Modul Dasar Refrigerasi

MODUL AJAR DASAR REFRIGERASI Disusun oleh: Indra Fitriyanto JURUSAN TEKNIK PENDINGIN DAN TATA UDARA POLITEKNIK NEGERI INDRAMAYU 2022

LEMBAR PENGESAHAN 1. Identitas Modul Ajar a. Judul Modul ajar : Modul Ajar Dasar Refrigerasi b. Mata Kuliah : Dasar Refrigerasi c. Jurusan : Teknik Pendingin dan Tata Udara d. Program Studi : D3 Teknik Pendingin dan Tata Udara 2. Penyusun : Indra Fitriyanto, S.Pd., M.T. a. Nama : 199503032022031009 b. NIP : Jurusan Teknik Pendingin dan Tata Udara c. Unit Kerja Mentor Indramayu, 1 Agustus 2022 Penyusun Ahmad Maulana K., S.T., M.T Indra Fitriyanto, S.Pd., M.T.

KATA PENGANTAR Segala puji penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, atas segala nikmat-Nya sehingga modul ajar dasar refrigerasi ini selesai disusun. Sholawat serta salam semoga tercurahkan kepada pembawa pesan keselamatan bagi seluruh alam, Nabi Muhammad SAW. Penulis mengucapkan banyak terima kasih kepada semua pihak yang telah turut serta dalam proses penyusunan modul ajar ini. Dalam modul ajar ini tentunya terdapat kekurangan dan bahkan terbilang banyak. Oleh karena itu penulis mengharapkan saran dan kritik yang membangun guna meningkatkan kualitas modul ajar ini. Indramayu, 30 Juli 2022 i

DAFTAR ISI KATA PENGANTAR ..............................................................................................................i DAFTAR ISI........................................................................................................................... ii DAFTAR GAMBAR ...............................................................................................................v DAFTAR TABEL................................................................................................................ viii BAB 1 SIKLUS CARNOT DAN HUKUM II TERMODINAMIKA.....................................1 1.1. Siklus Carnot .............................................................................................................1 1.2. Hukum II Termodinamika.........................................................................................4 1.3. Mesin Pendingin (Reverse Carnot) ...........................................................................6 BAB 2 PENDINGINAN DAN SISTEM KOMPRESI UAP..................................................9 2.1. Pendinginan...............................................................................................................9 2.2. Refrigeran..................................................................................................................9 2.3. Sistem Pendinginan .................................................................................................11 2.4. Refrigeran Cair........................................................................................................11 2.5. Refrigeran Gas.........................................................................................................12 2.6. Mengontrol Suhu Penguapan ..................................................................................13 2.7. Mempertahankan jumlah cairan di evaporator........................................................14 2.8. Menampung Refrigeran...........................................................................................16 2.9. Tipikal Sistem Kompresi Uap .................................................................................18 2.10. Service Valve.......................................................................................................19 2.11. Pembagian Sistem................................................................................................19 2.12. Condensing Unit ..................................................................................................20 2.13. Pengaruh tekanan liquid terhadap suhu evaporasi refrigeran ..............................20 2.14. Pengaruh tekanan gas terhadap suhu kondensasi refrigeran ...............................21 2.15. Siklus refrigerasi..................................................................................................22 2.16. Tipikal proses aktual............................................................................................25 BAB 3 DIAGRAM SIKLUS REFRIGERASI .....................................................................28 3.1. Diagram siklus.........................................................................................................28 3.2. P-H diagram ............................................................................................................28 3.3. Pengaruh suhu evaporasi terhadap efisiensi siklus .................................................34 3.4. Pengaruh suhu kondensasi terhadap efisiensi siklus ...............................................37 3.5. Siklus refrigerasi aktual...........................................................................................39 BAB 4 APLIKASI SISTEM REFRIGERASI MEKANIK ..................................................45 ii

4.1. Ruang lingkup industri ............................................................................................45 4.2. Klasifikasi................................................................................................................45 4.3. Pengawetan makanan ..............................................................................................49 4.4. Gudang pendinginan ...............................................................................................52 4.5. Cara pembekuan......................................................................................................52 BAB 5 KONDENSOR..........................................................................................................54 5.1. Fungsi kondensasi ...................................................................................................54 5.2. Air Cooled Condenser.............................................................................................55 5.3. Water cooled condensor ..........................................................................................56 a. Shell and tube condenser.........................................................................................57 b. Shell and Coil Condenser dan .................................................................................57 c. Tubes and Tube Condenser .....................................................................................58 5.4. Evaporatif Condenser..............................................................................................58 BAB 6 EVAPORATOR .......................................................................................................61 6.1. Jenis evaporator.......................................................................................................61 6.2. Konstruksi evaporator .............................................................................................61 6.3. Bare tube evaporator ...............................................................................................61 6.4. Plate surface evaporator ..........................................................................................62 6.5. Finned evaporator....................................................................................................63 6.6. Kapasitas evaporator ...............................................................................................63 BAB 7 KOMPRESOR..........................................................................................................66 7.1. Klasifikasi Kompresor Udara..................................................................................66 7.2. Konstruksi Kompresor ............................................................................................68 a. Silinder dan Kepala Silinder ...................................................................................69 b. Torak dan cincin torak.............................................................................................70 c. Katup-Katup ............................................................................................................71 d. Poros Engkol dan Batang Torak..............................................................................72 e. Kotak Engkol...........................................................................................................73 g. Pelumasan................................................................................................................73 h. Peralatan Pembantu .................................................................................................76 BAB 8 KOMPONEN PENDUKUNG SISTEM REFRIGERASI........................................79 8.1. Pengontrol laju aliran refrijeran ..............................................................................79 8.2. Hand expansion valve .............................................................................................79 8.3. Automatic expansion valve .....................................................................................80 iii

8.4. Thermosatatic expansion valve ...............................................................................81 8.5. Pipa kapiler..............................................................................................................86 DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................................88 iv

DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1 Siklus Termodinamika .........................................................................................1 Gambar 1.2 Siklus Carnot........................................................................................................2 Gambar 1.3 Gambar siklus mesin pendingin (reverse carnot).................................................6 Gambar 2.1 Panas mengalir dari ruang hangat ke air dingin.................................................10 Gambar 2.2 Panas mengalir dari ruang hangat ke es .............................................................11 Gambar 2.3 Cairan R-12 menguap saat menyerap panas dari ruang bersuhu 40 ° F ............13 Gambar 2.4 Suhu didih cairan refrigeran di evaporator dikendalikan dengan katup pelambatan di ventilasi ..........................................................................................................14 Gambar 2.5 Tekanan refrigeran di evaporator berkurang di bawah atmosfer oleh aksi pompa uap..........................................................................................................................................14 Gambar 2.6 katup apung mempertahankan konstan tingkat cairan di evaporator.................15 Gambar 2.7 Evaporator koil serpentine dengan kontrol thermal ...........................................15 Gambar 2. 8 Mengumpulkan dan mengondensasi uap air refrigeran ....................................16 Gambar 2.9 Mengumpulkan dan mengondensasi refrigeran uap air .....................................17 Gambar 2.10 Diagram alir sistem kompresi gas....................................................................18 Gambar 2.11 Tipikal Air cooled condensing unit, system hermetic......................................20 Gambar 2.12 Siklus refrigeran ...............................................................................................23 Gambar 2.13 Efek evaporasi di evaporator............................................................................23 Gambar 2.14 Efek kompresi ..................................................................................................24 Gambar 2. 15 Efek kondensasi di kondenser.........................................................................25 Gambar 2.16 Efek ekspansi di katub ekspansi.......................................................................25 Gambar 2.17 Tipikal actual proses ........................................................................................26 Gambar 3.1 Pemetaan tiga daerah penting pada P-H diagram ..............................................28 Gambar 3.2 Pemetaan tekanan, suhu dan entalpi pada P-H-chart .........................................29 Gambar 3.3 Pemetaan proses refrijerasi pada P-H-chart .......................................................30 Gambar 3.4 Contoh pemetaan siklus refrijerasi pada P-H-chart ...........................................31 Gambar 3. 5 Diagram aliran siklus refrijerasi sederhana.......................................................32 Gambar 3. 6 Pemetaan dua suhu evaporasi yang berbeda untuk memperlihatkan perbedaannya, marilah kita hitung entalpinya .......................................................................35 Gambar 3.7 Pemetaan dua suhu kondensasi yang berbeda....................................................37 v

Gambar 3.8 Diagram aliran untuk proses gas panaslanjut.....................................................39 Gambar 3.9 Hasil pemetaan siklus panaslanjut .....................................................................41 Gambar 4.1 Reach-in refrigerator 46 Gambar 4.2 Display case, single duty 46 Gambar 4.3 Service case, double duty 47 Gambar 4.4 Multishelf 47 Gambar 4.5 Open type display case, untuk penyimpanan makanan beku dan es krim 48 Gambar 5.1 Air Cooled Condenser........................................................................................55 Gambar 5.2 Shell and tube condenser....................................................................................57 Gambar 5.3 Shell And coil Condenser ..................................................................................58 Gambar 5.4 Tubes and tube condenser ..................................................................................58 Gambar 5.5 Evaporative Condenser ......................................................................................59 Gambar 5.6 Cooling Tower ...................................................................................................60 Gambar 6.1 Desain evaporator bare-tube. (a) flat zigzag coil, (b) oval trombone coil .........62 Gambar 6.2 Desain evaporator permukaan plat.....................................................................62 Gambar 6.3 Desain evaporator permukaan plat untuk refrigerator domestik........................62 Gambar 6.4 Desain evaporator permukaan plat dengan pipa ................................................63 Gambar 6.5 Finned evaporator ..............................................................................................63 Gambar 7.1 Tipe-tipe kompresor...........................................................................................66 Gambar 7.2 Klasifikasi kompresor ........................................................................................67 Gambar 7.3 Kompresor kerja tunggal....................................................................................69 Gambar 7.4 Kompresor kerja ganda ......................................................................................69 Gambar 7.5 Konstruksi torak kompresor bebas minyak........................................................70 Gambar 7.6 Konstruksi Katup Pita ........................................................................................71 Gambar 7.7 Konstruksi Katup Cincin....................................................................................71 Gambar 7.8 Konstruksi Katup Kanal.....................................................................................72 Gambar 7.9 Konstruksi Katup Kepak ....................................................................................72 Gambar 7.10 Pelumasan Paksa ..............................................................................................74 Gambar 7.11 Sistem Pelumas Minyak Luar ..........................................................................75 Gambar 7.12 Sistem Pelumas Minyak Dalam .......................................................................75 Gambar 7.13 . Saringan udara tipe genangan minyak ...........................................................76 Gambar 7.14 Katup Pengaman ..............................................................................................77 Gambar 7.15 Unit Kompresor dengan Tangki Udara............................................................77 vi

Gambar 8.1 Hand expansion valve ........................................................................................79 Gambar 8.2 Diagram skematik automatic expansion valve...................................................80 Gambar 8.3 Konstruksi automatic expansion valve ..............................................................80 Gambar 8.4 Kondisi refrijeran pada saat beban evaporator tinggi ........................................81 Gambar 8.5 Kondisi refrijeran pada saat beban evaporator minimum ..................................81 Gambar 8.6 Ilustrasi konstruksi katub ekspansi thermostatik ...............................................82 Gambar 8.7 Lokasi pemasangan remote bulb pada sisi outlet evaporator.............................83 Gambar 8.8 Detail contoh pemasangan remote bulb .............................................................83 Gambar 8.9 Ilustrasi prinsip kerja katub eksapnsi thermostatik ............................................84 Gambar 8.10 Lokasi pemasangan remote bulb yang salah dan yang benar ..........................85 Gambar 8.11 Konstruksi katub ekspansi dengan equalizer eksternal....................................85 Gambar 8.12 Konstruksi katub ekspansi dengan equalizer eksternal....................................86 Gambar 8.13 Sistem pipa kapiler...........................................................................................87 vii

DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Hubungan antara suhu dan tekanan refrigeran dalam kondisi jenuh .....................21 Tabel 2.2 Patokan penentuan suhu kondensasi......................................................................22 Tabel 4.1 Pertumbuhan bakteri pada susu .............................................................................51 viii

BAB 1 SIKLUS CARNOT DAN HUKUM II TERMODINAMIKA 1.1. Siklus Carnot Siklus adalah suatu rangkaian proses sedemikian rupa sehingga akhirnya kembali kepada keadaan semula. Perhatikan Gambar 1.1! Gambar 1.1 Siklus Termodinamika Misalnya, terdapat suatu siklus termodinamika yang melibatkan proses isotermal, isobarik, dan isokorik. Sistem menjalani proses isotermal dari keadaan A sampai B, kemudian menjalani proses isobarik untuk mengubah sistem dari keadaan B ke keadaan C. Akhirnya proses isokorik membuat sistem kembali ke keadaan awalnya (A). Proses dari A ke keadaan B, kemudian ke keadaan C, dan akhirnya kembali ke keadaan A, menyatakan suatu siklus. Apabila siklus tersebut berlangsung terus menerus, kalor yang diberikan dapat diubah menjadi usaha mekanik. Tetapi tidak semua kalor dapat diubah menjadi usaha. Kalor yang dapat diubah menjadi usaha hanya pada bagian yang diarsir saja. Berdasarkan Gambar 1 tersebut besar usaha yang bermanfaat adalah luas daerah ABCA. Secara matematis dapat ditulis seperti berikut. ������ = ������������������ ������������ ������2 − ������(������2 − ������1) ������1 Usaha bernilai positif jika arah proses dalam siklus searah putaran jam, dan bernilai negatif jika berlawanan arah putaran jarum jam. Perubahan energi dalam (∆U) untuk satu siklus sama dengan nol ( ∆U = 0), karena keadaan awal sama dengan keadaan akhir. Pada tahun 1824, seorang insinyur berkebangsaan Prancis, Nicolas Leonardi Sadi Carnot, memperkenalkan metode baru untuk meningkatkan efisiensi suatu mesin berdasarkan siklus usaha. Metode efisiensi Sadi Carnot ini selanjutnya dikenal sebagai siklus Carnot. Siklus Carnot terdiri atas empat proses, yaitu dua proses isotermal dan dua proses adiabatik. 1

Perhatikan gambar berikut! Gambar 1.2 Siklus Carnot Berdasarkan Gambar di atas dijelaskan siklus Carnot sebagai berikut : 1. Proses AB adalah pemuaian isotermal pada suhu T1. Pada proses ini sistem menyerap kalor Q1 dari reservoir bersuhu tinggi T1 dan melakukan usaha WAB. 2. Proses BC adalah pemuaian adiabatik. Selama proses ini berlangsung suhu sistem turun dari T1 menjadi T2 sambil melakukan usaha WBC. 3. Proses CD adalah pemampatan isoternal pada suhu T2. Pada proses ini sistem menerima usaha WCD dan melepas kalor Q2 ke reservoir bersuhu rendah T2. 4. Proses DA adalah pemampatan adiabatik. Selama proses ini suhu sistem naik dari T2 menjadi T1 akibat menerima usaha WDA. Siklus Carnot merupakan dasar dari mesin ideal yaitu mesin yang memiliki efisiensi tertinggi yang selanjutnya disebut mesin Carnot. Usaha total yang dilakukan oleh sistem untuk satu siklus sama dengan luas daerah di dalam siklus pada diagram p - V. Mengingat selama proses siklus Carnot sistem menerima kalor Q1 dari reservoir bersuhu tinggi T1 dan melepas kalor Q2 ke reservoir bersuhu rendah T2, maka usaha yang dilakukan oleh sistem menurut hukum I termodinamika adalah sebagai berikut. ������ = ∆������ + ������ ������1 − ������2 = 0 + ������ ������ = ������1 − ������2 Dalam menilai kinerja suatu mesin, efisiensi merupakan suatu faktor yang penting. Untuk mesin kalor, efisiensi mesin ( η dibaca eta ) ditentukan dari perbandingan usaha yang dilakukan terhadap kalor masukan yang diberikan. 2

Secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut ������ = ������ ������100% = ������1 − ������2 ������100% = 1 − ������2 ������100 % ������1 ������1 ������1 Untuk siklus Carnot berlaku hubungan ������2 = ������2 , sehingga efisiensi mesin Carnot dapat ������1 ������1 dinyatakan sebagai berikut ������ = 1 − ������2 ������100% ������1 Keterangan: η : efisiensi mesin Carnot (%) T1 : suhu reservoir bersuhu tinggi (K) T2 : suhu reservoir bersuhu rendah (K) Efisiensi mesin Carnot merupakan efisiensi yang paling besar karena merupakan mesin ideal yang hanya ada di dalam teori. Artinya, tidak ada mesin yang mempunyai efisien melebihi efisiensi mesin kalor Carnot. Berdasarkan persamaan di atas terlihat efisiensi mesin kalor Carnot hanya tergantung pada suhu kedua tandon atau reservoir. Untuk mendapatkan efisiensi sebesar 100%, suhu tandon T2 harus = 0 K. Hal ini dalam praktik tidak mungkin terjadi. Oleh karena itu, mesin kalor Carnot adalah mesin yang sangat ideal. Hal ini disebabkan proses kalor Carnot merupakan proses reversibel. Sedangkan kebanyakan mesin biasanya mengalami proses irreversibel (tak terbalikkan). Contoh Soal 1 : Sebuah mesin Carnot menyerap kalor sebesar 500 kJ. Mesin ini bekerja pada reservoir bersuhu 600 K dan 400 K. Berapa kalor yang terbuang oleh mesin? Penyelesaian : Diketahui : T1 = 600 K T2 = 400 K Q1 = 500 kJ Ditanyakan : Q2 = ...? Jawab : 3

������ = 1 − ������2 ������100% ������1 400 ������ = 1 − 600 ������100% ������ = 33,33% 1 ������ = 3 Untuk menghitung Q2, dapat Anda gunakan persamaan efisiensi : ������ = 1 − ������2 ������100 % ������1 1 = 1 − ������2 ������100 % 3 500 ������2 = 333,3 ������������ 1.2. Hukum II Termodinamika Hukum I termodinamika menyatakan bahwa energi adalah kekal, tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan. Energi hanya dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Berdasarkan teori ini, Anda dapat mengubah energi kalor ke bentuk lain sesuka Anda asalkan memenuhi hukum kekekalan energi. Namun, kenyataannya tidak demikian. Energi tidak dapat diubah sekehendak Anda. Misalnya, Anda menjatuhkan sebuah bola besi dari suatu ketinggian tertentu. Pada saat bola besi jatuh, energi potensialnya berubah menjadi energi kinetik. Saat bola besi menumbuk tanah, sebagian besar energi kinetiknya berubah menjadi energi panas dan sebagian kecil berubah menjadi energi bunyi. Sekarang, jika prosesnya Anda balik, yaitu bola besi Anda panaskan sehingga memiliki energi panas sebesar energi panas ketika bola besi menumbuk tanah, mungkinkah energi ini akan berubah menjadi energi kinetik, dan kemudian berubah menjadi energi potensial sehingga bola besi dapat naik? Peristiwa ini tidak mungkin terjadi walau bola besi Anda panaskan sampai meleleh sekalipun. Hal ini menunjukkan proses perubahan bentuk energi di atas hanya dapat berlangsung dalam satu arah dan tidak dapat dibalik. Proses yang tidak dapat dibalik arahnya dinamakan proses irreversibel. Proses yang dapat dibalik arahnya dinamakan proses reversibel. Hukum II Termodinamika menjelaskan tiga rumusan mengenai perpindahan kalor sebagai berikut : 4

a. Kalor tidak mungkin berpindah dari sistem bersuhu rendah ke sistem bersuhu tinggi secara spontan. Menurut Asas Black, kalor berpindah dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu lebih rendah. Hal ini sesuai dengan rumusan Clausius bahwa tidaklah mungkin memindahkan kalor dari tandon yang bersuhu rendah ke tandon yang bersuhu lebih tinggi tanpa dilakukan usaha. b. Tidak ada mesin yang mengubah seluruh kalor yang masuk menjadi usaha. Menurut Kelvin Planck, tidak ada mesin yang bekerja dalam satu siklus dapat mengubah kalor menjadi usaha seluruhnya. c. Jika suatu sistem mengalami perubahan secara spontan, maka perubahan akan berarah sedemikian rupa sehingga entropi sistem akan bertambah, atau akan tetap nilainya. Entropi adalah ukuran banyaknya energi atau kalor yang tidak dapat diubah menjadi usaha. Besarnya entropi suatu sistem yang mengalami proses reversibel sama dengan kalor yang diserap sistem dan lingkungannya (∆Q ) dibagi suhu mutlak sistem tersebut (T). Perubahan entropi diberi tanda ∆S, secara matematis dapat ditulis sebagai berikut. ∆������ ∆������ = ������ Ciri proses reversibel adalah perubahan total entropi (∆S = 0) baik bagi sistem maupun lingkungannya. Pada proses irreversibel perubahan entropi 0 semesta ∆Ssemesta > 0. Proses irreversibel selalu menaikkan entropi semesta. Contoh Soal 2 : Gambar di bawah ini menunjukkan bahwa 1.200 J kalor mengalir secara spontan dari reservoir panas bersuhu 600 K ke reservoir dingin bersuhu 300 K. Tentukanlah jumlah entropi dari sistem tersebut. Anggap tidak ada perubahan lain yang terjadi. 5

Penyelesaian : Diketahui Q = 1.200 J, T1 = 600 K, T2 = 300 K. Ditanyakan : ∆Ssistem = ...? Jawab : Perubahan entropi reservoir panas: ∆������1 = −������1 = −1200 = −2 ������/������ ������ 600 Perubahan entropi reservoir dingin: ∆������2 = −������2 = −1200 = 4 ������/������ ������ 300 Total perubahan entropi adalah : ∆������������������������������������������ = ∆������1 + ∆������2 = −2 + 4 = 2 ������/������ 1.3. Mesin Pendingin (Reverse Carnot) Mesin yang menyerap kalor dari suhu rendah dan mengalirkannya pada suhu tinggi dinamakan mesin pendingin (refrigerator). Misalnya, pendingin ruangan (AC) dan lemari es (kulkas). Perhatikan Gambar di bawah ini! Gambar 1.3 Gambar siklus mesin pendingin (reverse carnot) Kalor diserap dari suhu rendah T2 dan kemudian diberikan pada suhu tinggi T1. Berdasarkan hukum kedua termodinamika, kalor yang dilepaskan ke suhu tinggi sama dengan kerja yang ditambah kalor yang diserap. Secara matematis dapat ditulis dalam persamaan berikut. 6

Q1 = Q2 + W Hasil bagi antara kalor yang masuk (Q2) dengan usaha yang diperlukan (W) dinamakan koefisien daya guna (performansi) yang diberi simbol Kp. Secara umum, kulkas dan pendingin ruangan memiliki koefisien daya guna dalam jangkauan 2 sampai 6. Makin tinggi nilai Kp, makin baik kerja mesin tersebut. ������������ = ������2 ������ Untuk gas ideal berlaku ������������ = ������2 = ������2 = ������1 ������2 ������2 ������ ������1 − ������2 − Keterangan : Kp : koefisien daya guna Q1 : kalor yang diberikan pada reservoir suhu tinggi (J) Q2 : kalor yang diserap pada reservoir suhu rendah (J) W : usaha yang diperlukan (J) T1 : suhu reservoir suhu tinggi (K) T2 : suhu reservoir suhu rendah (K) Contoh Soal 4 : Sebuah lemari es memiliki koefisien performansi 6. Jika suhu ruang di luar lemari es adalah 28°C, berapakah suhu paling rendah di dalam lemari es yang dapat diperoleh? Penyelesaian : Diketahui: Kp = 6 T1 = (28 + 273) K = 301 K Ditanyakan : T2 = ...? Jawab : Koefisien performansi maksimum diperoleh sebagai berikut: ������������ = ������1 ������2 ������2 − 7

dengan T1 adalah suhu tinggi dan T2 adalah suhu rendah. Dari persamaan tersebut diperoleh : Kp.T1 – Kp.T2 = T2 Kp.T1 = T2 (1 + Kp) ������2 = 1 ������������ ������1 + ������������ 6 ������2 = 1 + 6 (301) ������2 = 258 ������ ������2 = −15°������ Suhu paling rendah di dalam lemari es adalah -150C. Contoh Soal 5 : Mesin pendingin ruangan memiliki daya 500 watt. Jika suhu ruang -3 0C dan suhu udara luar 27 0C, berapakah kalor maksimum yang diserap mesin pendingin selama 10 menit? (efisiensi mesin ideal). Penyelesaian: Diketahui: P = 500 watt (usaha 500 J tiap 1 sekon) T1 = 27 0C = 27+ 273 = 300 K T2 = -3 0C = -3 + 273 = 270 K Ditanya: Q2 = ... ? (t = 10 menit) Jawab: ������������ = ������2 = ������1 ������2 ������2 ������ − ������2 = ������. ������2 ������1 − ������2 500 ������ 270 ������2 = 300 − 270 ������2 = 4500 ������ (������������������������ ������������������������������) Dalam waktu 10 menit = 600 s, maka: Q2 = 4.500 x 600 = 2,7 x 106 J 8

BAB 2 PENDINGINAN DAN SISTEM KOMPRESI UAP 2.1. Pendinginan Secara umum, pendinginan didefinisikan sebagai setiap proses pemindahan panas. Secara khusus, pendinginan didefinisikan sebagai cabang ilmu yang mempelajari proses mengurangi dan mempertahankan suhu ruang atau bahan di bawah suhu lingkungan. Untuk mencapai hal ini, panas harus dihilangkan dari bagian yang didinginkan dan dipindahkan ke bagian lain yang suhunya di bawah dari bagian yang didinginkan. Setelah panas dihilangkan dari bagian yang didinginkan dan dipindahkan ke bagian lain, terbukti bahwa pendinginan dan pemanasan sebenarnya proses yang sama tapi saling berlawanan. Hanya hasil yang diinginkan yang membedakan proses yang satu dengan yang lain. Karena kalor akan selalu merambat dari daerah yang suhunya tinggi ke daerah yang suhunya lebih rendah, maka akan selalu ada aliran panas yang terus menerus ke dalam daerah yang didinginkan dari permukaan yang lebih hangat. Untuk membatasi aliran panas ke dalam wilayah berpendingin, biasanya perlu mengisolasi wilayah dari sekitarnya dengan isolasi panas dengan bahan yang baik. Tingkat di mana panas harus dikeluarkan dari bagian dingin untuk memproduksi dan memelihara kondisi suhu yang diinginkan disebut beban panas. Di sebagian besar aplikasi pendingin, total beban panas pada peralatan pendingin adalah jumlah panas yang bocor ke dalam ruang lemari pendingin melalui dinding isolasi, panas yang memasuki ruang ketika membuka pintu lemari pendingin, dan panas yang harus dikeluarkan dari lemari pendingin untuk menurunkan suhu benda di dalamnya. Panas yang dilepaskan oleh orang-orang yang bekerja di ruang berpendingin, motor listrik, lampu, dan peralatan listrik lainnya juga berkontribusi terhadap beban panas pada peralatan pendingin. Metode untuk menghitung beban panas adalah dibahas pada bab selanjutnya 2.2. Refrigeran Dalam setiap proses pendinginan, zat yang digunakan sebagai penyerap panas atau zat pendingin disebut refrigeran. Semua proses pendinginan dapat diklasifikasikan sebagai sensibel atau laten berdasarkan pada efek panas yang diserap pada refrigeran. Ketika panas yang diserap menyebabkan peningkatan suhu refrigeran, proses pendinginan dikatakan sensibel, sedangkan ketika kalor yang diserap menyebabkan perubahan fisika pada refrigeran 9

(baik meleleh atau menguap), proses pendinginan dikatakan laten. Dengan kedua proses tersebut, jika efek pendinginannya terus menerus, maka suhu refrigeran harus dipertahankan terus menerus di bawah suhu ruang atau benda yang didinginkan. Sebagai ilustrasi, asumsikan bahwa 1 1b air bersuhu 32° F ditempatkan dalam wadah terbuka di dalam ruang berinsulasi yang memiliki suhu awal 70 ° F (Gbr. 1.1). Untuk sementara waktu, panas akan mengalir dari ruang bersuhu 70°F ke dalam air bersuhu 32°F dan suhu ruang akan menurun. Akan tetapi, tiap 1 Btu panas yang diserap air dari ruangan, suhu air akan meningkat 1 ° F, sehingga Ketika suhu ruang berkurang, suhu air akan meningkat. Segera setelah itu, suhu air dan ruang akan sama dan tidak terjadi perpindahan panas lagi. Proses pendinginan tidak akan terus menerus terjadi karena suhu refrigeran tidak tetap di bawah suhu ruang yang didinginkan. Sekarang asumsikan bahwa 1 lb es pada suhu 32° F (Gbr. 6-2). Kali ini suhu refrigeran tidak berubah karena menyerap panas dari ruang. Es hanya berubah dari padat menjadi cair, sementara suhunya tetap pada 32°F. Kalor yang diserap es meninggalkan ruangan melalui air yang keluar dari saluran pembuangan, dan efek pendinginan akan terus menerus terjadi sampai semua es telah mencair. Gambar 2.1 Panas mengalir dari ruang hangat ke air dingin Proses pendinginan berkelanjutan mungkin dan praktis untuk dicapai dengan pendinginan sensible asalkan refrigeran dalam keadaan didinginkan secara terus-menerus dan disirkulasikan kembali melalui ruang berpendingin. Sedangkan pendinginan laten dapat dicapai dengan refrigeran baik padat maupun cair. Refrigeran padat yang paling sering digunakan adalah es dan karbon dioksida padat (dry ice). Es tentu saja akan meleleh ke dalam fase cair pada 32 ° F, sedangkan dry ice menyublim secara langsung menjadi fase uap pada suhu —109° F di bawah tekanan atmosfer standar. 10

2.3. Sistem Pendinginan Es telah berhasil digunakan selama bertahun-tahun sebagai refrigeran. Beberapa tahun yang lalu es adalah satu-satunya refrigeran yang tersedia untuk digunakan di rumah tangga dan kulkas kecil komersial. Dalam lemari es pada umumnya, panas memasuki ruang pendingin dari berbagai sumber untuk mencairkan es, terutama oleh arus konveksi yang terbentuk di udara ruang pendingin. Saat udara dihangatkan, udara akan mengembang dan naik ke atas ruang membawa panas. Saat melewati es, udara didinginkan karena panas mengalir dari udara ke Es. Pada proses pendinginan, udara menjadi lebih padat dan jatuh kembali ke ruang penyimpanan, di mana itu menyerap lebih banyak panas dan siklus berlanjut dengan es yang mencair bertindak sebagai refrigerant atau agen perpindahan panas. Es memiliki kelemahan tertentu yang cenderung membatasi kegunaannya sebagai refrigeran. Contohnya, es tidak mungkin untuk mencapai suhu rendah yang diperlukan dalam banyak aplikasi pendinginan. Biasanya, 32° F adalah suhu minimum yang diperoleh melalui pencairan es. Dalam beberapa kasus, titik lebur es dapat diturunkan menjadi sekitar 0 ° F dengan menambahkan natrium klorida atau kalsium klorida. Beberapa kelemahan lain dari es adalah harus sering diisi ulang, praktik yang tidak praktis maupun ekonomis, dan masalah pembuangan air hasil peleburan. Gambar 2.2 Panas mengalir dari ruang hangat ke es 2.4. Refrigeran Cair. Kemampuan dari cairan untuk menyerap sejumlah besar panas sehingga membuatnya menguap adalah dasar dari mekanisme modern sistem pendingin. Sebagai refrigeran, cairan uap memiliki sejumlah keunggulan dibandingkan lelehan es karena proses penguapannya lebih mudah dikendalikan, efek pendinginannya bisa dimulai dan dihentikan sesuka hati, laju pendinginan dapat ditentukan sebelumnya dalam batas yang kecil, dan suhu penguapan dari cairan dapat diatur dengan mengontrol tekanan cairan yang menguap. Lebih lanjut lagi, uap 11

dapat dengan mudah dikumpulkan dan dikondensasi kembali ke keadaan cair sehingga cairan yang sama dapat digunakan berulang kali untuk memberikan pasokan cairan terus menerus untuk penguapan. Ada banyak cairan lain yang memiliki suhu saturasi yang lebih rendah daripada air pada tekanan yang sama. Namun, banyak dari cairan ini memiliki sifat berbeda yang membuatnya tidak cocok untuk digunakan sebagai refrigeran. Sebenarnya, hanya beberapa cairan memiliki sifat yang membuat mereka mampu digunakan sebagai refrigeran, dan sebagian besar telah dibuat khusus untuk tujuan itu. Tidak ada satu refrigeran yang paling cocok untuk semua aplikasi dan operasi yang berbeda kondisi. Untuk aplikasi spesifik apa pun, refrigeran yang dipilih harus memiliki properti yang paling sesuai dengan persyaratan aplikasi tertentu. Dari semua cairan yang sekarang digunakan sebagai refrigeran, ada satu cairan yang hampir memenuhi semua kualifikasi yang ideal sebagai refrigerant adalah hidrokarbon terfluorinasi dari deret metana yang memiliki nama kimia diklorodifluorometana (CCI2F2). Ini adalah salah satu kelompok refrigeran yang diperkenalkan ke industri dengan nama dagang “Freon”, tapi sekarang diproduksi dengan beberapa nama. Untuk menghindari kebingungan dalam penggunaan nama dagang atau nama kimia, senyawa ini sekarang disebut sebagai Refrigerant-12. Refrigerant- 12 (R-12) memiliki suhu saturasi -21,6°F pada tekanan atmosfer standar. Untuk alasan ini, R- 12 dapat disimpan sebagai cairan pada suhu biasa jika disimpan di bawah tekanan dalam tabung baja. 2.5. Refrigeran Gas Sebuah ruang terinsulasi dapat didinginkan secara tepat dengan hanya membiarkan cairan R-12 menguap dalam wadah berventilasi ke luar seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6-5. Karena R-12 berada di bawah tekanan atmosfer, tentu saja, suhu saturasinya adalah -21,6° F. Karena menguap pada suhu rendah, R-12 mudah menyerap panas dari ruang 40 ° F melalui dinding bejana. Panas yang diserap oleh cairan yang menguap meninggalkan ruang dalam bentuk uap yang keluar melalui lubang angin. Karena suhu cairan tetap konstan selama proses penguapan, pendinginan akan berlanjut sampai semua cairan menguap. 12

Gambar 2.3 Cairan R-12 menguap saat menyerap panas dari ruang bersuhu 40 ° F Sebuah wadah seperti pada Gambar 2.3, dimana refrigeran diuapkan selama proses pendinginan disebut evaporator, dan adalah salah satu bagian penting dari setiap mekanik sistem pendingin. 2.6. Mengontrol Suhu Penguapan Suhu di mana cairan menguap di evaporator dapat diatur dengan mengendalikan tekanan uap di atas cairan, diatur dengan mengatur tingkat uap yang keluar. Misalnya, jika katup dipasang di saluran ventilasi dan ventilasinya sebagian tertutup sehingga uap tidak bisa keluar dengan bebas dari evaporator, uap akan terkumpul di atas cairan yang menyebabkan tekanan di dalam evaporator naik dengan peningkatan yang sesuai dalam suhu saturasi refrigeran. Dengan menyesuaikan katup ventilasi dengan perlahan untuk mengatur aliran uap dari evaporator, adalah mungkin untuk mengontrol tekanan uap di atas cairan dan menyebabkan R-12 menguap pada suhu yang diinginkan antara -21,6° F dan suhu ruang. Katup ventilasi harus menjadi benar-benar tertutup sehingga tidak ada uap yang diizinkan untuk keluar dari evaporator, tekanan dalam evaporator akan meningkat ke titik sedemikian rupa sehingga suhu saturasi cairan akan sama ke suhu ruang, atau 40 ° F. Saat ini terjadi, tidak akan ada perbedaan suhu dan tidak ada panas yang akan mengalir dari ruang ke pendingin. Penguapan akan berhenti dan pendinginan lebih lanjut tidak akan terjadi. 13

Gambar 2.5 Tekanan refrigeran di Gambar 2.4 Suhu didih cairan evaporator berkurang di bawah atmosfer refrigeran di evaporator dikendalikan oleh aksi pompa uap dengan katup pelambatan di ventilasi Saat dibutuhkan suhu penguapan di bawah -21,6° F, kemudian tekanan di evaporator akan dikurangi sampai tekanan tertentu di bawah atmosfer. Hal ini dapat dicapai melalui penggunaan pompa uap seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2.7. Mempertahankan jumlah cairan di evaporator. Penguapan kontinu cairan di evaporator mengharuskan pasokan cairan terus menerus diisi ulang jika jumlah cairan dalam evaporator harus dijaga konstan. Satu metode pengisian kembali pasokan cairan di evaporator adalah melalui penggunaan katup apung seperti yang diilustrasikan pada Gambar. Fungsi katup apung adalah untuk mempertahankan tingkat cairan di evaporator konstan dengan membiarkan cairan mengalir ke evaporator dari tangki penyimpanan dengan kecepatan yang sama dengan aliran cairan di evaporator yang habis oleh penguapan. Setiap peningkatan laju penguapan menyebabkan tingkat cairan di evaporator turun sedikit, sehingga membuka katup jarum lebih lebar dan memungkinkan cairan untuk mengalir ke evaporator dengan kecepatan yang lebih tinggi. Setiap penurunan laju penguapan menyebabkan tingkat cairan naik sedikit, sehingga menggerakkan katup jarum ke arah penutupan untuk mengurangi aliran cairan ke dalam evaporator. Ketika penguapan berhenti sepenuhnya, kenaikan level cairan akan menutup katup apung dengan rapat dan menghentikan aliran cairan sepenuhnya. Ketika penguapan dilanjutkan, tingkat cairan akan turun dan memungkinkan untuk membuka dan memasukkan cairan ke evaporator. 14

Gambar 2.6 katup apung mempertahankan konstan tingkat cairan di evaporator Refrigeran cair tidak menguap dalam silinder penyimpanan dan saluran pengumpan karena tekanan di dalam silinder dibuat sedemikian rupa sehingga suhu saturasi refrigeran sama dengan suhu lingkungan. Tekanan tinggi yang ada di dalam silinder memaksa cairan mengalir melalui saluran pengumpan dan katup apung ke tekanan yang lebih rendah. Saat melewati katup pelampung, refrigeran bertekanan tinggi mengalami penurunan tekanan menuju evaporator, sehingga memungkinkan refrigeran untuk menguap di evaporator pada suhu rendah yang diinginkan. Katup apung yang diilustrasikan pada Gambar 2.6, yang digunakan untuk mengatur aliran cairan refrigeran ke dalam evaporator disebut kontrol aliran refrigeran. Kontrol aliran refrigeran adalah bagian penting dari setiap mekanisme sistem pendingin. Jenis kontrol yang diilustrasikan pada gambar 2.6 memiliki beberapa kelemahan, terutama bulkiness, yang cenderung membatasi penggunaannya untuk beberapa aplikasi khusus. Jenis yang paling banyak digunakan dari kontrol aliran refrigeran adalah termostatik katup ekspansi. . Gambar 2.7 Evaporator koil serpentine dengan kontrol thermal 15

2.8. Menampung Refrigeran Membiarkan refrigeran menguap keluar dan hilang melalui difusi ke udara merupakan sesuatu yang tidak praktis dan tidak ekonomis. Uap harus dikumpulkan terus menerus dan mengembun kembali ke keadaan cair sehingga refrigeran yang sama dapat digunakan berulang kali, sehingga tidak perlu memasukkan lagi refrigeran ke dalam sistem. Untuk mengembunkan uap, peralatan lain bernama kondensor, harus ditambahkan ke sistem. Gambar 2. 8 Mengumpulkan dan mengondensasi uap air refrigeran Ketika refrigeran menguap dalam evaporator karena menyerap panas laten yang diperlukan dari ruang berpendingin, semua yang diperlukan untuk mengembunkan uap kembali ke dalam keadaan cair adalah panas laten yang mengalir keluar dari uap ke bagian lain. Bahan yang digunakan untuk menyerap panas laten dari uap, sehingga menyebabkan uap mengembun, disebut media kondensasi. Media kondensasi yang paling umum adalah udara dan air. Air yang digunakan sebagai media kondensasi biasanya dipasok dari pusat kota atau dari menara pendingin. Udara yang digunakan sebagai media kondensasi adalah udara luar biasa di suhu normal. Untuk panas yang mengalir keluar dari uap refrigeran ke dalam media kondensasi, suhu dari media kondensasi harus di bawah dari uap refrigeran. Namun, ketika tekanan dan suhu jenuh uap yang keluar dari evaporator sama dengan cairan yang menguap, suhu uap akan 16

selalu jauh di bawah dari setiap kondensasi. Oleh karena itu, panas tidak akan keluar dari uap refrigeran ke udara atau air yang digunakan sebagai media kondensasi sampai suhu uap jenuh refrigeran telah meningkat dengan kompresi ke beberapa suhu di atas suhu kondensasi. Pompa uap atau kompresor ditunjukkan pada gambar untuk melakukan tugas ini. Sebelum dikompresi, uap refrigerant harus berada pada suhu dan tekanan penguapan. Karena tekanan uapnya rendah, suhu saturasi yang sesuai juga rendah. Selama kompresi, tekanan uap dinaikkan ke titik sedemikian rupa sehingga suhu saturasi yang sesuai di atas suhu media kondensasi tercapai. Pada saat yang sama, karena kerja mekanikal dilakukan pada uap dalam kompresi ke tekanan yang lebih tinggi, energi internal uap meningkat dengan kenaikan suhu uap yang sesuai. Setelah kompresi, suhu dan tekanan tinggi dibuang ke media kondenser di mana akan melepaskan panas ke media kondensasi dengan suhu yang lebih rendah. Karena uap tidak dapat didinginkan ke suhu di bawah suhu suhu saturasi, hilangnya panas terus menerus oleh uap refrigeran di kondensor menyebabkan uap mengembun menjadi cairan pada keadaan tekanan dan suhu saturasi baru yang lebih tinggi. Panas yang dilepaskan oleh uap di kondensor terbawa oleh media kondensasi. Cairan kondensasi yang dihasilkan, yang suhu dan tekanannya sama dengan uap yang mengembun, mengalir keluar dari kondensor ke dalam tangki penyimpanan cairan dan kemudian siap untuk disirkulasikan kembali ke evaporator. Gambar 2.9 Mengumpulkan dan mengondensasi refrigeran uap air 17

Perhatikan bahwa refrigeran, atau kadang disebut fluida kerja, hanyalah agen perpindahan panas yang membawa panas dari ruang pendingin ke luar. Refrigeran menyerap panas dari ruang berpendingin di evaporator, membawanya keluar dari ruang, dan memindahkannya ke media kondensasi di kondensator. 2.9. Tipikal Sistem Kompresi Uap Sistem kompresi gas merupakan mesin refrigerasi yang berisi fluida penukar kalor (refrigeran) yang bersirkulasi terus menerus. Selama bersirkulasi di dalam unitnya maka refrigeran tersebut akan selalu mengalami perubahan wujud dari gas ke liquid dan kembali ke gas. Proses tersebut berlangsung pada suhu dan tekanan yang berbeda, yaitu tekanan tinggi dan pada tekanan rendah. Tekanan tinggi diperoleh karena adanya efek kompresi, yang dikerjakan oleh kompresor. Oleh karena itu sistem refrijerasi ini lazim disebut sebagai sistem kompresi gas. Gambar 2.10 memperlihatkan diagram alir suatu sistem kompresi gas sederhana. Sesuai dengan proses yang terjadi di dalam siklus refrigeran maka sistem refrigerasi kompresi gas mempunyai 4 komponen utama yang saling berinteraksi satu sama lain, yaitu: evaporator untuk proses evaporasi liquid refrigeran. Kompresor untuk meningkatkan tekanan gas refrigeran. Kondenser untuk proses kondensasi gas refrigeran. Katub ekspansi untuk menurunkan tekanan liquid refrigeran yang akan di masuk ke evaporator. Adanya gangguan pada salah satu komponen dapat menggagalkan efek refrigerasi. Gambar 2.10 Diagram alir sistem kompresi gas Evaporator (1) Menyediakan perpindahan panas melalui luas permukaannya, sehingga panas yang terkandung di udara dan produk makanan yang ada di dalam ruang dapat diserap 18

oleh penguapan refrijeran cair yang mengalir di dalam koil evaporator. Suction line (2) Adalah saluran yang terletak pada sisi tekanan rendah kompresor, untuk menyalurkan refrijeran gas bertekanan rendah dari evaporator menuju ke katub hisap kompresor. Kompresor (3) Merupakan jantung sister refrijerasi kompresi gas, berfungsi menghisap refrijeran gas dari evaporator dan menaikkan suhu dsn tekanan refrijeran ke suatu titik di mana refrijeran gas akan mengembun dengan mudah pada kondisi normal media kondensasinya. Discharge line (4) Adalah saluran yang terletak pada sisi tekanan tinggi kompresor, untuk menyalurkan refrijeran gas bertekanan dan bersuhu tinggi dari katub tekan kompresor menuju ke kondeser. Kondensor (5) Menyediakan perpindahan panas melalui luas permukaannya, sehingga energi panas yang yang terkandung dalam refrijeran dapat dipindahkan ke media kondensasi. Receiver Tank (6), Sebagai tempat penyimpanan atau pengumpulan refrijeran cair yang sudah mengembun di kondensor, sehingga catu refrijeran cair ke evaporator dapat dijaga konstan sesuai keperluan. Liquid line (7) Adalah saluran yang terletak pada sisi masuk katub ekspansi, untuk menyalurkan refrijeran cair dari receiver tank ke refrigerant control. Refrigerant control (8) Berfungsi untuk mengatur jumlah refrijeran cair yang akan diuapkan di evaporator dan untuk menurunkan tekanan refrijeran cair yang masuk ke evaporator, sehingga refrijeran cair dapat diuapkan pada suhu rendah sesuai yang diinginkan. 2.10. Service Valve Pada sisi hisap (suction) dan sisi tekan (discharge) kompresor biasanya dilengkapi dengan katub khusus untuk keperluan pemeliharaan atau service operation. Demikian juga pada sisi keluar (outlet) dari tanki tandon (receiver tank). Sesuai dengan letaknya, disebut Suction Service valve (SSV), discharge service valve (DSV), dan liquid receiver service valve (LRSV). Receiver pada sistem yang besar, biasanya dilengkapi dengan shut-off valve pada kedua sisinya. 2.11. Pembagian Sistem Sesuai dengan tekanan operasi pada sistem bekerja, Sistem refrigerasi kompresi gas dapat dibagi menjadi dua bagian, yaitu bagian sisi tekanan rendah dan sisi tekanan tinggi. Sisi tekanan rendah meliputi evaporator katub ekspansi dan saluran suction. Tekanan yang diterima oleh refrijeran yang berada pada sisi ini adalah tekanan rendah, di mana refrijeran akan menguap di evaporator. Tekanan pada sisi ini lazim disebut sebagai tekanan evaporasi, tekanan suction dan tekanan balik. Pada saat dilakukan pekerjaan service, tekanan rendah ini 19

biasanya diukur dengan menggunakan counpond gauge yang dipasang pada suction service valve. Sedangkan sisi tekanan tinggi, mencakup kompreosr, kondensor, saluran gas panas dan receiver tank. Tekanan yang diterima oleh refrijeran yang berada pada sisi ini adalah tekanan tinggi, di mana refrijeran akan mengembun di kondenser. Tekanan pada sisi ini lazim disebut sebagai tekanan kondensasi, discharge pressure dan head pressure. Pada saat dilakukan pekerjaan service, tekanan tinggi ini biasanya diukur dengan menggunakan pressure gauge yang dipasang pada discharge service valve. Titik pembagi antara tekanan tinggi dan tekanan rendah adalah katub ekspansi, di mana tekanan refrijeran akan diturunkan dari tekanan kondensasi ke tekanan evaporasi. 2.12. Condensing Unit Dalam praktiknya, untuk memudahkan dalam hal desain dan perakitan sistem refrijerasi kompresi gas, susunan kompresor, hot gas line, condensor dan receiver tank serta penggerak kompresor biasanya motor listrik satu fasa atau tiga fasa, disusun dalam satu kesatuan unit, dan lazim disebut sebagai condensing unit. Gambar 1.11 memperlihatkan tipikal condensing unit, dengan kompresor hermetik. Gambar 2.11 Tipikal Air cooled condensing unit, system hermetic 2.13. Pengaruh tekanan liquid terhadap suhu evaporasi refrigeran Besarnya tekanan liquid refrigeran pada sistem kompresi gas akan menentukan besarnya suhu liquid mencapai titik penguapannya. Oleh karena itu dalam sistem kompresi gas penentuan besarnya tekanan liquid refrigeran yang disalurkan ke bagian evaporator memegang peranan penting dalam upaya memperoleh suhu evaporasi yang diinginkan. Dalam sistem kompresi gas pengaturan tekanan liquid refrigeran yang akan diuapkan di 20

evaporator dilakukan melalui katub ekspansi. Untuk mengetahui hubungan tekanan dan suhu refrigeran dalam kondisi saturasi dapat dilihat dalam Tabel 1.1 Dalam sistem kompresi gas, biasanya suhu evaporasi normal dibuat dengan ketentuan sebagai berikut 9 °C di bawah suhu ruang yang diinginkan. Sebagai contoh, suatu ruang pendingin (coldroom) diinginkan mampu memelihara suhu konstan sebesar 0 °C, maka suhu evaporasinya harus diatur agar dapat mencapai -9 °C. Dalam kasus tersebut tekanan liquid refrigeran jenis R-12 di evaporator harus dapat mencapai 1.27 bar gauge. Bila mengunakan R-502 maka tekanan liquid refrigerannya harus dapat mencapai 3,32 bar gauge. Bila suhu ruang diinginkan mencapai -18 °C, maka tekanan liquid refrigeran R-502 adalah 1.25 psi gauge. Oleh karena itu karakteristik tekanan-suhu masing-masing refrigeran yang ada di tabel 1.1 harus dipahami dengan benar. Untuk mendeteksi tekanan evaporasi dapat dilakukan melalui pengukuran tekanan pada sisi suction kompresor. Tabel 2.1 Hubungan antara suhu dan tekanan refrigeran dalam kondisi jenuh Suhu 0C R12 (Psi) R22 (Psi) R502 (Psi) -30 -0,3 9 14 -20 7,2 21 28 -18 9,0 24 31 -16 11 27 34 -14 13 30 38 -12 15 33 41 -10 17 37 45 -6 29 44 50 0 30 57 68 5 38 70 82 6 40 73 85 7 41 75 88 10 47 84 97 15 57 100 114 20 68 117 133 25 80 137 154 30 93 158 177 36 111 187 207 40 125 208 229 45 146 242 264 50 162 267 290 55 188 308 332 60 207 337 363 2.14. Pengaruh tekanan gas terhadap suhu kondensasi refrigeran Bila gas refrigeran didinginkan maka akan terjadi perubahan wujud atau kondensasi ke bentuk liquid. Tetapi yang perlu mendapat perhatian kita adalah titik suhu embun atau 21

kondensasi gas refrigeran tersebut juga ditentukan oleh tekanan gasnya. Pada sistem kompresi gas, maka gas refrigeran dari sisi hisap dikompresi hingga mencapai tekanan discharge pada titik tertentu dengan tujuan bahwa gas panas lanjut (superheat) tersebut dapat mencapai titik embunnya dengan pengaruh suhu ambien di sekitarnya. Misalnya lemari es. Untuk sistem yang berskala besar maka untuk mendinginkan gas superheat ini digunakan air atau campuran air dan udara paksa. dari pengalaman, agar diperoleh performa yang optimal dari mesin refrigerasi kompresi gas maka suhu kondensasinya diatur agar mempunyai harga 6 sampai 17 derajad celsius di atas suhu ambien, tergantung dari suhu evaporasinya. Tabel 1.2 memperlihatkan penentuan tekanan kondensasi untuk berbagai kondisi suhu evaporasi. Tabel 2. 2 Patokan penentuan suhu kondensasi Suhu evaporasi Suhu kondensasi (air Suhu kondensasi (water cooled condenser) cooled condenser) -18 sampai -23 -10 sampai -17 Suhu ambiein +90C Suhu air +60C -4 sampai -9 Suhu ambiein +110C Suhu air +80C Di atas -3 Suhu ambiein +140C Suhu air +110C Suhu ambiein +170C Suhu air +140C Berdasarkan patokan di atas, maka suhu dan tekanan kondensasi dapat ditentukan dengan cepat dan akurat. Contoh 1.1 Suatu frozen cabinet dengan R-12, mempunyai suhu evaporasi -18°C. Suhu ambiennya 25°C. Maka berdasarkan tabel 2, suhu kondensasinya harus dapat mencapai 25'C + 9 °C = 14 tekanan kondensasinya harus dapat mencapai 7.05 barg. 2.15. Siklus refrigerasi Dalam sistem kompresi uap refrigeran bersirkulasi di dalam sistem pemipaan secara tertutup. Dalam satu siklus terdapat 4 proses utama yaitu: 1. Proses rvaporasi 2. Proses kompresi 3. Proses kondensasi 4. Proses ekspansi 22

Gambar 2.12 Siklus refrigeran Evaporator dan efek evaporasi Liquid refrigeran yang dialirkan ke evaporator mempunyai suhu titik uap yang sangat rendah pada tekanan atmosfir, sehingga memungkinkan menyerap panas pada suhu yang sangat rendah. Koil evaporator menampung liquid refrigeran yang kemudian menguap walaupun suhu udara sekitarnya sangat rendah. Proses penguapan refrigeran di evaporator ini akan menyerap energi panas dari substansi dan udara yang ada di sekitarnya sehingga menimbulkan efek pendinginan Selanjutnya gas refrigeran ini dihisap oleh kompresor. Gambar 2.13 Efek evaporasi di evaporator Kompresor dan efek kompresi Sistem refrigerasi kompresi gas merupakan siklus tertutup, maka kondisi keseimbangan akan selalu tercipta setiap saat. Refrigeran yang menguap di evaporator yang bersuhu rendah tidak dibuang tetapi langsung dihisap lagi oleh kompresor dan selanjutnya dikompresi hingga suhu dan tekanannya dinaikkan pada titik tertentu sesuai jenis refrigerannya. Bila kompresor menghisap lebih cepat daripada persedian gas yang tersedia di dalam evaporator maka 23

tekanan pada sisi hisap akan turun. Sebaliknya bila beban panas evaporator naik dan penguapan liquid refrigeran berlangsung secara lebih cepat maka tekanan sisi hisap akan naik. Untuk keperluan praktis, berikut ini diberikan patokan harga untuk menentukan tekanan kerja kompresor pada sisi tekanan tingginya. Pedoman yang dapat digunakan untuk keperluan praktis adalah Untuk R12 : 120 - 180 psi Untuk R22 : 160 -260 psi Untuk R134a : 100 -165 psi Untuk R600a : 120 - 180 psi Gambar 2.14 Efek kompresi Kondenser dan proses kondensasi Gas refrigeran yang keluar dari sisi tekan kompresor disalurkan ke kondenser. Gas tersebut mempunyai suhu dan tekanan tinggi dalam kondisi superheat. Selanjutnya saat berada di kondenser gas panas lanjut tersebut mengalami penurunan suhu akibat adanya perbedaan suhu antara gas dan medium lain yang ada disekitarnya, yang dapat berupa udara atau air. Penurunan suhu gas refrigeran tersebut diatur sampai mencapai titik embunnya. Akibatnya refrigerannya akan merubah bentuk dari gas menjadi liquid yang masih bertekanan tinggi.\\ 24

Gambar 2. 15 Efek kondensasi di kondenser Katub ekspansi dan proses ekspansi Liquid refrigran bertekanan tinggi dari kondenser disalurkan ke katub ekspansi. Dalam keadaan yang sederhana katub ini berupa pipa kapiler dan untuk pemakaian unit yang berskala besar biasanya digunakan katub ekspansi thermostatik. Karena adanya perubahan diameter yang cukup besar maka laju refrigeran yang mengalir melalui katub ekspansi ini akan mengalami penurunan tekanan yang cukup tajam. Akibatnya akan terjadi ekspansi panas. Hasil ekspansi panas ini berupa penurunan suhu liquid refrigeran yang keluar dari katub ekspansi. Selanjutnya liquid refrigeran yang bersuhu dan bertekanan rendah tersebut disalurkan ke evaporator untuk menghasilkan efek pendinginan. Gambar 2.16 Efek ekspansi di katub ekspansi 2.16. Tipikal proses aktual Tipikal proses refrijerasi kompresi gas yang actual diperlihatkan dalam Gambar 5.14. Seluruh data yang dipetakan dalam siklus tersebut didapatkan dari pengukuran. 25

Gambar 2.17 Tipikal actual proses Data pengukuran • Tekanan kondensasi : 9,61 bar • Tekanan evaporasi : 2,61 bar • Suhu kondesasi : 40°C • Suhu evaporasi : -5 °C • Suhu gas panas lanjut (D) : 66,7 °C (sisi tekanan tinggi) • Suhu gas panas lanjut (C’) : 15 °C (sisi tekanan rendah) Soal latihan 1. Jelaskan fungsi komponen utama pada mesin refrigerasi kompresi uap? 2. Jelaskan pengaruh tekanan uap terhadap suhu kondensasi? 3. Jelaskan siklus refrigeran di dalam mesin refrigerasi kompresi uap 4. Jelaskan bagaimana uap panas lanjut yang masuk ke kondenser dapat berubah wujud menjadi cairan? 5. Jelaskan bagaimana cairan refrigeran yang masuk ke evaporator dapat berubah wujud menjadi uap? 26

6. Bagaimana cairan refrigeran bertekanan tinggi dari liquid receiver yang masuk ke katub ekspansi dapat turun suhunya pada saat keluar dari katubnya? 7. Apa yang terjadi bila kompresor bekerja dengan tekanan evaporasi berada pada kondisi vacuum tinggi? 8. Mengapa mesin refrigerasi sering disebut sebagai mesin penukar kalor? 9. Apa pengaruh suhu lingkungan terhadap operasi mesin refrigerasi? 10. Bagaimana menentukan tekanan condensing yang optimal? 27

BAB 3 DIAGRAM SIKLUS REFRIGERASI 3.1. Diagram siklus Untuk dapat lebih mendalami pengetahuan tentang mesin refrigerasi kompresi gas diperlukan studi yang lebih intensif tidak hanya proses individual yang menghasilkan suatu siklus tetapi juga tentang hubungan antara berbagai proses yang terjadi, dan efek yang ditimbulkan oleh perubahan satu proses terhadap proses lainnya di dalam siklus. Misalnya, perubahan pada proses kompresi, pasti akan berpengaruh terhadap proses kondensasi, ekspansi dan evaporasi. Untuk memahami hubungan antar proses tersebut digunakan suatu chart dan diagram untuk memperlihatkan siklus lengkap secara grafikal. Representasi secara grafikal tentang siklus refrijrasi ini memungkinkan kita untuk dapat mempertimbangkan secara simultan semua perubahan yang dapat terjadi pada refrijeran dan akibat yang dapat ditimbulkannya selama proses berlangsung. Diagram yang sering digunakan dalam menganalisa siklus refrijerasi adalah diagram tekanan versus entalpi atau lazim disebut sebagai P-H Diagram. Gambar 3.1 Pemetaan tiga daerah penting pada P-H diagram 3.2. P-H diagram Pressure-enthalpy chart atau lazim disebut P-H chart adalah diagram yang menampilkan kondisi refrijeran dalam berbagai status termodinamik sebagai titik atau garis yang dipetakan pada P-H diagram. Titik pada P-H dagram yang menampilkan kondisi refrijeran pada satu status termodinamik dapat dipetakan bila ada 2 sifat refrijeran yang 28

diketahui. Begitu status titik sudah terpetakan, maka sifat lainnya dapat ditentukan pada diagram. Gambar 6.1 memperlihatkan peta P-H diagram. Peta P-H diagrarm tersebut memetakan 3 pembagian daerah yang dipisahkan oleh kurva saturasi cair dan kurva saturasi gas, yaitu daerah saturasi (saturated region), superdingin (subcooled region) dan panaslanjut (superheated region). Gambar 3.2 Pemetaan tekanan, suhu dan entalpi pada P-H-chart Daerah tengah yang dibatasi oleh kurva saturasi cair (saturated liquid curve) dan kurva saturasi gas (saturated vapor curve) disebut daerah saturasi. Pada daerah ini refrijeran mengalami perubahan fasa. Perubahan fasa dari cair ke gas berlangsung secara progresif dari arah kiri ke kanan dan perubahan dari gas ke cair, berlangsung secara progresif dari arah kanan ke kiri. Tepat pada garis kurva saturasi cair maka wujud refrijerannya adalah cair. Begitu juga tepat pada garis kurva saturasi gas, maka wujud refrijerannya adalah gas. Tepat ditengah daerah saturasi, merupakan daerah campuran antara refrijeran gas dan cair dengan perbandingan sama. Pada daerah yang dekat dengan garis kurva saturasi cair, persentasi cairan lebih banyak dari pada gas. Begitu sebaliknya, pada daerah dekat garis saturasi gas, persentasi gas lebih banyak dibandingkan refrijeran cair. Perbandingan jumlah refrijeran cair dan gas ini ditunjukkan dengan garis skala yang disebut garis constant quality (Gambar 2.2). Garis constant quality ini membentang dari atas ke bawah melalui bagian tengah chart dan hampir paralel dengan garis saturasi cair dan gas. Pada gambar 6.2 telah terpetakan garis constant quality 10%. Sebagai contoh, setiap titik pada garis constant quality dekat dengan garis saturasi cair, maka kualitas campuran refrijeran cair dan gas adalah 10%. Artinya, 10% masa refrijeran berapa gas dan 90% masa refrijeran berupa cairan atau liquid. Demikian juga 29

untuk garis lainnya sama. Misalnya garis constant quality yang berada di dekat garis saturasi gas adalah 90%. Artinya, 90% masa refrijeran berupa gas dan 10% berupa liquid. Garis horisontal yang membentang dari kiri ke kanan melalu bagian tengah chart adalah garis tekanan konstan (constant pressure), dan garis vertikal yang membentang dari atas ke bawah melalui bagian tengah chart adalah garis entalpi konstan (constant enthalpy). Semua titik pada garis constant pressure mempunyai tekanan yang sama. Demikian juga semua titik pada garis constant elthalpy mempunyai eltalpi sama. Garis suhu konstan atau constant temperature pada daerah subcooled region dinyatakan dengan garis vertikal memotong garis saturated liquid dan paralel dengan garis constant enthalpy. Pada bagia tengah, karena perubahan fasa refrijeran berlangsung pada suhu dan tekanan konstan, maka garis constant temperature parallel dan segaris dengan garis constant pressure. Pada garis saturated vapor, maka garis constant temperature berbelok arah lagi dan pada daerah superheated region, kurva garis constant temperature menurun curam ke bagian dasar chart. Pada gambar 6.2, diberikan contoh sebuah garis constant temperature pada skala 15 °C. Selanjutnya, pada daerah superheated region, dipetakan garis constant entropy, berupa garis diagonal hampir tegak dan garis constant volume, yang dipetakan dengan garis lengkung ke atas melalui garis saturated vapor. Gambar 3.3 Pemetaan proses refrijerasi pada P-H-chart Besaran atau nilai dari berbagai sifat refrijeran penting yang diperlukan dalam siklus refrijerasi dapat langsung dibaca dengan mudah melalui P-H-chart. Untuk menyederhanakan chart, maka jumlah garis skala pada P-H-chart dibuat seminimum mungkin. Oleh karena itu, 30

bila hasil pemetaan siklus tidak berada tepat pada garis skalanya, perlu dilakukan interpolasi untuk menentukan nilai yang sebenarnya. Dalam buku ini, P-H-chart perhitungannya didasarkan pada asumsi sebagai berikut: masa refrijeran dinyatakan dalam 1 kg, spesifik volume dalam satuan m'/kg, entapi dalam kJ/kg, dan entropi dalam kJ/kg.K. Skala entapli dapat ditemukan pada garis horisontal di bagian bawah chart. Gambar 2.4 memperlihatkan contoh pemetaan siklus refrijerasi pada ph- chart. Pada chart dapat dibaca berbagai kondisi refrijeran selama siklusnya berlangsung. Titik A, B, C, D pada chart sesuai dengan titik A, B, C, dan D pada gambar 6.4. Dari chart dapat diketahui, misalnya Suhu evaporasi adalah -5 °C, suhu kondensasi adalah 40°C. Tekanan kondensasi adalah 9,61 bar, tekanan evaporasi adalah 2,61 bar. Suhu refrigeran gas pada sisi discharge kompresor adalah 46,8 °C (D) atau 66,7 °C (D'). Panas sensible dan panas laten yang ditambahkab atau diambil dari refrijeran juga dapat langsung diketahui. Demikian juga Entalpinya. Setiap Proses yang berlangsung dapat juga diketahui secara pasti. Gambar 3.4 Contoh pemetaan siklus refrijerasi pada P-H-chart 31

Gambar 3. 5 Diagram aliran siklus refrijerasi sederhana Proses ekspansi Pada kasus gambar 2.4, diasumsikan, refrijeran tidak mengalami perubahan saat keluar dari condeser menuju ke katub ekspansi, jadi Tekanan refrijeran saat mencapai katub ekspansi sama dengan kondisi di titik A, yaitu 9,61 bar. Setelah melewati katub ekspansi (titik B) tekanan refrijeran cair langsung turun karena mengalami proses ekspansi adiabatic, yaitu entalpi tidak berubah. Garis ekaspansi adiabatik A-B merupakan garis lurus, Karena entalpinya tidak berubah. Pada titik B tekanan refrijeran cair adalah 2,61 bar, Suhu -5 °C, entalpi 238,535 kJ/kg. Proses evaporasi Titik B hinggs ke titik C adalah proses eveporasi, yaitu penguapan refrijeran cair d evaporator. Karena penguapan terjadi pada suhu dan tekanan konstan, maka proses B-C lazim disebut sebagai isotermal dan isobar, dan diyatakan dengan garis lurus horisontal dari titik B ke titik C. Pada titik C penguapan refrijeran selesai, sehinga kondisinya disebut saturasi pada suhu dan tekanan penguapan. Pada titik C ini, kondisi tekanan refrijeran adalah 2,61 bar, suhu -5, entalpi 349,32 kJ/kg. Garis BC lazim disebut sebagai efek refrijerasi (refrigerating efect) atau qe. Besarnya qe adalah (349,32 - 238,54) kJ/kg = 110,78 kJ/kg. 32

Proses kompresi Proses refrijerasi yang ditunjukkan dalam gambar 2.3 disebut proses refrijerasi saturasi, karena kompresor menghisap saturasi gas hasil evaporasi di evaporator. Garis CD menyatakan proses kompresi yang dilakukan oleh kompresor, yaitu meningkatkan tekanan dan suhu refrijeran gas yang dihisap oleh katub suction dan kemudian mengkompresi hingga tekanan tertentu, yang disebut tekanan kondensasi, titik D. Dalam kasus ini, proses kompresi yang dilakukan oleh kompresor, lazim disebut sebagai proses kompresi isentropik, yaitu proses kompresi yang berlangsung pada entropi konstan atau constant entropy. Karena tidak ada perubahan entropi selama proses kompresi dari titik C ke titik D, maka entropi refrijeran pada titik C sama dengan entropi refrijeran pada titik D. Oleh karena itu titik D dapat dipetakan pada P-H-chart mengikuti garis constant entropy dari titik C hingga memotong garis constant pressure, yaitu tekanan kondensasi, di titik D. Pada titik D, kondisi refrijeran gas disebut gas panaslanjut pada tekanan kondensasi 9,61 bar, pada suhu saturasi kondensasi 40 °C. Garis CD lazim disebut sebagai Energi panas untuk kompresi atau kerja kompresi, atau qw. Besarnya qw adalah (372,4-349,32) kJ/kg = 23,08 kJ/kg. Hasil penyerapan panas yang dilakukan kompresor, menyebabkan kondisi refrijeran gas yang dipampatkan oleh kompresor menjadi gas panaslanjut, yang suhunya di atas suhu saturasi pada tekanan kondensasi. Suhu gas panaslanjut ini mencapai 46,75 °C, sedang suhu saturasi pada tekanan 9,61 adalah 40 °C. Sebelum gas dapat diembunkan (kondensasi) maka suhu gas panaslanjut harus diturunkan hingga ke suhu saturasi sesuai tekanan kondensasinya. Panas yang dipindahkan adalah panas sensibel (garis DE). Proses kondensasi Biasanya, proses DE (panas sensibel) dan proses kondesasi EA (panas laten), berlangsung di kondensor, yaitu gas panaslanjut dari kompresor didinginkan hingga mencapai suhu kondensasi dan kemudian mengembun. Proses DE berlangsung di bagian atas kondensor dan saluran gas panas. Pada titik E, kondisi refrijeran adalah gas saturasi pada suhu dan tekanan kondensasi. Sifat-sifatnya sebagai berikut: tekanan 9,61 bar, suhu 40 °C, entalpi 367,146 kJ/kg. Proses EA adalah proses kondensasi gas saturasi di kondensor. Karena kondensasi berlangsung pada suhu dan tekanan konstan, maka garis EA segaris dengan garis constant pressure dan conctant temperature dari titik E ke titik A. Panas yang dibuang ke media kondensasi adalah qc adalah (372,4-238,54) kJ/kg = 133,86 kJ/kg. 33

Atau qc = qe + qw = 110,78 +23,08 = 133,86 kJ/kg. Bila kapasitas refrijerasi dikehendaki sebesar 1 kW, maka masa refrijeran yang harus disirkulasi di dalam sistem kompresi gas ini adalah ������ = ������������ = 1 (������������) = 0,00903 ������������/ det = 9,03 ������/������������������ ������������ 110,78 (������������/������������) Kapasitas kondensasi Qc adalah Qc = (m)(gc) = 0,00903(kg/ det) x133,86(kJ/kg) = 1,209 kJ/det. Kapasitas kompresi Qw adalah Qw= (m)(qw) = 0,00903(kg/det) x23,08(kJ/kg) = 0,20841 kJ/kg Coeficient of performance (COP) Kualitas unjuk kerja suatu sistem refrijerasi dapat dinyatakan dengan suatu angka hasil perbandingan antara energi yang diserap dari udara ruang dan energi yang digunakan untuk mengkompresi gas di kompresor. Perbandingan kedua energi tersebut lazim disebut sebagai koefisien unjuk kerja dari siklus refrijerasi atau coefficient of performance (COP). 110,78 (������������/������������) ������������������ = 23,08 (������������/������������) 3.3. Pengaruh suhu evaporasi terhadap efisiensi siklus Efisiensi siklus refrijerasi kompresi uap bervariasi terhadap suhu eveporasi dan suhu kondensasi. Tetapi pengaruh suhu evaporasi terhadap efisiensi siklus lebih besar dibandingkan suhu kondensasi. Gambar 2.5 memberikan ilustrasi bagaimana pengaruh suhu evaporasi terhadap efisiensi siklus refrijerasi. Gambar tersebut menunjukkan hasil pemetaan pada P-H-chart dari dua siklus refrijeasi yang mempunyaisushu evaporasi berbeda. Siklus pertama, dengan suhu 34

evaporasi -10 °C ditandai melalui titik A, B, C, D, E dan siklus kedua dengan suhu 5 °C, ditandai dengan titik A, B’, C’, D’, dan E. Gambar 3. 6 Pemetaan dua suhu evaporasi yang berbeda untuk memperlihatkan perbedaannya, marilah kita hitung entalpinya a) untuk siklus dengan suhu -100C qe = hc - ha = (347,13-238,54) kJ/kg = 108,59 kJ/kg qw = hd - hc = (373,33 – 347,13) kJ/kg = 26,2 kJ/kg qc = hd - ha = (373,33 238,54) kJ/kg = 134,79 kJ/kg b) untuk siklus dengan suhu 5 °C qe = hc' - ha = (353,6-238,54) kJ/kg = 115,06 kJ/kg qw = hd' - hc' = (370,83 - 353,6) kJ/kg = 17,23 kJ/kg qc = hd' - ha = (370,83 – 238,54) kJ/kg = 132,29 kJ/kg Kenaikan efek refrijerasi terhadap keanikan suhu evaporasi adalah 115,06 kJ/kg - 108,59 kJ/kg = 6,47 kJ/kg Atau (6,47/108,59) x 100 = 5,96%. Jadi semakin tinggi suhu evaporasi semakin besar pula efek refrijerasinya. Sekarang marilah kita tinjau perbedaan masa refrijeran terhadap kenaikan suhu evaporasi. 35

(a) Untuk siklus dengan suhu -10 °C, besaran masa refrijeran per kilowatt kapasitas refrijerasi adalah: 1(������������) 108,59 (������������/������������) = 0,00921 ������������/������������������ (b) Untuk siklus dengan suhu 5 °C, besaran masa refrijeran per kilowatt kapasitas refrijerasi adalah: 1 (kw) = 0,00869 kg/det 1 (������������) 115,06 (������������/������������) = 0,00869 ������������/������������������ Pada kenaikan suhu evaporasi, jumlah masa refrijeran yang disirkulasikan mengalami penurunan. Penurunannya sebesar: 0,00921 (������������/������������������) − 0,00869(������������/������������������) ������100 = 5,56% 0,00921 (������������/������������������) Sekarang kita tinjau perbedaan daya teoritis yang digunakan untuk kompresi refrijeran. (a) Untuk siklus dengan suhu -10 °C, besaran daya teoritis kompresi adalah: Pt = mxqw = 0,00921(kg/det)x26,2(kJ/kg) = 0,2413 kW (b) Untuk siklus dengan suhu 5 °C, besaran daya teoritis kompresi adalah: Pt = mxqw= 0,00869(kg/det)17,23(kJ/kg) = 0,1497 kW Dari sini dapat dinyatakan, bahwa kenaikan suhu evaporasi akan menurunkan daya kompresi teoritis sebesar: 0,2413 − 0,1497 ������100 = 36,7% 0,2413 Terakhir, marilah kita tinjau efisiensi siklus refrijerasinya. Untuk membandingkan efisiensi siklusnya, dapat dilakukan dengan membandingkan COP antara kedua siklus tersebut. (a) Untuk siklus dengan suhu -10 °C, besaran COP adalah: 108,59 (������������/������������) 26,20 (������������/������������) = 4,14 (b) Untuk siklus dengan suhu 5 °C, besaran COP adalah: 36

115,06 (������������/������������) 17,23 (������������/������������) = 6,68 Sudah dapat dipastikan, bahwa COP dan juga efisiensi siklus akan ikut naik bila suhu evaporasinya juga naik. Disini, kenaikan suhu evaporasi dari -10 °C ke 5 °C, menyebabkan kenaikan efisiensi sebesar: 6,68 − 4,14 4,14 ������100 = 61,4% 3.4. Pengaruh suhu kondensasi terhadap efisiensi siklus Walaupun pengaruh perbedaan suhu kondensasi terhadap efisiensi siklus tidak sebesar suhu evaporasi, tetapi pengaruh perbedaan suhu kondensasi terhadap efisiensi tetap tidak boleh diabaikan. Gambar 6.6 memberikan ilustrasi bagaimana pengaruh suhu kondensasi terhadap efisiensi siklus refrijerasi. Gambar tersebut menunjukkan hasil pemetaan pada P-H- chart dari dua siklus refrijeasi yang mempunyai suhu kondensasi berbeda. Siklus pertama, dengan suhu evaporasi 40 °C ditandai melalui titik A, B, C, D, E dan siklus kedua dengan suhu 50 °C, ditandai dengan titik A' B', C, D', dan E'. Gambar 3.7 Pemetaan dua suhu kondensasi yang berbeda Untuk memperlihatkan perbedaannya, marilah kita hitung entalpinya. (a) Untuk siklus dengan suhu evaporasi -10 °C dan suhu kondensasi 40 °C sudah dihitung pada contoh kasus sebelumnya, yaitu qe = hc - ha' = (347,13-248,88) kJ/kg = 98,25kJ/kg qw = hd' - hc = (377,71 - 347,13) kJ/kg = 30,58 kJ/kg 37

qc = hd' - ha' = (377,71 - 248,88) kJ/kg = 128,83 kJ/kg (b) Untuk siklus dengan suhu kondensasi 50 °C qe = he' - ha (353,6-238,54) kJ/kg = 115,06 kJ/kg qw=hd' - he' = (370,83 - 353,6) kJ/kg = 17,23 kJ/kg qc = hd' ha = (370,83-238,54) kJ/kg = 132,29 kJ/kg - Penurunan efek refrijerasi terhadap kenaikan suhu kondensasi adalah 108,58 kJ/kg - 98,25 kJ/kg = 10,33 kJ/kg Atau (10,33/108,59) x 100 = 9,51%. Jadi semakin tinggi suhu kondensasi semakin kecil efek refrijerasinya. Sekarang marilah kita tinjau perbedaa masa refrijeran terhadap kenaikan suhu evaporasi. (c) Untuk siklus dengan suhu 40 °C, besaran masa refrijeran per kilowatt kapasitas refrijerasi adalah: 1(������������) 108,59 (������������/������������) = 0,00921 ������������/������������������ (d) Untuk siklus dengan suhu 50 °C, besaran masa refrijeran per kilowatt kapasitas refrijerasi adalah: 1(������������) 98,25 (������������/������������) = 0,01018 ������������/������������������ Pada kenaikan suhu evaporasi, jumlah masa refrijeran yang disirkulasikan mengalami kenaikan. kenaikannya sebesar: 0,01018 (������������/������������������) − 0,00921 (������������/������������������) = 10,53% 0,00921 (������������/������������������) Sekarang kita tinjau perbedaan daya teoritis yang digunakan untuk kompresi refrijeran. (e) Untuk siklus dengan suhu 40 °C, besaran daya teoritis kompresi adalah: Pt = m x qw= 0,00921(kg/det) x 26,2(kJ/kg) = 0,2413 kW (f) Untuk siklus dengan suhu 50 °C, besaran daya teoritis kompresi adalah: Pt = m x qw = 0,01018(kg/det) x 30,58(kJ/kg) = 0,3313 kW 38

Dari sini dapat dinyatakan, bahwa kenaikan suhu kondensasi akan meningkatkan daya kompresi teoritis sebesar: 311,3 − 241,3 241,3 ������100 = 29% 3.5. Siklus refrigerasi aktual Gambar 2.8 memperlihatkan diagram aliran dari suatu sistem refrijerasi kompresi uap. Dalam Proses ini, refrijerannya mengalami kondisi panaslanjut. Dalam sesi ini, marilah kita tinjau pengaruh panaslanjut yang dialami oleh refrijeran gas yang dihisap oleh kompresor. Gambar 3.8 Diagram aliran untuk proses gas panaslanjut Data yang diperlukan untuk keperluan pemetaan siklus pada Diagram mollier meliputi: 1. Suhu kondensasi, meliputi saturated vapor (E), liquid-vapor mixture (E-A) dan saturated liquid (A) mempunyai suhu sama, yaitu 40 °C. 2. Suhu evaporasi, meliputi liquid-vapor mixture (B), dan saturated vapor (C) mempunyai suhu sama, yaitu -5 °C. 2. 3. Suhu gas refrigeran yang keluar dari saluran discharge kompresor, atau superheated vapor (D), yaitu 46,8 °C, D' 66,7 ℃ 4. Suhu liquid refrigerant yang akan masuk ke katub ekspansi, saturated liquid (A) yaitu 40 °C. 5. Suhu gas refrigeran yang akan masuk ke sisi hisap kompresor, titik C saturasi gas -5 °C, dan titik C', superheat vapor, yaitu 15 °C. 5. 39