BAB III
REFRIGERAN DAN MINYAK PELUMAS
A. Definisi Refrigeran
Refrigeran adalah bahan pendingin berupa fluida yang digunakan untuk menyerap kalor melalui perubahan phasa cair ke gas (menguap) dan membuang kalor melalui perubahan phasa gas ke cair (mengembun). 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 conditiioning.
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 kalor yang diambil oleh evaporator dari ruangan jadi besar.
10. Apabila terjadi kebocoran mudah diketahui dengan alat-alat yang sederhana.
11. Harganya murah.
Refrigeran yang digunakan pertama kali adalah ether, dipakai oleh Perkins untuk mesin kompresi uap tangan. Kemudian dipakai ethil khlorida (C2H5Cl) yang kemudian pula diganti dengan ammonia pada tahun 1875. Hampir pada waktu yang bersamaan
dipakai belerang oksida (SO2) pada tahun 1874, methil khlorida (CH3Cl) pada tahun 1878, dan karbon dioksida (CO2) pada 1881 juga ditemukan pernah dipakai sebagai refrigeran. Semenjak 1910-1930 -an, banyak refrigeran seperti N2O2, CH4, C2H6, C2H4, C3H8, dipakai sebagai refrigeran. Hidrokarbon yang tidak mudah terbakar seperti dikloromethana (CH2Cl2), didikholoroethilene (C2H2Cl2) dan monobromoethana (CH3Br) juga digunakan untuk mesin refrigerasi dengan pompa sentrifugal, dengan komposisi atom fluor, chlor, dan terkadang bromida, akan membentuk refrigeran dengan range titik didih yang lebar pada tekanan sekitar 1 atm (disebut sebagai normal boiling point = titik didih normal atau temperatur jenuh pada tekanan satu atmosfir), sehingga memenuhi berbagai kebutuhan temperatur kerja yang berbeda untuk berbagai mesin refrigerasi. Jumlah fluor menunjukkan ketidak beracunan dari refrigeran.
Refrigeran dibuat oleh beberapa negara dari beberapa perusahaan dengan memakai nama dagang (merk) mereka masing-masing. Beberapa diantaranya yang telah beredar di Indonesia ditunjukkan oleh Tabel 3.1. Refrigeran disimpan dalam tabung atau silender dan drum. Untuk mengetahui isinya, tabung-tabung tersebut diberi berbagai warna, keterangan pada tabung dan label. Warna tabung bahan pendingin dari Du Pont ditampilkan pada Tabel 3.2.
Tabel 3.1 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 Chemicals Corporation U.S.A Isotron Pennsylvania Salt Manufacturing Co. U.S.A
Tabel 3.2 Warna tabung Refrigeran 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)
B. Jenis-jenis Refrigeran
1. Refrigerant R-11, CC13F, Trichloro Monofluora Methane
Kompresor: Sentrifugal yang besar sampai 100 ton lebih. Pemakaian: (0 0C s/d 20 0C) termasuk pada air conditioning yang besar dari 200 - 2000 TR, untuk kantor, hotel, pabrik da lain-lain. Juga sebagai pembersih dan aerosol. Titik didih 23,8 0C pada 1 atmosfir, titik didih ini tinggi, maka tidak dapat dipakai untuk mendinginkan ruangan di bawah 23,8 0C. Tekanan penguapan 24 in Hg vakum pada 5 0F dan tekanan kondensasi hanya 3,5 psig pada 86 0F. Tekanan kondensasi ini rendah sekali. maka R- 11 hanya dapat dipakai untuk kompresor sentrifugal. kalor laten uap 78,3 Btu/lb pada titik didih. R-11 juga disebut golongan fluorocarbon yang lain, sangat stabil, tidak beracun, tidak korosif, tidak dapat terbakar atau meledak. R-11 dapat melarutkan karet alam, tetapi tidak bereaksi dengan karet sintetis yang dipakai sebagai gasket. R-11 juga dipakai sebagai bahan peniup (blowing agent) dalam pembuatan polystyrene, polyurethane yang keras maupun lunak. R-11 adalah bahan isolator yang baik dan sifat isalator ini masih ada busa dari polyurethane tersebut. R-11 mempunyai kekuatan dielektronika yang besar. R-11 juga sering dipakai sebagai bahan pembersih (cleaning solvents) atau flushing agent. Utuk membersihkan bagian dalam dari sistem yang banyak airnya dan lain-lain. R-11 untuk aerosol sering dicampur dengan R-12, untuk menaikan tekanan R-11 tersebut. Kebocoran dapat dicari dengan halide leak detector atau electronic leak detector.
2. Refrigerant R-12, CL2F2 Dichloro Difluoro Methane
Kompresor: torak, rotari dan sentrifugal. Pemakaian sangat luas pada suhu -40
0C s/d +10 0C, mulai dari lemari es, freezer, ice cream cabinet, water cooler sampai pada refrigerasi dan air conditioning yang besar. R-12 juga merupakan bahan pendingin yang utama untuk air conditioning mobil dan aerosol. Titik didih -21,66 0F (-29,8 0C) pada 1 atmosfir. Tekanan penguapan 11,8 psig pada 5 0F (15 0C) dan tekanan kondensasi 93,3 psig pada 86 0F (30 0F). Kalor laten uap 71,74 Btu/lb pada titik didih.
R-12 adalah bahan pendingin yang paling banyak dipakai untuk lemari es, baik dengan kompresor torak maupun rotari. Telah diselidiki dan dikembangkan di USA sejak tahun 1931, pada tahun 1940 telah hampir dipakai pada semua lemari es.
Bahan pendingin R-12 sangat aman, tidak korosif, tidak beracun, tidak dapat terbakar atau meledak dalam bentuk gas maupun cair, juga bila bercampur dengan udara. R-12 tidak berwarna, bahkan transparan (tembus cahaya), tidak berbau dan tidak
ada rasanya pada kosentrasi dibawah 20% dari volume. R-12 tidak berbahaya bagi hewan atau tumbuh-tumbuhan dan tidak mempengaruhi bau, rasa atau warna dari air atau makanan yang disimpan di dalam lemari es. R-12 dapat dipakai pada suhu tinggi, sedang dan rendah. Juga dapat dipakai untuk ketiga macam kompresor : kompresor torak dari 1/12 – 800 DK. Kompresor rotari yang kecil dan kompresor sentrifugal untuk air conditioning yang besar. R-12 akan tetap stabil pada suhu kerja rendah, maupun pada suhu kerja tinggi, tidak bereaksi dan tidak korosif terhadap banyak logam yang dipakai pada lemari es, seperti : besi tuang, baja. Aluminium, tembaga, kuningan, seng, timah solder. Jika bercampur dengan air pada suhu tinggi dapat menjadi korosif karena ada asam halogen yang terbentuk. Apabila kita memakai sistem dengan R-12, jangan sampai ada air yang tertinggal di dalam sistem.
R-12 sampai saat ini adalah bahan pendingin yang terbanyak dipakai, walupun dalam beberapa hal keunggulan R-12 telah dikalahkan oleh R-22. Kenggulan R-12 terhadap R-22 :
a. Tekanan kerja dan suhu kerja lebih rendah
b. Bercampur dengan minyak pelumas lebih baik dalam semua keadaan c. Harganya lebih murah
R-12 tidak dapat melarutkan air, tetapi dapat melarutkan hydrocarbon, alkohol, ether, aster dan ketone, maka R-12 dapat dipakai sebagai bahan pembersih untuk zat tersebut.
R-12 mempunyai kemampuan melarutkan yang sangat besar, maka kita harus hati-hati jika memakai bahan-bahan untuk paking, gasket, vernis dan beberapa macam bahan isolasi di dalam kompresor hermetik. R-12 terhadap logam-logam yang mengandung magnesium atau aluminium yang mengandung lebih dari 2 % magnesium harus dihindarkan. R-12 merusak karet alam, tetapi tidak bereaksi terhadap karet sintetis. Jika memakai bahan dari karet, pakailah karet sintetis seperti: karet neoprene dan chloroprene. R-12 yang terbanyak dipakai sebagai penyemprot (propellant) yang bukan untuk makanan. Karena tekanan R-12 sangat tinggi, maka umumnya dicampur dengan R-11 untuk menurunkan tekanannya.
Salah satu sifat khusus dari R-12 yaitu pada suhu 200F - 80 0F, mempunyai suhu dalam fahrenheit dan tekanan dalam psig yang hampir sama besarnya. Dapat dilihat pada daftar suhu dan tekanan bahan pendingin R-12. misalnya R-12 pada 70 0F mempunyai tekanan 70,1 psig. R-12 mempunyai kekuatan dielektrik yang besar, hampir sama dengan R-113, maka dapat dipakai untuk kompresor hermetik tanpa menimbulkan
bahaya atau kesukaran. Kebaikan R-12 yang dapat bercampur dengan minyak pelumas dalam semua keadaan tidak saja mempermudah mengalirkan minyak pelumas kembali ke kompresor, tetapi juga dapat menaikan efisiensi dan kapasitas dari sistem.
Evaporator dan kondensor akan bebas dari minyak pelumas yang dapat mengurangi kemampuan perpindahan kalor dari kedua alat tersebut. R-12 masih dapat bercampur dengan minyak pelumas sampai suhu -90 0F (-68 0C). Di bawah suhu tersebut minyak pelumas akan mulai memisah. Minyak pelumas lebih ringan daripada bahan pendingin, maka minyak akan mengumpul pada bagian atas dari bahan pendingin cair tersebut. R- 12 apabila bercampur dengan api yang sedang terbakar atau pemanas listrik yang bekerja, dapat membentuk suatu gas yang sangat beracun. Kobocoran dapat dicari dengan hilide leak detector, alectronic leak detecto, air sabun dan lain-lain.
3. Refrigerant R-22, CHCLF2 Chloro Difluoro Methane
Kompresor: torak, ratari dan sentrifugal. Pemakaian: (-50 0C s/d +10 0C) terutama untuk air conditioning yang sedang dan kecil, juga dipakai untuk freezer, cold storage, display cases dan banyak lagi pemakaian pada suhu sedang dan suhu rendah.
Titik didih -41,4 0F (-40,8 0C) pada 1 atmosfir. Tekanan penguapan 28,3 psig pada 5 0F dan tekanan kondensasi 158,2 psig pada 86 0F. Kalor laten uap 100,6 Btu/lb pada titik didih.
Mula-mula diperkenalkan pada tahun 1936 dikembangkan untuk pemakaian pada suhu rendah, lalu kemudian banyak dipakai pada packaged air conditioner. R-22 mempunyai tekanan dan suhu kerja yang lebih tinggi daripada R-12, maka jika memakai kondensor dengan pendingin udara ukurannya harus disesuaikan jangan terlalu kecil.
Untuk kapasitas yang sama R-22 dibandingkan R-12 memerlukan pergerakan torak (piston displacement) yang lebih kecil, maka bentuk kompresor juga kecil sehingga dapat ditempatkan dalam ruang yang terbatas. Ini adalah keuntungan dari R-22, maka sangat sesuai untuk dipakai pada packaged room air conditioner. Keuntungan R-22 terhadap R-12 :
a. Untuk pergerakan torak yang sama, kapasitasnya 60% lebih besar
b. Untuk kapasitas yang sama, entuk kompresor lebih kecil. Pipa-pipa yang dipakai juga lebih kecil ukurannya.
c. Pada suhu di evaporator antara -30 0C s/d -40 0C, tekanan R-22 lebih dari 1 atmosfir, sedangkan tekanan R-12 kurang dari 1 atmosfir.
R-22 tidak korosif terhadap banyak logam yang dipakai pada sistem refrgerasi dan air onditioning seperti : besi, tembaga, aluminium, kuningan, baja tak berkarat, las perak, timah solder, babit dan lain-lain. Minyak pelumas dengan R-22 pada bagian tekanan tinggi dapat bercampur dengan baik, tetapi pada bagian tekanan rendah, terutama di evaporator minyak lalu memisah. Suhu dimana minyak pelumas memisah tergantung dari macam minyak pelumas yang dipakai dan jumlah minyak pelumas yang bercampur dengan R-22. minyak pelumas mulai memisah pada suhu 16 oF (-8,9 0C).
Pada pemakaian suhu rendah, harus ditambahkan pemisah minyak (oil separator) untuk mengembalikan minyak pelumas ke kompresor. Pada evaporator yang direncanakan dengan baik, tidak akan terjadi kesukaran untuk mengembalikan minyak pelumas dari evaporator ke kompresor. R-22 mempunyai kemampuan menyerap air tiga kali lebih besar daripada R-12. Jarang sekali terjadi pembekuan air di evaporator pada sistem yang memakai R-22. sebetulnya ini bukan merupakan keuntungan, karena di dalam sistem harus bersih dari uap air dan air. Kebocoran dapat dicari dengan halide leak detector, air sabun dan lain-lain.
4. Refrigerant R-113, C2Cl2F3, Trichloro Trifluoro Ethane
Kompresor: centrifugal. Pemakaian: (0 0C s/d 20 0C) untuk air conditioning yang sedang dan besar. Suhu penguapan 117,6 0F (47,57 0C) pada 1 atm. Tekanan penguapan 237,9 In Hg. Vakum pada 5 0F dan tekanan kondensasi 113,9 In Hg. Vakum pada 86 0F. Pergerakan torak (piston displacement) adalah tinggi 100,76 ft3/min.ton, sedangkan HP/ton yang diperlukan hampir sama dengan lain-lain bahan pendingin.
Karena tekanan kerja yang rendah dan pergerakan torak (piston displacement) yang besar, maka R-113 harus dipakai dengan kompresor centrifugal sampai 4 tingkat atau lebih, terutama pada sistem air conditioning yang besar. R-113 adalah bahan pendingin yang aman dan sering dipakai sebagai bahan pembersih (cleaning solvent). Kebocoran dapat dicari dengan Halide leak detector.
5. Refrigerant R-114 C2Cl2F4, Dichloro Tetrafluoro Ethane
Kompresor: rotary, centrifugal. Pemakaian: (-20 0C s/d +20 0C) mula-mula dipakai pada lemari es dengan kompresor rotary, tetapi sekarang terutama dipakai pada industri pendingin yang besar dan mesin refrigerasi. Suhu penguapannya 38,6 0F (3,6
0C) pada tekanan 1 atm. Tekanan penguapan 16,2 In Hg. Vakum pada 5oF dan tekanan
kondensasi 21,6 psig pada 86 0F. Pergerakan toraknya rendah 19,56 ft3/min.ton, sedangkan HP/ton yang diperlukan hampir sama dengan lain-lain bahan pendingin. R- 114 dipakai pada kompresor centrifugal untuk instalasi air conditioning yang besar- besar. Juga dipakai pada kompresor rotari untuk lemari es water cooler. Seperti halnya R-22, R-114 juga dapat bercampur dengan minyak pelumas pada bagian sisi tekanan tinggi tetapi terpisah dengan minyak di evaporator. Kebocoran dapat dicari dengan Halide leak detetor.
6. Refrigerant R-500, CCL2F2/CH3-CHF2 Azeotrope
Kompresor: Torak. Pemakain: untuk memperbanyak model packaged dan room air conditioner yang kecil dan sedang. Juga pada lemari es untuk daerah yag memakai listri 50 Hertz. Titik didih -28,3 0F (-33,5 0C) pada 1 atmosfir. Tekanan penguapan 16,4 psig pada 5 0F dan tekanan kondensasi 112,8 psig pada 86 0F. Kalor laten uap 88,5 Btu/lb pada titik didih. R-500 adalah campuran azeotrope dari R-12 (73,8% dari berat) dan R-152A Difluoro Ethane (26,2 % dari berat). R-500 juga disebut carene-7, pada umumnya hanya dipakai untuk mesin-mesin refrigerasi buatan Carrier. Seperti bahan pendingin golongan fluorocarbon yang lain, R-500 tidak dapat terbakar, tidak beracun dan stabil. R-500 mempunyai daya campur dengan minyak pelumas yang baik. Pada suhu rendah daya campur tersebut sama seperti R-12. Keuntungan R-500 terhadap R-12 adalah:
a. Jika dipakai dengan mesin yang sama, dapat memberikan kapasitas 18 % lebih besar.
b. Dapat dipakai dari daerah 60 Hz dengan R-12 ke daerah 50 Hz dengan R-500, pada mesin yang sama akan memberikan kapasitas yang sama pula.
Pergerakan torak yang diperlukan lebih besar daripada R-22, tetapi lebih kecil daripada R-12, jika dipakai dengan mesin yang sama dan untuk tujuan yang sama, R- 500 dapat memberikan kapasitas 18% lebih besar daripada R-12. Suatu unit dengan R- 12 yang kapasitasnya hendak dinaikkan 18 %, kita dapat mengusahakan dengan hanya menukar bahan pendinginnya saja dengan R-500. Jumlah putaran motor listrik berbanding lurus dengan besarnya frekuensi. Motor listrik 60 Hz yang bekerja di daerah 50 Hz, jumlah putarannya hanya tinggal 5/6 bagian, dan pergerakan toraknya juga berkurang 18%. Kompresor hermetik 60Hz dengan R-12 akan memberikan kapasitas yang sama jika dipakai untuk daerah 50 Hz dengan R-500. daya listrik yang diperlukan juga hampir sama.
R-500 mempunyai kemampuan menyerap air yang sangat besar. Apabila sistem hendak diisi dengan R-500, sebelumnya sistem harus dibuat vakum dengan pompa vakum yang khusus, agar semua air dan uap air dapat dikeluarkan. Selain itu sistem harus memakai pengering (drier) untuk menyerap sisa air yang masih tertinggal di dalam sistem. Mengisi sistem lemari es dengan R-500 tidak banyak perbedaannya dengan R-12, hanya kedua tekanannya pada sisi tekanan tinggi dan sisi tekanan rendah sedikit lebih tinggi. Kebocoran dapat dicari dengan halide leak detector, electronic leak detecto, air sabun atau zat warna dan lain-lain.
7. Refrigerant R-502, ChCLF2/CClF2-CF3 Azeotrope
Kompresor: torak dengan 1 atau 2 tingkat. Pemakaian: (-60 0C s/d 20 0C) khusus dibuat untuk suhu evaporator yang rendah, untuk menggantikan R-22, tetapi juga dipakai pada air conditioning. R-502 adalah suatu campuran azeotrope dari R-22 (48,8%
dari berat) dan R-115 (51,2% dari berat). Suhu penguapan -50,1 0F (-45,6 0C) pada 1 atm. Tekanan penguapannya 35,9 psig. Pada 50F pada tekanan kondensasinya 176,6 paig, pada 86 oF. R-502 mula-mula dipakai pada tahun 1962, bahan pendingin ini tidak dapat terbakar, tidak beracun dan tidak korosif.
R-502 mempunyai sifat-sifat yang baik dari R-12 dan R-22, yaitu kapasitasnya sama dengan R-22, sedangkan tekanan kondensasinya hanya sama dengan R-12, jadi jauh lebih rendah dari R-22.
Keuntungan-keuntungan R-502 terhadap R-22, adalah sebagai berikut :
a. Kompresor akan bekerja pada suhu yang lebih rendah, hingga memperpanjang daya tahan katup-katup dan lain-lain bagian dari kompresor.
b. Kepala silinder dari kompresor yang leih besar tidak perlu didinginkan dengan air, dimana biasanya diperlukan pada R-22.
c. Kapasitasnya lebih besar 15 a/d 25%.
d. Suhu motor dan minyak tetap rendah, hingga minyak kompresor tetap dapat memberikan pelumasan dengan baik karena kekentalannya tetap tidak berubah.
R-502 dapat menyerap air 15 kali lebih banyak daripada R-12 pada 0 0F (-17,8 0C), yaitu 12 ppm (part per million) dari berat. Jika bercampur dengan uap air harus diperhatikan agar R-502 tidak berhubungan dengan zink murni (Zn) atau magnesium (Mg). Alumunium dapat dipakai asalkan tidak mengandung magnesium lebih dari 2%.
Timah putih (lead) jangan dipakai sebagai bahan penyambung pipa (soldir timah), atau
penahan kebocoran pada rotary seal dari poros engkol. Bahan-bahan plastik yang dapat dipakai dengan R-22, juga dapat dipakai dengan R-502, misalnya untuk pengikat lilitan motor, dan sebagainya. R-502 dapat bercampur minyak dengan baik pada suhu diatas 180 0F (82,2 0C). Tetapi di bawah 77 0F (25 0C) minyak akan memisah dan mengapung di atas cairan bahan pendingin. Sifat ini menyebabkan minyak ikut ke kondensor, lalu di evaporator minyak tersebut memisah dari bahan pendingin, maka harus diberi alat khusus biasanya oil separator utuk mengembalikan minyak ke kompresor. R-502 adalah bahan pendingin yang aman , kebocoran dapat dicari dengan Halide leak detector, dan sebagainya.
8. Amonia R-717. NH3
Kompresor untuk refrigerant ini biasanya kompresor jenis torak, banyak dipakai untuk industri, terutama pabrik es yang besar dan sistem absorpsi. Titik didih -33,3 0C pada 1 atmosfir. Tekanan penguapan 19,6 psig pada 50 0F (-50 0C). Kalor laten uap 589,3 Btu/Ib pada titik didihnya. Kalor laten tersebut sangat besar dan merupakan yang terbesar dari pendingin yang lain. Amonia walaupun telah sajak lama dipakai, masih merupakan satu-satunya bahan pendingin selain fluorocarbon yang tetap dipakai hingga saat ini. Terdiri dari sebuah nitrogen dan tiga unsur hidrogen. Harganya murah, efesiensinya tinggi, mempunyai kalor laten uap yang terbesar daripada bahan pendingin yang lain. Amonia dalam keadaan biasa berwujud gas yang tidak berwarna, tetapi mudah terbakar, dapat meledak dan sangat beracun . R-717 mudah terbakar, meledak jika bercampur dengan udara dalam perbandingan tertentu antara 13% - 27% dari volume dan akan lebih berbahaya lagi jika bercampur dengan oksigen. Amonia sangat beracun dan mempunyai bau yang sangat merangsang hidung dan tenggorokan. Amonia tidak dibenarkan dipakai untuk air condotioning untuk hotel, bioskop atau tempat umum yang banyak orangnya. Jika dalam hal ini kita harus memakai amonia sebagai bahan pendingin, maka kita harus memakai amonia secara tidak langsung dengan melalui air atau air garam yang lebih dahulu didinginkan. Ruang untuk kompresor harus dibuat khusus dan terpisah.
Amonia yang murni tidak korosif terhadap logam yang dipakai pada sistem refrigerasi. Amonia yang bercampur dengan air akan menjadi korosif terhadap logam non-ferro, terutama tembaga, kuningan, seng dan timah. Janganlah memakai logam- logam tersebut pada sistem dengan amonia. Amonia walaupun mengandung banyak air, tetapi tidak bereaksi dengan besi dan baja. Amonia lebih ringan daripada minyak
pelumas kompresor. Juga tidak dapat larut ke dalam minyak pelumas tersebut, maka tidak dapat menyerap minyak dari tempat minyak kompresor. Karena sukar mengembalikan minyak pelumas dari evaporator, kita harus menambahkan pemisah minyak (oil separator) pada saluran tekan dari kompresor. Keluar dielektrik dari amonia rendah, tidak dapat dipakai dengan kompresor hermetik yang berhubungan langsung dengan alat-alat listrik. R-717 dapat mudah larut dalam air. Pada suhu 0 0C, 1 volume air dapat menyeraf 1,148 V amonia . Tabung amonia dan sistem yang memakai amonia harus dibuat dari tabung besi atau baja kuat. Kondensornya harus didinginkan dengan air. Gas amonia lebih ringan dari udara. Jika terjadi kebocoran amonia, kita lebih aman merebahkan diri dilantai daripada berdiri. Kebocoran pada sistem dengan amonia dapat diketahui dari baunya yang sangat merangsang hidung dan tenggorokan. Kebocoran yang kecil dapat dicari dengan batang belerang (sulfur stick). Jika ada gas amonia yang bocor, belerang dapat mengeluarkan asap putih yang tebal. Kebocoran dapat juga dicari dengan memakai air sabun yang kental. dioleskan pada sekeliling sambungan pipa. Jika ada gas yang bocor akan terjadi gelembung-gelembung dari air tersebut.
9. Carbon Dioxide, R-744, CO2
Kompresor yang paling banyak digunakan adalah jenis torak. Sistem ini biasa dipakai untuk refrigerasi dan air conditioning yang besar, dimana faktor keamanan diutamakan. Pada 1 atmosfir titik didih -79 0C dan titik beku -57 0C, pada suhu tersebut dan tekanan 1 atmosfir, CO2 sudah berwujud padat. Tekanan penguapan 317,5 psig pada 5 0F dan tekanan kondensasi 1031 psig pada 86 0F. Tekanan ini sangat tinggi, maka harus menggunakan kompresor yang kuat, begitu juga pipa-pipa harus kuat pula.
Kalor laten uap 116 Btu/Ib pada 5 0F.
R-744 merupakan bahan pendingin yang mula-mula dipakai pada tahun 1884 dengan kompresor torak untuk refrigerasi CO2 tidak berwarna, tidak berbau, tidak beracun, tidak dapat terbakar atau meledak dan tidak korosif. Karena sifatnya yang aman ini, maka dahulu R-744 banyak dipakai dikapal laut. Juga untuk air conditioning di Hotel, rumah sakit, bioskop dan lain-lain. Pada saat ini CO2 tidak dipakai lagi, hanya masih dapat ditemukan pada mesin yang tua. Sekarang CO2 hanya untuk suhu yang sangat rendah, terutama untuk pembuatan CO2 padat (dry ice). R-744 tidak dapat bercampur dengan minyak pelumas kompresor, maka tidak dapat mengambil minyak pelunas kompresor. R-744 juga seperti amonia lebih ringan dari pada minyak kompresor. Kebocoran dapat dicari dengan air sabun.
10. Sulfur Dioxide, R-764, SO2
Refrigeran ini banyak dipakai untuk kompresor torak dengan satu atau dua tingkat. Refrigerant ini dipakai khusus untuk evaporator dengan suhu rendah, untuk menggantikan R-22 tetapi juga dapat dipakai pada suhu sedang. Titik didih -10 0C pada 1 atmosfir. Tekanan penguapan 5,9 inch Hg vakum pada 5 0F dan tekanan kondensasi 51,8 psig pada 86 0F. Tekanan kondensasi ini sangat rendah, maka dapat dipakai dengan kompresor torak yang direncanakan pada waktu itu. Kalor uap 172,3 Btu/Ib pada 5 0F.
SO2 dibuat dari pembakaran belerang, dalam wujud gas dan air tidak berwarna, tetapi sangat beracun. Tidak dapat terbakar dan tidak dapat meledak. R-764 sebagai bahan pendingin sekarang sudah tidak dipakai lagi, hanya masih dapat ditemukan pada mesin- mesin yang sudah tua. R-764 mula-mula diganti oleh Methyl Chloride yang lebih aman, kemudian diganti lagi oleh bahan pendingin golongan fluorocarbon yang lebih baik sampai saat ini. Seperti bahan pendingin yang lain R-764 dalam keadaan murni tidak korosif terhadap logam-logam yang dipakai pada sistem refrigerasi. Apabila bercampur dengan air, SO2 dapat membentuk H2SO3 dan H2SO4. Kedua asam ini sangat korosif terhadap logam.
R-764 tidak dapat bercampur dengan minyak pelumas. Saluran isap harus dibuat miring ke kompresor. SO2 cair lebih berat daripada minyak pelumas kompresor, sehingga minyak pelumas akan mengapung di atas bahan pendingin tersebut. Sipat ini memudahkan minyak pelumas dialirkan kembali ke kompresor. Ini merupakan keuntungan dari SO2. Kebocoran SO2 selain dapat diketahui dari baunya yang sangat pedas dan tajam, juga dapat dicari dengan memakai kain lap yang dicelupkan cairan, jika ada kebocoran akan mengeluarkan asap putih yang tebal.
11. Methylchloride, R-40, CH3CL
Kompresor: Torak dan Rotari. Pemakaian: Dahulu banyak dipakai untuk lemari es. Titik didih -23,7 0C pada 1 atmosfir. Tekanan penguap 6,5 psig pada 5 0F dan tekanan kodensasi 80 psig pada 86 0F. Kalor laten uap 180,6 Btu/lb pada 5 0F.
Walaupun Methylchride termasuk tidak beracun, tetapi pada konsentrasi (kadar) yang tinggi dapat memabukan orang. R-40 dapat terbakar dan meledak jika bercampur dengan udara pada konsentrasi 8% - 17% dari volume. Sekarang R-40 dapat bercampur dengan minyak pelumas kompresor. Kebocoran dapat dicari dengan air sabun yang dioleskan atau dilumaskan pada sambungan pipa. Jika memakai halida leak detector
harus berhatri-hati, karena Methyl chloride jika sedang terbakar berbahaya. Ruang dimana kebocoran dapat dicari harus mempunyai cukup ventilasi udara.
C. 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. Gunanya minyak pelumas dalam sistem pendingin adalah untuk :
1. Mengurangi gesekan dari bagian-bagian yang bergerak.
2. Mengurangi terjadinya kalor pada bus dan bantalan.
3. Membentuk lapisan penyekat antara torak dan dinding silender
4. Membantu mendinginkan kumparan motor listrik di dalam kompresor hermetik.
Minyak pelumas di dalam kompresor 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. 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 -250F sampai dengan -400F (-320C sampai dengan -400C). Agar pemakaian pada sistem dengan suhu rendah, lilinnya tidak memisah dan membeku.
3. Mempunyai sifat dielektrik (tidak menghantar listrik) yang kuat, minimum 25 kilo volt.
4. Mempunyai struktur kimia yang stabil, tidak mudah bereaksi denga 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 1000F (37,80C) antara 150 – 300 SUV (Saybolt Universal Viscosity) dan untuk kompresor AC mobil 500 SUV.
D. Kekentalan (Viscosity) Minyak Pelumas
Minyak pelumas biasanya diukur dengan satuan Saybolt Universal Viscosity (SUV), yaitu satuan waktu dalam detik yang diperlukan untuk mengalirkan minyak
dalam jumlah tertentu (60 cm3) pada suhu udara 1000F (37,80C) melalui sebuah pipa kapiler. Misalnya minyak pelumas pada suhu 1000F memerlukan waktu 300 detik untuk melewati pipa kapiler tersebut, maka dinamakan minyak tersebut mempunyai kekentalan 300 SUV pada 1000F. Minyak pelumas dengan 300 SUV lebih kental daripada minyak pelumas dengan 200 SUV. Minyak yang terlalu kental akan membuat tahanan minyak tersebut menjadi besar dan tenaga yang diperlukan untuk menggerakkan kompresor juga bertambah besar. Minyak pelumas yang terlalu kental tidak dapat menembus lapisan permukaan antara bagian-bagian yang bergerak, apalagi pada kelonggaran atau celah yang sempit, minyak tidak dapat menembus ke celah-celah tersebut yang harus dilumasi, sehingga hasil pelumasan tidak merata dan bagian yang bergesekan cepat menjadi aus dan rusak. Sebaliknya minyak pelumas yang terlalu encer, tidak dapat membuat lapisan film dan melumasi permukaan bagian-bagian yang bergerak dengan baik, sehingga bagian-bagian tersebut cepat menjadi aus dan rusak.
Secara lengkapnya pedoman kekentalan dari minyak pelumas disusun ke dalam Tabel 3.3. Kekentalan minyak pelumas akan berubah, jika terjadi perubahan suhu.
Kekentalannya akan naik jika suhunya turun. Sebaliknya kekentalannya akan turun jika suhunya naik. Misalkan minyak pelumas dengan kekentalan 175 SUV pada 1000F akan naik menjadi 1800 SUV jika suhunya turun sampai 400F.
Tabel 3.3 Pedoman Kekentalan Minyak Pelumas
Pemakaian Jenis Refrigeran Kekentalan (SUV) Suhu kompresor:
Normal Semua 150
Tinggi Halogen 150
Amonia 300
Suhu evaporator:
Di atas -180C Halogen 150
Amonia 300
-180C s/d -400C Halogen 150
Amonia 150
Di bawah -400C Halogen 150
Amonia 150
Kompresor AC mobil Halogen 500
Refrigeran yang dapat larut dalam minyak pelumas dibagi menjadi tiga golongan, yaitu:
1. Dapat bercampur pada suhu tinggi dan suhu rendah.
2. Dapat bercampur pada suhu tinggi, tetapi memisah pada suhu rendah.
3. Tidak dapat bercampur pada suhu tinggi maupun suhu rendah.
Pada suhu yang rendah di evaporator, kemampuan bercampur refrigeran dengan minyak pelumas berkurang, sedangkan pada suhu tinggi di kompresor dan kondensor bertambah. Di evaporator biasanya sebagian minyak pelumas akan memisah dari campuran refrigeran dan minyak pelumas. R-12 adalah refrigeran yang pada suhu tinggi dan suhu rendah dapat bercampur dengan minyak pelumas. Di dalam saluran pipa evaporator yang rendah suhunya, R-12 tetap dapat bercampur dengan minyak pelumas.
Kekentalan minyak pelumas di evaporator dan saluran hisap tetap rendah (encer), sehingga minyak pelumas dapat lebih mudah dibawa kembali ke kompresor.
BAB IV
SISTEM KOMPRESI UAP
A. Siklus kompresi uap
Siklus diagram dari sistem kompresi uap sederhana ditunjukkan oleh Gambar 4.1.
Gambar 4.1 Siklus diagram sistem refrigerasi kompresi uap sederhana komponen-komponen dari sistem tersebut adalah :
1. Evaporator, yang berfungsi untuk melakukan perpindahan kalor dari ruangan/produk yang didinginkan ke refrigeran yang mengalir di dalamnya melalui permukaan dindingnya.
2. Saluran suction, yang menghubungkan uap refrigeran tekanan rendah dari evaporator ke inlet suction dari kompresor.
3. Kompresor, yang berfungsi untuk memindahkan uap refrigeran dari evaporator dan menaikkan tekanan dan temperatur uap refrigeran ke suatu titik di mana uap tersebut dapat berkondensasi dengan normal sesuai dengan media pendinginnya.
4. Saluran discharge (hot gas), menyalurkan uap refrigeran tekanan tinggi dan temperatur tinggi dari discharge kompresor ke kondensor.
5. Kondensor, yang berfungsi melakukan perpindahan kalor melalui permukaannya dari uap refrigeran ke media pendingin kondensor.
6. Receiver tank, berfungsi untuk menyimpan refrigeran cair dari kondensor sehingga pengiriman refrigeran cair selalu tersedia bilamana evaporator memerlukannya.
7. Saluran liquid, menyalurkan refrigeran cair dari receiver tank ke alat ekspansi.
8. Alat ekspansi, berfungsi untuk mengatur jumlah refrigeran yang mengalir ke evaporator dan menurunkan tekanan refrigeran cair yang masuk ke evaporator sehingga refrigeran cair akan menguap dalam evaporator pada tekanan rendah.
Sistem refrigerasi dibagi ke dalam dua bagin berdasarkan pada tekanan kerja refrigeran yang terjadi, yaitu sisi tekanan tinggi dan sisi tekanan rendah. Pada sisi tekanan rendah, sistem ini terdiri atas alat ekspansi, evaporator dan saluran suction.
Tekanan yang digunakan oleh refrigeran pada bagian ini adalah tekanan rendah dimana refrigeran menguap di evaporator. Tekanan ini juga dikenal dengan istilah low side pressure, evaporator pressure, suction pressure atau back pressure. Pada sisi tekanan tinggi dari sistem terdiri atas kompresor, saluran discharge, kondensor, receiver tank dan saluran liquid. Tekanan yang dilakukan refrigeran pada bagian ini adalah tekanan tinggi dimana refrigeran mengembun di kondensor. Tekanan ini dinamakan juga condensing pressure, discharge pressure atau head pressure. Batas/ titik pembagi antara sisi tekanan tinggi dan sisi tekanan rendah adalah alat ekspansi , dimana tekanan refrigeran di turunkan dari tekanan kondensing ke tekanan penguapan.
B. Model siklus kompresi uap
Gambar 4.2 Model siklus kompresi uap
Model siklus kompresi uap ditunjukkan oleh Gambar 4.2, dimulai dari receiver tank, refrigeran cair yang bertemperatur tinggi dan tekanan tinggi mengalir dari receiver tank ke alat ekspansi melalui saluran liquid. Tekanan refrigeran cair di turunkan sampai mendekati tekanan evaporator ketika mengalir di alat ekspansi sehingga temperatur jenuh refrigeran ketika masuk evaporator akan lebih rendah dari temperatur ruangan yang didinginkan. Di dalam evaporator, refrigeran cair menguap pada kondisi tekanan dan temperatur konstan, di mana kalor yang diperlukan untuk menguapkan refigeran cair itu adalah kalor laten yang berasal dari ruangan yang didinginkan yang mengalir melalui dinding-dinding evaporator. Selanjutnya akibat kerja kompresi yang dilakukan kompresor, uap refrigeran ditarik dari evaporator melalui saluran suction ke dalam inlet suction dari kompresor.
Kondisi uap ketika meninggalkan evaporator adalah uap jenuh dan temperatur serta tekanannya sama dengan refrigeran cair ketika akan mulai menguap. Ketika refrigeran mengalir dari evaporator ke kompresor melalui saluran suction, biasanya menyerap kalor dari udara disekitar saluran suction sehingga wujudnya akan berubah menjadi uap panas lanjut. Walaupun temperatur uap refrigeran disaluran suction akan naik sebagai akibat dari panas lanjut tetapi tekanannya tidak mengalami perubahan, sehingga tekanan uap refrigeran ketika masuk ke kompresor adalah sama dengan tekanan penguapan di evaporator. Di dalam kompresor, temperatur dan tekanan uap refrigeran dinaikkan dengan kerja kompresi dan selanjutnya temperatur tinggi dan tekanan tinggi uap refrigeran disalurkan ke saluran hot gas melalui discharge kompresor. Uap refrigeran tekanan tinggi dan temperatur tinggi mengalir dari saluran hot gas ke kondensor, sehingga temperaturnya turun sampai mendekati temperatur saturasi dan tekanannya juga berubah. Di kondensor, uap refrigeran berubah wujud lagi menjadi cair sebagai akibat pelepasan kalor yang dilakukannya. Pada akhirnya semua refrigeran uap berubah menjadi refrigeran cair di bagian akhir kondensor dan selanjutnya mengalir ke receiver tank dan siap untuk disirkulasikan kembali.
C. Diagram tekanan-entalpi
Diagram yang sering digunakan dalam menganalisa siklus refrigerasi adalah diagram tekanan-entalpi (P-h) dan diagram temperatur-entropi (T-s). Kondisi refrigeran pada setiap keadaan termodinamika dapat diketahui dengan memberikan point (titik) pada Ph diagram. Titik yang diletakkan pada Ph diagram dapat menjelaskan kondisi termodinamika dari refrigeran jika telah diketahui dua properties refrigeran pada kondisi
itu. Untuk memudahkan pemahaman kita sebuah sketsa Ph diagram ditunjukkan oleh Gambar 4.3.
Gambar 4.3 Sketsa diagram tekanan- entalpi (Sumber: Dossat, 1961:91)
Diagram tersebut dibagi menjadi tiga bagian dimana setiap bagiannya dipisahkan oleh kurva cairan jenuh (saturated liquid) dan uap jenuh (saturated vapor).
Daerah pada bagian kiri kurva cairan jenuh disebut daerah cairan (subcooled). Setiap titik yang ditempatkan pada daerah cairan menunjukkan refrigeran dalam wujud cair dan temperaturnya di bawah temperatur saturasi yang berhubungan dengan tekanannya.
Daerah pada bagian kanan kurva uap jenuh disebut daerah panas lanjut (superheated) dan refrigeran dalam keadaan uap panas lanjut (superheated vapor). Daerah pada bagian tengah dari diagram, diantara kurva cairan jenuh dan uap jenuh adalah daerah yang menunjukkan perubahan fase refrigeran dari cair ke uap. Setiap titik yang terdapat pada daerah ini menunjukkan refrigeran dalam wujud campuran cair dan uap. Pada diagram dapat dilihat bahwa perubahan fase refrigeran dari wujud cair ke uap bergerak dari kiri ke kanan, begitu juga sebaliknya perubahan fase dari uap ke cair bergerak dari kanan ke kiri. Jika titik data campuran cair dan uap semakin dekat ke kurva cairan jenuh maka fase refrigeran hampir seluruhnya cair begitu juga sebaliknya jika semakin dekat dengan kurva uap jenuh maka fase refrigeran hampir semuanya berwujud uap.
Pada diagram Ph, besaran nilai tekanan terletak pada sumbu vertical dan nilai entalpi pada sumbu horizontal seperti ditunjukkan oleh Gambar 4.4. Sehingga, garis horizontal yang memotong luasan diagram sepanjang kurva adalah garis tekanan konstan dan garis vertical yang memotong luasan diagram adalah garis konstan entalpi.
Garis temperatur konstan pada daerah subcooled hampir tegak lurus dengan diagram
dan sejajar dengan garis entalpi konstan. Pada bagian tengah kurva, jika refrigeran berubah wujud pada temperatur dan tekanan konstan maka garis temperatur konstan akan sejajar dengan garis tekanan konstan. Pada daerah kurva uap jenuh, garis temperatur berubah arah lagi menuju ke bagian bawah dari diagram.
Gambar 4.4 Sketsa Ph diagram yang menunjukkan garis tekanan konstan, temperatur konstan, entalpi konstan, entropi konstan, volume konstan dan kualitas konstan.
(Sumber: Dossat, 1961:92)
D. Proses pendinginan
Gambar 4.5 Diagram Ph untuk siklus refrigerasi yang beroperasi pada temperatur penguapan 200F dan temperatur kondensasi 1000F. (Refrigeran-12).
(Sumber: Dossat, 1961:93)
Secara teoritis diasumsikan refrigeran mengalir meninggalkan evaporator dalam wujud uap dan masuk ke kompresor dalam wujud uap jenuh (pada tekanan dan temperatur penguapan) dan refrigeran cair mengalir meninggalkan kondensor lalu masuk kealat ekspansi dalam wujud cairan jenuh (pada tekanan dan temperatur kondensasi). Sebuah siklus refrigerasi sederhana untuk sistem yang menggunakan R-12 digambarkan pada sebuah Ph diagram dan ditunjukkan oleh gambar 4.5. Sistem ini diasumsikan beroperasi pada kondisi tekanan penguapan di evaporator sebesar 35,75 psia dan tekanan kondensasi di kondensor sebesar 131,6 psia. Titik A, B, C, D dan E pada diagram Ph berhubungan dengan titik data pada sistem refrigerasi yang ditunjukkan oleh Gambar 4.6. Pada titik A, refrigeran berada dalam wujud cairan jenuh di kondensor dan nilai tekanan, entalpi dan temperatur dapat langsung di ketahui dari Ph diagram.
Refrigeran setelah melewati katup ekspansi
Penguapan liquid
refrigeran
berakhir di sini Refrigeran tidak
mengalami
perubahan fase
Refrigeran tidak
Proses kondensasi
mengalami
mulai disini
perubahan fase
Gas panas lanjut
dari kompresor
Pengembunan refrigerant gas berakhir di sini
Gambar 4.6 Diagram alir dari siklus refrigerasi sederhana (Sumber: Dossat, 1961:94)
1. Proses ekspansi
Diasumsikan tidak terjadi perubahan kondisi refrigeran cair ketika mengalir melalui saluran liquid dari kondensor ke alat ekspansi dan kondisi refrigeran ketika akan masuk kealat ekspansi sama dengan kondisi refrigeran di titik A. Pada proses yang
ditunjukkan oleh titik A – B terjadi pada alat ekspansi dimana tekanan dari cairan diturunkan dari tekanan kondensasi ke tekanan evaporasi. Ketika cairan berekspansi ke dalam evaporator melalui orifice dari alat ekspansi, temperatur cairan turun dari temperatur kondensasi ke temperatur evaporasi dan wujud refrigeran cair berubah menjadi campuran uap dan cair. Titik A dan B mempunyai nilai kandungan panas yang sama karena terletak pada garis komstan entalpi, harganya 31,16 Btu/lb. Nilai 31,16 Btu/lb adalah kandungan panas refrigeran cair R-12 pada temperatur 1000 F sedangkan kandungan panas refrigeran cair pada temperatur 200 F adalah 12,55 Btu/lb (titik X).
Selisih B – X inilah yang mesti dibuang sebelum refrigeran masuk ke dalam evaporator.
2. Proses evaporasi
Garis horisontal B – C merupakan garis penguapan di dalam evaporator, refrigeran mengambil panas dari luar untuk menguapkan semua refrigeran cair yang ada di dalam evaporator. Titik C merupakan titik akhir penguapan dan titik awal kompresi, nilai hC = 80,49 Btu/lb. Selisih antara hB dengan hC adalah merupakan efek pendinginan (RE), yang besarnya 80,49 – 31,16 = 49,33 Btu/lb.
3. Proses kompresi
Pada gambar 4.5, Garis C – D menunjukkan proses kompresi, temperatur dan tekanan uap dari evaporator dinaikkan sampai mencapai temperatur dan tekanan kondensor, dengan asumsi tidak ada bocoran atau sisipan panas pada pipa penghubung evaporator dan kompresor. Titik D merupakan awal garis tekanan absolut yang senilai dengan temperatur kondensasi 1000 F. Titik ini terletak pada daerah panas lanjut (superheated). Letak titik D merupakan titik pertemuan antara perpanjangan garis tekanan 131,16 psia dengan konstan entropi dari titik C dan temperatur titik D mendekati 1120 F. Besarnya hD = 90,6 Btu/lb dan selisih hD dengan hC = 10,11 Btu/lb adalah jumlah panas yang ditambahkan kepada uap akibat kerja kompresi. Temperatur titik D merupakan temperatur teoritis, karena pada kenyataannya temperatur pada titik D lebih tinggi, lebih kurang 20 0F sampai 35 0F.
4. Proses kondensasi
Garis D – E merupakan garis superheat yang harus dibuang terlebih dahulu sebelum refrigeran mengalami proses kondensasi, besarnya adalah hD – hE = 90,6 – 88.62 = 1,98 Btu/lb. Panas lanjut 1,98 Btu/lb dibuang melalui dinding pipa keluar kompresor atau dari pipa-pipa bagian atas kondensor. Selama terjadi pengeluaran panas ini temperatur refrigeran turun sampai temperatur kondensasi (1000 F). Garis E – A
adalah garis kondensasi yang terjadi di dalam kondensor. Kondisi titik E = titik A, yaitu 1000 F/ 131,16 psia, kecuali entalpi dan wujudnya berbeda.
Untuk mencari koefisien kerja (Coefficient of Performance)dari suatu instalasi pendingin mesti diketahui dulu efek pendinginannya (RE) dan kerja kompresi.
Perbandingan efek pendinginan dengan kerjha kompresi adalah koefisien kerja (Coefficient of Performance, CoP). Kalau dibuat suatu persamaan :
CoP = efek pendinginan : kerja kompresi
Untuk mencari besarnya CoP itu kita mesti kembali ke diagram ph, dimana : CoP = (hC – hA) : (hD – hC)
CoP = 49,33 : 10,11 CoP = 4,88
Nilai CoP selalu lebih besar dari 1.
E. Pengaruh superheating refrigeran uap pada siklus refrigerasi
Gambar 4.7 Siklus diagram aliran superheated (Sumber: Dossat, 1961:107)
Pada siklus refrigerasi aktual terjadi deviasi dari siklus refrigerasi yang sedarhana.
Alasan untuk hal ini karena pada siklus refrigerasi sederhana dibuat beberapa asumsi yang sebenarnya tidak terdapat pada siklus refrigerasi aktual. Sebagai contoh, pada siklus refrigerasi sederhana penurunan tekanan (pressure drops) akibat aliran refrigeran yang mengalir pada pipa saluran, evaporator, kondensor dan sebagainya
diabaikan. Lebih lanjut pengaruh dari subcooling dan superheating tidak dipertimbangkan. Begitu juga kerja kompresi oleh kompresor diasumsikan sebagai proses isentropik. Pada siklus refrigerasi sederhana, diasumsikan refrigeran uap yang mengalir ke kompresor berada dalam wujud uap jenuh pada tekanan dan temperatur penguapan. Pada kenyataannya hal ini tidak selalu benar. Setelah refrigeran cair seluruhnya menguap di evaporator, kemudian menjadi dingin, biasanya uap jenuh akan terus menyerap kalor dan akhirnya menjadi uap panas lanjut sebelum ia mencapai kompresor, seperti ditunjukkan oleh Gambar 4.7.
Gambar 4.8 Ph diagram untuk perbandingan siklus satarusi dengan siklus superheated. (Sumber: Dossat, 1961:108)
Pada diagram Ph dalam Gambar 4.8 dilakukan perbandingan antara siklus saturasi dengan siklus superheated sehingga temperatur uap jenuh sebesar 20 0F berubah menjadi 70 0F. Titik A, B, C, D dan E menunjukkan siklus saturasi dan titik A, B, C‟, D‟ dan E menunjukkan siklus superheated. Jika penurunan tekanan refrigeran pada saluran suction diabaikan, ini berarti dapat diasumsikan bahwa tekanan uap refrigeran konstan selama proses superheating terjadi. Hal ini juga berarti bahwa setelah superheating, tekanan uap refrigeran di saluran hisap kompresor sama dengan tekanan penguapan di evaporator. Berdasarkan asumsi tersebut, titik C‟ dapat diletakkan pada Ph diagram dengan mengikuti garis tekanan konstan dari titik C di mana garis tekanan konstan tersebut akan berpotongan dengan garis temperatur konstan pada 70 0F. Titik D‟ dapat diketahui dengan cara mengikuti garis entropy konstan dari titik C‟ hingga berpotongan dengan garis tekanan konstan yang menunjukkan garis tekanan
kondensing. Pada Gambar 4.8, properties dari uap panas lanjut di titik C‟ dan D‟ dapat dilihat dalam Ph diagram yaitu sebagai berikut:
Titik C‟ : P = 35,75 psia, T = 70 0F, v = 1,260 ft3/lb , h = 88,6 Btu/lb.
0
Titik D‟ : P = 131,6 psia, T = 164 F, v = 0,380 ft3/lb, h = 99,2 Btu/lb.
Pada Ph diagram, proses C – C‟ menunjukkan superheating refrigeran uap dari 20 0F menjadi 70 0F pada tekanan penguapan dan perbedaan entalpi pada titik ini adalah jumlah panas yang diperlukan untuk mencapai superheat untuk setiap pon refrigeran. Berdasarkan hasil perbandingan dari kedua siklus tersebut, ada beberapa hal yang menarik untuk diamati, yaitu:
1. Panas kompresi untuk siklus superheated lebih besar daripada untuk siklus saturasi.
Untuk siklus superheated panas kompresinya adalah hD‟ – hC‟ = 99,2 – 88,6 = 10,6 Btu/lb. Sedangkan untuk siklus saturasi panas kompresinya adalah hD – hC = 90,6 – 80,49 = 10,11 Btu/lb.
2. Untuk temperatur dan tekanan kondensing yang sama, temperatur uap refrigeran yang keluar dari kompresor untuk siklus superheated lebih tinggi daripada untuk siklus saturasi. Pada kasus ini temperaturnya adalah 164 0F untuk siklus superheated dan 112 0F untuk siklus saturasi.
3. Untuk suiklus superheated, jumlah panas yang harus dilepaskan oleh kondensor lebih besar daripada untuk siklus saturasi. Hal ini terjadi karena adanya tambahan panas yang diserap oleh uap refrigeran sebelum ia mengalami superheated dan juga karena adanya kenaikan pada panas kompresi. Untuk siklus superheated, panas yang harus dilepaskan kondensor adalah hD‟ – hA = 99,2 – 31,16 = 68,04 Btu/lb dan untuk siklus saturasi panas yang harus dilepaskan oleh kondensor adalah hD – hA = 90,6 – 31,16 = 59,44 Btu/lb.
Sebagai catatan juga bahwa tambahan panas yang harus dilepaskan kondensor pada siklus superheated adalah semuanya panas laten. Jumlah panas laten yang harus dikeluarkan kondensor adalah sama untuk kedua siklus ini. Ini berarti bahwa pada siklus superheated, sejumlah panas sensibel yang harus dilepaskan kondensor ke media pendinginnya adalah sebelum proses kondensasi dimulai.
F. Pengaruh subcooling refrigerant cair pada siklus refrigerasi
Pada Ph diagram yang ditunjukkan oleh Gambar 4.9, dilakukan pembandingan pada siklus saturasi sederhana dengan temperatur kondensing 100 0F dan temperatur
kondensing yang mengalami subcooling hingga mencapai temperatur 80 0F, sebelum refrigeran cair mengalir ke alat ekspansi. Titik A, B, C, D dan E menunjukkan siklus saturasi dan titik A‟, B‟, C, D dan E menunjukkan siklus subcooled. Telah dijelaskan sebelumnya bahwa ketika refrigeran cair yang didinginkan sebelum ia mengalir ke alat ekspansi maka efek refrigrasi yang terjadi akan meningkat. Pada Gambar 4.9, peningkatan efek refrigrasi hasil dari pendinginan lanjut (subcooling) berbeda antara hB‟ dan hB begitu juga halnya dengan hA‟ dan hA. Panas yang dibuang oleh refrigeran cair selama proses subcooling adalah:
Untuk siklus saturasi, q1 = hC – hA = 80,49 – 31,16 = 49,33 Btu/lb. Untuk siklus subcooling, q1 = hC – hA‟ = 80,49 – 26,28 = 54,21 Btu/lb.
Karena besarnya efek refrigerasi, maka banyaknya refrigeran yang disirkulasikan per menit per ton akan lebih sedikit untuk siklus subcooled daripada untuk siklus saturasi.
Untuk siklus saturasi, m = 200/49,33 = 4,05 lb Untuk siklus subcooling, m = 200/54,21 = 3,69 lb.
Gambar 4.9 Ph diagram untuk perbandingan siklus satarusi dengan siklus subcooled. (Sumber: Dossat, 1961:113)
Kondisi refrigeran uap ketika mengalir ke kompresor adalah sama untuk kedua siklus. Oleh karena itu volume spesifik refrigeran uap ketika masuk ke kompresor juga sama, dan jika jumlah refrigeran yang disirkulasikan per menit per ton untuk siklus subcooled lebih sedikit daripada untuk siklus saturasi, maka besarnya volume refrigeran uap yang harus ditanggulangi oleh kompresor juga akan lebih sedikit untuk siklus subcooled daripada untuk siklus saturasi.
Untuk siklus saturasi:
Volume spesifik refrigeran uap, vc = 1,121 ft3/lb. Volume refrigeran uap yang di tanggulangi kompresor: V = m x vc = 4,05 x 1,121 = 4,55 ft3/min
Untuk siklus subcooled:
Volume spesifik refrigeran uap, vc = 1,121 ft3/lb. Volume refrigeran uap yang di tanggulangi kompresor: V = m x vc = 3,69 x 1,121 = 4,15 ft3/min.
Karena volume refrigeran uap yang di tanggulangi oleh kompresor untuk siklus subcooled lebih sedikit, maka daya yang dibutuhkan oleh kompresor juga akan lebih kecil daripada untuk siklus saturasi. Selain itu koefisien unjuk kerja (CoP) yang dihasilkan pada siklus subcooled lebih besar daripada siklus saturasi.
BAB V
PSYCHROMETRIC
A. Definisi Psychrometric
Psychrometrics adalah ilmu yang mempelajari sifat-sifat (properties) udara. Pada bidang teknik tata udara, psychrometrics meliputi pengukuran dan menghitung sifat- sifat udara luar dan udara yang ada di dalam ruangan bangunan yang dikondisikan.
Psychrometrics juga digunakan untuk mencari kondisi udara yang pasti akan lebih nyaman dalam ruangan yang dikondisikan. Grafik psychrometrics seperti ditunjukkan oleh Gambar 5.1, merupakan alat penyederhana dalam pengukuran sifat-sifat udara dan mengurangi beberapa perhitungan rumit ketika mencari sifat-sifat udara. Industri pembuat alat tata udara (AC) akan mempunyai bentuk grafik yang sedikit berlainan, yang mungkin disebabkan berlainan lokasi tempat informasi didapat. Namun demikian, tetap mempunyai dasar yang sama bahwa grafik psychrometrics merupakan sebuah grafik sederhana yang mewakili kondisi atau sifat-sifat udara. Sifat-sifat udara tersebut seperti: temperatur, kandungan uap air di udara (humidity) dan titik kondensasi yang biasa disebut titik pengembunan (dewpoint).
Gambar 5.1 Grafik psychrometric
Bagian-bagian yang biasa digunakan dalam hubungannya dengan grafik psychrometric yaitu:
1. Temperatur kering atau dry-bulb temperature (db) adalah temperatur udara yang diukur dengan menggunakan thermometer biasa, yaitu thermometer rumah tangga.
2. Temperatur basah atau wet-bulb temperature (wb) adalah temperatur udara luar yang diukur dengan menggunakan thermometer biasa berselubung kain basah pada ujung lancipnya. Temperatur dicatat setelah thermometer digoyang secara cepat (diputar) di udara. Sebuah thermometer disebut thermometer basah karena ujung lancipnya dibasahi dengan cara membungkus dengan kain yang dicelupkan ke dalam air. Thermometernya sama dengan thermometer kering. Untuk mengukur temperatur kering atau basah biasa digunakan psychrometer ayun (sling psychrometer). Hasil pengukuran thermometer basah biasanya lebih kecil dibandingkan dengan hasil pengukuran thermometer kering. Perbedaan temperatur kering dan basah tergantung pada jumlah uap air yang ada di dalam udara. Jika kandungan uap air tinggi, penguapan yang terjadi di kain basah menjadi rendah.
Akibatnya panas yang dipindahkan menjadi sedikit dan temperatur basah menjadi tinggi. Jika kandungan uap air di udara rendah, berarti udara itu kering dan dapat dengan segera mengambil uap air. Oleh karena itu penguapan pada kain basah terjadi dengan cepat dan panas yang dipindahkan dalam jumlah yang lebih besar.
Hal ini akan menyebabkan permukaan thermometer basah jadi cepat sejuk. Sebagai hasilnya, hasil pembacaan yang didapat akan lebih rendah dibanding udara yang mempunyai kandungan uap air tinggi. Udara kering atau udara yang mengandung uap air rendah mempunyai temperatur basah yang rendah. Udara lembab atau udara berkandungan uap air tinggi mempunyai temperatur basah yang tinggi. Bila kandungan uap air mencapai 100 % atau relatif humidity mencapai 100 % maka temperatur basah akan sama besarnya dengan temperatur kering. Hal tersebut dapat dilihat dengan mudah di grafik psychrometrics. Pada kondisi seperti ini penguapan terhenti sebab udara tak mampu lagi mengambil uap air. Oleh karena itu, tidak mungkin mengeluarkan panas penguapan dari kain basah pada thermometer basah sehingga kedua thermometer akan memberikan hasil yang sama.
3. Kandungan uap air relatif atau Relativ Humidity (RH) adalah jumlah uap air yang ada dalam udara dibandingkan dengan jumlah uap air maksimum yang dapat dimiliki oleh udara pada kondisi yang sama (temperatur dan tekanannya sama).
4. Tetes uap air atau grains of moisture adalah ukuran yang digunakan untuk menghitung jumlah uap air yang ada di udara.
5. Temperatur titik pengembunan atau dewpoint temperature (dp)adalah temperatur saat uap air mulai mengembun pada suatu permukaan.
Dalam hubungannya dengan grafik psychrometrics, bagian-bagian ini dapat bercerita banyak tentang kondisi udara, misalnya :
a. Jika temperatur kering dan temperatur basah sudah diketahui maka kandungan uap air relatif dapat dibaca di grafik.
b. Jika temperatur kering dan kandungan uap air relatif sudah diketahui, maka temperatur basah dapat dicari.
c. Jika temperatur basah dan kandungan uap air relatif diketahui maka temperatur kering dapat dicari.
d. Jika temperatur kering dan temperatur basah sudah diketahui, maka temperatur pengembunan dapat dicari.
e. Jika temperatur basah dan kandungan uap air relatif diketahui, maka temperatur pengembunan dapat dicari.
f. Jika temperatur kering dan kandungan uap air relatif diketahui, maka temperatur pengembunan dapat dicari.
Tetes uap air di udara dapat dicari dari tiap kombinasi sebagai berikut : 1) Temperatur kering dan kandungan uap air relatif (RH)
2) Temperatur kering dan temperatur pengembunan 3) Temperatur basah dan kandungan uap air relatif (RH) 4) Temperatur basah dan temperatur pengembunan 5) Temperatur kering dan temperatur basah
6) Titik pengembunan
B. Letak Garis dan Skala Pada Grafik
Ilustrasi pada Gambar 5.2 membantu para pembaca untuk mengetahui letak garis dan skala pada grafik psychrometric. Gambar grafik seperti sebuah sepatu dengan jari kaki (toe) disebelah kiri dan tumit (heel) di sebelah kanan. Pada Gambar 5.3 ditunjukkan skala garis temperatur kering dan basah. Skala temperatur kering (dry-bulb temperature scale) membentang sepanjang alas (sole) dari jari kaki (toe) sampai tumit (heel). Garis temperatur kering berdiri tegak dari alas (sole) ke satu garis mewakili tiap
derajat temperatur dan skala temperatur basah (wet-bulb scale) membentang sepanjang pergelangan kaki (instep) ke puncak sepatu. Garisnya membentang secara diagonal ke bawah menuju alas (sole) dan belakang sepatu satu garis satu derajat temperatur.
Gambar 5.2 Ilustrasi Grafik psychrometric
Gambar 5.3 Garis temperatur kering dan basah
Pada Gambar 5.4 ditunjukkan garis skala temperatur kondensasi dan kandungan uap air relatif. Skala titik kondensasi atau titik pengembunan adalah sama dengan skala temperatur basah (wet-bulb scale). Garis titik pengembunan membentang secara horizontal ke bagian belakang sepatu, satu garis satu derajat temperatur. Garis kandungan uap air relatif berlokasi sepanjang sisi sepatu dan sejajar dengan garis pergelangan kaki (instep). Garis pergelangan kaki (instep) merupakan garis kandungan uap air relatif 100%.
Gambar 5.4 Garis temperatur kondensasi dan kanduangan uap air relatif
Skala tetes uap air berada di sepanjang bagian belakang sepatu, mulai dari bawah sampai ke atas. Letak garisnya sama dengan garis pengembunan.
Gambar 5.5 Garis tetes uap air (grains of moisture)
C. Hubungan antara Bagian-bagian Psychrometric
Contoh berikut menggambarkan hubungan antar bagian pada psychrometric.
Setiap contoh langsung berhubungan dengan grafik psychrometrics. Oleh karena itu, grafik seharusnya selalu digunakan untuk memperjelas persoalan.
Contoh 1: Temperatur kering, temperatur basah kandungan uap air relatif (RH) Diketahui : Temperatur kering 78 0F
Temperatur basah 65 0F Carilah : Kandungan uap air relatif (RH)
Jawab: ikuti langkah penyelesaiannya dan perhatikan ilustrasi pengerjaannya pada Gambar 5.6.
1. Plot 78 F pada skala temperatur kering, yaitu bagian bawah grafik
2. Dari titik 78 F tarik garis tegak lurus ke atas sehingga memotong kurva pergelangan kaki (instep).
3. Dari titik itu, ikuti kurva ke arah menurun sampai pada titik 65 F (skala temperatur basah).
4. Tarik garis sejajar dengan garis temperatur basah sampai memotong garis 78 F.
5. Dari titik itu didapat garis kurva, garis kandungan uap air relatif yang sesuai yaitu 50%.
6. Jadi kandungan uap air relatif (RH) untuk 78F db dan 65 F wb adalah 50%.
Gambar 5.6 Cara menentukan kandungan uap air relatif (RH)
Contoh 2: Temperatur kering, kandungan uap air relatif (RH) temperatur basah Diketahui : Temperatur kering 78 F
Kandungan uap air (RH) 50%
Carilah : Temperatur basah
Jawab: ikuti langkah penyelesaiannya dan perhatikan ilustrasi pengerjaannya pada Gambar 5.7.
1. Plot 78 F pada skala temperatur kering, yaitu bagian bawah grafik
2. Dari titik 78 F tarik garis tegak lurus ke atas sehingga memotong garis RH 50%.
3. Letak titik temperatur basah adalah pada titik pertemuannya.
4. Ikuti garis diagonal ke arah kiri atas dan memotong kurva pergelangan kaki.
5. Disitulah letak titik temperatur basah, yaitu sebesar 65 F.
Gambar 5.7 Cara menentukan temperatur basah
Contoh 3: Temperatur basah, kandungan uap air relatif (RH) temperatur kering Diketahui : Temperatur basah 65 F
Kandungan uap air (RH) 50%
Carilah : Temperatur kering
Jawab: ikuti langkah penyelesaiannya dan perhatikan ilustrasi pengerjaannya pada Gambar 5.8.
1. Tetapkan titik 65 F pada skala temperatur basah.
2. Tarik garis diagonal ke bawah sampai memotong garis RH 50%.
3. Tarik garis tegak lurus dari atas ke bawah melalui titik potong pada no. 2 sampai memotong garis skala temperatur kering.
4. Didapat titik potongnya pada 78 F.
Gambar 5.8 Cara menentukan temperatur kering
Contoh 4: Temperatur kering, temperatur basah temp. pengembunan Diketahui : Temperatur kering 78 F
Temperatur basah 65 F
Carilah : Temperatur pengembunan (dewpoint)
Jawab: ikuti langkah penyelesaiannya dan perhatikan ilustrasi pengerjaannya pada Gambar 5.9.
1. Carilah titik potong 78 F db dengan 65 F wb.
2. Tarik garis horizontal ke kiri sampai memotong kurva pergelangan kaki (instep).
3. Didapat titik temperatur pengembunan (dewpoint) 58 F.
Gambar 5.9 Cara menentukan temperatur pengembunan kesatu
Contoh 5: Temperatur basah, kandungan uap air relatif (RH) temp. pengembunan Diketahui : Temperatur basah 65 F
Kandungan uap air (RH) 50%
Carilah : Temperatur pengembunan (dewpoint)
Jawab: ikuti langkah penyelesaiannya dan perhatikan ilustrasi pengerjaannya pada Gambar 5.10.
1. Cari titik 65 F pada skala temperatur basah.
2. Ikuti garis diagonal ke bawah, mulai dari titik 65 F sampai memotong garis RH 50%.
3. Dari titik perpotongan no. 2, tarik garis horizontal, yaitu garis pengembunan (dewpoint).
4. Garis di atas memotong kurva di sebelah kiri pada titik 58 F.
5. Garis perpotongan itu adalah temperatur pengembunan yaitu 58 F.
Gambar 5.10 Cara menentukan temperatur pengembunan kedua
Seperti ditunjukkan pada contoh 3 temperatur basah 65 F dan RH 50% akan menghasilkan temperatur kering 78 F, dengan kondisi yang sama, dapat digunakan untuk mencari lebih banyak lagi kondisi lain. Lebih jauh, temperatur basah dan kandungan uap air relatif telah digunakan untuk mencari temperatur kering dan temperatur pengembunan.
Contoh 6: Temperatur kering, kandungan uap air relatif (RH) temp. pengembunan Diketahui : Temperatur kering 78 F
Kandungan uap air (RH) 50%
Carilah : Temperatur pengembunan (dewpoint)
Jawab: ikuti langkah penyelesaiannya dan perhatikan ilustrasi pengerjaannya pada Gambar 5.11.
1. Cari titik perpotongan 78 F db dengan 50% RH.
2. Tarik garis horizontal ke kiri, sampai memotong kurva.
3. Titik perpotongannya yaitu 58 F adalah temperatur pengembunan.
Gambar 5.11 Cara menentukan temperatur pengembunan ketiga
Seperti ditunjukkan pada contoh 2 temperatur kering 78 F db dan RH 50% akan menghasilkan temperatur basah 65 F wb, dengan kondisi yang sama dapat digunakan untuk mencari lebih dari satu kondisi tambahan lainnya. Lebih jauh, temperatur kering dan kandungan uap air relatif telah digunakan untuk mencari temperatur basah dan temperatur pengembunan.
Contoh 7 : Temperatur kering, temperatur basah jumlah tetes air Diketahui : Temperatur kering 78 F
Temperatur basah 65 F
Carilah : Jumlah tetes air (grains of moisture)
