Siklus Mesin Pendingin

Siklus termodinamika mesin pndingin yang ideal adalah siklus mesin karnot terbalik tapi siklus tersebut sulit dicapai.

 

Daur/siklus Refrigerasi Carnot

 

Keterangan :

1-2 : proses kompresi secara isentropik

2-3 : proses pelepasan panas pada suhu dan tekanan konstan

3-4 : proses ekspansi secara isentropik

4-1 : proses penguapan refrigeran pada suhu dan tekanan konstan

 

Untuk siklus pendingin aktual dapat di lihat pada gambar di bawah

 

Gambar 2.24   : Daur kompresi uap basah dibanding dengan uap standar

Sumber            : Stoecker, Refrigerasi dan Pengkondisian Udara, hal 191

 

Keterangan :

1-2 : kompresi secara isentropik pada kompresor

2-3 : proses pelepasan panas pada tekanan konstan (proses kondensasi)

3-4 : proses ekspansi secara isoenthalpy pada expansion valve

4-1 : proses penyerapan panas secara isobarik dan penguapan refrigeran yang berlangsung secara isobarik pada evaporator

 

Pada komponen- komponen mesin pendingin terjadi perubahan- perubahan yaitu :

1)      Pada kompresor (1-2)

·     Enthalpy, tekanan, dan temperatur naik

·     Entropi konstan

·     Perubahan fase dari uap kering ke uap panas lanjut, butuh kerja dari luar

2)      Pada kondensor (2-3)

·     Enthalpy dan temperatur turun

·     Tekanan konstan

·     Perubahan fase dari uap panas lanjut ke zat cair

·     Terjadi pelepasan kalor

3)      Pada expansion valve (3-4)

·     Enthalpy konstan

·     Tekanan dan temperatur turun

·     Entropi naik

·     Perubahan dari fase cair ke uap jenuh

4)      Pada evaporator (4-1)

·     Tekanan dan temperatur konstan

·     Enthalpy dan entropi naik

·     Perubahan fase dari uap jenuh menjadi uap kering

 

Pada siklus aktual terjadi penyimpangan- penyimpangan yang disebabkan oleh :

1)      Sub cooling

Terjadi karena jumlah panas yang diambil dari refrigeran oleh air pendingin pada kompresor terlalu berlebihan sehingga menyebabkan penyimpangan titik balik 3 ke titik balik 3’.

2)      Super heating

Terjadi karena jumlah panas yang diserap oleh refrigeran oleh air pendingin pada kompresor terlalu berlebihan sehingga menyebabkan penyimpangan titik 1 ke titik 1’.

3)      Pressure drop pada kondensor dan evaporator

Terjadi karena uap refrigeran masuk ke ruang yang lebih besar, adanya losses akibat belokan, gesekan antara fluida dengan dinding pipa dan kebocoran atau isolasi yang kurang baik pada saluran atau pompa sehingga proses tidak isobarik.

 Syarat-syarat Refrigerant

Agar diperoleh sistem refrigerasi yang memiliki peforma maksimum maka pemilihan refrigeran harus benar-benar diperhatikan. Adaoun syarat-syaratnya antara lain :

1)    Tekanan saluran uap refrigeran pada temperatur rendah harus mendekati P_atm, bahkan sebaiknya sedikit di atasnya untuk menjamin tidak ada kebocoran ke dalam sistem karena kebocoran akan menyebabkan masuknya udara ke dalam evaporator yang akan menurunkan kapasitas refrigerasi.

2)    Volume spesifik uapnya harus kecil untuk menjaga kecepatan aliran yang besar dan pressure drop pada pipa.

3)    Enthapy penguapannya besar karena laju alir massa yang diperlukan untuk mencapai efek pendinginan yang diharapkan akan semakin kecil.

4)    Memiliki konduktivitas termal yang besar agar perpindahan kalornya optimal

5)    Viskositas rendah agar kerugian tekanan di evaporator dan kondensor berkurang.

6)    Kalor spesifik serendah mungkin agar mendekati kondisi vertikal pada kubah saturasi yang akan mendekati slklus karnot.

7)    Uap refrigeran harus inert, stabil dan tidak bereaksi terhadap material-material yang dilaluinya serta tidak boleh larut dalam air.

Macam-macam Refrigerant

Berdasarkan penggunaanya, refrigeran dibagi menjadi :

1)    Refrigeran primer

Refrigeran yang digunakan pada sistem kompresi uap

2)    Refrigeran sekunder

Cairan-cairan yang digunakan untuk membawa energi kalor bersuhu rendah dari suatu lokasi ke lokasi lain.

           

                        Berdasarkan komponen penyusunnya, refrigeran terbagi menjadi :

1)      Senyawa Halokarbon

Refrigeran ini mempunyai satu atau lebih atom dari salah satu halogen (klorin, flourin, bromin)

Contoh refrigeran halokarbon :

a)     Trikloro monofluoro metana (CCl₃F)

b)    Dikloro difluoro metana (CCl₂F₂)

c)     Monokloro trifluoro metana (CClF₃)

d)    Monokloro difluoro metana (CClF₂)

e)     Metil klorida (CH₃Cl)

f)     Dikloro tetrafluoro etana (CCLF₂ . CCLF₂)

2)    Senyawa anorganik

Merupakan refrigeran yang digunakan pada masa lalu.

Misal : amonia (NH₃), air (H₂O), udara, CO₂, SO₂,

3)      Hidrokarbon

Banyak senyawa hidrokarbon yang digunakan sebagai refrigeran, khususnya untuk dipakai pada industri perminyakan dan petrokimia. Diantaranya adalah metana (CH₄), propana (C₃H₈) dan etana (C₂H₆).

4)    Azeotrop

Suatu senyawa azeotrop dua substansi adalah campuran yang dapat dipisahkan komponen-komponennya secara destilasi. Azeotrop menguap dan mengembun sehingga suatu substansi tunggal yang sifat-sifatnya berbeda dengan unsur pembentuknya. Misal : refrigeran SO₂ yang merupakan campuran 48,8% R-22 dengan 51,2% R-115

 

Refrigeran adalah zat pendingin atau media pembawa kalor yang mudah diubah bentuknya dari cair menjadi gas atau atau sebaliknya dengan menyerap atau melepas kalor yang digunakan dalam sirkulasi mesin pendingin. Refrigeran yang digunakan dalam mesin pendingin antara lain :

1)      Amonia (NH₃)

Freon, ada beberapa macam antara lain R-12, R-22, R-502, dll.

 

 Istilah-istilah dalam Mesin Pendingin

§  Panas laten

               Adalah jumlah panas yang diambil atau diberikan kepada suatu zat dimana akan menyebabkan terjadinya perubahan fase/wujud dari zat yang bersangkutan tanpa mengalami perubahan temperature.

§  Panas sensible

               Adalah jumlah panas yang diambil atau diberikan kepada suatu zat dimana akan menyebabkan terjadinya perubahan temperatur tanpa mengalami perubahan fase/wujud dari zat yang bersangkutan.

§  Panas Spesifik

               Adalah jumlah panas/kalor yang diperlukan setiap kilogram massa zat untuk menaikkan temperaturnya sebesar satu derajat Celcius.

§  Wet Bulb Temperature

               Adalah temperatur udara yang tidak memperhitungkan pengaruh radiasi, konduksi, dan konveksi.

§  Dry Bulb Temperature

               Adalah temperatur udara yang memperhitungkan.pengaruh radiasi, konduksi, dan konveksi

§  Dew point Temperature

               Adalah temperature pada saat udara menjadi jenuh, artinya udara mulai berubah menjadi kondensat (mengembun) setelah mengalami proses pendinginan pada tekanan konstan dan kelembaban absolute yang konstan.

§  Kelembaban Absolute

               Adalah perbandingan antara massa uap air dengan massa udara kering dalam suatu volume campuran.

 

§  Kelembaban Relatif

               Adalah perbandingan antara tekanan parsial uap air dalam suatu campuran tehadap tekanan jenuhnya pada temperatur yang sama. (Arismunandar, Wiranto.2005:11)

§  Refrigerant effect

               Yaitu kemampuan suatu refrigerant (zat pendingin) untuk menyerap panas/kalor agar berubah fase/wujudnya berubah dari cair menjadi uap.

§  Enthalpy

               Adalah jumlah kalor yang dikandung oleh setiap kilogram zat pada tekanan dan temperatur tertentu ditambah dengan kerja yang bekerja pada zat tersebut yang merupakan perkalian antara tekanan yang bekerja pada zat tersebut dengan volume spesifiknya.

§  Coeficient of Performance (COP)

               Adalah perbandingan antara panas yang diserap oleh refrigerant (zat pandingan) dengan kerja kompresor. (Kuliah Ir Made Gunadiarta)

§  Beban Pendinginan

               Yaitu kalor yang diambil tiap detik dari produk yang diinginkan (kj/detik). Manfaatnya untuk meramalkan kalor yang mampu diserap tiap detik oleh instalasi mesin pendingin (Kuliah Ir Made Gunadiarta)

§  Kapasitas Pendinginan

               Adalah jumlah kalor yang diserap oleh refrigerant dari benda atau fluida yang hendak didinginkan. (Arismunandar, Wiranto.2005:155)

§  Tor refrigerant

               Laju aliran kapasitas refrigerant digunakan untuk menyerap panas yang ada di dalam sistem tiap satuan waktu. Jadi tor refrigerant merupakan satuan daya dalam British (Btu/jam)

 

Bagian-bagian Utama Mesin Pendingin Kompresi Uap

1.     Kompresor

Alat yang digunakan untuk mengkompresikan refrigerant (zat pendingin) yang berbentuk uap ke dalam kondensor sehingga tekanannya naik dan mudah diembunkan.

a.     Kompresor Positif

Gas masuk ke dalam silinder dan dikompresikan

b.     Kompresor dinamik

Gas yang dihisap masuk dipercepat alirannya oleh sebuah  impeller yang kemudian merubah energi kinetic untuk menaikkan tekanan.

 

Kompresor juga dapat digolongkan berdasarkan spesifikasinya antara lain :

                              a). Penggolongan berdasarkan metode kompresi

                                   terbagi menjadi dua jenis yaitu :

1.)   Metode kompresi positif dibagi menjadi empat yaitu

§  Kompresi Torak Bolak - Balik

 

 

Mekanisme kompresor torak bolak – balik

Sumber : Penyegaran Udara, Wiranto :2002

 

§  Kompresor Tingkat Ganda Bolak – Balik

 

 

Mekanisme kompresor torak ganda kecepatan tinggi

Sumber : Penyegaran Udara, Wiranto :2002

 

§  Kompresor Putar

Dapat dibagi menjadi dua jenis yaitu daun berputar dan daun stasioner diam

Mekanisme kompresor Putar

Sumber : Penyegaran Udara, Wiranto :2002

 

§  Kompresor Sekrup

 

Mekanisme kompresor sekrup

Sumber : Penyegaran Udara, Wiranto :2002

 

 

Konstruksi kompresor sekrup

Sumber : Penyegaran Udara, Wiranto :2002

           

Metode kompresi sentrifugal dibagi menjadi dua jenis yaitu kompresor sentrifugal tunggal dan tingkat ganda

a)     Penggolongan berdasarkan bentuk

§  Jenis Vertikal

§  Jenis Horizontal

§  Jenis Sumbu banyak (Jenis V,VV,W)

b)    Penggolongan berdasarkan gas refrigerant

§   Kompresor ammonia

§   Kompresor Freon

§   Kompresor CO₂

c)     Penggolongan berdasarkan kecepatan putar

§   Jenis kecepatan tinggi

§   Jenis kecepatan rendah

d)    Penggolongan berdasarkan konstruksi

§   Jenis terbuka

§   Jenis hermetic

Pada dasarnya kompresor hermetic hamper sama dengan kompresor semi hermetik. Perbedaannya terletak pada cara penyambungan rumah baja kompresor dengan stator motor penggeraknya.Pada kompresor jenis semi hermetik rumah terbuat dari besi tuang dan bagian-bagian penutup dan penyambungnya masih dapat terbuka.Sebaiknya kompresor hermetik  rumah kompresor dibuat dari baja dengan sambungan las sehingga tidak dapat terbuka.

 

     

kompresor putar hermetik

Sumber : Penyegaran Udara, Wiranto :2002

 

§  Jenis semi otomatis

 

 

Penampang kompresor semi otomatis

      Sumber : Penyegaran Udara, Wiranto :2002

 

2 Kondensor

              Alat yang berfungsi untuk mengubah refrigerant (zat pendingin) yang mempunyai fase/wujud uap menjadi cair pada tekanan konstan (sebagai alat pengembun refrigerant).Kondensor dibagi menjadi empat yaitu :

a.    Kondensor tabung dan pipa horizontal

Banyak digunakan pada unit pendinginan air dan penyegar udara baik untuk ammonia maupun Freon. Untuk amonia pipa pendingin biasanya terbuat dari pipa baja. Sedangkan pada Freon pipa pendingin menggunakan pipa tembaga.          Jika dikehendaki  adanya ketahanan korosi sebaiknya digunakan pipa kuningan atau cupro nikel dan pelat pipa kuningan.

 

 

Kondensor tabung dan pipa horizontal

Sumber : Penyegaran Udara, Wiranto :2002

 

b.     Kondensor tabung dan pipa koil

Banyak digunakan pada unit Freon sebagai refrigerant berkapasitas kecil missal pada penyegar udara jenis paket. Pendingin air dan sebagainya. Pipa pendingin terbuat dari tembaga dengan atau tanpa sirip. Pipa itu mudah dibuat dan harganya murah.

 

 

 

 

 

      

Kondensor tabung dan koil

Sumber : Penyegaran Udara, Wiranto :2002

 

 

c.     Kondensor jenis pipa ganda

Merupakan susunan dari dua pipa koaksial yang dipakai pada pipa refrigerasi berkapasitas rendah dan Freon sebagai refrigerannya. Digunakan pipa dalam dan pipa luar terbuat dari pipa tembaga dan bersirip

 

Kondensor Jenis Pipa Ganda

Sumber : Penyegaran Udara, Wiranto :2002

 

d.     Kondensor pendingin udara koil bersirip pelat

Terdiri dari koil pipa pendingin bersirip pelat dengan sirip aluminium atau pipa tembaga dan sirip tembaga.

                           

Kondensor pendingin udara koil bersirip pelat

Sumber : Penyegaran Udara, Wiranto :2002

  

3. Katup Ekspansi

                      Mempunyai fungsi untuk menguapkan cairan refrigerant agar mudah menguap jika mendapat panas. Ada tiga jenis katup ekspansi yaitu :

a.     Katup ekspansi otomatik termostatik jenis pengaman

 Katup ekspansi otomatik termostatik jenis pengaman

Sumber : Penyegaran Udara, Wiranto :2002

 

b.      Katup ekspansi manual

Adalah katup ekspansi dengan throttle yang diatur secara manual yaitu menggunakan katup jarum yang berbeda dengan katup stop biasa.

  Katup ekspansi manual

       Sumber : Penyegaran Udara, Wiranto :2002

c.     Katup ekspansi tekanan konstan

Katup digerakkan oleh tekanan evaporator untuk memper- tahankan tekanan konstan di evaporator.

 

 Katup ekspansi tekanan konstan

  Sumber : Penyegaran Udara, Wiranto :2002

 

4. Evaporator

              Berfungsi untuk menyerap panas dari udara luar sehingga refrigerant berubah fase menjadi uap. Evaporator dibagi dalam beberapa golongan sesuai dengan refrigerant yang ada di dalamnya, yaitu:

a.     Jenis ekspansi kering

Cairan yang diekspansikan melalui katup ekspansi pada waktu masuk ke dalam evaporator sudah dalam keadaan campuran dengan uap sehingga keluar dari evaporator dalam keadaan kering.

b.     Jenis setengah basah

Evaporator jdengan kondisi refrigerant antara evaporator jenis ekspansi kering dan evaporator jenis basah. Dalam evaporator jenis basah selalu ada refrigerant dalam pipa penguapannya.

 

 

c.     Evaporator basah

Pada evaporator ini sebagian besar dari evaporator terisi oleh refrigerant.

                      Evaporator memiliki tiga macam konstruksi yaitu :

a.     Evaporator tabung dan koil

Dipakai pada mesin pendingin kecil. Terdapat pipa koil tunggal atau pipa ganda di dalam sebuah silinder.

 

                        

Evaporator tabung dan koil

Sumber : Penyegaran Udara, Wiranto :2002

 

b.     Evaporator tabung dan pipa jenis ekspansi kering

Menggunakan banyak pipa yang dipasang di dalam tabung seperti pada gambar di bawah ini

Evaporator tabung dan pipa jenis ekspansi kering

  Sumber : Penyegaran Udara, Wiranto :2002

 

c.     Evaporator kecil dengan pendinginan udara

Terdiri dari pipa koil bersirip di bagian luarnya. Ada dua macam koil dengan pendinginan udara ekspansi langsung. Pada ekspansi langsung refrigerant diuapkan langsung di pipa evaporator. Sedangkan pada ekspansi tak langsung udara didinginkan dulu oleh refrigerant.

 

Evaporator kecil dengan pendinginan udara

Sumber : Penyegaran Udara, Wiranto :2002