i
PENDINGINAN LANJUT PADA SIKLUS KOMPRESI UAP
TUGAS AKHIR
Untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat sarjana S-1
Program Studi Teknik Mesin Jurusan Teknik Mesin
Diajukan oleh :
DANIEL FEBRIANTO SULISTYO PUTRA NIM : 085214037
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNVERSITAS SANATA DHARMA
YOGYAKARTA
ii
AND SUB-COOLING THE VAPOR COMPRESSION CYCLE
FINAL PROJECT
As partial fulfillment of the requirement to obtain the SarjanaTeknik degree
Mechanical Engineering Study Program Mechanical Engineering Department
by
DANIEL FEBRIANTO SULISTYO PUTRA Student Number:085214037
MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM MECHANICAL ENGINEERING DEPARTEMENT
SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY SANATA DHARMA UNIVERSITY
vi
Seiring dengan kemajuan teknologi dan meningkatnya taraf hidup, mesin pendingin semakin banyak dimanfaatkan. Mesin pendingin dapat berfungsi sebagai : refrigerator, freezer, air conditioner (AC). Mengingat peranan dan pentingnya mesin pendingin secara umum, maka diperlukan pengetahuan tentang pembuatan dan pengembangan mesin pendingin dengan pemanasan lanjut dan pendinginan lanjut. Tujuan dari pembuatanan mesin pendingin dengan pemanasan lanjut dan pendinginan lanjut yaitu dapat membuat mesin pendingin skala rumah tangga dengan mempergunakan siklus kompresi uap, menghitung kerja kompresor, laju aliran kalor yang diserap evaporator, laju aliran kalor yang dilepas kondensor serta mengetahui COP mesin pendingin.
Mesin pendingin dengan pemanasan lanjut dan pendinginan lanjut pada siklus kompresi uap memiliki komponen utama yaitu kompresor, kondensor, pipa kapiler, evaporator dan filter. Model mesin pendingin dengan pemanasan lanjut dan pendinginan lanjut ini yaitu dengan cara melilitkan pipa kapiler keluar kondensor dengan bagian evaporator. Data yang diambil dalam pengujian mesin pendingin adalah tekanan kerja, suhu di setiap bagian pipa keluar komponen mesin pendingin dan suhu air.
Dari mesin pendingin dengan pemanasan lanjut dan pendinginan lanjut dapat diperoleh hasil berupa kerja kompresor (Win), panas yang diserap evaporator (Qin), panas yang dilepas kondensor (Qout), dan COP (Coefficient of
Perfomance) dari mesin pendingin. Mesin pendingin yang telah dibuat mampu mendinginkan air sebanyak 3 liter dalam waktu 220 menit dengan suhu air awal sebesar 25,1°C menjadi sebesar 2 °C. Kerja kompresor terendah yang didapat sebesar 26,75 kJ/kg dan tertinggi sebesar 39,54 kJ/kg sedangkan rata-ratanya sebesar 33,145 kJ/kg. Panas yang dilepas kondensor terendah sebesar 167,47 kJ/kg dan tertinggi sebesar 193,06 kJ/kg sedangkan rata-ratanya sebesar 186,661 kJ/kg. Panas yang dihisap evaporator terendah sebesar 194,22 kJ/kg dan tertinggi sebesar 200,04 kJ/kg sedangkan rata-ratanya sebesar 198,57 kJ/kg. COP terendah sebesar 4,571 dan COP terendah sebesar 5,00 dan COP tertinggi sebesar 7,26 sedangkan COP rata-rata dari mesin pendingin sebesar 6,06.
viii
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa karena rahmat yang diberikan dalam penyusunan Tugas Akhir ini sehingga semuanya dapat berjalan dengan lancar dan baik.
Tugas Akhir ini merupakan sebagai salah satu syarat yang wajib untuk setiap mahasiswa Jurusan Teknik Mesin sebagai syarat untuk mendapatkan gelar sarjana S-1 pada Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
Berkat bimbingan dan dukungan dari berbagai pihak, akhirnya Tugas Akhir ini dapat terselesaikan dengan baik. Pada kesempatan ini dengan segenap kerendahan hati penulis menyampaikan rasa terimakasih yang sebesar-besarnya kepada :
1. Paulina Heruningsih Prima Rosa, S.Si., M.Sc., selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
2. Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T., selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta, sebagai Dosen Pembimbing Tugas Akhir dan Dosen pembimbing akademik.
3. Kepala Laboratorium Konversi Energi, Doddy Purwadianto, S.T., untuk dukungan dan saran yang penulis dapatkan.
4. Marihot Susianto dan Ibu Sulistyani Mulatsih selaku orang tua penulis dan keluarga penulis yang tidak dapat disebutkan satu persatu yang telah mendukung dan memberi semangat penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir. 5. Meyka Ulandari AM.Keb. yang dengan kebaikan dan kerendahan hati selalu
memberikan nasihat dan dukungan moral pada penulis.
6. Leo Landung Panggalih, Wedha Aji Laksana, dan Herman Perdana yang telah membantu dalam proses pengambilan data.
x
LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS ... vii
KATA PENGANTAR ………...………...………... viii
xii
ISTILAH PENTING
Simbol Keterangan
Q laju perpindahan panas (W)
gradien suhu perpindahan panas(-K/m)
k konduktifitas thermal bahan (W/m.K)
A luas bidang penampang benda (m²)
Ts temperatur permukaan (K)
T∞ temperatur fluida yang mengalir dekat permukaan (K)
h Entalpi (kJ/kg)
Wk Kerja kompresor (kJ/kg)
Qc Panas yang dilepas kondenser (kJ/kg)
Qe Panas yang diserap evaporator (kJ/kg)
xiii
xiv
Gambar 3.17 Proses Pemvakuman ...….. 45
Gambar 3.18 Proses Pengisian Refigeran ...….. 46
Gambar 3.19 Posisi Pengukuran ...….. 47
Gambar 3.20 Termometer Digital ...….. 48
Gambar 3.21 Proses Pengambilan Data ...….. 49
Gambar 4.1 Posisi Pengukuran ... 52
Gambar 4.2 Proses Siklus Kompresi Uap ... 53
Gambar 4.3 Grafik Hubungan Kerja Kompresor Dengan Waktu ... 58
Gambar 4.4 Grafik Hubungan Panas Dilepas Kondensor Dengan Waktu .... 59
Gambar 4.5 Grafik Hubungan Panas Diserap Evaporator Dengan Waktu .... 60
xv
DAFTAR TABEL
BAB I
PENDAHULUAN
1.1Latar Belakang
Seiring dengan kemajuan teknologi dan meningkatnya taraf hidup, mesin pendingin semakin banyak dimanfaatkan. Hampir di setiap tempat, banyak di temui mesin-mesin pendingin. Seperti yang sering kita jumpai di dalam rumah tangga, di tempat-tempat hiburan, di mall, di berbagai alat transportasi, dan lain sebagainya. Beberapa jenis mesin pendingin dapat dilihat dari fungsinya. Ada mesin pendingin yang berfungsi untuk mendinginkan udara, membekukan, dan ada juga mesin pendingin yang dipergunakan untuk sistem pengkondisian udara. Contoh mesin pendingin yang berfungsi untuk mendinginkan dan membekukan adalah : freezer, kulkas, ice maker, showcase, dispenser, cold storage dan lain-lain. Dan contoh mesin pendingin yang digunakan untuk pengkondisian udara seperti AC, water chiller dan lain sebagainya. Semua contoh mesin pendingin tersebut hampir sebagian besar menggunakan mesin pendingin siklus kompresi uap.
mencukupi kebutuhan manusia. Dengan demikian, mesin pembeku dapat sangat membantu dalam hal pengiriman suatu bahan makanan ataupun buah-buahan dari suatu tempat ke tempat lain.
Mesin pendingin memiliki peran yang cukup penting dalam kehidupan rumah tangga, industri, sarana transportasi, sarana olahraga, dan hiburan. Mengingat pentingnya peranan mesin pendingin bagi masyarakat di saat sekarang ini, maka penulis berkeinginan untuk mempelajari, memahami, dan mengenal kerja mesin pendingin, Dengan cara membuat mesin pendingin dan mengetahui karakteristiknya diharapkan penulis dapat memahami sistem suatu mesin pendingin tersebut, meskipun dengan kapasitas ukuran skala rumah tangga.
1.2Tujuan
Adapun tujuan pembuatan alat dari tugas akhir ini adalah :
a. Dapat membuat mesin pendingin skala rumah tangga dengan mempergunakan siklus kompresi uap yang di sertai pemanasan lanjut dan pendinginan lanjut.
b. Menghitung kerja kompresor, laju aliran kalor yang diserap evaporator dan laju aliran kalor yang di lepas kondensor dari mesin pendingin.
1.3Batasan Masalah
Batasan penulisan tugas akhir ini hanya pada masalah mesin pendingin siklus kompresi uap. Batasan permasalahan tersebut antara lain :
a. Refrigeran yang digunakan dalam mesin pendingin adalah R134a
b. Komponen mesin pendingin terdiri dari komponen utama seperti:
kompresor, kondensor, pipa kapiler, filter, evaporator, dan tempat untuk membekukan air (berbentuk tabung).
c. Karakteristik mesin pendingin yang digunakan untuk menghitung COP didasarkan pada kondisi ideal kerja siklus kompresi uap dan siklus mesin pendingin dengan pendinginan lanjut dan pemanasan lanjut dari mesin pendingin yang dibuat.
1.4Manfaat Pelaksanaan
Manfaat pelaksanaan tugas akhir bagi penulis adalah:
a. Mampu memahami karaktristik mesin pendingin dengan siklus kompresi uap.
b. Mampu mempunyai pengalaman dalam pembuatan mesin pendingin dengan siklus kompresi uap untuk ukuran rumah tangga.
BAB II
DASAR TEORI
2.1. Definisi Mesin Pendingin
Mesin pendingin atau yang disebut juga dengan refrigerator adalah suatu mesin yang di dalamnya terjadi siklus dari bahan pendingin sehingga terjadi perubahan panas dan tekanan. Perubahan panas dan tekanan terjadi pada siklus dari kerja mesin pendingin. Mesin pendingin menggunakan bahan pendingin (refrigeran) yang bersirkulasi menyerap panas dan melepaskan panas, serta terjadi perubahan tekanan rendah menjadi tekanan tinggi. Sirkulasi tersebut berulang secara terus menerus. Dalam sistem mesin pendingin jumlah refrrigeran yang digunakan adalah tetap, yang berubah adalah bentuknya. Komponen utama mesin pendingin merupakan bagian yang dialiri bahan pendingin, terdiri dari :
1. Kompresor
jenis ini menempatkan motor listrik dengan komponen mekanik ada dalam satu rumah.
2. Evaporator
Evaporator adalah suatu tempat dimana bahan pendingin menguap dari cair menjadi gas. Proses penguapanya memerlukan panas, panas diambil dari lingkungan sekitar evaporator (air di sekitar evaporator). Evaporator berbentuk jaringan atau pipa yang dikonstruksi sedemikian rupa. Pipa evaporator ada yang terbuat dari bahan tembaga, besi, alumanium atau kuningan. Namun kebanyakan terbuat dari alumanium dan besi. Kerusakan yang sering dijumpai pada evaporator adalah kebocoran pipa. Hampir semua kerusakan terjadi karena kebocoran sehingga mesin pendingin tidak mampu mendinginkan (ruang pendingin). Jenis evaporator yang banyak digunakan pada mesin pendingin adalah jenis permukaan datar, pipa-pipa dan pipa dengan sirip-sirip.
3. Kondensor
dipakai pada mesin pendingin kapasitas kecil adalah jenis pipa dengan jari-jari penguat, pipa dengan pelat besi dan pipa-pipa dengan sirip-sirip. 4. Filter
Filter (saringan) berguna menyaring kotoran yang mungkin terbawa aliran bahan pendingin selama melakukan sirkulasi. Sehingga tidak masuk ke dalam kompresor dan pipa kapiler. Selain itu, bahan pendingan yang akan disalurkan pada proses berikutnya lebih bersih sehingga dapat menyerap kalor lebih maksimal. Bentuk dari alat ini ialah berupa tabung kecil dengan diameter antara 10 - 20 mm, sedangkan panjangnya tak kurang dari 8 - 15 cm.
5. Pipa kapiler
2.2. Bahan Pendingin (Refrigeran)
Untuk terjadinya suatu proses pendinginan diperlukan suatu bahan yang mudah dirubah bentuknya dari gas menjadi cair atau sebaliknya, bahan tersebut adalah bahan pendingi (refrigeran). Refrigeran yaitu fluida atau zat pendingin yang memegang peranan penting dalam sistem pendingin. Refrigeran digunakan untuk menyerap panas melalui perubahan fase dari cair ke gas (evaporasi) dan membuang panas melalui perubahan fase dari gas ke cair (kondensasi). Refrigeran dapat dikatakan sebagai pemindah panas dalam sistem pendingin. Refrigeran mengalami beberapa proses atau perubahan fase (cair dan uap), yaitu refrigeran yang mula-mula pada keadaan awal (cair) setelah melalui beberapa proses akan kembali ke keadaan awalnya.
Secara umum Refrigeran dapat dibagi menjadi dua kelompok yaitu:
1. Refrigeran primer
Refrigeran primer adalah refrigeran yang digunakan dalam sistem kompresi uap dan mengalami perubahan fase selama proses refrigerasinya. Refrigeran primer meliputi beberapa macam diantaranya yaitu :
a. Udara
b. Amoniak (NH 3)
Amonia adalah satu-satunya refrigeran selain kelompok
fluorocarbon yang masih digunakan sampai saat ini. Walaupun amuniakberacun dan kadang-kadang mudah terbakar atau meledak pada kondisi tertentu, namun amuniak biasa digunakan pada instalasi-instalasi suhu rendah pada industri besar.
c. Karbondioksida (CO 2)
Karbondioksida merupakan refrigeran pertama dipakai seperti halnya amoniak. Refrigeran ini kadang-kadang digunakan untuk pembekuan dengan cara sentuhan langsung dengan bahan makanan. Tekanan pengembunannya yang tinggi membatasi penggunaannya hanya pada bagian suhu rendah, untuk suhu tinggi digunakan refrigeran lain.
d. Hidrokarbon
e. Refrigeran-12
Refrigeran ini biasa dilambangkan R-12 dan mempunyai rumus kimia CCl
Refrigeran ini biasa dilambangkan R-22 dan mempunyai rumus kimia CHClF
2. R-22 mempunyai titik didih -41,4 o
F (-40,8oC). Refrigeran ini telah banyak digunakan untuk menggantikan R-12 .
g. Refrigeran-134a
Refrigeran ini biasanya dilambangkan R-134a dan mempunyai rumus kimia CH
senyawaflor atau chlor sehingga tidak merusak lapisan ozon meskipun terlepas ke atmosfir. Secara khusus sifat dari refrigeran 134a adalah sebagai berikut.
1. Tidak mudah terbakar. 2. Tidak merusak lapisan ozon.
3. Tidak beracun, berwarna dan berbau. 4. Relatif mudah diperoleh.
5. Memiliki kestabilan yang tinggi. 2. Refrigeran sekunder
Jenis refrigeran yang digunakan pada saat ini terdiri dari tiga susunan
yaitu:
1. Hydro fluoro carbon (HFC), merupakan refrigeran baru sebagai alternatif untuk menggantikan posisi freon. Hal ini disebabkan karena refrigeran freon mengandung zat chlor (Cl) yang dapat merusak lapisan ozon. Sedangkan HFC terdiri dari atom-atom hidrogen, fluorine dan karbon tanpa adanya zat chlor (Cl).
2. Hydro cloro fluoro carbon (HCFC), merupakan refrigeran yang terdiri dari hidrogen, klorin, fluorin, dan karbon. Refrigeran ini terkandung jumlah minimal klorin, yang merusak lingkungan karena penipisan lapisan ozon. 3. Cloro fluoro carbon (CFC), merupakan refrigeran yang mengandung
klorin, fluorin dan karbon. Refrigerant ini membawa jumlah kaporit yang tinggi sehingga dikenal sebagai refrigeran yang paling berbahaya untuk kerusak lapisan ozon.
Ditinjau dari berbagai segi pada saat ini pemakaian refrigeran yang umum diusulkan adalah hydro fluoro carbon (HFC) karena beberapa sifat positif yang dimilikinya antara lain sebagai berikut:
1. Tidak beracun, berwarna dan berbau.
2. Bukan termasuk bahan yang mudah terbakar dan meledak. 3. Tidak menyebabkan korosi pada material.
5. Memiliki stuktur kimia yang stabil. 6. Memiliki titik didih yang rendah.
7. Memiliki tekanan kondensasi yang rendah.
8. Tekanan pengembunan yang tidak terlampau tinggi. 9. Memiliki tingkat penguapan yang tinggi.
10. Memiliki kalor laten penguapan yang tinggi.
11. Memiliki harga yang relatif murah dan mudah diperoleh.
2.3. Sistem Refrigerasi
Siklus sistem refrigerasi adalah sebuah kombinasi dari komponen-komponen peralatan dan pemipaan yang disambung dalam urutan yang berurutan untuk menghasilkan efek dingin. Sistem refrigerasi merupakan suatu proses penarikan panas dari suatu benda/ruangan ke lingkungan sehingga temperatur benda/ruangan tersebut lebih rendah dari temperatur lingkungannya. Pada dasarnya sistem refrigerasi dibagi menjadi dua, yaitu:
1. Sistem refrigerasi mekanik
Sistem refrigerasi ini menggunakan mesin-mesin penggerak dan alat mekanik lain dalam menjalankan siklusnya. Yang termasuk dalam sistem refrigerasi mekanik di antaranya adalah:
a. Siklus Kompresi Uap
c. Kriogenik/refrigerasi temperatur ultra rendah
d. Siklus stirling
2. Sistem refrigerasi non mekanik
Sistem refrigerasi ini tidak memerlukan mesin-mesin penggerak seperti kompresor dalam menjalankan siklusnya. Yang termasuk dalam sistem refrigerasi non mekanik di antaranya :
Gambar 2.1. Skema Siklus Kompresi Uap (sumber : http://4.bp.blogspot.com).
Proses dari skema alir siklus kompresi uap (Gambar 2.1.) adalah :
a) 1-2 (Proses kompresi)
Proses ini dilakukan oleh kompresor. Kondisi awal refrigeran pada saat masuk ke dalam kompresor adalah uap jenuh bertekanan rendah, setelah mengalami kompresi refrigeran akan menjadi uap bertekanan tinggi. Karena proses ini berlangsung secara isentropik, maka temperatur ke luar kompresor pun meningkat.
b) 2-3 (Proses kondensasi)
c) 3-4 (Proses ekspansi)
Proses ekspansi ini berlangsung di dalam katup ekspansi. Hal ini berarti tidak terjadi perubahan entalpi tetapi terjadi penurunantekanan dan temperatur. Proses penurunan tekanan terjadi pada katup ekspansi yang berbentuk pipa kapileryang berfungsi untuk mengatur laju aliran refrigeran dan menurunkan tekanan.
d) 4-1 (Proses evaporasi)
Proses ini berlangsung di dalam evaporator. Panas dari dalam ruangan akan diserap oleh cairan refrigeran yang bertekanan rendah sehingga refrigeran berubah fasa menjadi uap bertekanan rendah. Kondisi refrigeran saat masuk evaporator sebenarnya adalah campuran cair dan uap. Selanjutnya, refrigeran kembali masuk ke dalam kompresor dan bersirkulasi lagi. Begitu seterusnya sampai kondisi yang diinginkan tercapai. Sedangkan untuk diagram dari siklus kompresi uap terdapat dua diagram, yaitu : Diagram P-h (Gambar 2.2.) dan Diagram T-s (Gambar 2.3.)
Gambar 2.2. Diagram P-h Siklus Kompresi Uap (sumber : http://4.bp.blogspot.com).
a. 1 – 2 : proses kompresi refrigeran didalam kompresor. b. 2 – 3 : proses kondensasi refrigeran di dalam kondenser. c. 3 – 4 : proses ekspansi refrigeran di dalam katub ekspansi. d. 4 – 1 : proses evaporasi refrigeran di dalam evaporator.
Gambar 2.3. Diagram T-s Siklus Kompresi Uap (sumber : Skripsi Wedha Adji Laksana).
2.5. Perpindahan Panas
dapat terjadi melalui beberapa mekanisme yaitu : perpindahan secara konduksi, konveksi dan radiasi.
2.5.1. Perpindahan Panas Konduksi
Perpindahan panas konduksi adalah perpindahan panas jika panas mengalir dari tempat yang suhunya tinggi ke tempat yang suhunya rendah, dengan media pengantar panas tetap. Perpindahan panas konduksi dapat berlangsung pada benda padat,cair dan gas. Contoh perpindahan panas konduksi adalah besi atau logam yang dipanaskan pada salah satu ujungnya maka ujung lainnya akan terasa panas, seperti pada Gambar 2.4.
Gambar 2.4. Perpindahan Panas Konduksi
Persamaan laju umum untuk perpindahan panas dengan cara konduksi dikenal dengan hukum fourier yang dirumuskan sebagai berikut:
Pada persamaan (2.1):
q= laju perpindahan panas (W)
= gradien suhu perpindahan panas (K/m)
k = konduktifitas thermal bahan (W/m.K)
A = luas bidang penampang benda, tegak lurus aliran kalor (m²)
Nilai minus (-) dalam persamaan menunjukan bahwa panas selalu berpindah ke temperatur yang lebih rendah.
2.5.2. Perpindahan Panas Konveksi
Perpindahan panas konveksi adalah perpindahan panas yang terjadi antara permukaan padat dengan fluida yang mengalir disekitarnya, dengan menggunakan penghantar berupa fluida (cairan atau gas). Contoh perpindahan panas konveksi adalah air yang dipanaskan di panci, air di bagian bawah naik karena massa jenisnya berkurang dan digantikan oleh air yang lebih dingin di atasnya.
Persamaan perpindahan panas konveksi dikenal sebagai hukum newton untuk pendinginan, yang dirumuskan sebagai berikut:
q = h.A(Ts − T∞) ...(2.2)
Pada persamaan (2.2) :
q = laju perpindahan panas (W)
h = koefisien perpindahan panas konveksi W/(m².K)
A = luas permukaan yang bersentuhan dengan fluida (m²)
Ts = temperatur permukaan (K)
T∞ = temperatur fluida yang mengalir dekat permukaan (K)
Macam-macam konveksi yaitu:
1. Konveksi bebas/konveksi alamiah (free convection/natural convection) Perpindahan panas dimana aliran fluida yang terjadi disebabkan karena adanya perbedaan massa jenis, tanpa adanya alat bantu penggerak aliran fluida.
2. Konveksi paksa (forced convection)
Perpindahan panas dimana aliran fluida yang terjadi disebabkan karena adanya alat bantu penggerak aliran fluida.
Contoh: plat panas dihembus udara dengan kipas atau blower.
2.5.3. Perpindahan Kalor Radiasi
Selain kalor dapat berpindah secara konduksi dan konveksi, kalor juga dapat berpindah dengan cara radiasi. Berbeda dengan perpindahan kalor secara konduksi dan konveksi, perpindahan kalor seccara radiasi tidak memerlukan media perantara. Jadi perpindahan kalor radiasi adalah perpindahan panas yang terjadi karena pancaran atau sinar gelombang elektro maknetik tanpa memerlukan medium atau media perantara. Contoh perpindahan kalor secara radiasi dapat dilihat pada Gambar 2.6 dan Gambar 2.7
.
Gambar 2.6 Contoh Perpindahan Kalor Radiasi
Gambar 2.7 Perpindahan Kalor Radiasi.
Gambar 2.6 menunjukkan saat ada sebuah nyala lilin dan telapak tangan didekatkan maka telapak tangan akan terasa panas. Perpindahan kalor yang terjadi antara telapak tangan dan nyala lilin terjadi secara radiasi karena tidak memerlukan medium perantara. Contoh perpindahan kalor secara radiasi lainya dapat dilihat pada Gambar 2.7. Saat seseorang duduk di sebelah api unggun maka perbedaan temperatur antara nyala api, temperatur sekitar dan temperatur tubuh membuat kalor dapat berpindah secara radiasi atau tanpa perantara. Laju perpindahan kalor secara radiasi dapat dirumuskan sebagai berikut.
Q = ε . A . σ ( Ts⁴ - Tsur⁴ ) ...(2.3)
Keterangan :
Q = laju perpindahan kalor (W/m.K)
ε = emisivitas ; sifat radiasi pada permukaan
σ = konstanta Stefan-Boltzman (5,67.108 W/m2.K⁴)
Ts⁴ = temperatur absolute permukaan (K⁴)
Tsur⁴ = temperatur sekitar (K⁴)
Panas matahari dapat sampai ke bumi juga tanpa adanya perantara atau medium. Jadi proses perpindahan panasnya berlangsung secara radiasi.
2.6. Beban Pendinginan
Beban pendinginan adalah aliran energi dalam bentuk panas yang dihisap evaporator. Kalor yang dihisap evaporator berasal dari benda-benda yang ada di sekitar evaporator.
Jenis beban pendingin dibagi menjadi dua, yaitu: 1. Panas sensible (sensible heat)
2. Panas laten (latent heat)
Panas laten adalah panas yang diterima atau dilepaskan suatu materi karena adanya perubahan fase. Misalkan Jika air yang suhunya sudah 0°C didinginkan lagi hingga akhirnya menjadi es, pada saat suhu 0°C tidak terjadi perubahan suhu tetapi perubahan fase. Panas yang diserap di sini disebut panas laten.
2.7. Proses Perubahan Fase
Secara umum proses perubahan fase dapat berlangsung karena adanya pengaruh temperatur. Perubahan fase banyak terjadi dalam kehidupan sehari-hari. Misalnya perubahan cair ke padat, gas ke cair, padat ke gas dan lain sebagainya. Namun dalam suatu sistem mesin pendingin hanya berlangsung dua perubahan fase yaitu pengembunan ( gas ke cair) dan penguapan (cair ke gas).
2.7.1. Proses Pengembunan (kondensasi)
2.7.2. Proses Penguapan (evaporasi)
Penguapan berarti berubahnya fase zat dari cair menjadi uap. Pada mesin pendingin proses penguapan terjadi di evaporator. Pada saat mengalir di pipa evaporator, refrigeran berubah fase dari cair menjadi gas. Pada proses penguapan diperlukan panas. Panas diambil dari lingkungan di sekitar evaporator (media yang didinginkan berupa air). Karena air diambil panasnya maka air berubah wujudnya menjadi es.
2.8. Rumus –Rumus Perhitungan
Dalam analisa unjuk kerja mesin pendingin diperlukan beberapa rumusan perhitungan, antara lain sebagai berikut :
1) Kerja Kompresor
Besarnya kerja kompresor per satuan massa refrigeran dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :
Win = h2– h1 ...………..(2.4) Pada persamaan (2.4):
Win = besarnya kerja kompresor (kJ/kg)
2) Laju Aliran Kalor Yang Dilepas Kondensor
Besarnya panas per satuan massa refrigeran yang dilepas kondensor dapat dihitung dengan persamaan :
Qout = h2 – h3 ...(2.5) Pada persamaan (2.5):
Qout = besarnya panas dilepas di kondensor (kJ/kg) h1 = entalpi refrigeran saat keluar kondensor (kJ/kg)
h3 = entalpi refrigeran saat masuk kondensor (kJ/kg)
3) Laju Aliran Yang Diserap Evaporator
Besarnya panas per satuan massa refrigeran yang diserap evaporator dapat dihitung dengan persamaan :
Qin = h1 – h4 ...……(2.6) Pada persamaan (2.6):
Qin = besarnya panas yang diserap di evaporator (kJ/kg) h1 = entalpi refrigeran saat keluar evaporator (kJ/kg) h4 = entalpi refrigeran saat masuk evaporator (kJ/kg) 4) COP (Coefficient Of Performance)
...……...(2.7)
Pada persamaan (2.7):
h1 = entalpi refrigeran saat masuk kompresor (kJ/kg)
h2 = entalpi refrigeran saat keluar kompresor (kJ/kg)
h4 = entalpi refrigeran saat masuk evaporator (kJ/kg)
2.9 Isolator
Isolator adalah bahan yang dipergunkan untuk mencegah keluarnya kalor dari pipa kapiler menuju evaporator. Isolator yang baik harus memiliki sifat tidak mudah menghantarkan termal atau memiliki nilai konduktivitas termal yang rendah. Isolator dalam kehidupan sehari-hari ada yang memiliki sifat tahan suhu panas dan ada juga isolator yang tahan terhadap suhu dingin. Pada persoalan mesin pendingin ini dipilih isolator gabus karena gabus tahan terhadap suhu dingin. Sifat-sifat gabus adalah sebagai berikut:
a. Memiliki massa jenis = 9 (kg/m3)
b. Memiliki kalor jenis = 1,45 (J/kg oC)
c. Memiliki nilai konduktivitas termal bahan = 0,033 (W/m oC)
2.10 Pendinginan Lanjut
2.11 Pemanasan Lanjut
Proses pemanasan lanjut adalah proses untuk mengkondisikan agar freon yang keluar dari evaporator dalam kondisi benar-benar berbentuk gas. Dengan adanya proses pemanasan lanjut, maka freon tidak akan dalam kondisi campuran antara gas dan cair sehingga secara teoritis dapat menaikan nilai COP. Pemanasan lanjut dapat terjadi pada dua bagian yaitu evaporator (hal ini akan meningkatkan efek pendinginan) dan pipa isap diluar evaporator. Pada bagian luar pipa isap evaporator ada dua kemungkinan, yang pertama di dalam ruang yang didinginkan (akan membantu penyerapan kalor) dan yang kedua di luar ruang yang didinginkan (tidak menguntungkan). Jika terjadi pemanasan lanjut maka volume spesifik uap bertambah besar sehingga nilai Qin (beban pendinginan) bertambah dan RE bertambah. Selain itu, dengan adanya pemanasan lanjut maka akan merubah nilai kerja kompresor atau Win. Gambar 2.9 memperlihatkan diagram P-h untuk sebuah sistem pendingin dengan pemanasan lanjut :
Skema dari mesin pendingin dengan pendinginan lanjut dan pemanasan lanjut dapat dilihat pada Gambar 2.10.
Gambar 2.10 Skema Mesin Pendingin Dengan Proses Pendinginan Lanjut Pemanasan Lnjut.
BAB III
PEMBUATAN ALAT
3.1 Komponen-Komponen Mesin Pendingin
a) Kompresor
Pada alat mesin pendingin yang dibuat menggunakan kompresor merek Tecumseh dengan daya 1/8 PK. Kompresor dengan jenis ini dapat dibeli di pasaran. Gambar 3.1 memperlihatkan kompresor yang digunakan dalam pembuatan alat mesin pendingin :
Gambar 3.1 Kompresor.
b)Kondensor
lebar 25 cm dengan diameter pipa 5 mm. Jarak antar sirip 5 mm. Berikut Gambar 3.2 memperlihatkan kondensor yang digunakan :
Gambar 3.2 Kondensor. c) Pipa kapiler
Gambar 3.3 Pipa Kapiler.
Gambar 3.4a Pipa Kapiler Dililitkan. Gambar 3.4b Pipa Kapiler Diisolasi.
Tujuan dari diberi isolator pada pipa kapiler yang dililitkan adalah agar kalor yang terdapat pada pipa kapiler yang keluar dari kondensor tidak terbuang dan terpengaruh suhu sekitar.
d)Evaporator
Gambar 3.5 Evaporator.
e) Filter
Dalam pembuatan mesin pendingin harus menggunakan filter untuk menyaring kotoran agar tidak masuk ke dalam sebuah sistem pendingin dan masuk ke dalam kompresor. Filter yang digunakan memiliki dimensi panjang 9 cm dan diameter 19,4 mm. Gambar 3.6 memperlihatkan gambar filter yang digunakan dalam pembuatan alat mesin pendingin :
Gambar 3.6 Filter.
Tabung fluida yang didinginkan
3.2 Peralatan Pendukung Pembuatan Alat
a) Tube cutter
Tube cutter adalah jenis alat yang biasa digunakan untuk memotong pipa. Hasil potongan menggunakan tube cutter akan lebih bersih, lebih cepat, dan lebih nyaman dibandingkan memotong pipa dengan menggunakan gergaji besi. Gambar 3.7 memperlihatkan tube cutter yang digunakan dalam pembuatan alat :
Gambar 3.7 Tube Cutter. b) Pelebar pipa
Gambar 3.8 Pelebar Pipa. c) Tang
Tang adalah alat bantu yang berbentuk seperti gunting dan berguna untuk mencapit, memotong dan mengencangkan baut. Jenis-jenis dari tang bermacam-macam dibedakan berdasarkan fungsinya. Namun pada pembuatan alat pendingin ini menggunakan tang jenis kombinasi yang sangat membantu dalam proses pengelasan dan pengencangan baut. Gambar 3.9 memperlihatkan tang yang digunakan sebagai alat pembantudalam pembuatan mesin pendingin :
d) Pompa vakum
Pompa vakum adalah salah satu jenis pompa yang bekerja dengan cara menghisap. Suatu sistem pendingin harus dalam keadaan vakum sebelum diisi refrigeran. Untuk mengetahui apakah sudah vakum dapat dilihat pada jarum indikator manometer berada pada 0 bar. Gambar 3.10 memperlihatkan pompa vakum yang digunakan :
Gambar 3.10 Pompa Vakum.
e) Manifold gauge
tinggi (warna merah) dimana angka skala tertera sampai 500 psi. Gambar 3.12 memperlihatkan single manifold tekanan rendah (warna biru) dimana angka skala tertera hanya sampai 220 psi.
Gambar 3.11 Manifold Tekanan Tinggi.
f) Alat las
Dalam pembuatan mesin pendingin dibutuhkan peralatan las yang berguna untuk menyambung besin untuk membuat kerangka ( body mesin), selain itu penyambungan menggunakan alat las juga dibutuhkan dalam penyambungan pipa kapiler dan sambunga pipa-pipa menuju komponen-komponen utama mesin pendingin. Gambar 3.13 memperlihatkan alat las gas yang digunakan untuk menyambung pipa kapiler dan komponen-komponen mesin pendingin. Sedangkan untuk pembuatan body atau kerangka mesin menggunakan las listrik.
Gambar 3.13 Alat Las.
g) Bahan las
proses pengelasan tembaga akan lebih merekat jika menggunakan borak sebagai pengikat dan kuningan / perak sebagai bahan tambah. Gambar 3.14 bahan las perak yang digunakan dalam proses pengelasan pipa kapiler untuk membuat sebuah sistem pendingin.
3.3 Pembuatan Mesin Pendingin
Diagram alir berikut menunjukkan tahap pembuatan mesin pendingin :
Gambar 3.15 Diagram Alir Tahap Pembuatan Mesin Pendingin
mempercepat dan mempermudah proses selanjutnya dalam pembuatan mesin pendingin.
Gambar 3.16 Proses Pengelasan
sudah terpasang. Apabila jarum pada manifold gauge menunjuk angka dibawah 0, dapat dipastikan rangkaian sistem tersebut sudah vakum dan siap diisi refrigeran.
Gambar 3.17 memperlihatkan proses pemvakuman sebuah rangkaian sistem pendingin menggunakan pompa vakum.
Gambar 3.17 Proses Pemvakuman
pengisian tidak menggunakan alat pompa vakum melainkan menggunakan tabung refrigeran. Gambar 3.18 memperlihatkan proses pengisian refrigeran :
Gambar 3.18 Proses Pengisian Refrigeran .
Pada saat proses uji coba, diharapkan dapat menyelesaikan masalah-masalah yang terjadi pada rangkaian sistem pendingin, sehingga saat proses pengambilan data tidak mengalami kendala.
3.4 Cara Pengambilan Data
Dalam proses pengambilan data, ada beberapa hal yang perlu dicatat yaitu:
Truangan = suhu ruangan saat pengambilan data, (oC). Vair = volume air yang didinginkan, (m3).
Tair = suhu refrigeran air, (oC).
T1 = suhu refrigeran saat keluar dari evaporator, (oC). T2 = suhu refrigeran saat keluar kompresor, (oC). T3 = suhu refrigeran saat keluar kondensor, (oC). T4 = suhu refrigeran saat keluar pipa kapiler, (oC). P1 = tekanan refrigeran saat masuk kompresor, (Psi). P2 = tekanan refrigeran saat keluar kompresor, (Psi).
Gambar 3.19 Posisi Pengukuran.
Proses pengambilan data diukur setiap 30 menit. Data tekanan diperoleh dari angka yang tertera pada manifold gauge yang telah dipasang pada mesin pendingin. Untuk mengetahui suhu di titik-titik yang ditentukan menggunakan termokopel sebagai input dan thermometer digital sebagai outputnya. Gambar 3.20 memperlihatkan posisi termokopel dan thermometer digital pada saat proses pengambilan data.
Proses Pengambilan data dilakukan di dalam ruangan dengan suhu ruangan 28,5 °C. Aliran angin dan perubahan suhu akibat cuaca diabaikan dalam proses pengambilan data. Gambar 3.21 memperlihatkan saat proses pengambilan data.
Gambar 3.21 Proses Pengambilan Data.
3.5 Cara Pengolahan Data
dalam perhitungan karakteristik mesin pendingin menggunakan rumus persamaan yang sudah dituliskan pada dasar teori.
3.6 Cara Mendapatkan Kesimpulan
BAB IV
HASIL PENGAMBILAN DATA DAN PERHITUNGAN
4. 1 Data Hasil Percobaan
Data hasil percobaan untuk mesin pendingin sistem kompresi uap yang disertai proses pemanasan lanjut dan pendinginan lanjut ditampilkan pada Tabel 4.1 : Tabel 4.1 Data Hasil Percobaan Untuk Tekanan dan Suhu dari Waktu ke Waktu.
NO
Data yang diambil pada suhu ruangan 28,8 °C ( Truangan ).
Media yang didinginkan air dengan volume 3 liter ( Vair ), dan suhuawal 25,1 oC
T1 = suhu refrigeran saat keluar dari evaporator, (oC).
T2 = suhu refrigeran saat keluar kompresor, (oC).
T3 = suhu refrigeran saat keluar kondensor, (oC).
T4 = suhu refrigeran saat keluar pipa kapiler, (oC).
P1 = tekanan refrigeran saat masuk kompresor, (Psi).
P2 = tekanan refrigeran saat keluar kompresor, (Psi).
Gambar 4.2 memperlihatkan titik-titik atau posisi alat ukur pada saat proses pengambilan data :
Gambar 4.1 Posisi Pengukuran.
4.2 Pengolahan data dan perhitungan
Gambar 4.2 Proses Siklus Kompresi Uap
Dari P-h diagram refrigeran R-134a diperoleh nilai h1, h2, h3, h4, nilai tersaji pada Tabel 4.2
Tabel 4.2 Besar nilai entalpi (Btu/lb) Waktu
Tabel 4.3 Besar nilai entalpi (kJ/kg) dalam waktu (t) 30 menit. Perhitungan yang dilakukan untuk mengetahui besarnya kerja kompresor, laju aliran kalor yang dilepas kondensor, laju aliran yang dihisap evaporator dan Coefficient Of Performance (COP).
Dari diagram P-h refrigeran R-134a maka nilai : h1 = 270,98 kJ/kg
h2 = 297,73 kJ/kg h3 = 130,26 kJ/kg h4 = 76,76 kJ/kg
1) Kerja Kompresor
Wk = h2 – h1
= 297,73 kJ/kg – 270,98 kJ/kg = 26,75 kJ/kg
Maka kerja kompresor yang didapat saat t = 30 menit adalah 26,75 kJ/kg.
2) Laju aliran yang dilepas kondensor
Untuk mendapatkan laju aliran kalor yang dilepas kondensor yang dihasilkan oleh mesin pendingin, dapat menggunakan persamaan 2.5 : Qc = h2 – h3
= 297,73 kJ/kg – 130,26 kJ/kg = 167,47 kJ/kg
Maka laju aliran kalor yang dilepas kondensor yang didapat saat t = 30 menit adalah 167,47 kJ/kg.
3) Laju aliran kalor yang diserap evaporator
Untuk mendapatkan laju aliran kalor yang diserap evaporator yang dihasilkan oleh mesin pendingin, dapat menggunakan persamaan 2.6: Qe = h1 – h4
= 270,98 kJ/kg – 76,76 kJ/kg = 194,22 kJ/kg
4) Koefisien Prestasi (COP)
Dengan mengetahui laju aliran kalor yang diterima evaporator 194,22 kJ/kg dan kerja kompresor 26,75 kJ/kg. Untuk mendapatkan koefisien prestasi (COP) yang dihasilkan oleh mesin pendingin, dapat menggunakan persamaan 2.7 :
=
= 7,26
Gambar 4.3 Grafik Hubungan Kerja Kompresor Dengan Waktu.
Gambar 4.4 Grafik Hubungan Panas Dilepas Kondensor Dengan Waktu.
Gambar 4.5. Grafik Hubungan Panas Diserap Evaporator Dengan Waktu
Gambar 4.6. Grafik Hubungan COP Dengan Waktu.
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
Dari pengujian mesin pendingin dengan pemanasan lanjut dan pendinginan lanjut untuk membekukan air pada bidang berbentuk tabung yang telah dilakukan, maka dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut :
1. Mesin pendingin yang telah dibuat mampu mendinginkan air 3 liter dalam waktu 220 menit dengan pencapaian suhu air sebesar 2 °C.
2. a) Kerja kompresor terendah yang didapat sebesar 26,75 kJ/kg dan tertinggi sebesar 39,54 kJ/kg sedangkan rata-ratanya sebesar 33,145 kJ/kg, dengan volume air 3 liter dalam waktu 220 menit dengan pencapaian suhu air sebesar 2 °C. Dapat dinyatakan dalam persamaan Win = 0,00001t3 - 0,005t2 + 0,652t + 10,85 (t dalam satuan menit dan Win dalam satuan kJ/kg) R² = 0,803.
b) Panas yang dilepas kondensor terendah sebesar 167,47 kJ/kg dan tertinggi sebesar 193,06 kJ/kg sedangkan rata-ratanya sebesar 186,661 kJ/kg, dengan volume air 3 liter dalam waktu 220 menit dengan pencapaian suhu air sebesar 2 °C. Dapat dinyatakan dalam persamaan Qout = 0,00002t3 - 0,009t2 + 1,322t + 136,6 (t dalam satuan menit dan Qout dalam satuan kJ/kg) R² = 0,932.
kJ/kg, dengan volume air 3 liter dalam waktu 220 menit dengan pencapaian suhu air sebesar 2 °C. Dapat dinyatakan dalam persamaan Qin = 0,000004t3 - 0,002t2 + 0,289t + 187,7 (t dalam menit dan Qin dalam kJ/kg) R² = 0,820.
3. COP mesin pendingin dari waktu kewaktu besarnya berubah-ubah (tidak konstan). COP terendah sebesar 5,00 dan COP tertinggi sebesar 7,26 sedangkan COP rata-rata dari mesin pendingin sebesar 6,06, dengan volume air 3 liter dalam waktu 220 menit dengan pencapaian suhu air sebesar 2 °C. Dapat dinyatakan dalam persamaan COP = -0,000003t3 + 0,001t2 - 0,115t + 10,07 (t dalan satuan menit) R² = 0,808.
5.2 Saran
Setelah dilakukan pengambilan data dari mesin pendingin dengan pemanasan lanjut dan pendinginan lanjut ada kekurangan dan kelebihan yang perlu di perhatikan, untuk itu perlu adanya saran untuk pengembangan mesin ini, antara lain :
1. Sebelum proses pengambilan data sebaiknya dilakukan pengecekan alat ukur, sehingga saat proses pengambilan data tidak terjadi kendala.
DAFTAR PUSTAKA
Dirja, 2004, Dasar Mesin Pendingin, Departemen Pendidikan Nasional, Diakses : Tanggal 06 April 2012.
Frank Kreith. 1986. Principle of Heat Transfer (Prinsip – Prinsip Perpindahan Panas). Erlangga. Jakarta.
Laksana Aji Wedha, 2012, Mesin Pendingin Dengan Pemanasan Lanjut dan Pendinginan Lanjut, Yogyakarta.
Nofrizal, 2008, Perancangan Thermal Dan Elektrikal Solar Cold Stroge Untuk Kapal Nelayan Tradisional, Central Library Universitas Indonesia, Diakses : Tanggal 19 April 2012.
Panggalih Landhung Leo, 2013, Mesin Pendingin Dengan Siklus Kompresi Uap,
Yogyakarta.
Sumanto, 2004, Dasar-dasar Mesin Pendingin, Andi Offset, Yogyakarta.
Stoecker, W. F., 1989, Refrigeran dan Pengkondisian Udara, Erlangga, Jakarta.
vi
Seiring dengan kemajuan teknologi dan meningkatnya taraf hidup, mesin pendingin semakin banyak dimanfaatkan. Mesin pendingin dapat berfungsi sebagai : refrigerator, freezer, air conditioner (AC). Mengingat peranan dan pentingnya mesin pendingin secara umum, maka diperlukan pengetahuan tentang pembuatan dan pengembangan mesin pendingin dengan pemanasan lanjut dan pendinginan lanjut. Tujuan dari pembuatanan mesin pendingin dengan pemanasan lanjut dan pendinginan lanjut yaitu dapat membuat mesin pendingin skala rumah tangga dengan mempergunakan siklus kompresi uap, menghitung kerja kompresor, laju aliran kalor yang diserap evaporator, laju aliran kalor yang dilepas kondensor serta mengetahui COP mesin pendingin.
Mesin pendingin dengan pemanasan lanjut dan pendinginan lanjut pada siklus kompresi uap memiliki komponen utama yaitu kompresor, kondensor, pipa kapiler, evaporator dan filter. Model mesin pendingin dengan pemanasan lanjut dan pendinginan lanjut ini yaitu dengan cara melilitkan pipa kapiler keluar kondensor dengan bagian evaporator. Data yang diambil dalam pengujian mesin pendingin adalah tekanan kerja, suhu di setiap bagian pipa keluar komponen mesin pendingin dan suhu air.
Dari mesin pendingin dengan pemanasan lanjut dan pendinginan lanjut dapat diperoleh hasil berupa kerja kompresor (Win), panas yang diserap evaporator (Qin), panas yang dilepas kondensor (Qout), dan COP (Coefficient of
Perfomance) dari mesin pendingin. Mesin pendingin yang telah dibuat mampu mendinginkan air sebanyak 3 liter dalam waktu 220 menit dengan suhu air awal sebesar 25,1°C menjadi sebesar 2 °C. Kerja kompresor terendah yang didapat sebesar 26,75 kJ/kg dan tertinggi sebesar 39,54 kJ/kg sedangkan rata-ratanya sebesar 33,145 kJ/kg. Panas yang dilepas kondensor terendah sebesar 167,47 kJ/kg dan tertinggi sebesar 193,06 kJ/kg sedangkan rata-ratanya sebesar 186,661 kJ/kg. Panas yang dihisap evaporator terendah sebesar 194,22 kJ/kg dan tertinggi sebesar 200,04 kJ/kg sedangkan rata-ratanya sebesar 198,57 kJ/kg. COP terendah sebesar 4,571 dan COP terendah sebesar 5,00 dan COP tertinggi sebesar 7,26 sedangkan COP rata-rata dari mesin pendingin sebesar 6,06.
