5
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Tinjauan Pustaka
Dalam mengerjakan tugas akhir ini diperlukan dukungan hasil-hasil penelitian yang telah ada sebelumnya yang berkaitan dengan penelitian tugas akhir ini.
Bachtiar & Agung (2015), melakukan penelitian terhadap performansi sistem refrigerasi cascade menggunakan refrigeran MC22 dan R407F sebagai alternatif refrigeran ramah lingkungan dengan variasi laju pengeluaran kalor kondensor high stage. Penelitian tersebut menggunakan heat exchanger tipe plate dan menggunakan variasi kecepatan udara di fan yang melalui kondensor yaitu mulai dari kecepatan 1, 2, 3, 4, dan 5. Dari penelitian yang dilakukan, didapatkan nilai Coefficient of Performance (COP) sistem sebesar 1,70, temperatur evaporator low stage sebesar -42,48 oC, dan temperatur kabin terendah sebesar -35,22 oC.
Antonio Messineo (2012) Dalam penelitiannya menyajikan analisis termodinamika sistem pendinginan cascade menggunakan karbon dioksida sebagai refrigeran di sistem low stage dan ammonia di sistem high stage. Parameter operasi yang dipertimbangkan dalam makalah ini termasuk kondensasi, evaporator, superheat, dan temperatur subcooled di sirkuit high stage ammonia (R717) dan di sirkuit low stage karbon dioksida (R744). Selain itu, nilai untuk sistem pendinginan cascade R744-R717 dibandingkan dengan nilai yang diperoleh untuk sistem pendinginan dua tahap injeksi dua tahap menggunakan refrigeran sintesis R404a, campuran yang hamper azeotropik, yang khusus digunakan untuk pendinginan komersial. Hasilnya menunjukkan bahwa sistem pendinginan cascade karbon dioksida-amonia adalah alternatif yang menarik untuk sistem pendinginan dua tahap R404a untuk suhu penguapan rendah (-30oC s.d -50oC) dalam pendingin komersial untuk energi, keamanan dan alasan lingkungan.
6 Dari beberapa tinjauan pustaka diatas maka di sini penulis akan melakukan sebuah penelitian analisa performansi sistem refrigerasi cascade. Dalam tugas akhir menggunakan Water Cooled Heat Exchanger untuk tempat pertukaran kalor antara sisi high stage dan sisi low stage. Refrigeran yang digunakan adalah R134 untuk sisi high stage dan R404a pada sisi low stage.
2.2 Udang
Udang dikenal sebagai sumber makanan yang memiliki kandungan protein dan air sangat tinggi, oleh karenanya termasuk komoditi yang sangat mudah rusak/busuk (perishable food) atau mudah dicemari bakteri pembusuk. Kebutuhan udang oleh pasar dunia yang selalu mengharapkan dalam bentuk segar dan memenuhi standar mutu ekspor, tetap sukar dipenuhi. Untuk menjaga kualitas udang yang akan diekspor, tentunya diperlukan proses pembekuan udang yang dalam hal ini merupakan salah satu aplikasi dari teknik refrigerasi.
2.3 Sistem Refrigerasi
Proses pendinginan atau refrigrasi pada hakekatnya merupakan proses pemindahan energi panas yang terkandung di dalam ruangan tersebut. Sesuai dengan hokum kekalan energi maka kita tidak dapat menghilangkan energi tetapi hanya dapat memindahkannya dari satu substansi ke substansi lainnya. Untuk keperluan pemindahan energi panas ruangan, dibutuhkan suatu fluida penukar kalor yang disebut refrigeran. (Widodo, 2008).
2.4 Sistem Refrigerasi Kompresi Uap
Sistem refrigerasi kompresi uap merupakan suatu sistem refrigerasi yang menggunakan fluida penukar kalor (refrigeran) dan akan bersirkulasi secara terus menerus. Dalam proses ini refrigeran akan mengalami perubahan fasa, yaitu dari wujud gas ke liquid dan wujud liquid ke gas.
7 Gambar 2.1 Siklus sistem refrigerasi kompresi uap
Proses yang terjadi pada sistem refrigerasi kompresi uap ada 4, yaitu kompresi, kondensasi, ekspansi, dan evaporasi. Diagram tekanan-entalpi (P-h) pada gambar dibawah ini dapat memberikan gambaran jelas proses pada sistem refrigerasi kompresi uap.
Gambar 2.2 Diagram P-h pada sistem refrigerasi kompresi uap
2.3.1 Proses Kompresi
Proses ini berlangsung di kompresor secara isentropic adiabatik. Kondisi awal refrigeran pada saat masuk kompresor adalah uap jenuh bertekanan rendah, setelah dikompresi refrigeran menjadi uap bertekanan tinggi. Oleh karena proses ini dianggap isentropic, mak temperature keluar kompresor pun meningkat.
Besarnya kerja kompresi per satuan massa refrigerant bisa dihitung dengan rumus di bawah ini (Hermawan W , 2008) :
Kerja per satuan massa kompresi yang dilakukan kompresor :
8 qw = h2 –h1 ... (2.1)
Kapasitas kompresi Qw adalah :
Qw = 𝒎̇ . qw ... (2.2)
Dimana :
Qw = kapasitas kompresi (kW)
𝑚̇ = laju aliran massa refrigerant (kg/s)
qw = besarnya kerja kompresi yang dilakukan (kj/kg) h1 = entalpi refrigerant saat masuk kompresor (kj/kg) h2 = entalpi refrigerant saat keluar kompresor (kj/kg)
2.3.2 Proses Kondensasi
Proses ini berlangsung di kondensor. Refrigeran yang bertekanan dan bertemperatur tinggi keluaran dari kompresor membuang kalor sehingga fasanya berubah menjadi cair. Hal ini berarti bahwa di kondensor terjadi penukaran kalor antara refrigerant dengan udara, sehingga panas berpindah dari refrigerant ke udara pendingin dan akhirnya refrigerant mengembun jadi cair. Besar panas persatuan masa refrigerant yang di kondensor dinyatakan sebagai berikut (Hermawan W, 2008) :
Efek kondensai pada kondensor adalah :
qc = h2 – h3 ... (2.3) Kapasitas kondensasi Qc adalah :
Qc = 𝒎̇ . qc ... (2.4) Dimana :
Qc = kapasitas kondensasi (kW)
𝑚̇ = laju aliran massa refrigerant (kg/s)
qc = besarnya panas dilepas di kondensor (kj/kg) h2 = entalpi refrigerant saat masuk kondensor (kj/kg) h3 = entalpi refrigerant saat keluar kondensor (kj/kg)
9 2.3.3 Proses Ekspansi
Proses ini berlangsung secara isoentalpi, hal ini berarti tidak terjadi penambahan entalpi tetapi drop tekanan dan penurunan temperatur. Proses penurunan tekanan terjadi pada katup ekspansi yang berbentuk pipa kapiler yang berfungsi mengatur aliran refrigerant dan menurunkan tekanan. (Hermawan W, 2008)
h3 = h4 ... (2.5) 2.3.4 Proses Evaporasi
Proses ini berlangsung di evaporator secara isobar isotermal. Refrigeran dalam wujud cair bertekenan rendah menyerap kalor dari lingkungan atau media yang didingankan sehingga wujudnya berubah menjadi gas bertekanan rendah.
Kondisi refrigerant saat masuk evaporator sebenarnya adalah campuran cair dan gas, hal ini terlihat dari gambar, yang mana posisi titik 4 berada di dalam kubah garis jenuh. Besarnya kalor yang diserap oleh evaporator adalah seperti dibawah berikut ini (Hermawan W, 2008) :
Efek Refrigrasi pada evaporator :
qe = h1 – h4 ... (2.6) Kapasitas evaporasi Qe adalah :
Qe = 𝒎̇ . qe ... (2.7) Dimana :
Qe = kapasitas evaporasi (kW)
𝑚̇ = laju aliran massa refrigerant (kg/s)
qe = besar kalor yang diserap di evaporator (kj/kg) h1 = entalpi saat keluar evaporator (kj/kg)
h4 = entalpi saat masuk evaporator (kj/kg)
Selanjutnya refrigerant kembali masuk ke kompresor dan bersirkulasi lagi seterusnya sampai kondisi yang diinginkan tercapai.
10 2.4 Koefisien kinerja sistem atau Coefficient of Performance (COP)
Selain kerja kompresor dan kapasitas penyerapan panas di evaporator, pada sistem refrigrasi kompresi uap juga dikenal istilah coefficient of performance (COP) yang mana nilai COP tersebut merupakan suatu nilai perbandingan antara kapasitas penyerapan panas yang terjadi di evaporator. Dengan sejumlah kerja kompresi yang dilakukan di kompresor. Atau dengan kata lain :
(Hermawan W, 2008)
COP ini digunakan untuk mengetahui kualitas kerja dari suatu mesin refrigerasi.
Efek refrigerasi 𝑞𝑒 = ℎ1− ℎ4 (kJ/kg) ... (2.8) Kerja spesifik 𝑤 = ℎ2− ℎ1 (kJ/kg) ... (2.9) Efek kondensasi 𝑞𝑐 = ℎ2− ℎ3 (kJ/kg) ... (2.10)
Prestasi aktual mesin refrigerasi dapat diketahui dengan menggunakan persamaan sebagai berikut :
𝑪𝑶𝑷𝒂𝒌𝒕𝒖𝒂𝒍 = 𝒒𝒆
𝒘 = 𝒉𝟏−𝒉𝟒
𝒉𝟐−𝒉𝟑 ………... (2.11) dengan,
𝐶𝑂𝑃𝑎𝑘𝑡𝑢𝑎𝑙 = Coefficient of Performance aktual 𝑞𝑒 = Efek refrigerasi (kJ/kg)
w = Kerja kompresi (kJ/kg)
dan kualitas idealnya dapat dihitung dengan menggunakan persamaan COPcarnot, sebagai berikut :
𝐶𝑂𝑃𝑐𝑎𝑟𝑛𝑜𝑡 = 𝑇𝑒
𝑇𝑘−𝑇𝑒 ………. (2.12) dengan,
𝐶𝑂𝑃𝑐𝑎𝑟𝑛𝑜𝑡 = Coefficient of Performance carnot 𝑇𝑘 = Temperatur evaporasi (K)
𝑇𝑒 = Temperatur kondensasi (K)
11 Sedangkan untuk menghitung efisiensi mesin refrigerasi dapat diperoleh dengan membandingkan nilai 𝐶𝑂𝑃𝑎𝑘𝑡𝑢𝑎𝑙 dengan 𝐶𝑂𝑃𝑐𝑎𝑟𝑛𝑜𝑡,
𝜼𝑹 = 𝑪𝑶𝑷𝒂𝒌𝒕𝒖𝒂𝒍
𝑪𝑶𝑷𝒄𝒂𝒓𝒏𝒐𝒕 x 100% ……… (2.13)
dengan,
𝜂𝑅 = Effisiensi refrigerasi
𝐶𝑂𝑃𝑎𝑘𝑡𝑢𝑎𝑙 = Coefficient of Performance aktual 𝐶𝑂𝑃𝑐𝑎𝑟𝑛𝑜𝑡 = Coefficient of Performance carnot
2.5 Komponen Utama pada Sistem Refrigerasi Kompresi Uap 2.5.1 Kompresor
Kompresor berperan sebagai alat untuk menekan refrigeran supaya dapat bersirkulasi. Kompresor juga menekan refrigeran sehingga tekanan refrigeran menjadi naik dan suhunya pun ikut naik. Kompresor terdiri dari berbagai jenis dan konstruksinya, terdapat 5 jenis kompresor yaitu kompresor torak (reciprocating), kompresor screw, kompresor scroll, kompresor rotary dan kompresor sentrifugal.
Berdasarkan konstruksi letak motornya, terdapat 3 jenis yaitu kompresor hermetik, semi hermetik, dan open type.
2.5.2 Kondensor
Kondensor adalah salah satu komponen pada sistem refrigerasi kompresi uap yang berfungsi melepaskan kalor ke lingkungan. Pada saat pelepasan kalor refrigeran berubah fasa menjadi cair jenuh. Tekanannya pun sedikit turun dari pada saat masuk kondensor sehingga temperaturnya pun sedikit turun. Biasanya kondensor memiliki unsur konstruksi yaitu sirip dan fan sebagai pendukung dalam proses pembuangan kalor.
12 2.5.3 Alat Ekspansi
Alat ekspansi berguna sebagai alat untuk menurunkan tekanan refrigeran yang masuk dari kondensor dalam fasa cair jenuh. Pada proses penurunan tekanan ini refrigerant berubah fasa menjadi campuran dengan mayoritas wujudnya cair.
Ada dua buah jenis alat ekspansi secara umum yaitu ada pipa kapiler dan ada Thermostatic expansion valve (TXV).
2.5.4 Evaporator
Evaporator merupakan media penukar kalor refrigeran sama seperti kondensor. Perbedaannya yaitu penukaran kalor yang terjadi antara refrigeran dengan objek yang akan didinginkan. Evaporator menyerap kalor dari kabin atau media yang didinginkan, sehingga refrigeran yang berada pada evaporator berubah fasa dari cair tekanan rendah menjadi uap tekanan rendah.
2.5.5 Refrigeran
Refrigeran adalah zat untuk melakukan pendinginan dengan cara menyerap kalor dari satu zat. Pada sistem ini refrigeran yang digunakan pun dapat sama dan juga berbeda tergantung pemilihan dari pembuatan alat. Pemilihan alat ini berdasarkan beberapa factor yaitu safety properties, toxicity, flammability, explosiveness dan faktor ekonomi.
2.6 Sistem Refrigerasi Cascade
Sistem refrigerasi cascade adalah sistem refrigerasi temperatur rendah (low temperature) yang menggunakan temperature antara -30oC s.d -130oC. Pada temperatur rendah seperti sistem refrigerasi kompresi uap sederhana tidak efisien karena rasio kompresi yang sangat tinggi yang lebih lanjut menyebabkan masalah discharge yang tinggi dan efisiensi volumentrik rendah. Sedangkan, sistem
13 refrigerasi cascade. Sistem refrigerasi cascade tidak lain hanyalah kombinasi dari dua siklus refrigerasi kompresi uap (R. Hanuma Naik, 2015)
Prinsip kerja dari sistem refrigerasi cascade yaitu untuk menyingkat refrigeran yang mampu mencapai temperatur ultra-rendah yang tidak sama dengan temperatur sistem refrigerasi pada umumnya. Hal ini dicapai dengan menggunakan evaporator temperatur rendah dari satu sistem sebagai kondensor yang lain, kondensasi dan sub-pendinginan cairan sebelum memasuki alat ekspansi (R.
Hanuma Naik, 2015)
2.6.1 Sistem Refrigerasi Cascade Two-Stage
Sistem refrigerasi cascade two system menggunakan dua kompresor dan menggunakan refrigeran yang berbeda yang saling terhubung oleh suatu Heat Exchanger (yaitu evaporator dengan sistem temperatur tinggi mendinginkan kondensor sistem kedua). (R. Hanuma Naik, 2015)
Untuk gambar dari sistem refrigerasi cascade two-stage bisa dilihat pada gambar 2.3 :
Gambar 2.3 Sistem Refrigerasi Cascade
14 Gambar 2.4 Diagram P-h Sistem Refrigerasi Cascade
Pada diagram P-h tersebut dapat dilihat terjadi proses pertukaran kalor pada sisi tekanan tinggi dengan sisi tekanan rendah pada intercooler. Sehingga hubungan perpindahan kalor pada intercooler dapat dirumuskan sebagai berikut :
ṁA (h1 – h4) = ṁB (h6 – h7) ………. (2.14)
ṁ𝐴
ṁ𝐵 =ℎ6−ℎ7
ℎ1−ℎ4 ……….(2.15)
Dimana :
ṁA = Laju aliran massa refrigeran pada sisi high stage (kg/s) ṁB = Laju aliran massa refrigeran pada sisi low stage (kg/s) h = Entalphi (kJ/kg)
Sehingga :
COPactual cascade = 𝑄𝑒
𝑄𝑤𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = ṁB (ℎ5−ℎ8)
ṁA (ℎ2−ℎ1) +ṁB (ℎ5−ℎ6)……….(2.16) Dimana :
Qe = Beban Evaporator pada sistem refrigerasi cascade low stage (Watt) Qw = Beban Kompresor total pada sistem refrigerasi cascade (Watt) Untuk Menghitung COP carnot pada sistem refrigerasi cascade yaitu :
COPcarnot = 𝑇 𝑒𝑣𝑎𝑝
𝑇 𝑘𝑜𝑛𝑑−𝑇 𝑒𝑣𝑎𝑝 ... (2.17)
15 2.7 Energi Listrik
Energi listrik diperlukan untuk mengetahui daya yang dibutuhkan untuk menjalankan sistem refrigerasi cascade dalam suatu periode. Energi listrik dinyatakan dalam satuan kWh, yaitu daya yang digunakan dalam satuan Watt terhadap satuan waktu (jam)
P = V x I x Cosθ ………..………(2.18) Dimana :
P = Daya listrik pada sistem refrigerasi cascade (watt) V = Tegangan (volt)
I = Arus (ampere) Cosθ = Faktor daya (0,97)
Perhitungan konsumsi daya listrik per jam pada sistem refrigerasi yaitu : E = P x t ... (2.19)
Dimana :
E = Energi yang digunakan (kW/h) P = Daya listrik (Watt atau kW) t = waktu sistem berjalan (hour)
