjau bagian dari alat kompresornya saja secara individual dan kemudian kita telaah tentang kesetimbangan energi yang terlibat di dalamnya maka kita dapat menggambarkan interaksi masing-masing energi yang terlibat pada alat kompresor seperti diberikan pada gambar 2.16. Analisis kesetimbangan energi pada sistem kompresor bertujuan tidak hanya untuk memperkirakan besarnya energi (energi mekanik berupa kerja atau daya) yang dibutuhkan oleh kompresor tetapi juga mempelajari faktor-faktor apa saja yang berpengaruh terhadap kinerja dari sebuah mesin kompresor.
Pada sistem yang diberikan pada gambar 2.16, refrigeran yang berasal dari alat evaporator mengalir masuk ke kompresor, dan energi total yang diangkut oleh aliran refrigeran tersebut kita anggap besarnya adalah 𝐸1. Di dalam kompresor aliran refrigeran dikompresikan agar energinya meningkat dan temperaturnya lebih
pembuangan energi panasnya dapat berlangsung secara efektif. Untuk keperluan tersebut kompresor membutuhkan suplai sejumlah energi mekanik yang berupa kerja kompresor, dan besarnya kerja kompresor tersebut kita sebut sama dengan 𝑊𝑘. Kemudian, 𝐸2 adalah energi total aliran refrigeran saat meninggalkan kompresor.
Selama berlangsungnya proses kompresi ada kemungkinan terjadi kehilangan energi panas ke sekeliling kompresor, dan besarnya energi panas tersebut kita sebut sama dengan 𝑑𝑞. Pada saat yang bersamaan, selama proses kompresi berlangsung terjadi gesekan antara aliran refrigeran dengan sudu-sudu dan dinding kompresor, dan besarnya kerugian energi gesekan tersebut sama dengan 𝑑𝐸𝑓. Selanjutnya, apabila prinsip kesetimbangan energi (jumlah energi yang masuk ke dalam sistem harus sama dengan perubahan energi di dalam sistem ditambah dengan jumlah energi yang keluar dari sistem) diterapkan pada sistem tersebut, maka diperoleh persamaan berikut:
𝐸1+ 𝑊𝑘 = 𝑑𝐸
𝑑𝑡 + 𝐸2+ 𝑑𝑞 + 𝑑𝐸𝑓 (2.1)
Apabila refrigeran yang mengalir di dalam kompresor dianggap stasioner atau steady maka perubahan energi di dalam kompresor per satuan waktu dapat diabaikan, artinya (𝑑𝐸/ 𝑑𝑡) = 0, sehingga persamaan (2.1) di atas menjadi:
Apabila selanjutnya selama berlangsungnya proses kompresi kehilangan energi panas ke sekeliling dan kerugian energi karena gesekan diabaikan maka persamaan kesetimbangan energinya menjadi:
𝐸1+ 𝑊𝑘 = 𝐸2 (2.3)
Kemudian, apabila beda energi kinetik dan beda energi potensialnya dianggap kecil maka persamaan (2.3) di atas dapat ditulis kembali menjadi berbentuk:
𝑊𝑘𝑠= ℎ2𝑠− ℎ1 (2.4)
Dimana:
𝑊𝑘𝑠 : kerja teoritis yang diperlukan oleh kompresor, karena proses kompresinya dianggap ideal
ℎ1 : enthalpi refrigeran saat masuk kompresor
ℎ2𝑠: enthalpi isentropik refrigeran saat keluar kompresor
Dalam keadaan ideal atau teoritis, karena proses kompresi dari tingkat keadaan (1) ke tingkat keadaan (2s) dianggap isentropik (adiabatik dan reversible) maka besarnya entropi dianggap konstan, artinya besarnya entropi refrigeran masuk dan keluar kompresor adalah sama.
Dalam keadaan sebenarnya, proses kompresi di kompresor tidak benar-benar isentropik karena bisa jadi ada kehilangan energi panas ke sekeliling karena
perbedaan temperatur, dan terjadinya gesekan antar aliran refrigeran dengan sudu-sudu dan dinding kompresor tak dapat dihindari. Untuk memperhitungkan hal tersebut maka dalam perhitungan analisis termodinamika diberikan sebuah parameter yang disebut efisiensi isentropik kompresor, yang didefinisikan sebagai perbandingan antara kerja yang diperlukan kompresor secara isentropik (𝑊𝑘𝑠) dengan kerja yang diperlukan kompresor sebenarnya (𝑊𝑘):
𝑊𝑘 =𝑊𝑘𝑠
𝜂𝑝𝑠 (2.5)
Apabila diketahui harga dari laju aliran massa refrigeran yang mengalir di dalam sistem pendingin (𝑚𝑟𝑒𝑓𝑟), maka besarnya daya yang diperlukan kompresor (𝑊̇𝑘):
𝑊̇𝑘= 𝑊𝑘 . 𝑚𝑟𝑒𝑓𝑟 (2.6)
Untuk perhitungan laju aliran massa refrigeran yang mengalir di dalam sistem pendingin (𝑚𝑟𝑒𝑓𝑟), dapat dihitung menggunakan persamaan:
𝑚𝑟𝑒𝑓𝑟 = 𝑉
𝑣1 ( 2.7)
Dimana:
𝑉 : laju aliran volume refrigeran yang masuk dan keluar kompresor (m3/s) 𝑣1 : volume spesifik refrigeran saat masuk kompresor (m3/kg)
Untuk perhitungan laju aliran volume refrigeran yang masuk dan keluar kompresor dapat dihitung menggunakan persamaan:
𝑉 = 𝑉1. 𝑛 . 𝜂𝑣 (2.8)
Dimana:
𝑉1 : volume silinder kompresor (m3/rev) 𝑛 : putaran kompresor (rev/s)
𝜂𝑣: efisiensi volumetrik kompresor (%)
Besar enthalpi refrigeran sebenarnya keluar kompresor (ℎ2) dapat dihitung menggunakan persamaan:
𝑊𝑘= ℎ2− ℎ1 (2.9) Atau,
ℎ2 = 𝑊𝑘+ ℎ1 (2.10)
Besarnya kerja atau energi mekanik yang diperlukan kompresor bergantung kepada besarnya harga enthalpi refrigeran saat masuk dan keluar kompresor. Besarnya enthalpi tersebut bergantung kepada tingkat keadaan refrigeran saat masuk dan keluar kompresor, yaitu pada tekanan dan temperatur evaporasi dan kondensasi.
2.5.2 Proses Kondensasi Aliran Refrigeran di Dalam Kondensor
Setelah mengalami proses kompresi di kompresor, aliran refrigeran yang meninggalkan kompresor kemudian dikondensasikan di dalam kondensor agar energi panas yang diangkutnya yang berasal dari evaporator dapat dilepaskan ke sekeliling kondensor. Pada proses tersebut uap refrigeran mengalami proses proses pengembunan sehingga berubah menjadi tingkat keadaan cair jenuh. Pada saat yang bersamaan aliran fluida pendingin di kondensor menyerap energi panas yang dilepaskan oleh aliran refrigeran panas.
Aliran fluida pendingin yang bersirkulasi di dalam kondensor atau hembusan udara dari cooling fan menangkap sejumlah energi panas yang dilepaskan oleh aliran refrigeran panas selama proses kondensasi berlangsung untuk kemudian membuangnya ke lingkungan sekitarnya. Apabila kita tinjau kondensor secara individual dan kemudian kita telaah energi-energi yang terlibat di dalamnya maka kita dapat menggambarkan interaksi masing-masing energi tersebut pada alat kondensor seperti diberikan pada gambar berikut ini.
Gambar 2.17 Skema sederhana kesetimbangan energi pada kondensor
Sumber: Chandrasa Soekardi. Termodinamika Dasar Mesin Konversi Energi. Hal. 233
Pertama-tama, refrigeran yang berasal dari kompresor mengalir masuk ke dalam kondensor dengan mengangkut sejumlah energi, yang merupakan gabungan dari enthalpinya, energi kinetik, dan energi potensialnya, yaitu sebesar 𝐸2. Sebelum dialirkan ke dalam kondensor refrigeran harus memiliki temperatur yang lebih tinggi daripada temperatur media pendingin yang dialirkan ke dalam kondensor agar proses pembuangan energi panasnya dapat berlangsung secara efektif.
Proses pendinginan yang kontinyu oleh media pendingin aliran refrigeran dikondensasikan hingga mencapai kondisi cair jenuh saat keluar dari kondensor. Saat meninggalkan kondensor energi total yang dikandung aliran refrigeran kita anggap sama dengan 𝐸2. Sedangkan, besarnya energi panas yang dilepaskan oleh aliran refrigeran dan kemudian diserap oleh aliran fluida pendingin atau udara pendingin kita anggap sebesar (𝚀𝑘). Besarnya kehilangan energi panas ke sekeliling kondensor kita anggap sama dengan 𝑑𝑞, dan besarnya kerugian energi karena gesekan-gesekan yang terjadi di dalam kondensor kita anggap sama dengan 𝑑𝐸𝑓. Selanjutnya, apabila prinsip kesetimbangan energi kita terapkan pada system tersebut maka diperoleh persamaan berikut:
𝐸2 = 𝑑𝐸 𝑑𝑡 + 𝐸3+ 𝚀𝑘+ 𝑑𝑞 + 𝑑𝐸𝑓 (2.11) Dimana: dt dE
Apabila aliran uap air di dalam kondensor dianggap stasioner (steady) maka perubahan energi di dalam kondensor per-satuan waktu dapat diabaikan. Dalam keadaan tersebut, persamaan di atas menjadi:
𝐸2 = 𝐸3+ 𝚀𝑘+ 𝑑𝑞 + 𝑑𝐸𝑓 (2.12)
Atau,
𝚀𝑘= 𝐸2− 𝐸3− 𝑑𝑞 − 𝑑𝐸𝑓 (2.13)
Apabila selama proses kondensasi kondensor dianggap adiabatik maka 𝑑𝑞 = 0, dan apabila selama proses kondensasi kerugian energi karena gesekan dianggap kecil maka 𝑑𝐸𝑓 = 0. Dalam kondisi seperti itu, maka laju pelepasan energi panas dari aliran uap ke media pendingin di dalam kondensor (kJ/kg) dapat dievaluasi menggunakan persamaan:
𝚀𝑘= 𝐸2− 𝐸3 (2.14)
Asumsi ketiga adalah beda energi kinetik dan beda energi potensial antara aliran refrigeran masuk dan keluar kondensor dianggap kecil maka persamaan (2.9) menjadi:
Dimana:
ℎ2 : enthalpi uap air saat masuk ke dalam kondensor ℎ3 : enthalpi uap air saat keluar dari kondensor
Apabila diketahui harga dari laju aliran massa refrigeran yang mengalir di dalam sistem pendingin (𝑚𝑟𝑒𝑓𝑟), maka laju pelepasan energi panas dari refrigeran:
𝚀̇𝒌= 𝚀𝑘. 𝑚𝑟𝑒𝑓𝑟 (2.16)
Pada proses kondensasi ini, refrigeran saat keluar kondensor berada dalam keadaan cair jenuh sehingga besarnya enthalpi secara mudah dapat ditentukan dengan menggunakan data tabel atau diagram sifat-sifat refrigeran.
2.5.3 Proses Ekspansi Aliran Refrigeran di Dalam Katup
Refrigeran bertemperatur rendah yang masuk ke dalam alat evaporator sebelumnya mengalami proses ekspansi pada alat katup. Tugas utama alat tersebut adalah menurunkan tekanan refrigeran cair yang berasal dari kondensor agar selanjutnya refrigeran lebih mudah mengalami proses penguapan di evaporator.
Gambar 2.18 Skema sederhana kesetimbangan energi pada aliran refrigeran di
katup ekspansi
Sumber: Chandrasa Soekardi. Termodinamika Dasar Mesin Konversi Energi. Hal. 243
Gambar sistem proses ekspansi aliran refrigeran di dalam katup ekspansi diberikan pada gambar 2.18. Pada sistem tersebut, aliran refrigeran yang berasal dari kondensor masuk ke dalam katup ekspansi dengan mengangkut energi sebesar 𝐸3. Selanjutnya aliran refrigeran mengalami proses ekspansi tanpa membutuhkan energi eksternal dan tanpa menghasilkan energi apapun. Di dalam katup ekspansi, energi kinetik aliran refrigeran mengalami kenaikan yang signifikan sehingga tekanannya menurun. Kemudian refrigeran meinggalkan alat katup dengan
mengangkut energi sebesar 𝐸4. Dari gambar sistem tersebut maka penerapan prinsip kesetimbangan energi memberikan persamaan berikut:
𝐸3 = 𝑑𝐸
𝑑𝑡 + 𝐸4+ 𝑑𝐸𝑓+ 𝑑𝑞 (2.17)
Selanjutnya, apabila diasumsikan bahwa alirannya stasioner, sistem adiabatik, gesekan diabaikan, beda energi kinetik dan energi potensial dianggap kecil, maka besarnya enthalpi refrigeran masuk sama dengan enthalpi refrigeran yang keluar katup ekspansi:
ℎ3 = ℎ4 (2.18)
2.5.4 Proses Penguapan Aliran Refrigeran di Dalam Evaporator
Tugas utama siklus refrigerasi adalah mendinginkan suatu media di sekitarnya, yang dapat berupa media padat, cair atau gas. Sebagai pelaksana tugas untuk misi pendinginan tersebut tersebut adalah evaporator, di dalamnya mengalir fluida refrigeran bertemperatur rendah yang mampu menyerap sejumlah tertentu energi panas dari media bertemperatur lebih tinggi yang bersirkulasi di sekitar evaporator. Dengan kata lain, aliran refrigeran mengalami proses penguapan, sambil menyerap sejumlah energi panas dari lingkungan sekitarnya. Pada umumnya proses penguapan tersebut berlangsung pada temperatur dan tekanan tertentu yang konstan.
Gambar 2.19 Diagram proses siklus kerja mesin pendingin kompresi uap
Sumber: http://www.nt.ntnu.no/users/skoge/book-cep/diagrams/additional_ diagrams/R134a%col_common_refridgrant_without_CI.pdf, dengan plotting
Pada gambar 2.19, diperlihatkan diagram proses bagi aliran refrigeran R-134a yang mengalami proses-proses di dalam siklus kerja mesin pendingin. Proses yang pertama yaitu proses perubahan tingkat keadaan yang dialami aliran refrigeran pada saat melakukan proses pendinginan di dalam evaporator. Proses tersebut ditunjukkan oleh proses dari tingkat keadaan (4) ke tingkat keadaan (1), di mana evaporator menyerap sejumlah tertentu energi panas (Qevap). Karena menyerap sejumlah tertentu energi panas maka fluida refrigeran akan mengalami perubahan tingkat keadaan, di mana sebelum masuk ke dalam evaporator tingkat keadaannya adalah dalam keadaan fasa campuran cairan dan uap pada tingkat keadaan (4).
Setelah menyerap energi panas tingkat keadaannya berubah menjadi fasa uap jenuh, yaitu pada tingkat keadaan (1).
Energi panas yang diserap oleh aliran refrigeran di dalam evaporator (Qrefr) berasal dari energi panas yang dilepaskan oleh aliran udara hangat (Qud) yang dialirkan ke arah permukaan-permukaan pipa bersirip di dalam alat evapoprator. Karena melepaskan sejumlah energi panas maka temperatur aliran udara pada saat meninggalkan alat evaporator menjadi lebih dingin yang kemudian pada saat bersirkulasi di dalam ruangan tertentu akan menyerap energi panas dari dalam ruangan.
Gambar 2.20 Skema sederhana kesetimbangan energi di evaporator
Sumber: Chandrasa Soekardi. Termodinamika Dasar Mesin Konversi Energi. Hal. 240
Di dalam evaporator pertukaran energi panas dari aliran udara hangat ke aliran refrigeran yang lebih rendah temperaturnya berlangsung melalui perantaraan permukaan dinding-dinding pipa. Skema sederhana prinsip kesetimbangan energi antara aliran refrigeran yang mengalami proses penguapan dan aliran udara yang mengalami pendinginan di dalam alat evaporator diperlihatkan pada gambar 2.20. Pada sistem tersebut, aliran refrigeran saat memasuki evaporator dianggap
refrigeran menyerap energi panas sebesar Qrefr, maka saat meninggalkan evaporator energinya telah meningkat menjadi 𝐸1. Pada saat yang bersamaan, aliran udara hangat saat masuk ke evaporator kita anggap memiliki energi total sebesar 𝐸2, karena kemudian melepaskan energi panas sebesar Qud maka pada saat meninggalkan evaporator energinya telah menurun menjadi 𝐸3. Untuk mempelajari penerapan prinsip kesetimbangan energi bagi kedua aliran fluida yang bekerja di dalam evaporator dapat ditinjau pada sistem yang ada pada gambar 2.21 berikut ini.
Gambar 2.21 Skema kesetimbangan energi pada aliran refrigeran dan aliran udara
Sumber: Chandrasa Soekardi. Modul 2 Mesin Pendingin Kompresi Uap Ideal. Hal. 7
Pertama-tama kita tinjau apa yang terjadi pada sistem aliran refrigeran. Pada gambar tersebut aliran refrigeran memasuki evaporator dengan mengangkut sejumlah tertentu energi total sebesar 𝐸4. Kemudian, di dalam evaporator aliran refrigeran menyerap energi panas sebesar Qrefr. Selama proses mendinginkan aliran
udara, energi aliran refrigeran di dalam evaporator dapat berubah sejalan dengan fungsi waktu. Selama proses pendinginan berlangsung bisa juga terdapat sejumlah energi panas tertentu yang masuk (sebesar 𝑑𝑞) yang berasal dari sekeliling karena adanya perbedaan temperatur, di samping terdapatnya sejumlah energi yang hilang ke sekeliling karena akibat gesekan (sebesar 𝑑𝐸𝑓) di dalam evaporator.
Selanjutnya, saat meninggalkan evaporator aliran refrigeran mengangkut energi total sebesar 𝐸1. Dengan menerapkan prinsip kesetimbangan energi, di mana jumlah energi yang masuk ke dalam sistem harus sama dengan perubahan energi yang terjadi di dalam sistem ditambah dengan jumlah energi yang keluar dari sistem, maka bagi aliran refrigeran di dalam evaporator didapat persamaan berikut:
𝐸4+ 𝚀𝑟𝑒𝑓𝑟 + 𝑑𝑞 =𝑑𝐸
𝑑𝑡 + 𝐸1+ 𝑑𝐸𝑓 (2.19)
Selanjutnya, agar persamaan di atas dapat ditanggapi secara praktis maka perlu menerapkan beberapa asumsi atau anggapan. Pada analisis ini hanya akan ditinjau sistem setelah beroperasi mencapai keadaan yang stasioner atau steady state. Dalam hal ini refrigeran diasumsikan telah mengalir dalam keadaan stasioner sehingga dapat mengabaikan besaran (dE/dt). Sistem juga dianggap adiabatik, artinya 𝑑𝑞 dianggap kecil (𝑑𝑞 = 0) dibandingkan dengan besarnya energi 𝐸4 dan 𝐸1. Kerugian energi yang hilang karena gesekan juga dianggap kecil sehingga dapat diabaikan. Oleh karena itu dengan menerapkan beberapa asumsi di atas maka persamaan (2.1) berubah menjadi:
Atau,
𝚀𝑟𝑒𝑓𝑟 = 𝐸1− 𝐸4 (2.21)
Beda antara energi total aliran refrigeran saat keluar evaporator dengan energi total aliran refrigeran saat masuk evaporator (kJ/kg) merupakan gabungan dari beda enthalpinya ditambah dengan beda energi kinetiknya dan beda energi potensialnya seperti diberikan oleh persamaan berikut:
𝐸1 − 𝐸4 = (ℎ1– ℎ4) + 1 2⁄ (𝑣12 − 𝑣
42 ) + 𝑔 (𝑍1− 𝑍4) (2.22)
Apabila beda energi kinetik dan energi potensial kita anggap kecil, seperti yang memang banyak terjadi pada aliran refrigeran di dalam evaporator mesin pendingin, maka besarnya laju energi panas yang diserap oleh aliran refrigeran (kJ/s) dapat diperkirakan menggunakan persamaan:
𝚀̇𝑟𝑒𝑓𝑟 = 𝑚𝑟𝑒𝑓𝑟 . (ℎ1– ℎ4) (2.23)
Di sini 𝑚𝑟𝑒𝑓𝑟 adalah laju aliran massa refrigeran yang mengalir di dalam evaporator. Sekarang apabila ditinjau apa yang terjadi pada sistem aliran udara hangat yang mengalir ke dalam evaporator yang akan didinginkan oleh aliran refrigeran dingin. Dalam hal ini, aliran udara hangat harus melepaskan sejumlah tertentu energi panas yang kemudian diserap oleh aliran refrigeran. Dengan
menerapkan prinsip balans energi pada aliran udara seperti yang tertera pada gambar 2.3. maka kita akan memiliki persamaan berikut:
𝐸2+ 𝑑𝑞 = 𝑑𝐸
𝑑𝑡 + 𝚀𝑢𝑑 + 𝐸3+ 𝑑𝐸𝑓 (2.24)
Selanjutnya, apabila pada aliran udara diasumsikan bahwa alirannya stasioner, sistem adiabatik, gesekan diabaikan, beda energi kinetik dan energi potensial dianggap kecil maka laju pelepasan energi panas oleh aliran udara hangat (kJ/kg) dapat diperkirakan besarnya menggunakan persamaan berikut:
𝚀𝑢𝑑 = ℎ2− ℎ3 (2.25)
Apabila dalam keadaan tertentu udara dianggap sebagai gas ideal, maka besarnya energi panas yang dilepaskan oleh aliran udara (kJ/s) dapat diperkirakan menggunakan persamaan:
𝚀̇𝑢𝑑 = 𝑚𝑢𝑑. 𝐶𝑝(𝑇2− 𝑇3) (2.26)
Dalam kebanyakan keadaan kehilangan energi panas dari evaporator ke sekelilingnya dapat dianggap kecil sehingga besarnya laju energi panas yang diserap oleh aliran refrigeran sama dengan besarnya laju energi panas yang dilepaskan oleh aliran udara (𝚀̇𝑟𝑒𝑓𝑟= 𝚀̇𝑢𝑑).
2.5.5 Koefisien Prestasi (Coefficient of Performance)
Koefisien Prestasi (KP) atau Coefficient of Performance (COP) dipergunakan untuk menyatakan efisiensi dari siklus refrigerasi. Pada umumnya, efisiensi mesin kalor selalu lebih kecil dari satu. Dengan kata lain, energi yang dimasukkan ke dalam mesin tidak semuanya dapat diubah menjadi kerja berguna, namun selalu ada kerugian. Berbeda dengan mesin kalor, mesin refrigerasi bekerja sebagai pompa untuk memindahkan kalor. Oleh karena itu, jika kerja yang dilakukan (dalam satuan kalor) untuk menggerakkan kompresor dibandingkan dengan kapasitas refrigerasi, akan terlihat bahwa kapasitas refrigerasi lebih besar dari besaran yang pertama. Koefisien prestasi merupakan besarnya energi panas yang diserap oleh aliran refrigeran dibagi dengan besarnya daya yang diperlukan kompresor, maka COP dapat dihitung menggunakan persamaan
𝐶𝑂𝑃 =𝚀̇𝑟𝑒𝑓𝑟 𝑊̇𝑘
(2.27)
Semakin besar kapasitas refrigerasi yang diperoleh untuk kalor ekivalen kerja kompresi tertentu, semakin besar koefisien prestasinya. Semakin lebih besar koefisien prestasi daripada 1, semakin baik prestasinya.
2.6 MiniREFPROP
REFPROP (REFerence fluid PROPerties) merupakan program referensi properti untuk berbagai jenis fluida. Program ini dikembangkan oleh National Institute of Standards and Technology (NIST), perhitungan sifat termodinamika dan transportasi properti berbagai cairan industri yang penting maupun campurannya. Properti ini dapat ditampilkan dalam bentuk tabel serta plot dengan tampilan antarmuka berupa grafik.
Gambar 2.22 Tampilan program miniREFPROP
Sumber: Dokumentasi pribadi
REFPROP didasarkan pada data yang akurat untuk fluida murni maupun campuran pada model yang tersedia saat ini. Menerapkan tiga model untuk properti termodinamika dari fluida murni meliputi persamaan secara eksplisit dalam energi Helmholtz, persamaan Benediktus-Webb-Rubin yang dimodifikasi dan model ECS (Extended Corresponding States). Perhitungan campuran menggunakan model yang berlaku, pencampuran sesuai aturan untuk energi Helmholtz dari komponen campuran,
menggunakan fungsi permulaan untuk menjelaskan permulaan dari pencampuran yang ideal. Viskositas dan konduktivitas termal dimodelkan dengan korelasi cairan khusus, metode ECS atau dalam beberapa kasus metode teori gesekan.
Program miniREFPROP adalah versi sampel dari program REFPROP penuh dan dimaksudkan untuk digunakan sebagai alat pembelajaran dalam pengenalan termodinamika untuk pelajar. Program ini berisi sejumlah cairan murni (air, 𝐶𝑂2, R-134a, nitrogen, metana, propana, hidrogen, dan dodekan) dan juga memungkinkan perhitungan campuran nitrogen dengan metana untuk mempelajari VLE (Vapour Liquid Equilibrium).
