MESIN PENDINGIN SIKLUS KOMPRESI UAP

(1)

Bagas Somporn - Teknik Permesinan Kapal Page 1

Mesin Pendingin Siklus Kompresi Uap

Cara kerja dari mesin pendingin dengan siklus refrigerasi kompresi uap adalah sebagai berikut :

“Fluida kerja dikompresikan di dalam kompresor dari tingkat keadaan 1 ke tingkat keadaan 2, pada tekanan tinggi ini fluida kerja ini diembunkan di dalam kondensor ke tingkat keadaan 3 dan kemudian diekspansikan dengan katup ekspansi ke tingkat keadaan 4 dan berevaporasi di dalam evaporator kembali ke tingkat keadaan 1.”

Sistem pendinginan ini terdiri dari beberapa alat utama yang pokok untuk dapat terjadinya proses kompresi uap, yaitu:

a. Kompresor, berfungsi untuk menaikkan tekanan refrigerant.

b. Kondensor berfungsi mendinginkan atau mengembunkan refrigerant berarti terjadi panas yang dibuang di dalam kondensor.

c. Katup ekspansi, berfungsi untuk mengeskpansikan refrigerant secara entalpi konstan dan tidak ada panas yang diserap maupun dibuang pada proses ekspansi untuk

menurunkan tekanan refrigerant.

d. Evaporator, berfungsi untuk memanaskan atau menguapkan refrigerant, berarti ada panas yang diserap oleh refrigerant sehingga terjadi efek pendinginan pada lingkungan sekitarnya.

Untuk mengetahui kemampuan mesin pendingin maka digunakan koefisien performansi (Coefficient of Performance (COP)) yaitu perbandingan antara efek pendinginan dan kerja yang dilakukan oleh kompresor.

A. Pengertian Mesin Pendingin

Mesin Pendingin adalah suatu peralatan yang digunakan untuk mendinginkan air, atau peralatan yang berfungsi untuk memindahkan panas dari suatu tempat yang temperaturnya lebih tinggi. Di dalam sistem pendinginan dalam menjaga temperatur rendah memerlukan pembuangan kalor dari produk pada temperatur rendah ke tempat pembuangan kalor yang lebih tinggi.

(2)

dingin yang dikehendaki. Dalam kasus ini, fluida digunakan untuk mendinginkan lingkungan bersuhu rendah dan membuang panas ke lingkungan yang bersuhu tinggi.

Siklus refrigerasi kompresi uap memiliki dua keuntungan. Pertama, sejumlah besar energi panas diperlukan untuk merubah cairan menjadi uap, dan oleh karena itu banyak panas yang dapat dibuang dari ruang yang disejukkan. Kedua, sifat-sifat isothermal penguapan membolehkan pengambilan panas tanpa

menaikan suhu fluida kerja ke suhu berapapun didinginkan. Hal ini berarti bahwa laju perpindahan panas menjadi tinggi, sebab semakin dekat suhu fluida kerja mendekati suhu sekitarnya akan semakin rendah laju perpindahan panasnya. Prinsip kerja mesin pendingin adalah jika motor penggerak berputar maka akan memutar kompresor. Dengan berputar kompresor, refrigeran akan naik suhu maupun tekanannya. Hal ini disebabkan molekul-molekul dari refrigeran

bergerak lebih cepat akibat proses kompresi. Gas dari refrigeran akan merambat pada pipa–pipa kondensor dan media pendinginan.

Pada bagian kondensor diusahakan adanya media pendinginan yang baik, sebab dengan adanya pendinginan yang baik pada bagian kondensor akan membantu memperlancar terjadinya proses kondensasi. Temperatur dan

tekanan gas refrigeran akan naik sampai keseimbangan dicapai. Setelah terjadi keseimbangan proses kondensasi (pengembunan) gas refrigeran mengalir menerusi saluran cairan tekanan tinggi menuju refrigeran control setelah melewati drier strainer (saringan).

Siklus (daur) kompresi uap merupakan daur yang terbanyak digunakan dalam sistem refrigerasi. Pada daur ini ditekan dan kemudian diembunkan menjadi cairan, lalu tekanannya diturunkan agar cairan tersebut dapat menguap kembali.

B. Siklus Pendinginan (Refrigeration Cycle)

Waktu kompresor sedang bekerja suhu dan tekanan refrigeran yang mengalir ke kondensor, pipa kapiler, dryer, evaporator akan menjadi tinggi. Klep tekan

(discharge valve) menjadi terbuka dan klep hisap (sunction tube) menutup, dengan terbukanya klep tekan uap yang dipompa oleh kompresor keluar melalui celah-celah klep tersebut dan masuk kedalam saluran tekan. Refrigeran yang masuk kedalam pipa kondensor panasnya akan diserap oleh udara yang mengalir melalui sela-sela pipa. Kondensor akan melepaskan panas dan

(3)

dan menjadi cairan. Cairan tersebut mengalir kedalam dryer dan capillary tube yang mempunyai lubang diameter yang kecil sehingga tekanan diturunkan menjadi rendah sesuai temperatur pada evaporator.

C. Bahan Pendingin (Refrigerant)

Bahan pendingin atau refrigerant adalah suatu zat yang mudah diubah wujudnya dari gas menjadi cair atau sebaliknya. Untuk dapat terjadinya suatu proses pendinginan diperlukan suatu bahan pendingin atau refrigerant yang digunakan untuk mengambil panas dari evaporator dan membuangnya dalam kondensor. Terdapat berbagai jenis refrigerant yang digunakan dalam sistim kompresi uap. Suhu refrigerasi yang dibutuhkan sangat menentukan dalam pemilihan fluida. Refrigerant yang umum digunakan adalah yang termasuk kedalam keluarga chlorinated fluorocarbons.

Bahan pendingin (refrigerant) banyak sekali macamnya, tetapi tidak semua dapat dipakai untuk semua keperluan pendinginan. Suatu bahan pendingin mempunyai syarat–syarat untuk keperluan proses pendinginan antara lain :

1. Tidak beracun dan tidak berbau dalam semua keadaan.

2. Tidak dapat terbakar atau meledak bila bercampur dengan udara, minyak pelumas dan sebagainya.

3. Tidak menyebabkan korosi terhadap bahan logam yang dipakai pada sistem pendingin.

4. Bila terjadi kebocoran mudah diketahui dengan alat–alat yang sederhana maupun dengan alat detector kobocoran.

5. Mempunyai titik didih dan tekanan kondensasi yang rendah.

6. Mempunyai kalor laten penguapan yang besar, agar panas yang diserap evaporator sebesar–besarnya.

7. Viskositas dalam fase cair maupun fase gas rendah agar aliran refrigeran dalam pipa sekecil mungkin.

8. Harganya tidak mahal dan mudah diperoleh. 9. Konduktifitas thermal yang tinggi.

10. Konstanta dieletrika dari refrigeran yang kecil, tahanan lisrtrik yang besar, serta tidak menyebabkan korosi pada material isolator listrik.

11. Tidak merusak tubuh manusia.

D. Kompresor

(4)

refrigeran yang mengalir dalam unit mesin pendingin. Jika dilihat dari cara kerja mensirkulasikan refrigeran, maka kompresor dapat diklasifikasikan menjadi :

1. Kompresor Open Unit (Open Type Cmpressor)

Jenis kompresor ini terpisah dari tenaga penggeraknya masing-masing bergerak sendiri dalam keadaan terpisah. Tenaga penggerak kompresor umumnya motor listrik. Salah satu ujung poros engkol dari kompresor menonjol keluar, sebuah puli dari luar dipasang pada ujung poros tersebut. Melalui tali kipas puli

dihubungkan dengan tenaga penggeraknya. Puli pada kompresor berfungsi sebagai roda gaya yang digunakan sebagai daun kipas untuk mendinginkan kondensor dan kompresor sendiri. Karena ujung poros engkol keluar dari rumah kompresor, maka harus diberi pelapis agar refigeran tidak bocor keluar.

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.

3. Kompresor Scroll

Prinsip kerja dari komprespr scroll adalah mengunakan 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 saluaran tekan yang letaknya pada pusat orbit dari scroll tersebut.

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 kedalamnya. Bila putaran terus berlanjut, refrigeran yang terkurung digerakkan 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.

5. Kompresor Semi Hermetik

(5)

masing-Bagas Somporn - Teknik Permesinan Kapal Page 5

masing berdiri sendiri dalam keadaan terpisah. Untuk menggerakkan kompresor poros motor listrik dihubungkan dengan poros kompresornya langsung.

E. Kondensor

Kondensor mempunyai fungsi melepaskan panas yang diserap refrigeran di evaporator dan panas yang terjadi selama proses kompresi. Dilihat dari sisi media yang digunakan kondensor dapat dibedakan 2 macam :

1. Kondensor Berpendingin Udara (Air Cooled Condenser)

Yaitu kondensor yang menggunakan udara sebagai media pendinginnya. Air cooled condenser mempunyai dua tipe diantaranya :

• Natural Draught Condenser

Dimana pelaksana perpindahan panasnya dilakukan dengan aliran udara secara alami.

• Force Draught Condenser

Dimana pelaksanaan perpindahan panasnya dilakukan dengan aliran udara yang dipaksakan biasanya dilakukan dengan kipas udara dan blower.

2. Kondensor Berpendingin Air (Water Cooled Condenser)

Water cooled condensor adalah kondensor yang menggunakan air sebagai media pendinginnya. Menurut proses aliran yang ada pada kondensor ini terbagi menjadi dua jenis yaitu :

• Wate Water System

Suatu sistem dimana air yang disuplai untuk kondensor diambil dari pusat–pusat air kemudian dialirkan melewati kondensor setelah itu dibuang.

• Recirculating Water System

Suatu sistem dimana air yang telah meninggalkan kondensor disalurkan kedalam cooling tower, untuk diturunkan temperaturnya pada temperatur yang

dikehendaki.

• Sistem Pipa Air Dari Menara Pendingin

(6)

permukaan air dalam bak air, maka sebuah katup satu arah (check valve) harus dipasang diantara sisi keluar air pendingin dan pompa.

F. Evaporator

Evaporator adalah penukar kalor yang memegang peranan yang paling penting didalam siklus pendinginan, yaitu mendinginkan media sekitarnya. Evaporator berfungsi untuk mendinginkan udara ruangan atau cairan. Selain itu fungsi eavaporator pada sistem pendinginan adalah sebagai pipa penguapan. Dilihat dari betuknya, evaporator memiliki konstruksi yang sama dengan bagian kondensor yang hanya menggunakan diameter pipa lebih besar dibandingkan pipa untuk kondensor. Didalam tabung dipasang plat–plat penyekat. Plat–plat tersebut berfungsi sebagai penunjang pipa refrigeran dan mengalirkan cairan yang hendak didinginkan, sehingga dapat mengalir tegak lurus pada pipa dengan kecepatan tinggi.

Dengan demikian laju–laju perpindahan kalor semakin baik karena kontak antara cairan yang hendak didinginkan dalam pipa refrigeran dapat dibuat lebih baik.

G. Pipa Kapiler (Capillary Tube)

Pipa kapiler adalah pengatur bahan pendingin atau refrigeran pada sistem pendinginan yang ditempatkan pada antara sisi tekanan tinggi dan sisi tekanan rendah. Refrigeran cairan yang mengalir melalui pipa kapiler terjadi pressure drop yang berarti tekanan dan suhunya diturunkan sesuai dengan kebutuhan evaporator.

Penggunaan pipa kapiler pada mesin pendingin akan mempermudah pada waktu start, karena dengan mempergunakan pipa kapiler pada saat sistem tidak

bekerja tekanan pada kondensor dan evaporator selalu sama. Hal ini berarti meringankan tugas kompresor pada waktu start.

H. Pengering (Dryer)

Pengering (dryer) dalam sistem pendinginan digunakan untuk untuk menyerap uap air dan menyaring kotoran yang tidak diperlukan dalam sistem. Didalam pengering diisikan bahan pengering dan kawat saringan. Pengering ditempatkan pada sisi tekanan tinggi dari sistem pendinginan, yaitu pada saluran cairan didekat pipa kapiler. Pengering tersebut sebaiknya dipasang pada posisi kedudukan tegak dengan lubang masuk pada bagian bawah. Umumnya

(7)

telah tidak dapat menyerap uap air lagi. Jika kompresor rusak atau motornya terbakar, maka pengering harus ditukar dengan yang baru

karena saringan telah kotor bahan pengering juga tidak dapat menyerap uap air lagi.

I. Katup Ekspansi Otomatik (Automatic Expansion Valve)

Katup ekspansi otomatik digunakan untuk mengatur jumlah refrigeran yang masuk pada evaporator dalam batas yang sama dengan kapasitas isap kompresor. Selama sistem sedang bekerja, katup tersebut dapat

mempertahankan tekanan evaporator dan tekanan saluran isap tetap konstan, sehingga beban kompresor juga menjadi konstan.

Pada dasarnya katup tersebut terdiri dari : jarum dan dudukanya, diafragma, sebuah pegas dengan baut pengatur, sebuah saringan pada bagian masuk. Katup ekspansi otomatik bekerja berdasarkan tekanan yang seimbang pada diafragma, dari dua tekanan yang berlawanan dan saling mengimbangi. Prinsip kerja katup ekspansi otomatik adalah apabila tekanan evaporator menekan diafragma keatas, membuat lubang saluran refrigeran menutup.

J. Katup Ekspansi Termostatik (Thermostatic Expansion Valve)

Katup ekspansi termostatik merupakan alat pengatur refrigeran yang paling banyak dipakai untuk sistem pendinginan. Katup ekspansi tersebut dapat mengatur jumlah refrigeran yang mengalir dalam evaporator sesuai dengan beban evaporator yang maksimum pada setiap keadaan beban evaporator yang berubah-ubah. Katup ekspansi termostatik dapat mempertahankan uap panas lanjut yang konstan.

Katup ekspansi tersebut tidak mengatur tekanan dan temperatur dalam evaporator, tetapi mengontrol jumlah refrigeran yang mengalir masuk dalam evaporator. Refrigeran yang mengalir melalui katup ekspansi termostatik lalu pada evaporator, selain dikontrol oleh tekanan rendah dalam evaporator, juga oleh temperatur dan tekanan pada akhir evaporator.

K. Termometer bola kering dan termometer bola basah

• Dry Bulb temperature (Temperatur bola kering), yaitu suhu yang ditunjukkan

(8)

thermometer. Jika kita ingin mengukur suhu udara dengan thermometer biasa maka terjadi perpindahan kalor dari udara ke bulb thermometer.

Karena mendapatkan kalor maka zat cair (misalkan: air raksa) yang ada di dalam thermometer mengalami pemuaian sehingga tinggi air raksa tersebut naik.

Kenaikan ketinggian cairan ini yang di konversika dengan satuan suhu (celcius, Fahrenheit, dll).

• Wet Bulb Temperature (Temperatur bola basah), yaitu suhu bola basah. Sesuai dengan namanya “wet bulb”, suhu ini diukur dengan menggunakan thermometer

yang bulbnya (bagian bawah thermometer) dilapisi dengan kain yang telah basah kemudian dialiri udara yang ingin diukur suhunya.

Perpindahan kalor terjadi dari udara ke kain basah tersebut. Kalor dari udara akan digunakan untuk menguapkan air pada kain basah tersebut, setelah itu baru digunakan untuk memuaikan cairan yang ada dalam thermometer.

Untuk menjelaskan apa itu wet bulb temperature, dapat kita gambarkan jika ada suatu kolam dengan panjang tak hingga diatasnya ditutup. Kemudian udara dialirka melalui permukaan air. Dengan adanya perpindahan kalor dari udara ke permukaan air maka terjadilah penguapan. Udara menjadi jenuh diujung kolam air tersebut. Suhu disinilah yang dinamakan Wet Bulb temperature.

Untuk mengukur dua sifat (Dry dan Wet bulb temperature) ini sekaligus biasanya menggunkan alat yang namanya sling, yaitu dua buah thermometer yang di satukan pada sebuah tempat yang kemudian tempat tersebut dapat diputar. Satu thermometer biasa dan yang lainnya thermometer dengan bulb diselimuti kain basah.

L. Istilah – istilah dalam Pengujian Mesin Pendingin Siklus Kompresi Uap

• Dew Point, yaitu suhu dimana udara telah mencapai saturasi (jenuh). Jika

udara tersebut mengalami pelepasan kalor sedikit saja, maka uap air dalam udara akan mengembun.

• Humidity Ratio , yaitu ukuran massa uap air yang ada dalam satu satuan udara kering (Satuan International: gram/kg).

• Relative Humidity (RH), Perbandingan antara fraksi mol uap dengan fraksi mol

udara basah pada suhu dan tekanan yang sama (satuannya biasanya dalam persen (%)).

• Volume Spesifik (v), yaitu besarnya volume udara dalam satu satuan massa.

(SI: m3/kg)

(9)

satuan massa. Enthalpy ini merupakan jumlah total energi yang ada dalam udara terebut, baik dari udara maupun uap air yang terkandung

didalamnya.

M. Macam – macam siklus kompresi uap 1. Daur Refrigerasi Carnot

Daur ini merupakan keblikan dari mesin kalor, dimana energi disalurkan dari suhu rendah menuju suhu yang lebih tinggi. Dengan kata lain daur refrigerasi membutuhkan kerja luar untuk dapat bekerja.

Proses – proses yang membentuk daur Carnot adalah : 1 – 2 kompresi adiabatik

2 – 3 pelepasan kalor isotermal 3 – 4 ekspansi adiabatik

4 – 1 pemasukan kalor isotermal

Seluruh proses pada daur Carnot secara termodinamik bersifat reversibel (dapat dibalik). Oleh karenanya proses 1 – 2 dan 3 – 4 bersifat isentropik. Penyerapan kalor dari sumber bersuhu rendah pada proses 4 – 1 merupakan tujuan utama dari daur ini. Seluruh proses lainnya pada daur berfungsi sedemikian rupa sehingga energi bersuhu rendah dapat dikeluarkan ke lingkungan yang bersuhu lebih tinggi. Daur carnot ini terdiri dari proses – proses reversibel yang

menjadikan efisiensinya menjadi lebih tinggi dari yang dapat dicapai oleh daur nyata. Hal yang penting dari daur Carnot adalah daur ini merupakan pembanding yang standar dan dengan daur tersebut memberikan pedoman tentang suhu – suhu yang harus dipertahankan sehingga diperoleh keefektifan yang maksimum.

2. Daur Kompresi Uap Standar (DKUS)

Proses – proses yang membentuk daur ini adalah :

1 – 2 kompresi adiabatik dan reversibel, dari uap jenuh menuju tekanan kondensor.

2 – 3 pelepasan kalor reversibel pada tekanan konstan, menyebabkan penurunan panas lanjut (desuperheating) dan pengembunan refrigeran. 3 – 4 ekspansi tidak reversibel pada entalpi konstan, dan cairan jenuh menuju tekanan evaporator.

(10)

Bagas Somporn - Teknik Permesinan Kapal Page 10  Prestasi daur kompresi uap standar

Untuk mengetahui prestasi DKUS terlebih dahulu harus diketahui beberapa besaran seperti : kerja kompresi, laju pengeluaran kalor, dampak refrigerasi, koefisien prestasi, Coefficient of Performance (COP). Istilah prestasi di dalam daur refrigerasi disebut dengan Koefisien Prestasi. Yang didefinisikan sebagai perbandingan antara refrigerasi yang bermanfaat terhadap kerja bersih, yang identik dengan jumlah hasil yang diinginkan tgerhadap jumlah pengeluaran.

3. Daur kompresi Uap Nyata

Daur ini mengalami pengurangan efisiensi dibanding dengan daur standar. Perbedaan penting antara daur nyata dengan daur standar terletak pada penurunan tekanan di dalam kondensor dan evaporator, dalam

pembawahdinginan cairan yang meninggalkan kondensor, dan dalam