BAB 3 - Siklus Refrigerasi Kompresi Uap

(1)

1 1

BAB III

Siklus Refrigerasi Kompresi

Uap

M

Ma

as

siih

h IIn

ng

ga

att ?

??

?

Huk

Hukum

um Ter

Termod

modina

inamik

mika

a



Hu

Huku

kum

m 0 Ter

0 Termo

modi

dina

nami

mika

ka : pan

: panas

as me

meng

ngal

alir

ir

da

dari

ri te

temp

mper

erat

atur

ur ti

ting

nggi

gi ke

ke te

temp

mper

erat

atur

ur

rendah



Hu

Huku

kum

m I Te

I Term

rmod

odin

inam

amik

ika

a : En

: Ener

ergi

gi ti

tida

dak

k

da

(2)

3 3

Hk. 0 Termodinamika

Laju

Laju PerpiPerpindahandahann Pana

Panass bergabergantungntung pad

padaa bedbedaa temtemperperatuatur r

Ene

Energirgi dildilepaepaskanskan dardarii resreservoervoir ir panpanasas sebsebesaesar r Q1,

Q1, padpadaa saasaatt yanyang sag samama kerkerjaja dildilakuakukankan se

sebebesasarr W, W, sisisasa papananass didibubuanangg keke reresesevoivoir r din

dingingin sebsebesaesarr Q2.Q2. Mak

Makaa diddidapaapatt efiefisiesiensinsi Mesin Carnot Mesin Carnot ((

η

) ) ::

Reservoir Panas Reservoir Panas T T11 Reservoir Dingin Reservoir Dingin T T22 W W Q Q11 Q Q22

M

Me

es

siin

n K

Ka

allo

orr S

Siik

kllu

us

s C

Ca

arrn

no

ott

W

Q

₁

−−

₂

==

diberikan

yang

Kalor

dilakukan

yang

Kerja

==

η

1 1 2 2 1 1 2 2 1 1 1 1

1

1 Q

Q

W

−−

==

−−

==

η

(3)

3 3

Hk. 0 Termodinamika

Laju

Laju PerpiPerpindahandahann Pana

Panass bergabergantungntung pad

padaa bedbedaa temtemperperatuatur r

Ene

Energirgi dildilepaepaskanskan dardarii resreservoervoir ir panpanasas sebsebesaesar r Q1,

Q1, padpadaa saasaatt yanyang sag samama kerkerjaja dildilakuakukankan se

sebebesasarr W, W, sisisasa papananass didibubuanangg keke reresesevoivoir r din

dingingin sebsebesaesarr Q2.Q2. Mak

Makaa diddidapaapatt efiefisiesiensinsi Mesin Carnot Mesin Carnot ((

η

) ) ::

Reservoir Panas Reservoir Panas T T11 Reservoir Dingin Reservoir Dingin T T22 W W Q Q11 Q Q22

M

Me

es

siin

n K

Ka

allo

orr S

Siik

kllu

us

s C

Ca

arrn

no

ott

W

Q

₁

−−

₂

==

diberikan

yang

Kalor

dilakukan

yang

Kerja

==

η

1 1 2 2 1 1 2 2 1 1 1 1

1

1 Q

Q

W

−−

==

−−

==

η

(4)

5 5

Perny

Pernyataan

ataan Kelvi

Kelvin-Pla

n-Plank

nk tenta

tentang

ng hukum

hukum term

termodinam

odinamika

ika II

II ::

Tida

Tidaklah

klah mun

mungki

gkin

n mem

membua

buatt sua

suatu

tu mes

mesin

in yan

yang

g bek

bekerj

erja

a

dala

dalam

m sua

suatu

tu sikl

siklus

us den

dengan

gan hany

hanya

a res

reserv

ervoir

oir tun

tungga

ggall

M

Me

es

siin

n K

Ka

allo

orr S

Siik

kllu

us

s C

Ca

arrn

no

ott ?

?

Per

Pernya

nyataa

taan

n Kel

Kelvin

vin-Pl

-Plank

ank

Reservoir Panas

T

11

W

Q

11

K

Ke

eb

ba

alliik

ka

an

n M

Me

es

siin

n K

Ka

allo

orr C

Ca

arrn

no

ott =

=

Me

Mesi

sin

n Re

Refr

frig

iger

eras

asii Ca

Carn

rnot

ot

Lingkungan Lingkungan Benda Dingin Benda Dingin T Too W W Q Qk k Q Qoo T Tk k R R Ene

Energirgi disdiseraerapp dardarii benbendada dindingingin (te(tempemperatratur ur To)

To) sebessebesarar Qo, Qo, dengadengann menggmenggunakaunakann mesinmesin ref

refrigrigeraerasisi CarCarnotnot, , untuntukuk ituitu dibdibutuutuhkahkann kerkerjaja seb

sebesaesarr W, W, kemkemudiudianan kalkaloror dildilepaepaskaskann keke ling

lingkungankungan “panas“panas”” (temp(temperatueraturr Tk) Tk) sebessebesar ar Qk.

Qk. Ukura

Ukurann kinerjkinerjaa Mesin Refrigerasi Carnot Mesin Refrigerasi Carnot dinya

dinyatakantakan sebagsebagaiai COP COP (Coef(Coefficieficient nt ofof Perf

Performanormance), yang didefce), yang didefinisikinisikanan sebagsebagaiai ::

W

Q

COP

==

oo

dilakukan

yang

Kerja

tkan

termanfaa

yang

Energi

(5)

7

Kinerja Siklus Refrigerasi Carnot

Tidak ada siklus yang mempunyai COP lebih besar dari COP siklus

Refrigerasi Carnot pada Temperatur kerja yang sama. (Tk, To),

sehingga untuk proses dengan temperatur konstan diperoleh :

dQ = Tds

Karena

Maka :

Buktikan !!!!

W

Q

COP

=

o Tk To 3 2 4 1 Qo W s 5 6 o k o

T

COP

−

=

Proses 1-2 : Kompresi isentropik, s1=s2

Proses 2-3 : Pembuangan kalor pada isotermal, T2 = T3 Proses 3-4 : Ekspansi isentropik, s3=s4

Proses 4-1 : Penyerapan kalor secara isotermal, T4 = T1

Perbedaan Mesin, Pompa Kalor

dan Mesin Refrigerasi

Ruang yang dipanaskan Ruang yang didinginkan Sumber kalor Lingkungan, Ta _T o<Ta To<Tr WR WH Tk >Th T2>Ta WE T1 Tk >Ta R H E

(6)

9

Prestasi/Kinerja Mesin Pendingin

dan Pompa Kalor

kerja

sebagai

digunakan

yang

energi

tkan

termanfaa

Energi

COP

=

Definisi Coefficient Of Performance (COP) :

o k o o R

Q

W

Q

COP

−

=

Maka prestasi/kinerja mesin Pendingin (COP)

o k k k H

Q

W

Q

PF

COP

−

=

Maka prestasi/kinerja mesin Pompa Kalor (Performance Factor, PF)

(7)

11

Masih ingat ??

Fenomena alam yang menarik

Temperatur saturasi

fluida (titik didih) akan

turun bila tekanan

yang dialaminya turun.

(Demikian juga

sebaliknya)

Siklus Refrigerasi Kompresi Uap

Sederhana

1

2

Evaporator

Q_e

Refrigeran Cair Refrigeran Uap P/T

Te

(8)

13

Siklus Refrigerasi Kompresi Uap

Sederhana

1

2

Evaporator

Qe

Refrigeran Cair Refrigeran Uap P/T Te Te < T kabin 3 4 Condenser Qc P/T Refrigeran Uap Refrigeran Cair Tk Tk > T Lingkungan Compressor W

Siklus Refrigerasi Kompresi Uap

Sederhana

1

2

Evaporator

Q_e

Refrigeran Cair Refrigeran Uap P/T Te Te < T kabin 3 4 Condenser Qc P/T Refrigeran Uap Refrigeran Cair Tk Tk > T Lingkungan

(9)

15

Compressor

W

Siklus Refrigerasi Kompresi Uap

Sederhana

1

2

Evaporator

Qe

Refrigeran Cair Refrigeran Uap P/T Te Te < T kabin 3 4 Condenser Qc P/T Refrigeran Uap Refrigeran Cair Tk Tk > T Lingkungan 1 Throttling Device 1

Proses di Evaporator

A B p r e s s u r e p r e s s u r e

enthalpy

evaporator

(10)

17

Proses di Kompresor

A C

compressor

p r e s s u r e p r e s s u r e

enthalpy

evaporator

B

Proses di Kondensor

A

condenser

enthalpy

evaporator

B C

compressor

D

(11)

19

Proses di Alat Ekspansi

expansion

device

A D

condenser

enthalpy

evaporator

B C

compressor

Siklus pada diagram P-h

Compressor Condenser Expansion Evaporator 1 3 2 4 Asumsi :

• Refrigeran keluar kondensor adalah cair jenuh,

• Refrigeran keluar Evaporator berfasa uap jenuh.

• Proses ekspansi secara isentalpi

(12)

21

Siklus pada Diagram P-h dan T-s

qin =evaporasi =Kalor diserap

condensation=Kalor dilepas

T

↓

P

↓

T

↑

P

↑

Temperatur akan turun Temperatur akan naik

q_out

q

_out

=q

_int

+q

_comp

(13)

23

Sistem AC Split

Suction Line “Liquid Line” Outdoor Unit atau Condensing Unit Indoor Unit atau Cooling Unit Condenser Evaporator Prime Mover • Motor • Engine • Steam Turbin • Gas Turbin Throttling Device • Capillary Tube • Orifice • TXV • Level Con. V. •Hand Ex.V Compressor • Scroll • Reciprocating • Screw • Rotary • Centrifugal

• Air Cooled Coil

• Shell and Tube HX (Liquid Chiller)

•Special Configuration for specific Processes • Air Cooled • Water Cooled • Evaporative Liquid line Suction line Discharge line

High Press. Side

Low Press. Side

(14)

25

Perhatikan sekali lagi siklus !!

Compressor Condenser Expansion Evaporator 1 3 2 4

Bagaimana dengan kinerja sistem ???

H. Kekekalan Energi pada siklus

Compressor W 1 2 Evaporator Q e

Refrigeran Cair Te Refrigeran Uap

3 4 Condenser Q_c Refrigeran Uap Refrigeran Cair Tk 1 Throttling Device 1 Compressor Compressor W 1 2 Evaporator Q e

Refrigeran Cair Te Refrigeran Uap

3 4 Condenser Q_c Condenser Q_c Refrigeran Uap Refrigeran Cair Tk 1 Throttling Device 1 1 Throttling Device Throttling Device 1

W

Q

_k

=

_e

+

(15)

27

Kompresor

q_w= besarnya kerja kompresi yang dilakukan (kJ/kg) h₁= entalpi refrigeran saat masuk kompresor (kJ/kg) h₂= entalpi refrigeran saat keluar kompresor (kJ/kg)

= laju aliran refrigeran pada sistem. (kg/s)

Kompresor Uap Uap P P 1 2 W

(

h

₂

h

₁

)

m

q

m

W

=

_w

=

−

•

1 2

h

q

_w

=

−

• m

Kerja spesifik dilakukan kompresor

Kerja dilakukan kompresor

s d c c

P

r

R

=

Rasio kompresi, Perbandingan tekanan Discharge terhadap tekanan suction. 1 1 υ •

=

m

V

Laju aliran volume refrigeran yang mengalir di suction kompresor :

Kondensor

q

c

= besarnya panas dilepas di kondensor (kJ/kg)

h

2

= entalpi refrigeran saat masuk kondensor (kJ/kg)

h

₃

= entalpi refrigeran saat keluar kondensor (kJ/kg)

(

h

2

h

3

)

m

q

m

Q

_k

=

_k

=

−

• • 3 2 h h qk = −

3

2 h

h

q

_k

=

−

Kalor dilepas di kondensor persatuan massa refrigeran :

(16)

29

Ekspansi

Proses ekspansi terjadi secara adiabatik, artinya tidak ada energi yang

keluar maupun masuk. Sehingga ekspansi terjadi pada entalpi konstan

atau disebut isentalpi.

4 3

h

=

campuran massa refigeran uap massa uap Kualitas

=

f g g g m m m x

+

=

4 4 4 4 f g g g m m m x

+

=

f g f g

h

x

−

=

4 4 f f g

h

x

−

=

1 4 4

Kualitas uap atau fraksi uap didefinisikan sebagai :

Maka fraksi uap di titik 4 didapat :

Karena :

)

f g g f

x

h

₄

=

+

₄

−

Maka fraksi uap dapat ditentukan :

Evaporator

Q_e= kalor yang diserap di evaporator (kW) q_e= efek pendinginan (efek refrigerasi) (kJ/kg) h₁= harga entalpi ke luar evaporator (kJ/kg) h₄= harga entalpi masuk evaporator (kJ/kg)

(

h

₁

h

₄

)

m

q

m

Q

_e

=

_e

=

−

• •

q

_e

=

h

₁

−

h

₄

Kalor total diserap di evaporator, (Kapasitas pendinginan) :

Kalor diserap persatuan massa refrigeran :

(17)

31

Kinerja sistem

kerja

sebagai

digunakan

yang

energi

tkan

termanfaa

Energi

COP

=

(

)

(

)

(

)

(

2 1

)

4 1 1 2 4 1

h

m

q

m

h

m

q

m

W

Q

COP

w e e

−

=

−

=

−

=

_• _• • •

COP untuk sistem refrigerasi adalah :

COP untuk sistem heat pump disebt juga Performance Factor (PF) adalah :

(

)

(

)

(

)

(

2 1

)

4 3 1 2 4 3

h

m

q

m

h

m

q

m

W

Q

PF

w k k

−

=

−

=

−

=

_• _• • •

Kinerja sistem

Ukuran kinerja yang lain adalah efisiensi refrigerasi yang

didefinisikan sebagai perbandingan COP aktual terhadap

COP siklus Carnot pada temperatur kerja yang sama.

Carnot

aktual

R

COP

=

η

(18)

33

Contoh 1

Diketahui suatu sistem refrigerasi dengan temperatur

evaporasi -5

o

_{C dan temperatur kondensasi sebesar 45}

o

_{C. Tentukanlah kinerja (COP) maksimum yang mungkin}

dicapai oleh sistem tersebut.

Jawab :

36 ,

5

268

318

268

, ,

=

−

=

−

=

o k o o C R Carnot R

T

W

Q

COP

COP maksimum yang dapat dicapai oleh suatu mesin pendingin adalah

COP Carnot, yaitu :

Jadi COP maksimumnya adalah 5,36

Contoh 2



Jika suatu sistem refrigerasi dengan menggunakan

refrigeran R-12, bekerja pada temperatur penguapan

(evaporasi) sebesar -10

o

_{C, dan temperatur}

pengembunan 45

o

_{C. Bila jumlah kalor yang harus}

diserap di evaporator sebesar 3,5 kW, tentukanlah

a)

Gambar dari sistem dan besaran entalpi pada diagram P-h.

b)

Laju aliran refrigeran yang bersirkulasi dalam sistem.

c)

Laju aliran volume refrigeran saat masuk kompresor.

d)

Panas dibuang di kondensor

e)

COP dan Efisiensi refrigerasi dari sistem

f)

Rasio kompresi dari kompresor

(19)

35

Jawab (soal no 2)

45o_C -10o_C ν1= 0,076659 m3/kg h2= 375,545 kJ/kg h1= 347.141 kJ/kg h3= h4= 243,652 kJ/kg Ps=2,191 bar Pk=10,843 bar 1 2 3 4

Jawab (soal no 2)

b)

Laju aliran massa = 0,0338 kg/s

c)

Laju aliran volume refrigeran di suction

kompresor adalah 2,5926 L/s

d)

Panas yang dibuang di kondensor adalah

4,461 kJ per detik (4,461 kW)

e)

COP-nya adalah 3,64 dan efisiensi

refrigerasinya 76,15%

(20)

37

Tugas (PR)



Kumpulkan minggu depan.



Soal-soal Dossat Bab 6 dan 7, soal no :

6-1, 6-2, 6-3 dan 7-1.



Ditulis tangan pada kertas A4. (tidak

dikerjakan dengan Coolpack)

Bacaan lebih lanjut :



Dossat Roy J. Principles of Refrigeration

2nd Ed. John Wiley & Son. Chapter

6-7-8



Arora CP. Refrigeration And Air

Conditioning 2nd Ed. McGraw-Hill.

Chapter 2-3

(21)

39

Efek Sub Cooled



Pembuangan kalor di kondensor yang berlanjut,

menyebabkan refrigeran setelah mengembun

berlanjut dengan penurunan temperatur. Hal ini

disebut Subcooled.



Subcooled menyebabkan efek refrigerasi yang

lebih besar.



Subcooled dapat terjadi karena antara lain

lingkungan kondensor yang menjadi dingin

(adanya hujan misalnya),

Subcooled di kondensor

1 2 3 4 Temperatur kabin Temperatur Lingkungan 4a 3a q_e1 q_e2 w_e1 w_e2 P h Subcooled

(22)

41

Efek Super Heated



Penarikan kalor yang berlebihan di evaporator atau

sepanjang pipa menuju suction kompresor,

menyebabkan refrigeran setelah menguap, kemudian

berlanjut dengan kenaikan temperatur. Hal ini disebut

Super heated.



Subcooled refrigeran yang masuk kompresor lebih

panas, akibatnya kompresor bekerja lebih panas.



Sub cooled dapat terjadi karena antara laing : beban di

evaporator yang berlebih, sistem kekurangan refrigeran

atau pipa menuju suction tidak diisolasi.

Superheated di evaporator

1 2 3 4 Temperatur kabin Temperatur Lingkungan 1a 2a q_e1 q_e2 w_e1 w_e2 P h Superheated

(23)

43

Sistem dengan Liquid to Suction

Heat exchanger (HX)

Keuntungan sistem ini : Meningkatkan efek refrigerasi Fasa cair masuk alat ekspansi Fasa uap masuk suction kompresor

Kerugian :

Uap refrigeran masuk kompresor lebih “panas”, sehingga kompresor jadi lebih panas

Penurunan Temperatur Evaporasi

1 2 3 4 Temperatur kabin 1 Temperatur Lingkungan Temperatur kabin 2 1b 4b q_e1 q_e2 w_e1 w_e2

Hal iniakan berakibat : 1. Efek pendinginan turun 2. Kerja kompresor meningkat 3. Kinerja (COP) mesin turun Penurunan temperatur evaporasi dapat terjadi

karena:

1. Setting temperatur kabin yang lebih dingin 2. Kekurangan refrigeran

3. Terjadi penyumbatan di liquid line

P

h 2b

(24)

45

Kenaikan Temperatur Kondensasi

1 2 3 4 Temperatur kabin Temperatur Lingkungan 1 Temperatur Lingkungan 2 2a 3a q_e1 q_e2 w_e1 w_e2

Hal iniakan berakibat : 1. Efek pendinginan turun 2. Kerja kompresor meningkat 3. Kinerja (COP) mesin turun Kenaikan temperatur kondensasi dapat

terjadi karena:

1. Lingkungan kondensor yang lebih panas 2. Kondensor kotor

3. Pedinginan kondensor tidak jalan 4. Terjadi penyumbatan di liquid line

P

h

Siklus Refrigerasi Sebenarnya



Adanya “ketidak idealan” pada mesin

sebenarnya menyebabkan penggambaran siklus

refigerasi sebenarnya pada diagram P-h

berbeda dengan siklus refigerasi sederhana



Hal tersebut disebabkan karena antara lain :



Rugi-rugi gesek disepanjang pipa



Gesekan piston/silinder di kompresor

(25)

47

Siklus refrigerasi sebenarnya

enthalpy

1d 1c 1a 1b 1 2c 2a 2b 2 3a 3b 3 4 1d-1c : Superheat di evaporator 1c-1b : Rugi kalor di suction line 1b-1a : Drop tekanan di suction line 1a-1 : Drop tekanan krn katup suction 1 – 2 : Kompresi politropik

≠

isentropik 2 – 2a : Drop tekanan di discharge valve 2a-2b : drop tekanan di discharge line 2b-2c : Rugi kalor di superheating di

discharge line

2c-3 : Drop tekanan di kondensor 3-3a : Subcooling di kondensor atau di

subcooler

3a-3b : Pelepasan kalor di liquid line 3b-4 : penurunan tekanan tidak

adiabatik

4– 1d : Drop tekanan di evaporator.

(26)

49

Sistem Refrigerasi Kompresi Uap

Multi Stage (bertingkat), 2 tingkat

intercooler

s d

i

P

=

Tekanan di Intercooler didisain sebesar :

Mixing point

Intercooler



Di titik Pencampuran (Mixing Point)

Pencampuran

(27)

51

Kinerja sistem Multi Stage (2 tingkat)



Kalor diserap di evaporator



Kerja kompresor



Coefficient of Performance



Laju aliran refrigeran



Dimana

Sistem Refrigerasi Kompresi Uap

Multi Stage (bertingkat), tingkat

(28)

53

Sistem Refrigerasi Kompresi Uap

Cascade

CoolPack



Adalah suatu perangkat lunak, yang dapat

digunakanuntuk menganalisis suatu siklus

refrigerasi kompresi uap.



Software bersifat bebas (Freeware), dan

dapat didownload di website

http://www.et.dtu.dk/CoolPack

(29)

55

Contoh :



Diketahui Sistem Refrigerasi dengan

refrigeran R134a bertekanan kerja :

P

_s

= 0,5 bar dan P

_d

= 9 bar

Bila kapasitas pendinginan 1,5 kW, tentukan

prestasi dari sistem, kalor dilepaskan di

kondensor, kerja kompresor dan laju aliran massa

refrigeran dalam sistem

Catatan :

(30)

57

Hasil perhitungan (dgn coolpack)

Temperatur evaporasi [°C] = -17.17 Temperatur kondensasi [°C] = 39.39 Dari Gambar diperoleh :

h1 = 387,0 kJ/kg h2 = 426,3 kJ/kg h3 = h4 = 255.3 kJ/kg Dihitung qe [kJ/kg] = 131.749 qc [kJ/kg] = 171.058 w [kJ/kg] = 39.309 COP [-] = 3.35 Pressure ratio [-] = 6.667

Dengan kapasitas pendinginan Qe = 1.500 kW, maka Kalor dilepaskan di Kondensor, Qc = 1.948 kW, Kerja dilakukan kompresor, W = 0.448 kW