3 BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Pengertian Sistem Refrigrasi
Refrigerasi adalah proses pengambilan kalor atau panas dari suatu benda atau ruang untuk menurunkan temperaturnya. Kalor adalah salah satu bentuk dari energi, sehingga mengambil kalor suatu benda ekuivalen dengan mengambil sebagian energi dari molekul-molekulnya.Pada aplikasi tata udara (air conditioning), kalor yang diambil berasal dari udara.Untuk mengambil kalor dari udara, maka udara harus bersentuhan dengan suatu bahan atau material yang memiliki temperatur yang lebih rendah.
Untuk pengambilan kalor dari suatu ruangan yang dikondisikan agar temperaturnya selalu lebih rendah maka penyerapan kalor tersebut dilakukan dengan cara proses penguapan (proses evaporasi), kalor yang diserap kemudian dilepas kelingkungan dengan cara pengembunan (proses kondensasi). (Munandar, W. 2002)
2.2 Sistem Refrigrasi Kompresi Uap
Sistem kompresi uap merupakan dasar sistem refrigerasi yang terbanyak digunakan, dengan komponen utamanya adalah kompresor, evaporator, alat ekspansi ("Throttling Device"), dan kondensor. Keempat komponen tersebut melakukan proses yang saling berhubungan dan membentuk siklus refrigerasi kompresi uap. (Munandar, W. 2002)
Gambar 2.1 Skema Siklus Refrigrasi Kompresi Uap
Pada diagram P-h, siklus refrigerasi kompresi uap dapat digambarkan sebagai berikut :
4 Gambar 2.2 Skema diagram P-h
Proses Yang Terjadi Pada Siklus Refrigerasi Kompresi Uap 2.2.1 Proses kompresi (1-2)
Proses ini berlangsung di kompresor secara isentropik adiabatik. Kondisi awal refrigeran pada saat masuk di kompresor adalah uap jenuh bertekanan rendah, setelah dikompresi refrigeran mejadi uap bertekanan tinggi Oleh karena proses ini dianggap isentropik, maka temperatur ke luar kompresor pun meningkat. Besarnya kerja kompresi per satuan massa
2.2.2 Proses kondensasi (2 - 3)
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 refrigeran dengan udara, sehingga panas berpindah dari refrigeran ke udara pendingin dan akhirnya refrigeran mengembun menjadi cair.
5 2.2.3 Proses ekspansi (3 - 4)
Proses ini berlangsung secara isoentalpi, hal ini berarti tidak terjadi penambahan entalpi tetapi terjadi drop tekanan dan penurunan temperatur.
Proses penurunan tekanan terjadi pada katup ekspansi yang berbentuk pipa kapiler atau orifice yang berfungsi mengatur laju aliran refrigeran dan menurunkan tekanan.
2.2.4 Proses Evaporasi (4 - 1)
Proses ini berlangsung di evaporator secara isobar isotermal. Refrigeran dalam wujud cair bertekanan rendah menyerap kalor dari lingkungan / media yang didinginkan sehingga wujudnya berubah menjadi gas bertekanan rendah.Kondisi refrigeran 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.
Selanjutnya, refrigeran kembali masuk ke kompresor dan bersikulasi lagi, begitu seterusnya sampai kondisi yang diinginkan tercapai.
2.2 Komponen Utama Siklus Komprei Uap 2.3.1 Kompresor
Kompresor dikenal sebagai jantung dari suatu sistem refrigerasi, dan digunakan untuk menghisap dan menaikkan tekanan uap refrigeran yang berasal dari evaporator.Bagian pemipaan yang menghubungkan antara evaporator dengaan kompresor dikenal sebagai saluran hisap (suction line).Penambahan tekanan uap refrigeran dengan kompresor ini dimaksud agar refrigeran dapat mengembun pada temperatur yang relatif tinggi.Refrigeran yang keluar dari kompresor masih berfasa uap dengan tekanan tinggi.Perbandingan antara absolut tekanan buang (discharge pressure) dan tekanan isap (suction pressure) disebut dengan ratio kompresi (compression ratio).
Kompresor pada sistem refrigerasi dapat berupa kompresor torak (reciprocating compresor), rotary, scrol, screw, dan centrifugal. Kompresor yang paling umum dijumpai dan terdapat dalam berbagai tingkat kapasitas adalah kompresor torak.
Refrigeran yang masuk kedalam kompresor harus benar-benar berfasa uap.Adanya cairan yang masuk ke kompresor dapat merusak piston, silinder, piston ring dan batang torak.Karena itu, beberapa jenis mesin refrigerasi dilengkapi
6 dengan liquid receiver untuk memastikan refrigeran yang diisap oleh kompresor benar-benar telah berfasa uap. (Dossat, 2002)
Gambar 2.3 Kompresor 2.2.2 Kondensor
Kondensor berfungsi untuk mengembunkan atau mengkondensasikan refrigeran bertekanan tinggi dari kompresor.Pemipaan yang menghubungkan antara kompresor dengan kondensor dikenal dengan saluran buang (discharge line).Dengan demikian, pada kondenser terjadi perubahan fasa uap ke cair ini selalu disertai dengan pembuangan kalor ke lingkungan.Pada kondensor berpendingin udara (air cooled condenser), pembuangan kalor dilakukan ke udara.Pada kondensor berpendingin air (water cooled condenser), pembuangan kalor dilakukan ke air.
Kondensor dipasang setelah saluran keluar (discharge) kompresor. komponen Ini biasanya dibuat dari pipa tembaga atau pipa alumunium. Di sisi pipanya diberi sirip yang terbuat dari besi kecil atau plat alumunium tipis. Sirip-sirip tersebut berguna untuk memperluas permukaan perpindahan panas, sehingga panas yang dibuang lebih optimal. (Paringga, 2003)
Gambar 2.4 Kondensor
7 2.2.3 Pipa Kapiler
Katup ekspansi yang umum digunakan untuk sistem refrigerasi rumah tangga adalah pipa kapiler. Pipa kapiler adalah pipa tembaga dengan diameter lubang kecil dan panjang tertentu.
Besarnya tekanan pipa kapiler bergantung pada ukuran diameter lubang dan panjang pipa kapiler. Pipa kapiler diantara kondensor dan evaporator.
Refrigeran yang melalui pipa kapiler akan mulai menguap. Selanjutnya berlangsung proses penguapan yang sesungguhnya di evaporator. Jika refrigeran mengandung uap air, maka uap air akan membeku dan menyumbat pipa kapiler.
Agar kotoran tidak menyumbat pipa kapiler, maka pada saluran masuk pipa kapiler dipasang saringan yang disebut strainer.
Ukuran diameter dan panjang pipa kapiler dibuat sedemikian rupa, sehingga refrigeran cair harus menguap pada akhir evaporator. Jumlah refrigeran yang berada dalam sistem juga menentukan sejauh mana refrigeran di dalam evaporator berhenti menguap, sehingga pengisian refrigeran harus cukup agar dapat menguap sampai ujung evaporator. Bila pengisian kurang, maka akan terjadi pembekuan pada sebagian evaporator. Bila pengisian berlebih, maka ada kemungkinan refrigeran cair akan masuk ke kompresor yang akan mengakibatkan rusaknya kompresor. Jadi sistem pipa kapiler mensyaratkan suatu pengisian jumlah refrigeran yang tepat.
(Dossat, 2002)
Gambar 3.5 Pipa Kapiler
2.2.4 Evaporator
Evaporator adalah komponen yang digunakan untuk mengambil kalor dari suatu ruangan atau suatu benda yang bersentuhan dengannya. Pada evaporator terjadi pendidihan (boiling) atau penguapan (evaporation), atau perubahan fasarefrigran dari cair menjadi uap. Refrigeran pada umumnya memiliki titik didih yang rendah.
8 Sebagai contoh, refrigeran 22 (R22) memiliki titik didih -41° C. Dengan demikian, refrigeran mampu menyerap kalor pada temeperatur yang sangat rendah.
Evaporator dapat berupa koil telanjang tanpa sirip (bare pipe coil), koil bersirip (finned coil), pelat (plate evaporator) shell and coil, atau shell and tube evaporator.
Jenis evaporator yang digunakan pada suatu sistem refrigerasi tergantung pada jenis aplikasinya. (Paringga, 2003)
2.4 Proses Kompresi di Kompresor
Telah dijelaskan sebelumnya bahwa kompresor pada system refrigrasi kompresi uap berfungsi untuk memompa uap refrigerant dari tekanan rendah menjadi uap refrigerant bertekanan tinggi, uap refrigerant tersebut menjadi bertekanan tinggi sebagai akibat dari kerja yang diberikan kompresor kepada refrigran (W). Besarnnya kerja kompresi tersebut dapat dihitung berdasarkan data dari siklus refrigrasi kompresi uap tersebut pada diagram Tekanan-Entalpi (P-h).
maka kerja komprsei oleh kompresor dapat dihitung dengan menggunakan rumus berikut :
Wkomp = ṁ (h2-h1) Dimana,
Wkomp = kerja kompresor (W)
ṁ = massa refrigerant yang melewati kompresor (kg/s) h2 = entalpi refrigerant keluaran kompresor (kJ/kg) h1 = entalpi refrigerant masukan kompresor (kJ/kg)
Atau dengan kata lain kerja kompresor dihitung dari selisih antara entalpi refrigerant keluaran dan masukan kompresor dikalikan dengan massa refrigerant yang melewatinnya. Karena refrigerant yang melewatikompresor mengalir dengan kecepatan tertentu, maka akan sulit sekali untuk menghitung sejumlah massa refrigerant yang melewatinnya.maka dinnyatakan dalam satuan energy persatuan waktu (daya) dengan cara mengalikan selisih entalpi keluaran dan masukan dengan laju massa refrigerant yang mengalir, yaitu :
Pkomp = ṁ (h2-h1)
Pkomp = daya mekanik kompresor (kW)
ṁ = laju aliran massa refrigrant yang melewati kompresor (kg/s) h2 = entalpi refrigerant keluaran kompresor (kJ/kg)
h1 = entalpi refrigerant masukan kompresor (kJ/kg)
Rumus tersebut untuk menghitung nilai daya mekanik dari kompresor, yaitu kerja yang disebabkan oleh gerakan piston kompresor. Dalam istilah mesin, daya
9 ini sering disebut dengan output (Po). Sedangkan yang dinamakan day inputnya adalah merupakan supplay daya listrik yang menggerakan motor pada kompresor tersebut (Plistrik). Hubungan antara keduannya dinnyatakan dalam rumus efisiensi berikut ini :
η = (𝑃𝑙𝑖𝑠𝑡𝑟𝑖𝑘𝑃𝑘𝑜𝑚𝑝) ………...………(2,3) dimana :
η = effisiensi motor kompresor (kW)
Pkom = daya output / daya mekanik kompresor (kW) Plistrik = daya input kompresor / daya listrik (kW)
2.5 Laju Penyerapan Panas di Evaporator (Kapasitas Evaporator)
Refrigerant yang mengalir di evaporator sebagian besar berfasa cair dan bertemperatur lebih rendah dari temperature lingkungan.Selanjutnya refrigerant tersebut menyerap kalor darilingkungan sekitar yang mengakibatkan semua refrigerant cair pada evaporator tersebut menguap kembali menjadi fasa gas.
Besarnya aliran refrigrant persatuan massa dikalikan dengan efek refrigrasi dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut :
Qe= ṁ (h1-h4) …………..………...………(2.4) Dimana :
Qe = laju penyerapan panas di evaporator (kW)
ṁ = laju aliran massa refrigrant yang melewati kompresor (kg/s) h2 = entalpi refrigran keluaran kompresor (kJ/kg)
h4 = entalpi refrigran masukan kompresor (kJ/kg)
Selain kerja kompresor dan kapasitas penyerapan panas di evaporator, pada sistem refrigrasi kompresi uap juga dikenal istilah Coeffisien Of Performance (COP) Untuk aplikasi refrigerasi ukuran keefektifan kerja dari sistem adalah berdasarkan dari tujuan kerja sistem. Pada sistem refrigerasi keluaran yang diharapkan adalah jumlah panas yang harus dipindahkan ke luar lingkungan yang lebih panas sehingga dari perumusan hukum termodinamika II perbandingannya sering dinamakan dengan Coofisien Of Performance (COP)
COP adalah perbandingan antara efek refrigerasi dibagi kerja kompresi, dapat ditulis dengan rumus sebagai berikut :
COPaktual = 𝑃𝑘𝑜𝑚𝑄𝑒 ………(2.5)
10 Rumus tersebut merupakan COP Aktual atau yang sebenarnya terjadi. Terdapat juga COP carnot, dimana merupakan nilai COP ideal dengan menganggap bahwa kalor yang dilepas di kondensor adalah sama dengan kalor yang diambil di evaporator ditambah energi yang dikeluarkan dikompresor. Sehingga rumus COP carnot ini adalah :
COP carnot = 𝑇𝑒𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑠𝑖
𝑇𝑘𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑎𝑠𝑖−𝑇𝑒𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑠𝑖……….……….(2.6)
η =𝐶𝑂𝑃 𝑎𝑘𝑡𝑢𝑎𝑙𝐶𝑂𝑃 𝑐𝑎𝑟𝑛𝑜𝑡 x 100%
