Modul Siklus Pendingin.docx

MODUL SIKLUS PENDINGIN MODUL MODUL ini sebagai tugas mata kuliah TERMODINAMIKA Universitas 17 Agustus 1945

Oleh : Agus Sumantri (1421600115) Andik Kristanto (1421600113)

PROGRAM STUDI S1 TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS 17 AGUSTUS 1945 SURABAYA MEI 2018

BAB 1 PENDAHULUAN

Mesin pendingin adalah sebuah alat yang prinsip kerja siklus nya hampir sama dengan mesin kalor yang menggunakan fluida kerja refrigeran. Siklus refrigerasi yang paling banyak dipakai adalah daur refrigerasi kompresi

uap

yang

melibatkan

4

komponen

dasar

,yaitu

:

kompresor,kondensor,katup ekspansi dan evaporator. Tujuan dari mesin pendingin adalah untuk menjaga ruangan tetap dingindengan menyerap panas dari ruang tersebut. Salah satu aplikasi dari siklus pendingin ini adalah AC (air conditioner). Sedangkan pompa kalor adalah suatu alat yang dapat memindah panas dari media bertemperatur rendah ke temperatur tinggi yang bertujuan untuk menjaga ruangan tetap bertemperatur tinggi. Pengetahuan tentang prinsip kerja dan karakteristik mesin pendingin sangat penting untuk diketahui oleh mahasiswa karena penerapannya sangatlah luas, baik dalam lingkungan sehari-hari maupun lingkungan industri.

BAB 2 PEMBAHASAN 2.1. FUNGSI MESIN PENDINGIN Mesin pendingin

adalah suatu

alat

yang digunakan untuk

memindahkan panas dari dalam ruangan ke luar ruangan untuk menjadikan temperatur benda/ruangan tersebut lebih rendah dari temperaur lingkungan sekitarnya sehingga menjadi lebih dingin. Sesuai dengan konsep kekekalan energi bahwa panas tidak dapat dimusnahkan tetapi dapat dipindahkan. Sehingga proses kerja pada mesin pendingin selalu berhubungan dengan proses-proses aliran panas dan proses perpindahan panas. Sebelum menentukan mesin pendingin terlebih dahulu ditentukan perhitungan beban pendinginan termasuk data-data pendukung seperti ruang pengkondisian, lokasi bangunan dan arahanya,konstruksi bangunan,kondisi luar

gedung,kondisi

gedung,jumlah

lampu

design dan

dalam

gedung,jadwal

peralatan

listrik

penghuni

dalam

dalam

gedung,jadwal

pengoperasian peralata dalam gedung,serta kebocoran udara (infiltrasi) dan penambahan udara (ventilasi). Informasi seperti ini sangat berguna sebagai parameter perhitungan dan sebagai parameter tambahan yang akan digunakan sebagai beban pendingin.

2.2. PROSES KERJA MESIN PENDINGIN Inti dari proses kerja mesin pendingin adalah penguapan dan pengmbunan. Untuk mendapatkan penguapan diperlukan gas yang mencapai temperatur tertentu. Setelah udara tersebut panas diubah agar kehilangan panas sehingga terjadi penguapan lalu terjadi pengembunan sehingga udara

membentuk titik embun dan akhirnya mencair. Dari hal tersebut timbulah suhu pada temperatur rendah (dingin). Refrigerasi merupakan suatu proses penarikan kalor dari suatu benda/ ruangan ke lingkungan sehingga temperatur benda / ruangan tersebut lebih rendah dari temperatur lingkungannya. Proses kerja mesin pendingin memperlihatkan tentang panas setelah dikeluarkan dari udara oleh refrigeran didalam koil (evaporator). Siklus ini didasari oleh 2 prinsip yaitu saat refrigeran cair berubah menjadi uap,maka refrigeran cair itu mengambil atau menyerap sejumlah panas dan saat titik didih suatu cairan dapat diubah dengan jalan mengubah tekanan yang bekerja padanya. Hal ini sama artinya bahwa temperatur suatu cairan dapat ditingkatkan dengan jalan menaikkan tekanannya,begitu juga sebaliknya. Proses kerja mesin pendingin secara umum adalah sebagai berikut : kompresor melepaskan refrigerant berbentuk gas bertemperatur dan bertekanan tinggi karena hasil kompresi pada kompressor saat langkah pengeluaran ( discharge stroke). Refrigerant ini mengalir ke kondensor. Di kondensor,uap refrigerant bertekanan dan bertemperatur tinggi diembunkan. Panas dilepas ke lingkungan luar dan terjadi perubahan fase refrigeran dari uap ke cair. Dari kondensor dihasilkan refrigeran cair bertekanan tinggi dan bersuhu rendah. Tekanan tinggi refrigeran cair diturunkan dengan menggunakan katup ekspansi dan dihasilkan refrigeran cair bertekanan dan bersuhu rendah dengan bentuk spray (kabut) yang selanjutnya dialirkan ke evaporator. Di evaporator ,refrigeran cair mengambil panas dari lingkungan yang akan didinginkan dan menguap sehingga terjadi uap refrigeran bertekanan rendah.

2.3. JENIS MESIN PENDINGIN Pada dasarnya mesin pendingin dibagi menjadi 2 yaitu mesin pendingin dengan sistem refrigerasi mekanik dan non mekanik. Sistem refrigerasi mekanik merupakan sistem refrigerasi yang menggunakan mesinmesin penggerak atau alat mekanik lain dalam menjalani sklus pendinginan, sedangkan sistem refregerasi non mekanik adalah sistem refrigerasi yang tidak memerlukan mesin-mesin

penggerak

dalam menjalani siklus

pendinginan. Sistem refrigerasi non mekanik digolongkan menjadi siklus kompresi uap (SKU) , refrigerasi siklus udara ,refrigerasi temperatur ultra rendah , dan siklus sterling. Sedangkan sistem refrigerasi mekanik digolongkan menjadi refrigerasi termoelektrik,refrigerasi siklus absorbsi , refrigerasi steam jet , refrigerasi magnetik , dan heat pip. A. Sistem Kompresi Uap Komponen utama dari siklus kompresi uap adalah kompresor , evaporator , kondensor , dan katup expansi.

1) Proses Kompresi Proses ini dilakukan oleh kompresor dan berlangsung secara isentropik. Kondisi awal refrigerant pada saat masuk ke dalam kompresor adalah uap jenuh bertekanan rendah , setelah mengalami kompresi refrigerant akan menjadi uap bertekanan tinggi. Karena proses ini berlangsung secara isentropik maka temperatur ke luar kompresor pun meningkat. Persamaan untuk menghitung besarnya kerja kompresi per satuan massa refreigeran adalah: Wk = h1 – h2

dimana Wk = besarnya kerja kompresor (kJ/kg),h1 =

entalpi refrigeran saat masuk kompresor (kJ/kg) , dan h2 = entalpi refrigeran saat keluar kompresor (kJ/kg). 2) Proses Kondensasi Proses ini berlangsung di dalam kondensor. Refrigeran bertekanan dan bertemperatur tinggi dari kompresor akan membuang kalor sehingga fasanya berubah menjadi cair. Di dalam kondensor terjadi pertukaran kalor antara refrigeran dengan lingkungan luar sehingga panas

berpindah

dari

refrigeran

ke

udara

pendingin

yang

menyebabkan uap refrigeran mengembun menjadi cair. Persamaan nya adalah sebagai berikut :

Qc = h2 – h3

dimana Qc = besarnya panas dilepas

dikondensor ,h2 = entalpi refrigeran saat masuk kondensor , dan h3 = entalpi refrigeran saat keluar kondensor. 3) Proses Expansi Proses expansi berlangsung secara isoentalpi. Hal ini berarti tidak terjadi perubahan entalpi tetapi terjadi drop tekanan dan penurunan temperatur , atau dapat dituliskan dengan h3 = h4 proses penurunan tekanan terjadi pada katup expansi yang berbentuk pipa kapiler yang berfungsi untuk mengatur laju aliran refrigeran dan menurunkan tekanan. 4) Proses Evaporasi Proses ini berlangsung secara isobar isothermal ( tekanan konstan,temperatur konstan) di dalam evaporator. Panas dari dalam ruangan akan di serap oleh cairan refrigeran bertekanan rendah sehingga refrigeran akan berubah fasa menjadi uap tekanan rendah. Kondisi refrigeran saat masuk dalam evaporator adalah campuran cairan dan uap. Persamaan nya adalah sebagai berikut : QE = h1 – h4

dimana : QE = besarnya panas yang diserap

di evaporator, dan h4 = entalpi refrigeran saat masuk evaporator. Selanjutnya refrigeran kembali masuk ke dalam kompresor dan bersirkulasi lagi sampai kondisi yang diinginkan tercapai.

Efisiensi refrigerator disebut dengan istilah coefficient of performance (COP) ,dinotasikan dengan COPR. Harga dari COPR dapat berharga lebih dari satu , karena jumlah panas yang diserap dari ruang refrigerasi dapat lebih besar dari jumlah input kerja.

Setelah melakukan perhitungan untuk beberapa jenis refrigerant yang sering dipakai di Indonesia ,didapat nilai COP berikut :

Berat refrigerant yang disirkulasikan permanen (con of refrigerant) didapat dari jumlah panas yang diabsorpsiper menit ton of refrigerant dibagi oleh refrigerant effect. Mreff evaporasi lebih besar dari Mreff kondensasi.

Untuk memahami proses-proses yang terjadi pada mesin pendingin kompresi uap diperlukan pembahasan siklus termodinamika yang digunakan. 1) Daur Carnot Daur carnot adalah daur reversible yang didefinisikan oleh dua proses isothermal dan dua proses isentropic. Daur carnot dikenal sebagai mesin kalor carnot yang menerima energi kalor pada suhu tinggi,sebagian diubah menjadi kerja dan sisanya dikeluarkan menjadi kalor bertemperatur rendah. Apabila daur mesin kalor carnot dibalik maka proses nya yaitu pengembalian panas dari daerah bersuhu rendah ke daerah besuhu tinggi.

2) Daur kompresi uap ideal Apabila daur carnot diterapkan pada kompresi uap makaseluruh proses akan terjadi pada fasa campuran. Untuk itu fluida kerja yang

masuk

kompresor

diusahakan

tidak

berbentuk

campuran,karena akan menimbulkan kerusakan. Pada daur carnot ekspansi isentropic terjadi pada turbin ,daya yang dihasilkan digunakan untuk menggerakkan kompresor. Dalam hal ini terjadi suatu kesulitan teknis dan untuk memperbaiki kesulitan tersebut digunakanlah katup ekspansi agar timbul proses entalpi yang konstan. 3) Daur kompresi uap nyata Pada daur uap nyata terjadi proses kompresi yang tidak isentropic, selama fluida bekerja melewati evaporator dan kondensor akan mengalami penurunan tekanan. Gesekan dan belokan pipa menyebabkan penurunan tekanan didalam alat penukar panas. Akibatnya kompresi memerlukan lebih banyak kerja dibandingkan daur ideal (standart). B. Sistem Absorbsi Siklus pendinginan absorbsi mirip dengan siklus pendinginan kompresi uap. Perbedaan utama siklus tersebut adalah gaya yang menyebabkan terjadinya perbedaan tekanan antara tekanan

penguapan dan tekanan kondensasiserta cara perpindahan uap dari wilayah bertekanan rendah ke wilayah bertekanan tinggi. Uap bertekanan rendah diserap di absorber ,tekanan ditingkatkan dengan pompa dan pemberian panas di generator sehingga absorber dan generator dapat menggantikan fungsi kompresor secara mutlak. Salah satu keunggulan sistem absorbsi adalah menggunakan panas sebagai energi penggerak. Siklus absorbsi juga menggunakan 2 jenis zat yang umumnya berbeda, zat pertama disebut zat penyerap sedangkan zat kedua disebut refrigeran. Selanjutnya efek pendinginan terjadi akibat kombinasi dari pengembunan dan penguapan kedua zat pada kedua tingkat tekanan setara tersebut.

Kerja siklus secara keseluruhan adalah sebagai berikut:

Proses 1-2/1-3 : larutan encer campuran zat penyerap dengan refrigeran masuk ke generator bertekanan tinggi. Panas dari sumber bersuhu tinggi digunakan untuk memisahkan dan menguapkan refrigeran dari zat penyerap. Larutan pekat campuran zat penyerap mengalir ke absorber dan uap refrigeran mengalir ke kondensor. Proses 2-7 : larutan pekat campuran zat penyerap dengan refrigeran kembali ke absorber melalui katup ekspansi. Hal ini bertujuan untuk mempertahankan tekanan agar berbeda antara tekanan generator dan tekanan absorber. Proses 3-4 : Di kondensor , uap refrigeran bertekanan dan bertemperatur tinggi diembunkan lalu panas dilepas ke lingkungan dan terjadi perubahan fase refrigeran dari uap ke cair. Proses 4-5 : Tekanan tinggi refrigeran cair diturunkan dengan menggunakan katup ekspansi dan dihasilkanlah refrigeran cair bertekanan dan bersuhu rendah lalu selanjutnya dialirkan ke evaporator. Proses 5-6 :

Di evaporator , refrigeran cair mengambil panas dari

lingkungan yang akan didinginkan dan menguap sehingga terjadi uap refrigeran bertekanan rendah. Proses 6-8 / 7-8 : Uap refrigeran dari evaporator diserap oleh larutan pekat zat penyerap di absorber dan membentuk larutan encer zat penyerap Proses 8-1 : Pompa penerima larutan cair bertekanan rendah dari absorber meningkatkan tekanannya lalu mengalirkan nya ke arah generator dsehingga terjadinlah proses yang berulang terus-menerus. 2.4. Komponen Mesin Pendingin A. Komponen Utama

1) Kompresor Fungsi kompresor pada sistem pendinginan uap ada 2 macam ,yaitu untuk mengalirkan uap refrigeran yang mengandung sejumlah panas dari evaporator,mengkompres,mendorong ke kondensor serta untuk menaikkan temperatur pada uap refrigeran agar mencapai titik saturasi (titik yang lebih tinggi daripada medium pendinginnya). Kompresor mengambil uap panas pada temperatur rendah di dalam evaporator lalu memompakannya ke tingkat temperatur yang lebih tinggi dalam kondensor. Untuk melakukan tugas ini kompresor membutuhkan energi listrik untuk mengubahnya menjadi energi mekanik agar dapat melakukan kompresi.

2) Kondensor Kondensor adalah komponen penukar panas yang berfungsi untuk mengkondensasi gas refrigeran dari kompresor.

3) Katup Ekspansi Fungsi dari katup ekspansi adalah untuk menurunkan refrigeran dari tekanan kondensor sampai tekanan evaporator dan untuk mengatur jumlah aliran refrigeran yang mengalir masuk melalui evaporator. Jumlah aliran refrigerant yang melewati expansion valve ditentukan oleh gerakan naik turun valve yang tejadi akibat perbedaan tekanan (tekanan dalam sensing tube, tekanan spring, dan tekanan dalam evaporator). Pembukaan valve ditentukan oleh besar kecilnya tekanan Heat sensitizing tube. Pada kondisi ideal sangatlah dilarang bila cairan refrigeran masuk ke kompresor. Untuk menghindari hal ini maka katup ekspansi sangat difungsikan agar tidak terjadi kemasukan uap refrigeran pada kompresor.

4) Evaporator Evaporator adalah alat penukar kalor yang didalamnya mengalir cairan refrigeran yang berfungsi sebagai penyerap panas dari produk yang didinginkannya sambil berubah fasa. Pada prinsipnya evaporator hampi sama dengan kondensor ,yaitu sama-sama berfungsi mengubah fasa refrigeran. Perbedaannya jika pada kondensor refrigerant berubah dari uap menjadi cair , maka pada evaporator sebaliknya.

5) Tangki penampung

Fungsinya untuk menampung cairan bahan pendingin bertekanan tinggi dari kondensor 6) Saringan Saringan untuk AC dibuat dari pipa tembaga yang fungsinya untuk menyaring kotoran dalam sistem, seperti potongan timah,lumpur,karat dan kotoran lainnya agar tidak masuk ke dalam pipa kapiler atau kran ekspansi. 7) Pipa Kapiler Pipa nkapiler berguna unuk menurunkan tekanan bahan pendingin cair yang mengalir dalam pipa tersebut dan untuk mengontrol atau mengatur jumlah bahan pendingin cair yang mengalir dari sisi bertekanan tinggi ke tekanan rendah. 8) Refrigerant Refrigerant adalah bahan pendingin berupa fluida yang digunakan untuk menyerap panas melalui perubahan fasa cair ke gas (menguap) dan membuang panas melalui perubahan fasa gas ke cair (mengembun). Refrigean cair harus memiliki syarat sebagai berikut : a) Tidak beracun,tidak berwarna, tidak berbau dalam semua keadaan. b) Tidak dapat terbakar atau meledak sendiri jika bercampur dengan udara ,minyak, pelumas dan lain-lain. c) Tidak korosif terhadap logam yang banyak dipakai pada sistem refrigerasi dan air conditioning. d) Dapat bercampur dengan minyak pelumas kompresor,tetapi tidak merusak minyak pelumas tersebut.

e) Mempunyai

tekanan

kondensasi

yang

rendah.

Tekanan

kondensasi tinggi dapat mengakibatkan kebocoran besar jika tidak menggunakan kompresor yang besar. f) Harganya murah

B. Komponen Bantu 1) Oil Separator Yaitu alat yang digunakan sebagai pemisah antara minyak pelumas dengan uap bahan pendingin bertekanan tinggi, alat ini ditempatkan pada saluran uap bahan pendingin bertekanan tinggi atau pada saluran kompresor sampai kondensor 2) Filter Drier Yaitu alat yang digunakan untuk mengeringkan cairan bahan pendingin dari kandungan air, alat ini dipasang pada saluran cairan bahan pendingin bertekanan tinggi atau pada saluran antara tangki penampung sampai katup ekspansi. 3) Indikator Alat yang digunakan untuk melihat ada atau tidaknya cairan bahan pendingin yang mengalir masuk ke katup ekspansi. Alat ini ditempatkan pada saluran cairan bahan pendingin bertekanan tinggi atau antara tangki penampung sampai katup ekspansi . 4) Kran Selenoid Alat yang digerakkan dengan ada atau tidak nya aliran listrik. Kran ini pada umumnya dipasang pada saluran cairan bahan

pendingin bertekanan tinggi atau sebelum katup ekspansi dan selain itu dapat pula dipasang pada bagian mesin pendingin lainnya seperti saluran by pass,saluran unload,dll. 5) Akumulator Yaitu alat yang digunakan untuk memisahkan uap cairan bahan pendingin bertekanan rendah. Alat ini dipasang pada saluran uap bahan pendingin bertekanan rendah. C. Komponen Pengontrol 1) Alat Ukur (manometer tekanan rendah , manometer tekanan pelumasan , thermometer ruang pendingin , thermometer media pendingin kondensor) 2) Alat Pengaman a) Saklar tekanan rendah, merupakan saklar listrik yang kerjanya dipengaruhi oleh keadaan refrigerant dalam mesin pendingin bertekanan rendah. Saklar ini akan bekerja secara otomatis tergantung dari tekanan pada penghisap kompresor. b) Saklar Tekanan Tinggi , merupakan saklar listrik yang kerjanya dipengaruhi tekanan tinggi refrigerant pada mesin pendingin. Saklar ini difungsikan manual dengan hand reset. c) Saklar Tekanan Minyak Pelumas , merupakan saklar yang kerjanya dipengaruhi oleh tekanan minyak pelumas kompresor. d) Saklar Temperatur , kerjanya dipengaruhi oleh temperatur ruang pendingin. Saklar akan terbuka bila temperatur telah mencapai batas pada ruang pendingin. Saklar akan

otomatis tertutup bila temperatur pada ruang pendingin naik kembali.

BAB 3 PENUTUP

3.1. Kesimpulan Mesin pendingin merupakan sebuah alat siklus yang prinsip kerjanya hampir sama dengan pompa kalor yang menggunakan fluida kerja berupa refrigeran. Daur refrigerasi yang dipakai dalam siklus adalah tipe kompresi uap yang menggunakan freon 22 (R22) sebagai refrigeran. Dan komponen utamanya adalah kompresor , kondensor , pipa kapiler , dan evaporator. Siklus kompresi uap dipengaruhi oleh beberapa faktor antara lain : entalpi , kapasitas kompresor , laju aliran masa refrigeran , laju kalor pendingin. Laju aliran massa refrigeran ditentukan oleh daya listrik , dimana daya listrik tersebut besarnya sama dengan kapasitas kompresor. Semakin besar daya listrik maka semakin besar juga laju aliran massa refrigeran . Kapasitas kondensor dan kapasitas laju aliran kalor pendingin ditentukan oleh laju aliran massa refrigeran. Semakin besar laju aliran massa refrigeran maka semakin besar juga kapasitas kondensor dan evaporator. COP merupakan hasil bagi antara perubahan entalpi di evaporator dengan perubahan entalpi di kompresor. COP akan semakin besar jika perubahan entalpi di evaporator semakin besar.

DAFTAR PUSTAKA Berman, E.T. 2013 modal PLPG : Teknik Pendingin . Jakarta : Konsorsium Sertifikasi Guru Dirja . 2004. Dasar-dasar Mesin Pendingin. Jakarta : Departemen Pendidikan Nasional Direktorat Jenderal Pendidikan Dasar dan Menengah Direktorat Pendidikan Menengah Kejuruan. Martiningsih, A.2013. Mesin Konversi Energi 1. Malang : Universitas Negeri Malang. Youtube. 2014 Sistem Kerja AC . (www.youtube.com). Diakses 17 Maret 2014 Youtube . 2014. Siklus Refrigerator. (www.youtube.com). Diakses 17 Maret 2014