ANALISIS PENGARUH PANJANG PIPA KAPILER TERHADAP KARAKTERISTIK WATER CHILLER
SKRIPSI
Untuk memenuhi sebagian persyaratan
mencapai derajat Sarjana Teknik di bidang Teknik Mesin
Oleh :
GIVRAN NOVENDREI NIM : 165214053
PRORAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA
2020
ANALYSIS INFLUENCE CAPILLARY PIPE LENGTH TO CHARACTERISTICS ON AC WATER CHILLER
FINAL PROJECT
As partial fulfillment of the requirement
to obtain the Sarjana Teknik degree in Mechanical Engineering
By :
GIVRAN NOVENDREI
Student Number : 165214053
MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT
SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY SANATA DHARMA UNIVERSITY
YOGYAKARTA
2020
iii
ANALISIS PENGARUH PANJANG PIPA KAPILER TERHADAP KARAKTERISTIK WATER CHILLER
Disusun oleh :
GIVRAN NOVENDREI NIM:165214053
Telah disetujui oleh : Dosen Pembimbing Skripsi
Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T.
iv
ANALISIS PENGARUH PANJANG PIPA KAPILER TERHADAP KARAKTERISTIK WATER CHILLER
Dipersiapkan dan disusun Oleh : NAMA : GIVRAN NOVENDREI NIM : 165214053
Telah dipertahankan di depan Dewan Penguji Pada tanggal 17 Juli 2020
Susunan Dewan Penguji
Nama Lengkap Tanda Tangan
Ketua Dr. Yohanes Baptista Lukiyanto ………..
Sekretaris Yosef Agung Cahyanta S.T., M.T. ………..
Anggota Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T. ………..
Skripsi ini telah diterima sebagai salah satu persyaratan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik
Yogyakarta, 17 Juli 2020 Fakultas Sains dan Teknologi
Universitas Sanata Dharma Dekan,
Sudi Mungkasi, S.Si., M.Math.Sc., Ph.D.
v
PERNYATAAN KEASLIAN KARYA
Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam Skripsi ini tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu Perguruan Tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.
Yogyakarta, 17 Juli 2020
Givran Novendrei
vi
LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS
Yang bertanda tangan di bawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma :
Nama : Givran Novendrei
Nomor Mahasiswa : 165214053
Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah yang berjudul :
Analisis Pengaruh Panjang Pipa Kapiler terhadap Karakteristik Water
Chiller
Beserta perangkat yang diperlukan. Dengan demikian saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma hak untuk menyimpan, mengalihkan dalam bentuk media lain, mengolahnya di internet atau media lain untuk kepentingan akademis tanpa perlu ijin dari saya maupun memberikan royalti kepada saya selama tetap menyantumkan nama saya sebagai penulis.
Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya.
Yogyakarta, 17 Juli 2020 Yang menyatakan,
Givran Novendrei
vii
ABSTRAK
Saat ini mesin pendingin udara sangat berperan penting bagi masyarakat.
Pada negara beriklim tropis mesin pendingin udara dapat digunakan untuk mengkondisikan udara. Water chiller merupakan salah satunya yang dapat digunakan untuk mengkondisikan suhu udara pada suatu ruangan. Tujuan dari penelitian ini adalah : (a) merancang dan merakit water chiller yang bekerja dengan siklus kompresi uap, (b) mengetahui karakteristik water chiller yang telah dibuat : (1) nilai Win, (2) nilai Qin, (3) nilai Qout, (4) nilai COPaktual, (5) nilai COPideal, (6) efisiensi, (7) laju aliran massa (ṁ).
Penelitian ini dilakukan secara eksperimen di Laboratorium Teknik Mesin, Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta. Dalam penelitian ini dirancang dan dirakit water chiller dengan komponen-komponen utama yang tersusun atas : kompresor berdaya ¾ PK, kondensor dengan pendingin udara, pipa kapiler, dan evaporator jenis pipa bersirip. Refrigeran yang digunakan adalah R-22. Variasi pada penelitian ini adalah panjang pipa kapiler, pipa kapiler yang digunakan yaitu : 130 cm, 150 cm, dan 180 cm.
Dari hasil penelitian diperoleh : (a) mesin pendingin water chiller dapat bekerja dengan baik, (b) Karakteristik yang dimiliki water chiller sebagai berikut : (1) nilai Win tertinggi sebesar 48,20 kJ/kg pada panjang pipa kapiler 180 cm, (2) nilai Qin tertinggi sebesar 136,60 kJ/kg pada panjang pipa kapiler 180 cm, (3) nilai Qout tertinggisebesar 184,80 kJ/kg pada panjang pipa kapiler 180 cm, (4) nilai COPaktual tertinggi sebesar 2,83 kJ/kg pada panjang pipa kapiler 180 cm, (5) nilai COPideal tertinggisebesar 4,01 kJ/kg pada panjang pipa kapiler 180 cm, (6) nilai efisiensi tertinggi sebesar 73,35 % pada panjang pipa kapiler 180, (7) laju aliran massa refrigeran (ṁ) sebesar 0,00913 kg/s pada panjang pipa kapiler 180 cm.
Kata kunci : water chiller, siklus kompresi uap, pipa kapiler, refrigeran.
viii
ABSTRACT
At this time air conditioning machine is very important role for the community. In tropical countries, air conditioning machines can be used to condition the air. Water chiller is one of them that can be used to condition the air temperature in a room. The purpose of this study is: (a) designing and assembling a water chiller that works with a steam compression cycle, (b) knowing the characteristics of the water chiller that has been made: (1) the Win value, (2) the Qin value, (3) the Qout value, (4) COPactual value, (5) COPideal value, (6) efficiency, (7) mass flow rate (ṁ).
This research was conducted experimentally at the Mechanical Engineering Laboratory of Sanata Dharma University, Yogyakarta. In this study a water chiller was designed and assembled with the main components composed of: ¾ PK-powered compressor, air-cooled condenser, capillary pipe, and finned pipe type evaporator. The refrigerant used is R-22. Variations in this study are the length of capillary tubes, capillary pipes used are: 130 cm, 150 cm, and 180 cm.
From the research results obtained: (a) the water chiller cooling machine can work well, (b) The characteristics of the water chiller are as follows: (1) the highest Win value is 48,20 kJ/kg on capillary pipe length 180 cm, (2) the highest Qin value is 136,60 kJ/kg on capillary pipe length 180 cm, (3) the highest Qout
value is 184,80 kJ/kg on capillary pipe length 180 cm, (4) highest COPactual value of 2,83 kJ/kg on capillary pipe length 180 cm, (5) the highest COPideal value of 4,01 kJ/kg at capillary pipe length 180 cm, (6) the highest efficiency value of 73,35 % at capillary pipe length 180, (7) refrigerant mass flow rate (ṁ) of 0,00913 kg/s at 180 cm capillary pipe length.
Keywords : water chiller, vapor compression cycle, capillary pipes, refrigerant.
ix
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas limpahan rahmatNya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini dengan baik dan tepat pada waktunya.
Skripsi ini merupakan salah satu syarat wajib bagi setiap mahasiswa Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma, untuk mendapatkan gelar Sarjana Teknik di bidang Teknik Mesin.
Berkat bimbingan, nasehat, dan doa yang diberikan oleh berbagai pihak, akhirnya penulis dapat menyelesaikan skripsi ini dengan baik. Oleh karena itu, dengan segala kerendahan hati dan ketulusan, penulis mengucapkan terima kasih sebesar-besarnya kepada :
1. Sudi Mungkasi, S.Si., M.Math.Sc., Ph.D., selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta.
2. Budi Setyahandana, S.T., M.T., selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta.
3. Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T., selaku Dosen Pembimbing Skripsi dan sekaligus sebagai Dosen Pembimbing Akademik.
4. I Made Wicaksana Ekaputra, Dr., Eng., selaku Kepala Laboratorium Energi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta.
5. T Budi Purwanto dan T Cici Prasetyawati, selaku orang tua yang selalu memberi semangat dan dorongan baik secara materi maupun spiritual.
x
6. Seluruh Dosen Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta atas semua ilmu yang telah diberikan kepada penulis selama perkuliahan.
7. Seluruh Tenaga Kependidikan Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, yang telah membantu penulis selama perkuliahan hingga selesainya penulisan skripsi ini.
8. Yohanes Albert Pratama, Givran Novendrei, Maximillian Adi.S, Enggie Kurniawan, Antonius Prasika, Anggi Rinanda dan Gregorius Lexwari selaku teman satu tim dalam pembuatan alat.
9. Semua teman-teman Teknik Mesin dan pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu yang telah memberikan batuan moril maupun materi sehingga proses penyelesaian skripsi ini berjalan dengan baik.
Akhir kata, penulis menyadari bahwa penulisan skripsi ini tidaklah sempurna, karena tidak ada gading yang retak sehingga kritik dan saran yang membangun dari pembaca sangat diharapkan demi penyempurnaan skripsi ini dikemudian hari.
Akhirnya, besar harapan penulis agar skripsi ini dapat bermanfaat bagi kita semua.
Yogyakarta, 17 Juli 2020 Penulis
Givran Novendrei
xi DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ... i
TITLE PAGE ... ii
HALAMAN PERSETUJUAN ... iii
HALAMAN PENGESAHAN ... iv
PERNYATAAN KEASLIAN KARYA ... v
LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS ... vi
ABSTRAK ... vii
ABSTRACT ... viii
KATA PENGANTAR ... ix
DAFTAR ISI ... xi
DAFTAR GAMBAR ... xv
DAFTAR TABEL ... xix
BAB 1 PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Rumusan Masalah... 2
1.3 Tujuan Penelitian ... 3
1.4 Batasan Masalah ... 4
xii
1.5 Manfaat Penelitian ... 5
1.6 Luaran Penelitian ... 5
BAB 2 DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA ... 6
2.1 Dasar Teori ... 6
2.1.1 Prinsip Kerja Mesin ... 6
2.1.2 Siklus Kompresi Uap ... 7
2.1.2.1 Rangkaian Siklus Kompresi Uap ... 7
2.1.2.2 Siklus Kompresi Uap pada Diagram P-h dan Diagram T-s ... 8
2.1.2.3 Perhitungan pada Siklus Kompresi Uap ... 12
2.1.2.4 Komponen komponen Siklus Kompresi Uap ... 16
2.1.3 Psychrometric Chart ... 26
2.1.3.1 Parameter-parameter Udara pada Psychrometric Chart ... 26
2.1.3.2 Proses-proses yang terjadi pada Udara dalam Psychrometric Chart ... 29
2.1.3.3 Proses-proses Udara yang Terjadi pada Mesin Water Chiller pada Psychrometric Chart ... 34
2.2 Tinjauan Pustaka ... 37
BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN... 40
3.1 Objek Penelitian ... 40
3.2 Bahan, Komponen, Alat Ukur, dan Perakitan Mesin Water Chiller ... 41
xiii
3.2.1 Bahan dan Alat-alat Bantu... 41
3.2.2 Komponen Mesin ... 47
3.2.3 Alat Ukur ... 53
3.2.4 Perakitan Water Chiller ... 58
3.2.5 Proses Pengisian Refrigeran ... 59
3.3 Alur Penelitian ... 61
3.4 Metode Penelitian ... 62
3.5 Variasi Penelitian ... 62
3.6 Skematik Pengambilan Data ... 62
3.7 Cara Pengambilan Data ... 64
3.8 Cara Mengolah Data ... 66
3.9 Cara Melakukan Pembahasan ... 67
3.10 Cara Membuat Kesimpulan dan Saran ... 68
BAB 4 HASIL PENELITIAN, PERHITUNGAN, DAN PEMBAHASAN ... 69
4.1Hasil Penelitian ... 69
4.2 Perhitungan dan Pengolahan Data ... 71
4.2.1 Diagram P-h... 71
4.2.2 Perhitungan pada Diagram P-h ... 73
4.2.3 Psychrometric Chart ... 76
4.3 Pembahasan ... 77
xiv
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN ... 84
5.1 Kesimpulan ... 84
5.2 Saran ... 85
DAFTAR PUSTAKA ... 87
LAMPIRAN ... 88
xv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Prinsip Dasar Kerja Mesin Pendingin ... 6
Gambar 2.2 Rangkaian Komponen Utama Siklus Kompresi Uap ... 8
Gambar 2.3 Siklus Kompresi Uap pada Diagram P-h ... 9
Gambar 2.4 Siklus Kompresi Uap pada Diagram T-s... 9
Gambar 2.5 Kompresor Open Type ... 17
Gambar 2.6 Kompresor Sentrifugal ... 18
Gambar 2.7 Kompresor Scroll ... 18
Gambar 2.8 Kompresor Sekrup... 19
Gambar 2.9 Kompresor Semi Hermetik... 20
Gambar 2.10 Kompresor Hermetik ... 20
Gambar 2.11 Natural Draught Condensor ... 22
Gambar 2.12 Force Draught Condenser ... 22
Gambar 2.13 Evaporator Jenis Pipa dengan Sirip ... 23
Gambar 2.14 Evaporator Jenis Pipa dengan Jari-jari Penguat ... 24
Gambar 2.15 Evaporator Jenis Plat ... 24
Gambar 2.16 Pipa Kapiler ... 25
Gambar 2.17 Kipas... 25
Gambar 2.18 Filter Dryer ... 26
Gambar 2.19 Psychrometric Chart ... 27
Gambar 2.20 Proses-proses yang Terjadi pada Udara Dalam Psychrometric Chart ... 29
xvi
Gambar 2.21 Proses Cooling and Dehumidifying ... 30
Gambar 2.22 Proses Sensible Heating ... 30
Gambar 2.23 Proses Evaporative Cooling ... 31
Gambar 2 24 Proses Sensible Cooling ... 32
Gambar 2.25 Proses Humidifying ... 32
Gambar 2.26 Proses Dehumidifying ... 33
Gambar 2.27 Proses Heating and Dehumidifying ... 33
Gambar 2.28 Proses Heating and Humidifying ... 34
Gambar 2.29 Proses Pengkondisian Udara dengan Mesin Water Chiller ... 35
Gambar 2.30 Proses Pengkondisian Udara dengan Water Chiller pada Psychrometric Chart ... 36
Gambar 3.1 Skematik Mesin Water Chiller ... 40
Gambar 3.2 Kayu dan Triplek ... 42
Gambar 3.3 Besi L ... 42
Gambar 3.4 Paku ... 42
Gambar 3.5 Bak Penampung Air Dingin ... 44
Gambar 3.6 Refrigeran R-22 ... 44
Gambar 3.7 Gergaji Besi dan Kayu ... 45
Gambar 3.8 Tube Expander ... 46
Gambar 3.9 Alat Las Hi Cook ... 46
Gambar 3.10 Kompresor Rotary ... 48
Gambar 3.11 Kondensor ... 48
Gambar 3.12 Evaporator 1 ... 49
xvii
Gambar 3.13 Pipa Kapiler ... 50
Gambar 3.14 Evaporator 2 ... 50
Gambar 3.15 Kipas... 52
Gambar 3.16 Pompa Air Submersible ... 53
Gambar 3.17 Termokopel dan Penampil Suhu Digital ... 54
Gambar 3.18 Hygrometer... 54
Gambar 3.19 Stopwatch ... 55
Gambar 3.20 Pressure Gauge ... 55
Gambar 3.21 Tang Ampere ... 56
Gambar 3.22 Gelas Ukur... 56
Gambar 3.23 Tachometer ... 57
Gambar 3.24 Anemometer ... 57
Gambar 3.25 Skema Alur Penelitian ... 61
Gambar 3.26 Posisi Ulat Ukur ... 62
Gambar 4.1 Siklus Kompresi Uap pada Diagram P-h R22 Untuk Panjang Pipa Kapiler 180 cm ... 72
Gambar 4.2 Pengkondisian Udara dengan Water Chiller pada Psychrometric Chart untuk Panjang Pipa Kapiler 180 cm ... 76
Gambar 4.3 Perbandingan Nilai Win untuk Tiga Variasi ... 77
Gambar 4.4 Perbandingan Nilai Qin untuk Tiga Variasi ... 78
Gambar 4.5 Perbandingan Nilai Qout untuk Tiga Variasi ... 79
Gambar 4.6 Perbandingan Nilai COPaktual untuk Tiga Variasi ... 80
Gambar 4.7 Perbandingan Nilai COPideal untuk Tiga Variasi ... 81
xviii
Gambar 4.8 Perbandingan Nilai η untuk Tiga Variasi ... 82
Gambar 4.9 Perbandingan Nilai ṁ untuk Tiga Variasi ... 82
Gambar L.1 Water Chiller Tampak Depan ... 88
Gambar L.2 Water Chiller Tampak Samping ... 88
Gambar L.3 Diagram P-h pada variasi panjang pipa kapiler 130 cm ... 89
Gambar L.4 Diagram P-h pada variasi panjang pipa kapiler 150 cm ... 89
Gambar L.5 Psychrometric Chart pada variasi panjang pipa kapiler 130 cm ... 89
Gambar L.6 Psychrometric Chart pada variasi panjang pipa kapiler 150 cm ... 89
xix
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1 Variasi Panjang Pipa Kapiler. ... 62
Tabel 3.2 Tabel Pengambilan Data ... 67
Tabel 4.1 Data Hasil Penelitian dengan Panjang Pipa Kapiler 130 cm ... 70
Tabel 4.2 Data Hasil Penelitian dengan Panjang Pipa Kapiler 150 cm ... 70
Tabel 4.3 Data Hasil Penelitian dengan Panjang Pipa Kapiler 180 cm ... 70
Tabel 4.4 Besar Nilai Temperatur Kerja Evaporator (Tevap) dan Kondensor (Tkond) ... 72
Tabel 4.5 Besar Nilai Entalpi (h) Berdasarkan Tabel Thermodynamic Properties of Freon – 22 Refrigerant ... 72
Tabel 4.6 Karakteristik Water Chiller ... 75
1
BAB 1 PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Pada iklim tropis tingkat kelembapan dan suhu udara relatif tinggi khususnya pada daerah dataran rendah. Seiring berkembangnya teknologi manusia berusaha untuk menciptakan kondisi udara yang nyaman dalam kehidupan sehari-hari. Salah satunya dengan menggunakan mesin pendingin untuk mengkondisikan udara. Sistem pengkondisian udara menciptakan suasana nyaman bagi orang yang berada dalam suatu ruangan. Mesin pendingin yang digunakan untuk mengkondisikan udara adalah AC dan Water chiller.
AC dan Water chiller memiliki peran yang sama halnya dengan mesin pendingin yaitu untuk memindahkan kalor dari dalam ruangan keluar ruangan dengan suatu medium perantara. Mesin water chiller berbeda dengan AC split yang biasa terdapat pada satu ruangan. Water chiller bekerja dengan dua siklus yaitu siklus primer dan siklus sekunder. Pada siklus primer yang bertindak sebagai fluida kerja adalah refrigeran primer, sedangkan untuk siklus sekunder yang bertindak sebagai fluida kerja adalah refrigeran sekunder berupa air yang didinginkan. Pada sistem pengkondisian udara sentral dengan mempergunakan mesin water chiller, pengkondisian udaranya dilakukan oleh Fan Coil Unit (FCU) dan Air Handling Unit (AHU).
Water chiller memiliki kelebihan dibandingkan dengan AC split. Water chiller mampu dipergunakan untuk sistem pengkondisian udara sentral dengan beban pendinginan yang sangat besar, diatas 10 ton refrigerator (TR) sedangkan AC split hanya dipergunakan untuk beban pendinginan yang kecil (paling besar 4500 Btu/jam). Sistem pengkondisian udara sentral mampu, mengkondisikan udara dengan banyak ruang. Namun water chiller juga memiliki kekurangan, bila salah satu komponen utama dari chiller mengalami kendala atau kerusakan maka banyak ruangan yang tidak dapat terkondisikan udaranya. Sistem pengkondisian udara dengan chiller biasa dipergunakan untuk bangunan – bangunan besar seperti : mall, rumah sakit, hotel, gedung bertingkat, gedung olahraga, gedung bioskop, bank, industri, dan lain-lain.
Dengan kondisi yang seperti ini sistem pengkondisian udara sentral sangat penting dan sangat dibutuhkan. Kebutuhan masyarakat akan pengkondisian udara memiliki peran penting untuk menunjang aktivitas masyarakat, maka dari itu penulis berkeinginan untuk mempelajari, memahami, dan mengenal kerja mesin pendingin untuk pengkondisian udara dengan cara membuat model mesin water chiller dengan daya ¾ PK. Diharapkan penulis juga dapat mengetahui karakteristik dan dapat memahami sistem kerja water chiller yang telah dibuat.
1.2 Rumusan Masalah
Rumusan masalah dinyatakan sebagai berikut :
a. Bagaimanakah merancang dan merakit water chiller menggunakan sistem
kompresi uap untuk mendinginkan air yang dipergunakan dalam sistem pengkondisian udara ?
b. Bagaimana karakteristik mesin water chiller yang dipergunakan untuk sistem pengkondisian udara tersebut dengan variasi panjang pipa kapiler?
1.3 Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian mesin water chiller adalah :
a. Merancang dan merakit water chiller yang digunakan untuk mendinginkan air yang dipergunakan untuk sistem pengkondisian udara dengan menggunakan sistem kompresi uap.
b. Mengetahui karakteristik water chiller yang dipergunakan untuk sistem pengkondisian udara, meliputi :
1. Menghitung kerja kompresor persatuan massa refrigeran (Win).
2. Menghitung kalor yang diserap evaporator persatuan massa refrigeran (Qin).
3. Menghitung kalor yang dilepas kondensor persatuan massa refrigeran (Qout).
4. Menghitung COPaktual yang dicapai oleh mesin siklus kompresi uap pada water chiller.
5. Menghitung COPideal yang dicapai oleh mesin siklus kompresi uap pada water chiller.
6. Menghitung efisiensi (η) yang dicapai oleh mesin siklus kompresi uap pada water chiller.
7. Menghitung laju aliran massa refrigeran primer yang mengalir pada water chiller (ṁ) dari aliran massa refrigeran sekunder.
1.4 Batasan Masalah
Batasan – batasan dalam perancangan mesin ini adalah :
a. Mesin water chiller bekerja dengan menggunakan siklus kompresi uap dengan sumber energi listrik. Komponen utama mesin siklus kompresi uap meliputi : kompresor, evaporator, pipa kapiler, dan kondensor.
b. Daya kompresor yang dipergunakan sebesar ¾ PK.
c. Ukuran komponen utama yang lain menyesuaikan dengan besarnya daya kompresor.
d. Refrigeran primer yang digunakan pada water chiller adalah R-22.
e. Pipa kapiler yang digunakan memiliki panjang : 130 cm, 150 cm, dan 180 cm dengan diameter 0,54 mm yang terbuat dari tembaga.
f. Kondensor yang digunakan berjenis pipa bersirip dengan kipas kondensor yang memiliki 5 sudu, daya 30 watt.
g. Evaporator yang dipergunakan berjenis pipa bersirip, dengan kipas evaporator berdiameter 20 inch, memiliki 3 kecepatan putar, dengan daya 60 watt.
h. Menggunakan kipas udara balik berdiameter 6 inch, memiliki 2 kecepatan putar, dengan daya 20 watt.
i. Pipa yang dipergunakan untuk sirkulasi input air berdiameter 1 inch dan output berukuran ½ inch.
j. Pompa sirkulasi air yang dipakai memiliki jenis submersible dengan debit maksimal 2000 liter/jam, 38 W/220V, Freq 50Hz.
k. Menggunakan bak tampung air bervolume 37 liter.
l. Ukuran ruang yang dikondisikan udaranya : 1,2 m x 0,7 m x 1,3 m.
m. Refrigeran sekunder yang dipergunakan adalah air.
n. Pengkondisian udara menggunakan udara segar.
o. Perhitungan pada mesin water chiller ini berdasarkan pada kondisi ideal kerja siklus kompresi uap, dan tidak ada proses pendinginan lanjut serta pemanasan lanjut.
1.5 Manfaat Penelitian
Manfaat dari penelitian ini adalah :
a. Hasil penelitian dapat menjadi referensi bagi peneliti lain yang melakukan penelitian tentang water chiller.
b. Dapat menambah wawasan ilmu pengetahuan tentang mesin pendingin siklus kompresi uap khususnya tentang water chiller.
c. Hasil penelitian dapat menambah kasanah ilmu pengetahuan yang dapat ditempatkan di perpustakaan.
1.6 Luaran Penelitian
Dihasilkan model water chiller yang dapat membantu proses pemahaman bagaimana cara kerja water chiller.
BAB 2
DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Dasar Teori
2.1.1 Prinsip Kerja Mesin
Mesin pendingin adalah alat yang berfungsi untuk memindahkan kalor dari dalam ruangan ke luar ruangan atau menyerap kalor dari lingkungan bersuhu rendah kemudian memindahkanya ke lingkungan yang bersuhu tinggi. Mesin pendingin yang mempergunakan siklus kompresi uap mempunyai komponen utama yaitu : kompresor, evaporator, kondensor, dan katup ekspansi atau pipa kapiler. Fluida yang dipergunakan pada siklus kompresi uap dinamakan dengan refrigeran. Gambar 2.1 menunjukkan prinsip dasar kerja mesin pendingin siklus kompresi uap.
Gambar 2.1 Prinsip dasar kerja mesin pendingin Mesin Pendingin
Qout
Qin
Win Lingkungan bersuhu tinggi
Lingkungan bersuhu rendah
Pada Gambar 2.1, Qin adalah besarnya kalor yang diserap mesin pendingin dari lingkungan bersuhu rendah. Qout adalah besarnya kalor yang dilepas mesin pendingin ke lingkungan bersuhu tinggi. Win adalah besarnya kerja yang dilakukan mesin pendingin untuk memindahkan kalor. Pada proses ini Qout = Qin + Win.
Mesin pendingin telah digunakan dalam banyak hal. Diantaranya sebagai pengawet bahan makanan (kulkas, freezer, cold storage, dll), pendingin minuman (show case, kulkas, dll), pengkondisian udara ruangan (air conditioner, water chiller, dll) dan pembuat es (ice maker). Dengan berkembangnya informasi dan teknologi sekarang ini, manusia telah merasakan dampak positif dari teknologi mesin pendingin. Hasil yang dirasakan saat ini dengan adanya mesin pendingin udara ini lebih memudahkan penggunanya dalam mendukung aktifitas sehari-hari maka dari itu perkembangan mesin pendingin dari tahun ke tahun akan selalu berkembang baik dari segi kegunaan hal-hal yang meliputi pendinginan lainya.
2.1.2 Siklus Kompresi Uap
2.1.2.1 Rangkaian Siklus Kompresi Uap
Rangkaian komponen utama pada siklus kompresi uap dapat dilihat pada Gambar 2.2. Komponen utama pada siklus kompresi uap meliputi : kompresor (compressor), kondensor (condenser), pipa kapiler (expansion valve), dan evaporator. Komponen tambahan berupa filter dryer, yang merupakan alat penyaring refrigeran. Fluida kerja yang di pergunakan adalah refrigeran.
Gambar 2.2Rangkaian komponen utama siklus kompresi uap
Aliran refrigeran berlangsung dari kompresor menuju kondensor, dari kondensor menuju pipa kapiler, dari pipa kapiler menuju evaporator dan dari evaporator kembali menuju kompresor. Pada Gambar 2.2, Qin adalah besarnya kalor yang diserap evaporator persatuan massa refrigeran. Qout adalah besarnya kalor yang dilepas kondensor persatuan massa refrigeran dan Win adalah kerja kompresor persatuan massa refrigeran. Besarnya Qout adalah penjumlahan dari besarnya Qin dengan besarnya Win.
2.1.2.2 Siklus Kompresi Uap pada Diagram P-h dan Diagram T-s
Siklus kompresi uap bila digambarkan pada diagram P-h dan diagram T-s seperti terlihat pada Gambar 2.3 dan Gambar 2.4. Proses – proses yang terjadi
3
1 2
4 1a
3a 2a T
S Qout
Win
Qin
Temperatur
Entropi Te
Tc T2 P2
P1
3
1 2
4
1a 2a 3a
P
h3= h4 h1 h2 h
Tekanan
Entalpi
Win
Qin Qout
Tc
Tc
pada siklus kompresi uap adalah (a) proses kompresi, (b) proses desuperheating, (c) proses kondensasi, (d) proses pendinginan lanjut, (e) proses penurunan tekanan, (f) proses evaporasi atau pendidihan refrigeran, dan (g) proses pemanasan lanjut.
Gambar 2.3 Siklus kompresi uap pada Diagram P-h
Gambar 2.4 Siklus kompresi uap pada Diagram T-s
a. Proses Kompresi (1 - 2)
Proses kompresi dilakukan oleh kompresor terjadi pada tahap 1 – 2 (lihat Gambar 2.3 dan Gambar 2.4) dan berlangsung secara isentropik adiabatik (isoentropi atau entropi konstan). Kondisi awal refrigeran pada saat masuk ke dalam kompresor adalah gas panas lanjut bertekanan rendah, setelah mengalami kompresi refrigeran akan menjadi gas panas lanjut bertekanan tinggi. Karena proses ini berlangsung secara isentropik, maka temperatur ke luar kompresor pun meningkat.
b. Proses Desuperheating (proses 2 - 2a)
Proses penurunan suhu dari gas panas lanjut menjadi gas jenuh terjadi pada tahap 2 – 2a (lihat Gambar 2.3 dan Gambar 2.4). Proses ini juga dinamakan desuperheating. Refrigeran mengalami penurunan suhu pada tekanan tetap. Hal ini disebabkan adanya kalor yang mengalir dari refrigeran ke lingkungan karena suhu refrigeran lebih tinggi dari suhu lingkungan.
c. Proses Kondensasi (2a - 3a)
Proses kondensasi terjadi pada tahap 2a-3a (lihat Gambar 2.3 dan Gambar 2.4) berlangsung di dalam kondensor. Pada proses ini gas jenuh mengalami perubahan fase menjadi cair jenuh. Proses berlangsung pada suhu dan tekanan tetap. Pada proses ini terjadi aliran kalor dari kondensor ke lingkungan karena suhu kondensor lebih tinggi dari suhu udara lingkungan.
d. Proses Pendinginan Lanjut (3a - 3)
Proses pendinginan lanjut terjadi pada tahap 3a – 3 (lihat Gambar 2.3 dan
Gambar 2.4). Proses pendinginan lanjut merupakan proses penurunan suhu refrigeran dari keadaan refrigeran cair. Proses ini berlangsung pada tekanan konstan. Proses ini diperlukan agar kondisi refrigeran yang keluar dari kondensor benar – benar berada dalam fase cair, untuk memudahkan mengalirnya refrigeran di dalam pipa kapiler. Selain itu juga menaikkan COP mesin.
e. Proses Penurunan Tekanan (3 - 4)
Proses penurunan tekanan terjadi pada tahap 3–4 berlangsung di pipa kapiler secara isoentalpi (entalpi sama) (lihat Gambar 2.3 dan Gambar 2.4).
Dalam fasa cair refrigeran mengalir menuju ke komponen pipa kapiler dan mengalami penurunan tekanan dan suhu. Sehingga suhu dari refrigeran lebih rendah dari temperatur lingkungan. Pada tahap ini fase refrigeran berubah dari cair menjadi fase campuran cair dan gas.
f. Proses Penguapan Refrigeran (4 - 1a)
Proses evaporasi terjadi pada tahap 4 – 1a (lihat Gambar 2.3 dan Gambar 2.4). Proses ini berlangsung di evaporator secara isobar (tekanan sama) dan isotermal (suhu sama). Dalam fase campuran cair dan gas, refrigeran yang mengalir ke evaporator menerima kalor dari lingkungan, sehingga akan mengubah seluruh fase refrigeran dari fase campuran cair dan gas menjadi gas jenuh.
g. Proses Pemanasan Lanjut (1a – 1)
Proses pemanasan lanjut terjadi pada tahap 1a – 1. Proses ini merupakan proses dimana uap refrigeran yang meninggalkan evaporator akan mengalami pemanasan lanjut sebelum memasuki kompresor. Hal ini dimaksudkan agar
kondisi refrigeran benar-benar dalam keadaan gas agar proses kompresi dapat berjalan dengan baik dan kerja kompresor menjadi ringan. Selain itu juga berfungsi untuk menaikkan COP mesin siklus kompresi uap.
2.1.2.3 Perhitungan pada Siklus Kompresi Uap
Diagram tekanan entalpi siklus kompresi uap dapat digunakan untuk menganalisa unjuk kerja mesin pendingin kompresi uap yang meliputi kerja kompresor (Win), energi yang dilepas kondensor (Qout), energi yang diserap evaporator (Qin), COPaktual, COPideal, efisiensi (ɳ) dan laju aliran massa refrigeran (ṁ).
a. Kerja Kompresor (Win)
Kerja kompresor persatuan massa refrigeran merupakan perubahan entalpi dari titik dari 1 ke titik 2 (lihat Gambar 2.3 dan Gambar 2.4). Dapat dihitung menggunakan Persamaan (2.1).
Win = h2-h1 (2.1)
Pada Persamaan (2.1) :
Win : kerja kompresor persatuan massa refrigeran (kJ/kg).
h1 : entalpi refrigeran saat masuk kompresor (kJ/kg).
h2 : entalpi refrigeran saat keluar kompresor (kJ/kg).
b. Energi kalor yang diserap oleh evaporator persatuan massa refrigeran (Qin) Energi kalor yang diserap oleh evaporator persatuan massa refrigeran (Qin) merupakan perubahan entalpi pada proses 4-1 (lihat Gambar 2.3 dan Gambar 2.4).
Perubahan entalpi tersebut dapat dihitung dengan Persamaan (2.2).
Qin = h1-h4 (2.2)
Pada Persamaan (2.2) :
Qin : energi kalor yang diserap evaporator persatuan massa refrigeran (kJ/kg).
h1 : entalpi refrigeran saat keluar evaporator atau sama dengan nilai entalpi pada saat masuk kompresor (kJ/kg).
h4 : entalpi refrigeran saat masuk evaporator atau sama dengan nilai entalpi saat keluar dari pipa kapiler. Nilai h4= h3 (kJ/kg).
c. Energi kalor yang dilepas oleh kondensor persatuan masa refrigeran (Qout) Energi kalor yang dilepaskan oleh kondensor persatuan massa refrigeran merupakan perubahan entalpi pada proses 2-3 (lihat Gambar 2.3 dan Gambar 2.4).
Perubahan entalpi tersebut dapat dihitung dengan Persamaan (2.3).
Qout = h2-h3 (2.3)
Pada Persamaan (2.3) :
Qout : energi kalor yang dilepas kondensor persatuan massa refrigerant (kJ/kg)
h2 : nilai entalpi refrigeran saat masuk kondensor (kJ/kg).
h3 : nilai entalpi refrigeran keluar kondensor atau masuk pipa kapiler (kJ/kg)
d. Koefisien prestasi aktual / Actual Coefficient of Performance (COPaktual) Koefisien prestasi aktual siklus kompresi uap standar adalah perbandingan antara kalor yang diserap evaporator dengan kerja yang yang diberikan kompresor. Dapat dihitung dengan Persamaan (2.4).
COPaktual = 𝑄𝑖𝑛
𝑊𝑖𝑛=ℎ1−ℎ4
ℎ2−ℎ1 (2.4)
Pada Persamaan (2.4) :
Qin : energi kalor yang diserap evaporator persatuan massa refrigeran (kJ/kg).
Win : kerja kompresor persatuan massa refrigeran (kJ/kg).
h1 : entalpi refrigeran saat keluar evaporator atau sama dengan entalpi refrigeran pada saat masuk kompresor (kJ/kg).
h2 : nilai entalpi refrigeran saat masuk kondensor (kJ/kg).
h4 : nilai entalpi refrigeran saat masuk evaporator atau sama dengan
nilai entalpi refrigeran saat keluar dari pipa kapiler.
Nilai h4= h3 (kJ/kg).
e. Koefisien prestasi ideal / Ideal Coefficient of Performance (COPideal) Koefisien prestasi ideal pada siklus kompresi uap standar dapat dihitung dengan Persamaan (2.5).
COPideal = 𝑇 𝑒𝑣𝑎𝑝
𝑇 𝑐𝑜𝑛𝑑−𝑇 𝑒𝑣𝑎𝑝 (2.5)
Pada Persamaan (2.5) :
COPideal : koefisien prestasi ideal
Tcond : suhu kerja mutlak kondensor (K).
Tevap : suhu kerja mutlak evaporator (K).
f. Efisiensi dari mesin kompresi uap (η)
Efisiensi mesin kompresi uap dapat dihitung dengan Persamaan (2.6) : η = 𝐶𝑂𝑃 𝑎𝑘𝑡𝑢𝑎𝑙
𝐶𝑂𝑃 𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 𝑥 100% (2.6)
Pada Persamaan (2.6) :
COPactual : koefisien prestasi aktual mesin kompresi uap.
COPideal :koefisien prestasi ideal mesin kompresi uap.
g. Laju aliran massa refrigeran (ṁ)
Laju aliran massa refrigeran dapat dihitung dengan Persamaan (2.7).
ṁ = 𝑉𝑥𝐼
𝑊 𝑖𝑛 𝑥 1000
(2.7)
Pada Persamaan (2.7) :
ṁ : laju aliran masa refrigeran (kg/s).
I : arus listrik (A).
V : voltage (volt).
Win : kerja yang dilakukan kompresor (kJ/kg).
h. Daya Kompresor (P)
Daya kompresor dapat dihitung dengan mempergunakan Persamaan (2.8).
P = V x I (2.8)
Pada Persamaan (2.8) :
P : daya kompresor (J/det).
V : tegangan listrik (Volt).
I : arus listrik pada kompresor (A).
2.1.2.4 Komponen komponen Siklus Kompresi Uap
Komponen utama dari mesin dengan siklus kompresi uap terdiri dari kompresor, kondensor, evaporator dan pipa kapiler. Komponen tambahan mesin siklus kompresi uap terdiri dari kipas, dan filter dryer
a. Kompresor
Kompresor adalah unit mesin pendingin siklus kompresi uap yang berfungsi untuk meningkatkan tekanan dan mensirkulasikan refrigeran pada fase uap yang mengalir dalam unit mesin pendingin. Dari cara kerja mensirkulasikan refrigeran, kompresor dapat diklasifikasikan menjadi beberapa jenis yaitu : (1) Kompresor Open Unit (2) Komponen Sentrifugal (3) Kompresor Scroll (4) Kompresor Sekrup (5) Kompresor Semi Hermetik (6) Kompresor Hermetik
1. Kompresor Open Unit (open type compresor)
Pada jenis kompresor ini letak kompresor terpisah dari tenaga penggeraknya. Masing-masing bergerak sendiri dalam keadaan terpisah. Tenaga penggerak kompresor umumnya motor listrik, turbin ataupun engine. Karena antara penggerak eksternal dengan bagian pengkompresinya tidak satu rumah (tidak bersatu), sehingga diperlukan belt (flexible coupling) sebagai penyambung penggerak ke kompresor shaft. Kompresor ini perlu menggunakan seal untuk
mencegah kebocoran yang sering terjadi pada poros yang keluar dari houing kompresor jika tekanan didalam crankcase lebih rendah dibandingkan tekanan atmosfer. Pendingin motor menggunakan udara luar sehingga perlu adanya ventilasi untuk membuang kalor dari motor. Kompresor ini memiliki keuntungan bila salah satu komponen mengalami kerusakan, maka bisa diganti tanpa membongkar sistemnya.
Gambar 2.5 Kompresor open type (Sumber : https://www.gea.com)
2. Kompresor Sentrifugal
Prinsip dari kompresor sentrifugal adalah menggunakan gaya sentrifugal untuk mendapatkan energi kinetik pada impeller sudu dan energi kinetik ini diubah menjadi tekanan potensial. Tekanan dan kecepatan uap yang rendah dari saluran sunction dihisap kedalam lubang masuk atau mata roda impeller oleh aksi dari shaft rotor, dan kemudian diarahkan dari ujung-ujung pisau ke rumah kompresor untuk diubah menjadi tekanan yang bertambah.
Gambar 2.6 Kompresor sentrifugal
(Sumber : https://semestapikiranku.wordpress.com)
3. Kompresor scroll
Prinsip kerja dari kompresor scroll adalah menggunakan dua buah scroll (pusaran). Satu scroll dipasang tetap dan salah satu scroll lainnya berputar pada orbit. Refrigeran dengan tekanan rendah dihisap dari saluran hisap oleh scroll dan dikeluarkan melalui saluran tekan yang letaknya pada pusat orbit dari scroll tersebut.
Gambar 2.7 Kompresor scroll
(Sumber : http://sumber-mandiri.blogspot.com)
4. Kompresor Sekrup
Uap refrigeran memasuki satu ujung kompresor dan meninggalkan kompresor dari ujung yang lain. Pada posisi langkah hisap terbentuk ruang hampa sehingga uap mengalir kedalam. Nilai putaran terus berlanjut, refrigeran yang terkurung digerakan mengelilingi rumah kompresor. Pada putaran selanjutnya terjadi penangkapan kuping rotor jantan oleh lekuk rotor betina, sehingga memperkecil volume rongga dan menekan refrigeran tersebut keluar melalui saluran buang.
Gambar 2.8 Kompresor sekrup
(Sumber : http://screwcompressor.blogspot.com)
5. Kompresor Semi Hermetik
Pada kontruksi semi hermetik bagian poros engkol dari kompresor menjadi satu dengan motor listrik, sehingga beberapa kerugian mekanis dapat dieliminasi.
Dengan demikian penggunaan seal pencegah kebocoran refrigeran pada kompresor cenderung berkurang, namun harus diperhatikan agar dipergunakan isolator listrik pada motor listrik sebai baiknya, dan juga harus menggunakan refrigeran yang mempunyai sifat sebagai isolator. Pada kompresor semi- hermentik bagian-bagian penutup dan penyambungannya masih dapat dibuka.
Gambar 2.9 Kompresor semi hermetik (Sumber : https://www.indotrading.com)
6. Kompresor Hermetik
Pada dasarnya, kompresor hermetik hampir sama dengan semi-hermetik, perbedaannya hanya terletak pada cara penyambungan rumah (baja) kompresor dengan stator motor penggeraknya. Pada kompresor hermetik dipergunakan sambungan las sehingga rapat udara. Pada kompresor semi-hermetik dengan rumah terbuat dari besi tuang, bagian-bagian penutup dan penyambungnya masih dapat dibuka. Sebaliknya dengan kompresor hermetik, rumah kompresor dibuat dari baja dengan pengerjaan las, sehingga baik kompresor maupun motor listriknya tak dapat diperiksa tanpa memotong rumah kompresor.
Gambar 2.10 Kompresor hermetik (Sumber : http://ozkansogutma.com)
b. Kondensor
Kondensor adalah alat penukar kalor untuk mengubah wujud gas refrigeran pada suhu dan tekanan tinggi menjadi wujud cair. Jenis kondensor yang banyak digunakan pada teknologi saat ini adalah kondensor dengan pendingin udara.
Kondensor seperti ini memiliki bentuk yang sederhana dan tidak memerlukan perawatan khusus. Agar proses perubahan wujud yang diinginkan dapat terjadi, maka kalor atau panas yang ada dalam gas refrigeran yang bertekanan tinggi harus dibuang keluar dari sistem. Kondensor mempunyai fungsi untuk melepaskan panas yang diserap refrigeran di evaporator dan kerja kompresor selama proses kompresi. Dilihat dari sisi media yang digunakan kondensor dapat dibedakan 2 macam yaitu :
1. Kondensor Berpendingin Udara (Air Cooled Condenser)
Air cooled condenser adalah kondensor yang menggunakan udara sebagai media pendingin. Air cooled condenser mempunyai dua tipe yaitu : (1) Natural Draught Condenser (2) Force draught condenser.
a. Natural Draught Condenser
Pada tipe ini proses perpindahan kalornya berlangsung secara konveksi bebas atau konveksi alami. Aliran udara berlangsung karenanya adanya beda massa jenis. Pada proses ini ada peralatan tambahan yang dipergunakan untuk menggerakan aliran udara. Kondensor jenis ini dapat ditemui pada kondensor kulkas satu pintu, show case, chest freezer maupun frezeer.
Gambar 2.11 Natural draught condensor (Sumber : https://tommyji.com)
b. Force Draught Condenser
Pada tipe ini proses perpindahan kalornya berlangsung secara konveksi paksa. Aliran udara berlangsung karena adanya kipas udara atau blower. Jenis ini ditemui pada mesin kulkas dua pintu maupun pada mesin AC.
Gambar 2.12 Force draught condenser
(Sumber : https://lmr.com/item/LRS-19712E/Mustang-AC-Condenser)
2. Kondensor Berpendingin Air (Water Cooled Condenser)
Water cooled condenser adalah kondensor yang menggunakan air sebagai media pendinginnya. Menurut proses aliran yang ada pada kondensor ini terbagi menjadi dua jenis yaitu :
a. Waste Water System
Suatu sistem dimana air yang dipergunakan untuk mendinginkan
kondensor, diambil dari pusat-pusat air kemudian dialirkan melewati kondensor setelah itu air dibuang keluar dan tidak dipergunakan lagi.
b. Recirculating Water System
Suatu sistem dimana air yang dipergunakan untuk mendinginkan kondensor dan telah meninggalkan kondensor disalurkan ke dalam cooling tower, untuk diturunkan temperaturnya sesuai pada temperatur yang dikehendaki.
Selanjutnya air dipergunakan lagi dan dialirkan kembali ke kondensor.
c. Evaporator
Evaporator merupakan tempat perubahan fase dari cair menjadi gas, atau dapat disebut juga sebagai tempat penguapan. Saat perubahan fase, diperlukan energi kalor. Energi kalor tersebut diambil dari lingkungan sekitar evaporator. Hal tersebut terjadi karena temperatur refrigeran lebih rendah dari pada temperatur sekelilingnya, sehingga panas dapat mengalir ke refrigeran. Proses penguapan refrigeran di evaporator berlangsung dalam tekanan tetap dan suhu tetap. Berbagai jenis evaporator yang sering digunakan pada mesin siklus kompresi uap adalah jenis pipa dengan sirip, pipa-pipa dengan jari-jari penguat dan jenis plat.
Gambar 2.13 Evaporator jenis pipa dengan sirip
(Sumber : https://listado.mercadolibre.com.mx/serpentin-para-refrigerador-daewoo)
Gambar 2.14 Evaporator jenis pipa dengan jari-jari penguat (Sumber : https://encrypted-tbn0.gstatic.com)
Gambar 2.15 Evaporator jenis plat (Sumber : http://www.chinacooling.cn)
d. Pipa kapiler
Pipa kapiler berfungsi untuk menurunkan tekanan serta suhu refrigeran pada siklus kompresi uap yang ditempatkan antara sisi tekanan tinggi dan sisi tekanan rendah. Penggunaan pipa kapiler pada mesin siklus kompresi uap mempermudah kerja kompresor pada waktu start, karena tekanan kondensor dan evaporator sama.
Gambar 2.16 Pipa kapiler
(Sumber : https://docplayer.info/66691657-Chest-freezer-dengan-daya-kompresor-1- 5-pk-dan-panjang-pipa-kapiler-150-cm-skripsi.html)
e. Kipas
Kipas tersusun atas motor listrik dan baling-baling atau sudu-sudu. Kipas ini berfungsi untuk mengalirkan udara melewati kondensor. Udara yang dihembuskan oleh kipas akan mempercepat proses perpindahan kalor.
Gambar 2.17 Kipas
(Sumber : https://tornadofan.co.id/products/tornado-industrial-floor-fan)
f. Filter Dryer
Filter Dryer merupakan tabung penyimpan refrigeran cair yang didalamnya terdapat fiber dan desiccant (bahan pengering) yang berfungsi untuk menyaring benda-benda asing dan uap air dari sirkulasi refrigeran. Filter dryer pada pemasanganya diletakan setelah kondensor.
Gambar 2.18 Filter dryer
(Sumber : https://www.smartclima.com/copper-filter-dryer.htm)
2.1.3 Psychrometric Chart
Psychrometric chart merupakan grafik termodinamis udara yang digunakan untuk menentukan properti-properti dari udara pada kondisi tertentu.
Dengan psychrometric chart dapat diketahui hubungan antara berbagai parameter udara secara cepat dan cukup presisi. Untuk mengetahui nilai dari properti- properti ( Tdb, Twb, W, RH, H, SpV ) bisa dilakukan apabila minimal dua buah parameter tersebut sudah diketahui.
2.1.3.1 Parameter-parameter Udara pada Psychrometric Chart
Parameter-parameter udara psychrometric chart meliputi : (a) dry-bulb temperature (Tdb), (b) wet-bulb temperature (Twb), (c) dew-point temperature (Tdp), (d) specific humidity (W),(e) relative humidity (% RH), (f) enthalpy (H) dan (g) volume spesific (SpV). Contoh psychrometric chart disajikan pada Gambar 2.19.
Gambar 2.19 Psychrometric chart
(Sumber : http://www.ref-wiki.com/img_article/163e.jpg)
a. Dry-bulb Temperature (Tdb)
Dry-bulb temperature adalah suhu udara pada keadaan kering yang diperoleh melalui pengukuran menggunakan termometer dengan kondisi bulb tidak basah (tidak diselimuti kain basah). Tdb diposisikan sebagai garis vertikal yang berawal dari garis sumbu mendatar yang terdapat di bagian bawah psychrometric chart.
b. Wet-bulb Temperature (Twb)
Wet-bulb temperature adalah suhu udara pada keadaan basah yang diperoleh melalui pengukuran menggunakan termometer dengan kondisi bulb dalam kondisi basah (diselimuti kain basah). Twb diposisikan sebagai garis miring ke bawah yang berawal dari garis saturasi yang terletak di bagian kanan psychrometric chart.
c. Dew-point Temperature (Tdp)
Dew-point temperature adalah suhu dimana udara mulai menunjukkan terjadinya pengembunan ketika udara didinginkan/diturunkan suhunya dan menyebabkan adanya perubahan kandungan uap air di udara. Tdp ditandai sepanjang titik saturasi.
d. Specific Humidity (W)
Specific humidity adalah jumlah uap air yang terkandung di udara dalam setiap kilogram udara kering (kg air/kg udara kering). Pada psychrometric chart W diposisikan pada garis sumbu vertikal yang berada di samping kanan psychrometric chart.
e. Relative Humidity (%RH)
Relative humidity adalah perbandingan jumlah air yang terkandung dalam 1kg udara kering dengan jumlah air maksimum yang dapat terkandung dalam 1kg udara kering dalam bentuk persentase.
f. Enthalpy (H)
Enthalpy adalah jumlah energi kalor panas total yang terkandung dalam campuran udara dan uap air persatuan massa.
g. Volume Spesific (SpV)
Volume Spesific adalah volume dari udara campuran dengan satuan meter kubik persatuan kilogram udara kering.
2.1.3.2 Proses-proses yang terjadi pada Udara dalam Psychrometric Chart
Proses-proses yang terjadi pada udara dalam psychrometric chart adalah sebagai berikut (a) proses pendinginan dan penurunan kelembapan (cooling and dehumidifying), (b) proses pemanasan sensibel (sensible heating), (c) proses pendinginan dan penaikkan kelembapan (evaporative cooling), (d) proses pendinginan sensibel (sensible cooling), (e) proses humidifying, (f) proses dehumidifying, (g) proses pemanasan dan penurunan kelembapan (heating and dehumidifying), (h) proses pemanasan dan penaikkan kelembapan (heating and humidifying). Proses-proses ini dapat dilihat seperti pada Gambar 2.20.
Gambar 2.20Proses-proses yang terjadi pada udara dalam psychrometric chart (Sumber : https://sustainabilityworkshop.autodesk.com /psycrometric_porcess.jpg)
a. Proses pendinginan dan penurunan kelembapan (cooling and dehumidifying)
Proses pendinginan dan penurunan kelembapan (cooling and dehumidifying) adalah proses penurunan kalor sensibel dan penurunan kalor laten ke udara. Pada proses ini terjadi penurunan temperatur pada bola kering, temperatur, bola basah, entalpi, volume spesifik, temperatur, titik embun, dan
kelembapan spesifik. Sedangkan kelembapan relatif dapat mengalami peningkatan dan dapat mengalami penurunan, tergantung dari prosesnya. Gambar 2.21 menyajikan proses pendinginan dan penurunan kelembapan spesifik.
Gambar 2.21 Proses cooling and dehumidifying
b. Proses pemanasan sensibel (sensible heating)
Proses pemanasan (sensible heating) adalah proses penambahan kalor sensibel ke udara. Pada proses pemanasan, terjadi peningkatan temperatur bola kering, temperatur bola basah, entalpi, dan volume spesifik. Sedangkan temperatur titik embun dan kelembapan spesifik tetap konstan. Namun kelembapan relatif mengalami penurunan. Gambar 2.22 menyajikan proses sensible heating pada psychrometric chart.
Gambar 2.22 Proses sensible heating
2
1
2
1
W1=W2
c. Proses pendinginan dan penaikkan kelembapan (evaporative cooling) Proses pendinginan dan penaikkan kelembapan (evaporative cooling) berfungsi menurunkan temperatur dan menaikkan kandungan uap air di udara.
Proses ini menyebabkan perubahan temperatur bola kering, temperatur bola basah dan volume spesifik. Selain itu, terjadi peningkatan temperatur bola basah, titik embun, kelembapan relatif dan kelembapan spesifik. Gambar 2.23 menyajikan proses pendinginan dan menaikan kelembapan pada psychrometric chart.
Gambar 2.23 Proses evaporative cooling
d. Proses pendinginan sensibel (sensible cooling)
Proses pendinginan (sensible cooling) adalah pengambilan kalor sensibel dari udara sehingga temperatur udara mengalami penurunan. Pada proses ini, terjadi penurunan pada suhu bola kering, suhu bola basah dan volume spesifik namun terjadi peningkatan kelembapan relatif. Pada kelembapan spesifik dan suhu titik embun tidak terjadi perubahan atau konstan. Gambar 2.24 menyajikan proses sensible cooling pada psychrometric chart.
1 2
Gambar 2 24 Proses sensible cooling
e. Proses humidifying
Proses humidifying merupakan penambahan kandungan uap air ke udara tanpa merubah suhu bola kering sehingga terjadi kenaikan entalpi, suhu bola basah, titik embun dan kelembapan spesifik. Gambar 2.25 menyajikan proses humidifiying pada psychrometric chart.
Gambar 2.25 Proses humidifying
f. Proses dehumidifying
Proses dehumidifying merupakan proses pengurangan kandungan uap air pada udara tanpa merubah suhu bola kering sehingga terjadi penurunan entalpi, suhu bola basah, titik embun dan kelembapan spesifik.
W1=W2 1
2
1
2
Tdb1 = Tdb2
Gambar 2.26 Proses dehumidifying
g. Proses pemanasan dan penurunan kelembapan (heating and dehumidifying) Proses pemanasan dan penurunan kelembapan (heating and dehumidifying) berfungsi untuk menaikkan suhu bola kering dan menurunkan kandungan uap air pada udara. Gambar 2.27 menyajikan proses heating and dehumidifying Pada proses ini terjadi penurunan kelembapan spesifik, entalpi, suhu bola basah dan kelembapan relatif tetapi terjadi peningkatan suhu bola kering.
Gambar 2.27 Proses heating and dehumidifying
Tdb1 = Tdb2
1
2
1
2
h. Proses pemanasan dan penaikkan kelembapan (heating and humidifying) Pada proses ini udara dipanaskan disertai penambahan uap air. Pada proses ini terjadi kenaikan kelembapan spesifik, entalpi, suhu bola basah, dan suhu bola kering. Gambar 2.28 menyajikan proses heating and humidifying.
Gambar 2.28 Proses heating and humidifying
2.1.3.3 Proses-proses Udara yang Terjadi pada Mesin Water Chiller pada Psychrometric Chart
Proses-proses yang terjadi pada sistem pengkondisian udara dengan water chiller dalam psychrometric chart adalah sebagai berikut :
a. Proses pencampuran udara luar dan udara yang dikondisikan pada ruangan (udara balik)
b. Proses pendinginan sensibel udara campuran atau sensible cooling.
c. Proses pendinginan dan penurunan kelembapan udara atau cooling and dehumidifying.
d. Proses pemanasan dan penaikkan kelembapan atau heating and humidifying
1
2
Gambar 2.29 Proses pengkondisian udara dengan mesin water chiller
Semua proses-proses utama ini dapat dilihat pada Gambar 2.30, yang menyajikan proses-proses udara pada psychrometric chart.
Keterangan pada Gambar 2.29 :
A : Udara lingkungan atau udara segar yang dipergunakan pada sistem pengkondisian udara.
B : Udara dalam ruangan yang dikondisikan udaranya. Sebagian dari udara ini di campur dengan udara segar.
C : Udara campuran (campuran udara balik dengan udara segar).
D : Suhu pengembunan udara di evaporator 2.
E : Suhu kerja evaporator
F : Udara keluar dari evaporator 2
Gambar 2.30 Proses pengkondisian udara dengan water chiller pada psychrometric chart
a. Proses pencampuran udara luar dan udara yang dikondisikan pada ruangan (titik A-B)
Proses (A-B) merupakan proses pencampuran udara luar dan udara yang dikondisikan pada ruangan. Pada proses ini udara luar akan bercampur dengan udara yang ada pada ruangan dan menghasilkan kondisi udara di titik C (titik campuran antara udara luar di titik A dan udara di titik B.
b. Proses pendinginan sensibel atau sensible cooling (titik C-D).
Pada proses ini terjadi penurunan temperatur bola kering, temperatur bola basah, dan volume spesifik dari udara, namun terjadi peningkatan kelembapan relatif. Titik C merupakan titik awal sebelum proses sensible cooling, sedangkan titik D merupakan titik akhir setelah proses sensible cooling, diperoleh dengan menarik garis lurus secara horizontal menuju garis lengkung yang menunjukkan kelembapan relatif 100 %.
c. Proses pendinginan dan penurunan kelembapan atau cooling and dehumidifiying titik (D-F).
Proses (D-F) merupakan proses penurunan suhu udara basah dan penurunan suhu udara kering, nilai entalpi, volume spesifik, temperatur titik embun, dan kelembapan spesifik mengalami penurunan. Sedangkan kelembapan relatif tetap pada nilai 100 %.
d. Proses pemanasan dan penaikkan kelembapan atau heating and humidifiying titik (F-B).
Pada proses ini udara dipanaskan disertai penambahan uap air. pada proses ini terjadi kenaikan kelembapan spesifik, entalpi, suhu bola basah, suhu bola kering.
2.2 Tinjauan Pustaka
Anwar, Khairil, dkk (2010) telah melakukan penelitian tentang efek temperatur pipa kapiler terhadap kinerja mesin pendingin. Penelitian ini dilakukan dengan metode eksperimen. Penelitian bertujuan (a) untuk mendapatkan pengaruh suhu pipa kapiler terhadap kondisi refrigeran dan kapasitas pendinginan dalam sistem pendingin (b) untuk mendapatkan kondisi suhu optimal untuk mendapatkan kinerja sistem yang lebih baik. Penelitian ini memberikan hasil (a) penurunan suhu pendingin pipa kapiler menyebabkan kapasitas pendinginan dan koefisien kinerja dari sistem pendingin meningkat (b) kinerja optimal dari penelitian ini selama 30 menit diperoleh pada posisi suhu thermostat terendah yaitu -20o C dengan koefisien kinerja (COP) sebesar 2,71.
Iskandar R, (2010) telah melakukan penelitian tentang karakteristik pipa kapiler dan katup ekspansi termostatik pada sistem pendingin water chiller.
Penelitian dilakukan dengan metode eksperimen. Penelitian bertujuan (a) untuk mengetahui karakteristik dari mesin pendingin water chiller (b) untuk mengkaji seberapa jauh pengaruh penggunaan pipa kapiler dan katup ekspansi termostatik sebagai alat eskpansi pada sistem pendingin water chiller. Penelitian ini memberikan hasil (a) dengan katup ekspansi nilai yang diperoleh COP antara 3,21 hingga 3,66, sedangkan pipa kapiler mempunyai COP antara 2,15 hingga 2,46 (b) Katup ekspansi termostatik mempunyai performa yang lebih baik dibandingkan dengan pipa kapiler.
Agung Nugroho, (2012) telah melakukan penelitian tentang analisa sistem mesin pendingin water chiller yang menggunakan fluida kerja R-12 dengan variasi puli kompresor. Penelitian ini dilakukan dengan metode eksperimen.
Penelitian bertujuan (a) untuk menganalisa pengaruh pendinginan pada kondensor terhadap performasi sistem berdasarkan analisa keseimbangan energi (b) menganalisa performasi sistem water chiller dengan fluida kerja R-12 dengan variasi puli kompresor. Penelitian ini memberikan hasil (a) nilai COP akan semakin turun jika kecepatan kompresor semakin besar (b) sistem refrigerasi akan mengalami penurunan temperature refrigeran pada pengeluaran evaporator (c) COP dapat dipengaruhi oleh kerja kompresi.
Muchammad, (2006) telah melakukan penelitian tentang pengujian dan analisa pressure drop sistem water chiler menggunakan refrigeran R-22 dan HCR-22. Penelitian dilakukan dengan metode eksperimen. Penelitian bertujuan (a) untuk mendapatkan data kurva karateristik kompresor jenis rotary hermetic 0,5 PK terhadap kebutuhan konsumsi listrik untuk sistem pendingin water chiller dengan menggunakan refrigeran HCR-22 (b) untuk memberikan informasi dalam pengembangan desain dan pensimulasian sistem pendingin (c) membandingkan unjuk kerja antara sistem yang menggunakan refrigeran HCR-22 dengan sistem yang menggunakan refrigeran R-22. Penelitian ini memberikan hasil (a) daya listrik yang dibutuhkan kompresor dengan refrigeran R-22 lebih tinggi daripada HCR-22 pada temperature keluar kondensor yang sama (b) COP dari sistem water chiller yang menggunakan refrigeran HCR-22 lebih tinggi dibanding yang menggunakan refrigeran R-22.
Penelitian tentang pengaruh aliran udara melintasi kondensor terhadap karakteristik siklus kompresi uap pada mesin pendingin showcase telah dilakukan oleh Kusbandono, W dan Purwadi, PK (2016). Penelitian tentang karakteristik siklus kompresi uap yang dipergunakan selain pada mesin pendingin, juga telah dilakukan oleh Purwadi PK dan teman temannya. Untuk karakteristik siklus kompresi uap pada mesin pengering pakaian telah dilakukan oleh Purwadi, PK dan Kusbandono W (2015, 2016), sedangkan untuk pengeringan handuk telah dilakukan oleh Wijaya, K dan Purwadi, PK.
40
BAB 3
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Objek Penelitian
Objek penelitian ini adalah water chiller, seperti tersaji pada Gambar 3.1.
Water chiller bekerja dengan mempergunakan mesin siklus kompresi uap. Ukuran water chiller memiliki panjang 1,6 m, lebar 0,5 cm, dan tinggi 1,5 m. Ukuran ruangan panjang 1,2 m, lebar 0,7 m, dan tinggi 1,3 m. Refrigeran yang dipakai water chiller : R – 22. Sebagai beban pendingin, dipergunakan botol air berkapasitas 1,5 liter, sebanyak 10 botol, botol dalam keadaan terbuka.
Gambar 3.1 Skematik mesin water chiller
Pada sistem pengkondisian udara ini, udara segar dimasukan dari luar dan dicampur dengan udara balik. Udara segar dimasukkan dengan kipas udara segar dan udara balik dialirkan dengan kipas udara balik. Udara campuran dialirkan
melewati evaporator 2 oleh kipas evaporator (kipas udara masuk dialirkan ke ruangan yang dikondisikan).
Keterangan pada Gambar 3.1 :
A Kompresor J Kipas evaporator 2
B Kondensor K Kipas udara segar
C Pipa kapiler L Kipas udara balik D Bak penampung air dingin M Kipas kecil kondesnor E Evaporator 1 N Kipas besar kondensor F Submersible pump O Filter dryer
G Saluran input ke evaporator 2 P1 Pressure gauge (tekanan rendah) H Saluran output ke evaporator 2 P2 Pressure gauge (tekanan tinggi) I Evaporator 2 Q Beban pendinginan
3.2 Bahan, Komponen, Alat Ukur, dan Perakitan Mesin Water Chiller
Dalam penelitian water chiller diperlukan bahan, alat-alat bantu, dan komponen mesin.
3.2.1 Bahan dan Alat-alat Bantu
Adapun bahan dan alat-alat bantu yang diperlukan dalam proses perakitan water chiller antara lain :
a. Kayu dan triplek
Kayu (balok) digunakan untuk membuat rangka ruangan, dengan ukuran 2 m x 4 m. Papan triplek digunakan sebagai dinding ruangan yang akan didinginkan oleh water chiller, tebal papan yang digunakan 3 mm.
Gambar 3.2 Kayu dan triplek (Sumber : https://harga.info/harga-kayu/)
b. Besi L
Besi L ( 3x 3) cm digunakan untuk membuat rangka water chiller sebagai tempat kondensor, kompresor, evaporator, bak air, dan lain-lain.
Gambar 3.3 Besi L
(Sumber : https://harga.info/harga-besi-siku/)
c. Paku
Paku digunakan untuk menyatukan kayu dan triplek sehingga kontruksi menjadi kuat dan kokoh.
Gambar 3.4 Paku (Sumber : https://paku-baja/)
