BAB 3-4. SIKLUS KOMPRESI UAP

Tujuan instruksional khusus

Mahasiswa mampu menjelaskan prinsip kerja sistem pendingin kompresi uap dan menganalisa performansi mesin pendingin kompresi uap. Pokok bahasan ini mencakup siklus Carnot dan siklus pendinginan, analisis kinerja mesin pendingin, hingga pada penggunaan diagram Molier dan Tabel Uap refrigeran. Kebanyakan siklus refrigerasi yang diaplikasikan di lapangan adalah siklus kompresi uap.

A. Siklus Carnot

Salah satu jenis mesin refrigerasi yang umum digunakan pada zaman sekarang adalah jenis kompresi uap. Mesin pendingin jenis ini bekerja secara mekanik dan perpindahan panas dilakukan dengan memanfaatkan sifat refrigeran yang berubah dari fase cair ke fase gas (uap) dan kembali ke fase cair secara berulang-ulang. Refrigeran mendidih pada suhu yang jauh lebih rendah dibandingkan air pada tekanan yang sama. Misalnya, amonia yang sering digunakan sebagai refrigeran, pada tekanan 1 atmosfir (101.3 kPa) dapat mendidih pada suhu -33 oC. Suhu titik didih refrigeran dapat diubah dengan cara mengubah tekanannya, misalnya, untuk menaikkan suhu titik didih amonia menjadi 0 oC, tekanan harus dinaikkan menjadi 428.5 kPa.Keragaan suatu siklus refrigerasi umumnya dinyatakan dalam berbagai terminologi, seperti ton refrigerasi, koefisien tampilan, dan efisiensi refrigerasi. Satu ton refrigerasi didefinisikan sebagai kapasitas pendinginan yang diserap oleh satu ton es untuk menjadi cair selama 24 jam, yaitu 1357 W (200 Btu/menit) .Istilah ton refrigerasi umum digunakan untuk mesin pendingin berkapasitas besar.

Berasal dari standar yang digunakan, yaitu panas yang diserap oleh 1 ton (2000 lb) es saat mencair selama 24 jam. Karena panas laten pencairan es adalah 144 Btu/lb, maka panas yang diserap (2000 lb X 144 Btu/lb)/(24 jam X 60 menit) adalah 200 Btu/menit.

Siklus Carnot adalah siklus termodinamik ideal yang mampu-balik, yang pada mulanya digunakan sebagai standar terhadap kemungkinan maksimum konversi energi panas ke energi mekanik. Dalam bentuk sebaliknya, juga digunakan sebagai standar penampilan maksimum suatu alat pendingin. Siklus Carnot tidak mungkin diterapkan karena tidak mungkin mendapatkan suatu siklus yang mutlak mampu-balik di alam nyata, tetapi dapat dianggap sebagai kriteria pembatas untuk siklus-siklus lainnya.

Siklus Carnot berlangsung dengan suatu urut-urutan yang terdiri atas 4 proses yang mampu-balik, yaitu dua proses adiabatik dan dua proses isotermik. Gambar 3-1 menunjukkan bagaimana siklus tenaga Carnot bekerja secara sederhana pada sistem gas di dalam piston, sedangkan Gambar 3-2 menunjukkan proses-proses siklus Carnot yang dipetakan pada diagram p-v dan diagram T-s.

Gambar 3-1. Siklus Carnot

Gambar 3-2. Siklus Carnot pada diagram p-v dan T-s

Ke empat proses tersebut adalah :

Proses 1-2 :

Kompresi gas secara adiabatik hingga mencapai suhu tinggi TH

Proses 2-3 :

Ekspansi gas secara isotermik pada suhu TH sambil menerima energi sebesar QH dari lingkungan (reservoir) bersuhu tinggi (TH)

Proses 3-4 :

Ekspansi gas secara adiabatik hingga mencapai suhu rendah TC

Proses 4-1 :

Kompresi gas secara isotermik hingga mencapai kondisi awalnya sambil melepas energi sebesar QC ke lingkungan (reservoir) bersuhu rendah (TC)

Kerja yang terjadi selama proses-proses tersebut ditunjukkan dengan luasan di bawah kurva proses pada diagram p-v. Pada proses 1-2 dan 4-1 kerja diberikan pada sistem untuk melakukan kompresi, sedangkan pada proses 2-3 dan 3-4 dilepas oleh gas untuk melakukan pengembangan (ekspansi). Dengan demikian, wilayah yang dibatasi oleh keempat kurva tersebut merupakan kerja bersih yang terjadi (dilepas oleh sistem) selama proses dalam satu siklus.

Siklus Carnot yang bekerja sebagai mesin panas mempunyai efisiensi:

	.........	3-1

dimana TC dan TH adalah suhu dalam satuan kelvin dan s adalah entropi. Subskrip "maks" menunjukkan bahwa efisiensi tersebut adalah efisiensi maksimum yang mungkin terjadi pada siklus tenaga manapun yang bekerja di antara dua sumber panas berbeda suhu.

Bagan alir siklus Carnot, ditunjukkan pada Gambar 3-1 dan bentuk siklus pada koordinat p-v dan T-s ditunjukkan pada Gambar 3-2. Gambar 3-2 (a) menunjukkan siklus Carnot yang bekerja hanya pada satu wilayah fase (fase gas), sedangkan (b) menunjukkan siklus Carnot yang bekerja pada keadaan jenuh (keadaan cair-uap). Proses yang berlangsung pada siklus pendinginan Carnot adalah :

Proses 1-2 :

Ekspansi gas secara isotermik pada suhu rendah TC sambil menerima energi QC dari reservoir dingin melalui pindah panas.

Proses 2-3 :

Kompresi gas secara adiabatik hingga mencapai suhu tinggi T

Proses 3-4 :

Kompresi gas secara isotermik sambil melepas energi QH ke reservoir panas melalui pindah panas.

Proses 4-1 :

Ekspansi gas secara adiabatik hingga mencapai suhu rendah TL

Kerja bersih yang diperlukan selama proses dalam satu siklus adalah daerah yang dibatasi oleh keempat kurva pada diagram p-v.

Jika siklus Carnot dibalik, akan diperoleh siklus yang menjadi ukuran kinerja maksimum yang mungkin diperoleh dari suatu mesin pendingin. Dalam hal ini, kerja harus diberikan pada siklus, zat kerja dikembangkan secara adiabatik dari TH ke TC, menyerap panas pada TC dengan entropi yang meningkat dari sa ke sb. Selanjutnya, zat kerja dikempa secara adiabatik dari TC ke TH, melepas panas secara isotermal pada TH dengan entropi menurun dari sb ke sa. Dengan demikian, siklus Carnot dapat digunakan untuk tiga tujuan yaitu:

1. mengubah energi panas menjadi energi mekanik (sebagai mesin panas)
2. menggunakan energi mekanik untuk menyerap panas dari suatu tempat dan melepaskannya di tempat yang diinginkan (sebagai pompa panas)
3. menggunakan energi mekanik untuk menyerap panas dari suatu tempat yang diinginkan dan membuangnya di tempat lain (sebagai mesin pendingin)

Tujuan (2) dan (3) didasarkan pada siklus Carnot terbalik dan berbeda hanya pada hasil akhir yang diinginkan. Proses yang berlangsung pada siklus pendinginan dan siklus pompa panas pada prinsipnya sama dan hanya berbeda pada tujuan akhir proses. Pada siklus pendinginan yang menjadi tujuan adalah mendapatkan suhu yang lebih rendah dari lingkungannya, sebaliknya pada siklus pompa panas yang menjadi tujuan akhir adalah memperoleh suhu yang lebih tinggi dari lingkungannya.

Penampilan mesin pendingin dan pompa panas umumnya dinyatakan dalam koefisien penampilan (coefficient of performance, COP). Koefisien penampilan (coefficient of performance, cop) telah digunakan sebagai alat pengukur keefektifan suatu alat dan didefinisikan sebagai perbandingan antara hasil akhir yang diperoleh dengan kerja bersih yang harus diberikan. Berdasarkan Gambar 3-2, cop mesin pendinginan adalah,

	.........	3-2

untuk pompa panas,

	.........	3-3

dan untuk mesin panas,

	.........	3-4

Meskipun siklus Carnot sangat efisien bekerja di antara dua sumber panas tertentu dan sangat berguna sebagai kriteria bagi siklus yang bekerja secara sempurna, terdapat kelemahan yang sangat jelas jika gas digunakan sebagai refrigeran. Kelemahan-kelemahan tersebut antara lain adalah :

1. Terjadinya tekanan yang sangat tinggi dan volume yang sangat besar karena kenaikan tekanan terjadi saat berlangsungnya kompresi isentropik serta saat proses pelepasan panas secara isotermal.
2. Proses pindah panas dengan menggunakan gas, yaitu media yang mempunyai kapasitas panas tertentu, tidak mungkin diperoleh di dalam praktek.
3. Diagram p-v siklus yang bekerja dengan menggunakan gas sangat sempit sehingga sedikit ke-tak-mampubalikan di dalam proses tertentu akan mengakibatkan peningkatan kerja yang dilakukan yang sangat besar dan merupakan bagian terbesar kerja bersih siklus tersebut.

Koefisien tampilan menyatakan keefektifan suatu sistem pendingin, yang merupakan perbandingan antara efek pendinginan bermanfaat terhadap energi bersih yang harus disediakan dari luar untuk mendapatkan efek pendinginan tersebut.

	.........	3-5

Efisiensi refrigerasi menunjukkan kedekatan sistem atau siklus pendingin tersebut dengan siklus ideal yang mampu-balik, yaitu siklus Carnot.

	.........	3-6

B. Siklus Pendinginan Teoritis Dan Nyata

Siklus pendinginan kompresi uap ditunjukkan pada Gambar 3-3. Proses 1-2 adalah kompresi, 2-3 adalah kondensasi, 3-4 adalah ekspansi, dan 4-1 adalah evaporasi.

Gambar 3-3. Siklus refrigerasi kompresi uap

Siklus pendinginan kompresi uap teoritis, sebagaimana yang umum digunakan, ditunjukkan pada Gambar 3-4 dalam sistem koordinat p-V, T-s dan p-h, dimana tanda nomor proses sama dengan pada Gambar 3-5. Proses kompresi yang berlangsung pada jalur 1-2 disebut kompresi basah, dimana refrigeran yang masuk ke- dan keluar dari kompresor adalah refrigeran kering dan jenuh (derajat kering uap = 1). Proses kompresi dapat juga terjadi pada jalur 1'-2' yang disebut dengan kompresi basah karena refrigeran yang masuk ke kompresor masih mengandung fase cair (derajat kering < 1) dan keluar dari kompresor dalam keadaan kering dan jenuh. Meskipun koefisien penampilan (cop) sedikit lebih rendah, pendinginan dengan kompresi kering lebih sering digunakan dengan alasan kompresor akan lebih aman karena tidak terjadi kemungkinan masuknya refrigeran cair yang dapat mempengaruhi kerja kompresor. Pada proses kompresi kering, uap refrigeran yang meninggalkan kompresor dalam keadaan panas-lanjut (superheat) sehingga kelebihan panas tersebut harus dibuang di kondensor pada tekanan tetap (tekanan kondensor) dan suhu tetap sebelum dikondensasi menjadi cairan refrigeran (proses 2-2').

Proses kompresi dianggap berlangsung secara isentropik karena lebih mendekati keadaan sesungguhnya, meskipun secara teoritis kompresi isotermal lebih disukai karena membutuhkan kerja yang lebih kecil. Kerja pada proses pencekikan (throtling) seharusnya dapat didaur-ulang, akan tetapi karena tidak ekonomis jarang dilakukan.

Perbandingan antara siklus kompresi uap teoritis (siklus 1-2'-2''-3-4'-1) dengan siklus Carnot terbalik (siklus 1-2-3-4-1) ditunjukkan dalam diagram T-s pada Gambar 3-6. Seperti terlihat pada bagian yang diarsir di dalam gambar, terdapat tiga luasan yang merupakan perbedaan antara siklus kompresi uap teoritis dengan siklus Carnot terbalik. Luasan 2-2'-2'' menunjukkan penambahan kerja yang harus diberikan ke kompresor serta tambahan panas yang harus dilepas di kondensor sebagai akibat kompresi yang tidak isotermal. Luasan 3-3'-4-3 menunjukkan tambahan kerja ke siklus akibat kerja pencekikan yang tidak didaur-ulang. Luasan 4-sa-sb-4'-4 menunjukkan kehilangan efek pendinginan sebagai akibat dari peningkatan entropi karena proses pencekikan. Masih terdapat perbedaan-perbedaan lain antara siklus kompresi uap teoritik dan nyata, akan tetapi karena nilainya tidak terlalu besar masih dapat diabaikan dari perhitungan.

Keragaan suatu siklus refrigerasi umumnya dinyatakan dalam berbagai terminologi, seperti ton refrigerasi, koefisien tampilan, dan efisiensi refrigerasi. Satu ton refrigerasi didefinisikan sebagai kapasitas pendinginan yang diserap oleh satu ton es untuk menjadi cair selama 24 jam, yaitu 1357 W (200 Btu/menit) . Istilah ton refrigerasi umum digunakan untuk mesin pendingin berkapasitas besar.

C. Analisis Kinerja Mesin Pendingin

Analisa terhadap siklus pendinginan kompresi uap dapat dilakukan dengan menggunakan Gambar 3-7. Sebagaimana telah dijelaskan di atas, terjadi 4 proses yang membentuk satu siklus kompresi uap dan terjadi berulang-ulang. Proses dan perubahan keadaan pada setiap proses yang terjadi adalah :

Proses 1-2 (kompresi) : Gas refrigeran yang keluar dari evaporator masuk dan dikempa pada kompresor sehingga menghasilkan gas refrigeran dengan tekanan dan suhu yang lebih tinggi. Suhu tinggi merupakan akibat dari proses kompresi isentropik. Proses 2-3 (kondensasi) : Gas refrigeran bertekanan dan bersuhu tinggi dikondensasi dan menghasilkan refrigeran cair jenuh. Proses yang terjadi adalah pelepasan panas ke lingkungan. Proses kondensasi bekerja pada tekanan tetap. Pada awal proses suhu gas refrigeran sedikit mengalami penurunan, selanjutnya terjadi perubahan fase gas menjadi cair pada suhu tetap. Proses 3-4 (pencekikan) : Tekanan cairan refrigeran diturunkan dengan menggunakan katup cekik (expansion valve). Saat terjadi penurunan tekanan, juga terjadi penurunan suhu dan peningkatan mutu gas refrigeran, sebab dengan penurunan tekanan dan suhu sebagian refrigeran cair berubah menjadi gas. Proses 4-1 (penguapan) : Proses penguapan terjadi pada suhu sama, dimana hanya terjadi perubahan fase refrigeran cair menjadi gas. Panas laten penguapan diambil dari lingkungan sehingga terjadi pendinginan lingkungan. Besarnya pendinginan yang terjadi dinyatakan dalam efek pendinginan (ton refrigerasi).

Gambar 3-7. Analisis siklus pendinginan kompresi uap

Setiap proses yang terjadi sepanjang siklus dinyatakan dalam besaran-besaran yang dapat ditentukan secara matematik. Pada Bab Termodinamika Pendinginan telah ditunjukkan bahwa untuk proses tekanan tetap, seperti terjadi pada proses evaporasi dan kondensasi dalam mesin pendingin kompresi uap, dQ = dh. Dengan demikian, panas yang diserap dan digunakan untuk menguapkan refrigeran adalah:

	............................................................	3-7

dan panas yang di lepas untuk kondensasi refrigeran adalah,

Qkond = h2 - h3 ......................................... 3-8

Juga telah diketahui bahwa pada proses pencekikan (ekspansi) tidak dilakukan kerja, sehingga entalpi refrigeran yang masuk dan keluar dari katup ekspansi adalah sama (h1 = h2). Kualitas uap refrigeran setalah melalui katup cekik menjadi,

	............................................................	3-9

Sesuai dengan kaidah kekekalan energi, panas yang dilepas pada kondensor harus sama dengan panas yang diserap pada evaporator ditambah dengan ekivalen panas dari kerja kompresi, yaitu :

	............................................................	3-10

Dengan memasukkan persamaan [3-8] hingga [3-9] ke persamaan [3-10] diperoleh kerja kompresi sebesar,

Wkomp = h2 - h1 .......................................... 3-11

dalam hal ini, dianggap tidak terjadi pengambilan dan pelepasan panas dari dan ke lingkungan selama proses kompresi. Berikut ini adalah beberapa istilah yang umum digunakan dalam ilmu pendinginan dan besarannya dalam persamaan matematik.

Efek pendinginan, jumlah panas yang diserap oleh refrigeran pada saat melalui evaporator. Selain panas laten penguapan, efek pendinginan juga mencakup panas yang diserap akibat terjadinya pemanasan lanjut.

Ton pendinginan (ton of refrigeration) adalah laju penyerapan panas di evaporator, sama dengan 200 Btu/min (3517 W). Laju aliran refrigeran yang dibutuhkan per ton pendinginan adalah laju penyerapan panas (W) per ton pendinginan dibagi dengan efek pendinginan,

	............................................................	3-12

Tenaga kompresi teoritis per ton pendinginan untuk proses kompresi adalah perkalian antara kerja kompresi dengan laju aliran refrigeran per ton pendinginan, yaitu :

	............................................................	3-13

Jika yang terjadi adalah kompresi politropik, tenaga kompresi per ton pendinginan adalah,

	............................................................	3-14

Pada kompresi isentropik, n = g = cp/cv . Jika silinder kompresor mempunyai jaket penutup, sejumlah panas harus dilepaskan ke sistem pendingin kompresor, yang besarnya :

	............................................................	3-15

Tenaga kompresi aktual (nyata) dapat didekati dengan menggunakan nilai n yang sebenarnya (dengan menggunakan tekanan nyata silinder), dan dengan memasukkan faktor efisiensi mekanik kompresor. Efisiensi mekanik adalah perbandingan antara tenaga yang ditunjukkan oleh silinder kompresor dengan tenaga yang dibutuhkan untuk menggerakkan kompresor.

Koefisien penampilan mesin pendingin siklus kompresi uap dengan kompresi isentropik adalah,

	............................................................	3-16

Panas yang dilepaskan melalui kondensor per ton pendinginan, meliputi panas laten, panas akibat pemanasan lanjut, dan panas yang berasal dari refrigeran cair, yaitu :

	............................................................	3-17

Disamping itu, siklus kompresi uap nyata juga berbeda dalam beberapa hal dengan siklus kompresi uap teoritis, seperti :

(1) Proses 1-2 (kompresi), sering dianggap berlangsung secara insentropik, akan tetapi dapat berlangsung tidak isentropik dan tidak juga politropik. Meskipun berlangsung secara isentropik, dimana dianggap tidak terjadi pertukaran panas antara refrigeran dengan dinding kompresor, pada kenyataannya suhu dinding silinder kompresor bisa lebih tinggi dari suhu gas refrigeran yang masuk dan lebih rendah dari suhu gas yang keluar dari kompresor sehingga menyebabkan perpindahan panas antara dinding kompresor dengan gas refrigeran.

(2) Selama proses 2-3, refrigeran cair mengalami pendinginan lanjut sebelum memasuki katup cekik.

(3) Pada proses 4-1, uap refrigeran yang meninggalkan evaporator mengalami pemanasan lanjut sebelum memasuki kompresor. Pemanasan lanjut tersebut dapat disebabkan oleh jenis pengendali katup cekik yang digunakan, dimana penyerapan panas dapat terjadi pada jalur antara evaporator dan kompresor.

(4) Terjadi kehilangan tekanan sepanjang pipa tempat mengalirnya refrigeran.

Penentuan nilai-nilai tersebut di atas dapat dilakukan dengan menggunakan dua alat, yaitu diagram molier (diagram p-h) dan tabel keadaan refrigeran yang bersangkutan. Pengenalan dan penggunaan kedua alat tersebut dijelaskan berikut

D. Penggunaan Diagram Molier

Tekanan dan entalpi refrigeran mengalami perubahan pada saat melalui berbagai komponen mesin pendingin. Pada evaporator dan kondensor, entalpi berubah sementara tekanan tetap. Pada kompresor terjadi perubahan entalpi bersama-sama dengan perubahan tekanan, sedangkan pada katup ekspansi terjadi perubahan tekanan dengan entalpi tetap. Berdasarkan sifat-sifat di atas, telah dikembangkan suatu diagram tekanan-entalpi (diagram molier) yang dapat digunakan untuk analisa sistem pendinginan kompresi uap.

Gambar 3-8. Diagram Mollier

Konstruksi diagram mollier untuk refrigeran R-12ditunjukkan pada Gambar 3-8. Sumbu mendatar adalah entalpi sedangkan sumbu tegak adalah tekanan, sehingga garis-garis mendatar menunjukkan tekanan sama sedangkan garis-garis tegak menunjukkan entalpi sama. Garis melengkung dari kiri bawah ke kanan atas hingga titik kritis adalah garis cair jenuh. Di sebelah kiri garis cair jenuh refrigeran berada pada keadaan cair super-dingin atau cair terkondensasi. Pada garis jenuh refrigeran berada pada keadaan keseimbangan dengan nilai mutu uap 0 (nol), artinya seluruh refrigeran berada pada keadaan cair. Semakin ke kanan garis cair jenuh nilai mutu uap refrigeran semakin besar hingga mencapai nilai 1 (satu) pada garis uap jenuh, yaitu garis melengkung dari kanan bawah ke kiri atas mencapai titik kritis. Di sebelah kanan garis uap jenuh, refrigeran berada pada keadaan uap super-panas. Garis suhu sama ditunjukkan dengan pola khusus seperti pada penggalan garis yang dihubungkan dengan huruf "s-u-h-u", sedangkan garis volume jenis sama dan garis entropi sama ditunjukkan seperti pada gambar.

Keseluruhan siklus yang terjadi pada pendingin kompresi uap, mencakup kompresi, kondensasi, ekspansi, dan evaporasi dapat digambarkan secara mudah pada diagram tersebut. Gambar 3-9 menunjukkan siklus pendinginan kompresi uap yang bekerja secara ideal dengan suhu evaporasi Te dan suhu kondensasi Tk Peletakan siklus di dalam diagram dilakukan dengan memperhatikan sifat tiap proses yang membentuk siklus tersebut. Proses kompresi (1-2) digambarkan bekerja secara isentropik, sehingga berada pada garis entropi sama (s). Proses pengembunan (2-3) bekerja pada keadaan tekanan tetap pada suhu T3, sehingga berada pada garis mendatar. Pencekikan (3-4) bekerja pada keadaan isentalpik sehingga merupakan garis tegak lurus entalpi sama, dalam hal ini h3 = h4. Proses penguapan kembali bekerja pada tekanan tetap tapi pada suhu Tk yang merupakan perpotongan antara garis pengembunan dengan garis cair jenuh. Nilai h1 merupakan entalpi pada perpotongan antara garis penguapan garis uap jenuh sedangkan nilai h2 merupakan entalpi pada perpotongan antara garis pengembunan dengan garis entropi (s).

Gambar 3-9. Siklus ideal

Siklus yang bekerja dengan pendinginan lanjut disajikan pada Gambar 3-10. Di dalam kondensor gas refrigeran diembunkan hingga seluruhnya menjadi refrigeran cair (mencapai garis cair jenuh). Pada proses pendinginan lanjut, terjadi pelepasan panas yang lebih besar dari pada yang dibutuhkan untuk kondensasi sehingga suhu refrigeran cair yang keluar dari kondensor lebih rendah dari suhu pengembunan Tk dan berada pada keadaan cair super-dingin (cair terkompresi). Jika proses lain di dalam siklus sama dengan proses pada siklus ideal, pendinginan lanjut sebesar ΔT (selisih antara suhu refrigeran cair jenuh Tk dengan suhu refrigeran keluar dari kondensor T') dapat menyebabkan peningkatan efek pendinginan sebesar Δh = h' - h3 . ΔT dalam hal ini sering disebut sebagai derajat pendinginan lanjut atau derajat super-dingin.

Gambar 3-10. Siklus nyata

Siklus yang bekerja dengan pemanasan lanjut disajikan pada Gambar 3-11. Pemanasan lanjut terjadi pada evaporator. Pada evaporator terjadi penyerapan panas yang digunakan untuk menguapkan refrigeran cair yang keluar dari katup cekik pada suhu Te hingga seluruh refrigeran menjadi uap. Pada proses pemanasan lanjut, panas yang diserap lebih besar dari pada yang dibutuhkan untuk penguapan dan kelebihan tersebut digunakan untuk meningkatkan suhu uap, sehingga uap yang keluar dari evaporator berada pada keadaan uap super-panas. Jika proses lain di dalam siklus sama dengan proses pada siklus ideal, pemanasan lanjut sebesar ΔT (selisih antara suhu refrigeran keluar dari evaporator dengan suhu uap jenuh Te ) dapat menyebabkan peningkatan efek pendinginan sebesar Δh = h1 - h'. ΔT dalam hal ini sering disebut sebagai derajat pemanasan lanjut atau derajat super-panas. Proses pemanasan lanjut sering juga disebut dengan proses kompresi kering karena refrigeran yang masuk ke kompresor seluruhnya dalam keadaan uap (mutu uap = 1). Proses kompresi basah terjadi jika refrigeran yang keluar dari evaporator dan masuk ke kompresor belum seluruhnya menjadi uap (mutu uap < 1) akibat dari kurangnya panas yang dapat diserap oleh evaporator

E. Penggunaan Tabel Properti Refrigeran

Pemecahan nyata masalah-masalah termodinamika, khususnya pendinginan, dapat disederhanakan dengan menggunakan diagram atau tabel sifat termodinamik. Keberadaan zat dan peralihannya dapat dianalisa dengan menggunakan diagram. Gambar I-3 (a) adalah diagram tekanan-volume, (b) diagram suhu-entropi, dan (c) diagram tekanan-entalpi, yang keseluruhannya adalah untuk jenis refrigeran yang mengkerut pada saat pembekuan. Pada seluruh diagram tersebut, kurva yang membatasi wilayah fase zat ditunjukkan dengan sistem penomoran yang sama. Garis jenuh cair "3-4" dan garis jenuh uap "4-6" (umumnya disebut sebagai garis jenuh), bersama garis/titik tripel "2-3-5", membatasi suatu wilayah dimana ketiga fase (padat, cair dan uap) berada bersama-sama dalam berbagai komposisi. Perbandingan berat dua fase zat yang tercampur homogen di dalam wilayah ini dikenal dengan mutu uap. Mutu uap dinyatakan berdasarkan persamaan berikut :

	............................................................	3-18

Contoh soal 3-1

Diketahui suatu campuran homogen antara 10% massa cairan jenuh dengan 90% massa uap jenuh. Tentukan mutu uap tersebut
Jawab : x = 0.9 / (0.9 + 0.1)
x = 0.9 (mutu uap adalah 0.9)

Pada wilayah di sebelah kiri garis cair jenuh dan di atas suhu titik triple, zat berada pada keadaan cair super dingin (subcooled liquid), sedangkan di sebelah kanan garis uap jenuh zat berada pada keadan uap panas-lanjut (superheated vapor). Titik kritis, 4, pada pertemuan antara garis jenuh cair dan uap, menunjukkan suhu kritis yang mana di atas suhu tersebut zat tidak dapat dicairkan kembali. Di atas tekanan kritis, panas laten penguapan menjadi nol, garis batas antara fase cair dan uap lenyap, serta fenomena penguapan dan kondensasi juga lenyap. Garis jenuh padat, 1-2, bagian bawah dari garis jenuh uap, 5-6, dan garis triple isotermik, 2-3-5, melingkupi suatu wilayah di mana fase padat dan uap ada bersama-sama dengan proporsi berbeda.

Di sebelah kiri garis jenuh padat dan di bawah suhu titik triple, zat berada pada keadaan padat dingin-lanjut. Titik triple pada suhu titik triple, 2-3, adalah rangkaian titik keadaan yang unik dimana zat dapat berada pada ketiga fase, padat, cair, dan uap, dalam keseimbangan. Di bawah suhu titik triple, panas yang dibutuhkan untuk mengubah zat dari fase padat langsung ke fase uap disebut panas laten sublimasi. Pada suhu titik triple, panas yang dibutuhkan untuk mengubah zat dari fase padat menjadi cair (sepanjang 2-3) disebut panas laten pencairan, dan di atas suhu tersebut, panas yang dibutuhkan untuk mengubah zat dari fase cair ke uap disebut panas latent penguapan.

Untuk keperluan teknik status zat dapat lebih mudah ditentukan dengan menggunakan tabel sifat termodinamik zat. Tabel untuk air sering disebut dengan Tabel Uap (Steam Table). Tabel sifat termodinamik air dan beberapa zat yang umum digunakan sebagai refrigeran diberikan pada Lampiran. Cara pembacaan Tabel Uap dijelaskan sebagai berikut.

• Tabel sifat termodinamik berisi nilai-nilai untuk suhu (T) tekanan (p), volume jenis (v), panas dalam (u), entalpi (h) dan entropi (s).

• Tabel sifat termodinamik terdiri atas tabel jenuh (Lampiran), tabel super panas (Lampiran) dan tabel super dingin (Lampiran).

• Tabel jenuh (saturated) dapat dibaca melalui dua cara, yaitu melalui suhu (Lampiran) dan melalui tekanan (Lampiran). Nilai-nilai pada tabel ini menunjukkan status zata pada kondisi jenuh yaitu berada pada garis lengkung pada Gambar I-3. Tabel jenuh berisi nilai sifat pada keadaan terdapat dua fase (cair dan uap) dalam keseimbangan. Sifat v, u, h dan s mempunyai subskrip "f", "g", dan "fg". Subskrip "f" berarti keadaan cair jenuh (fluid) ditunjukkan dengan garis melengkung cembung ke kiri pada Gambar I-3, dimana mutu uap 0.0. Subskrip "g" berarti uap jenuh (gas) ditunjukkan dengan garis melengkung cembung ke kanan, dimana mutu uap 1.0. Subskrip "fg" berarti cair-gas (peralihan fase dari cair ke gas atau dari gas ke cair). Nilai bersubskrip "fg" sama dengan nilai bersubskrip "g" dikurang nilai bersubskrip "f", atau Zfg = Zg - Zf . Sebagaimana disebutkan pada bagian terdahulu, tekanan dan suhu pada status jenuh adalah saling tergantung sehingga pembacaan nilai sifat melalui tabel jenuh dapat dilakukan hanya dengan menggunakan salah satu nilai sifat yang diketahui, seperti suhu atau tekanan.

• Nilai sifat zat pada keadaan yang berada di antara kedua garis lengkung (garis jenuh) dapat dihitung dari table jika mutu uap diketahui dengan menggunakan persamaan-persamaan berikut :

hx = hf + xhfg
sx = sf + xsfg .................................. 3-19
vx = vf + xvfg

• Beberapa tabel tidak mencantumkan nilai energi dalam sehingga harus dihitung dengan menggunakan persamaan,

u = h - pv .................................. 3-20

• Tabel super panas (superheated) memberi nilai-nilai sifat zat dalam fase uap yang mendapat pemanasan lanjut (sebelah kanan garis melengkung cembung ke kanan pada Gambar I-3). Pembacaan tabel super panas dapat dilakukan jika 2 nilai sifat diketahui, misalnya tekanan dan suhu. Nilai Tsat yang dicantumkan berdekatan dengan nilai tekanan menunjukkan suhu jenuh yang bersesuaian dengan tekanan tersebut. Pada tabel super panas diberikan nilai sifat pada tekanan tertentu dan suhu lebih besar atau sama dengan suhu jenuh yang bersesuaian dengan tekanan tersebut.

• Tabel super dingin (subcooled atau compressed liquid) memberi nilai sifat zat dalam fase cair yang mendapat pendinginan lanjut atau mendapat tekanan lanjut (sebelah kiri garis melengkung cembung ke kiri pada Gambar I-3). Pembacaan tabel super dingin sama dengan tabel super panas, kecuali nilai yang tercantum adalah pada tekanan tertentu dan suhu lebih rendah atau sama dengan suhu jenuh yang bersesuaian dengan tekanan tersebut.

Pembacaan nilai sifat refrigeran atau zat lain dapat dilakukan dengan cara yang sama dengan menggunakan tabel yang bersesuaian.

Contoh soal 3-2 :

Uap air berada pada silinder dengan kondisi awal 3.0 MPa dan 300 oC (status 1). Air tersebut didinginkan pada volume tetap hingga mencapai suhu 200 oC (status 2). Selanjutnya dikempa pada kondisi isotermal hingga tekanan mencapai 2.5 Mpa (status 3).
(a) Gambarkan proses tersebut pada diagram T-v dan diagram p-v.
(b) Tentukan volume jenis pada status 1,2,3, dan mutu uap pada status 2.
Jawab :

(a) Dengan menggunakan tabel uap diketahui bahwa Suhu T1 (300 oC) lebih besar dari suhu jenuh pada tekanan p1 (3.0 MPa) yaitu 233.9 oC, sehingga status 1 berada pada wilayah super panas. Pendinginan pada kondisi volume jenis tetap mengikuti proses yang tegak lurus dengan sumbu datar "v" diteruskan hingga mencapai garis suhu 200 oC untuk mendapatkan status 2. Pengempaan isotermal mengikuti proses di sepanjang garis suhu 200 oC. Pada wilayah dua fase (cair-uap) garis suhu berimpit dengan garis tekanan hingga mencapai garis jenuh cair. Kemudian dilanjutkan pada garis suhu yang sama hingga mencapai tekanan 2.5 MPa untuk mendapatkan status 3.

(b) Dari tabel uap super panas diperoleh bahwa volume jenis pada status 1 (v1) adalah 81.1 cm3/kg (dengan memasukkan nilai p=3.0 MPa dan T=300 oC) yang mana harus sama dengan v2 (volume jenis pada status 2). Dengan memasukkan nilai p=2.5 MPa dan T=200 oC ke tabel uap super dingin diperoleh nilai v3 = 1.1555 cm3/kg. Mutu uap pada status 2 (x2) dapat ditentukan melalui volume jenis yaitu dengan mengetahui volume jeni saat jenuh cair (vf) dan jenuh uap (vg) pada suhu status tersebut (200 oC) yaitu vv=1.1565 cm3/kg dan vg=124.4 cm3/kg. Diperoleh x2=(81.1-1.156)/(124.4-1.1565)=0.633

Alat lain yang dapat digunakan untuk menentukan sifat refrigeran selama siklus pendinginan adalah tabel keadaan refrigeran. Tabel keadaan refrigeran mempunyai struktur yang sama dengan Tabel Uap untuk air. Tabel tersebut mempunyai 3 bentuk yaitu tabel jenuh (saturated), tabel super-dingin (compressed liquid), dan tabel super-panas (superheated qas). Penentuan sifat refrigeran dilakukan dengan memperhatikan keadaan refrigeran pada titik yang ingin ditentukan sebagaimana diterangkan di atas. Sifat refrigeran yang berada di sepanjang garis jenuh (garis jenuh cair dan garis jenuh uap) pada diagram molier ditentukan dengan menggunakan tabel jenuh. Tabel jenuh dapat digunakan jika salah satu sifat refrigeran (suhu, tekanan, entalpi, entropi, volume jenis) diketahui. Jika refrigeran berada di antara kedua garis jenuh tersebut, maka sifat refrigeran ditentukan dengan menggunakan nilai mutu uap seperti dijelaskan pada bagian terdahulu.

Sifat refrigeran dalam keadaan cair super-dingin (berada di sebelah kiri garis cair jenuh) ditentukan dengan menggunakan tabel super-dingin, sedangkan sifat refrigeran dalam keadaan uap super panas (di sebelah kanan garis uap jenuh) ditentukan dengan menggunakan tabel super-panas. Penggunaan tabel super-dingin dan tabel super-panas harus memperhatikan derajat super-dingin atau derajat super-panas refrigeran yang bersangkutan.

SOAL LATIHAN

1. Setengah kilogram amonia cair jenuh dikembangkan melalui katup cekik dari tekanan kondensor 12.25 kg/cm2 ke tekanan evaporator

2.85 kg/cm2. Tentukan :
a. perubahan volume jenis yang terjadi
b. mutu uap amonia yang keluar dari katup cekik

2. Jika refrigeran pada soal no.1 mengalami pendinginan lanjut sebesar 3 oC, tentukan mutu uap amonia yang keluar dari katup cekik

3. Suatu mesin pendingin yang menggunakan amonia sebagai refrigeran bekerja pada suhu pengembunan 30 oC dan suhu penguapan -20 oC. Jika terjadi siklus ideal, tentukan :
a. efek pendinginan
b. laju aliran massa amonia (dalam kg/menit per ton pendinginan)
c. langkah piston per menit per ton pendinginan
d. kebutuhan tenaga (Hp) per ton pendinginan
e. COP
f. panas yang dilepaskan dari kondensor per menit per ton pendinginan.

4. Suatu sistem pembekuan pangan membutuhkan kapasitas sebesar 20 ton pendinginan pada suhu evaporator -35 oC dan suhu kondensor 22 oC. Refrigeran yang digunakan adalah Freon 22 dan mengalami pendinginan lanjut sebesar 3 oC saat keluar dari kondensor serta pemanasan lanjut sebesar 4 oC saat keluar dari evaporator. Proses kompresi yang terjadi adalah isentropik. Kompresor yang digunakan mempunyai 6 silinder dengan stroke sama dengan bore dan bekerja pada 1500 rpm. Tentukan :
a. efek pendinginan
b. laju aliran massa refrigeran per menit
c. langkah piston teoritik per menit
d. tenaga teoritik (Hp)
e. COP
f. panas yang dilepas dari kondensor

5. Satu kilogram refrigeran 12 dikembangkan melalui katup cekik dari tekanan 10 bar menjadi 4 bar. Tentukan a) mutu uap refrigeran pada akhir proses, b) perubahan volume jenis, dan c) mutu uap akhir jika refrigeran tersebut mengalami pendinginan lanjut 10 oC.

6. Buatlah suatu bentuk umum keseimbangan energi antara refrigeran cair pada keadaan diam di receiver dengan refrigeran yang memasuki katup ekspansi. Abaikan gesekan pada pipa.

7. Suatu mesin pendingin kompresi uap dengan refrigeran R-22 beroperasi pada suhu evaporasi –20 oC dan suhu kondensasi 35 oC.

1. Tentukan suhu refrigeran yang memasuki kondensor
2. Tentukan debit aliran yang diperlukan untuk mendapatkan kapasitas pendinginan 2 ton refrigerasi (1 ton ref.=1357 W).
3. Hitung COP mesin tersebut

Test Formatip

1. Sebuah sistem pendingin dengan siklus kompresi uap standar yang menggunakan refrigeran tipe R-22 diketahui mempunyai suhu kondensasi 35oC. Apabila setelah melalui katup ekspansi tekanannya turun sebesar 933.45 kPa, dan jika diketahui laju aliran refrigeran sebesar 0.315 kg/s tentukan:

• Suhu proses evaporasi
• Kebutuhan daya kompresi dan kapasitas refrigerasi yang dihasilkan (dalam kW).
• COP dari sistem

2. Sebuah sistem pendingin dengan siklus kompresi uap standar yang menggunakan refrigeran tipe amonia diketahui beroperasi pada suhu kondensasi 34oC dan suhu evaporasi -30 oC. Jika diketahui laju aliran refrigeran sebesar 0.3 kg/s, dan diasumsikan bahwa kompresor bekerja secara adiabatik, tentukan:

• Kapasitas refrigerasi yang dihasilkan
• Tekanan hisap dan tekanan buang kompresor
• Suhu refrigeran yang keluar dari kompresor
• Kebutuhan daya kompresi.
• COP

PUSTAKA

Alan, H. Cromer. 1981. Physics For The Sciences. Second edition, Intenational Student Edition, Mc Graw-Hill International Book Company, Tokyo.
Dossat, R.J. 1981. Principles of Refrigeration. John Willey and Sons, New York.
Hutchinson, F.W. 1957. Thermodynamics of Heat Power Systems. Adison-Wesley.
Lee, J.F and Sears, F.W. 1964. Thermodynamics. Adison Wesley Publishing Co., Massachusets.
Moran, M.J., and H.N. Shapiro. 1988. Fundamentals of Engineering Thermodynamics, John Wiley & Sons. N.Y. USA
Stoker W.F dan Jones, J.W, 1987. Refrigeration and Air Condition. McGraw-Hill Book Company. Tokyo.

BAB 2. TERMODINAMIKA DAN PINDAH PANAS PADA PENDINGINAN

Tujuan Instruksional Khusus

Mahasiswa mampu menjelaskan kaitan dan penerapan termodinamika pada perancangan proses dan instalasi refrigerasi. Cakupan dalam pokok bahasan ini adalah pengulangan azas-azas termodinamika dan pindah panas serta bagaimana penggunaannya untuk mempelajari sistem refrigerasi. Pindah panas dalam bentuk konduksi, konveksi dan radiasi merupakan proses yang berlangsung pada sistem refrigerasi. Sedangkan properti termodinamika dan siklus Carnot merupakan landasan pemikiran bagi mahasiswa dalam menganalisa berbagai siklus refrgerasi.

A. Pendahuluan

Proses pendinginan berarti memindahkan panas dari satu lingkungan ke lingkungan lainnya dengan cara-cara tertentu. Diperlukan analisa termodinamika serta nalisa pindah panas dan massa untuk mengetahui proses yang terjadi. Dalam analisa ini dibutuhkan satuan dan besaran tertentu yang umum dikenal sebagai properti termodinamika. Analisa juga dilakukan berdasarkan suatu pemikiran. Pada proses pendinginan, pemikiran yang melandasi adalah siklus Carnot.

1. Sistem dan Lingkungan

Termodinamika berhubungan dengan perubahan energi yang terjadi antara sistem dengan lingkungannya karena adanya suatu proses. Analisa dasar termodinamika diawali dengan pengertian sistem dan lingkungan. Sistem adalah kegiatan atau proses yang diperhatikan dalam suatu lingkungan. Lingkungan adalah semua hal di luar sistem. Lingkungan dan sistem dipisahkan oleh suatu batas sistem. Batas sistem ini dapat berupa batas nyata atau batas khayal. (Tambunan, 2007)

Sistem termodinamika dapat dibedakan menjadi tiga:

• Sistem terbuka (sistem dengan volume terkendali). Energi dan massa dapat berpindah melalui batas sistem
• Sistem tertutup (sistem dengan massa terkendali). Hanya energi yang dapat bepindah
• Sistem terisolasi adalah sistem tertutup yang tidak mengalami kontak, baik mekanik maupun termal, dengan lingkungannya, sehingga baik energi maupun materi tidak dapat berpindah melalui batas sistem. (Tambunan, 2007)

2. Hukum Termodinamika

• Analisa termodinamika berpedoman kepada Hukum Termodinamika, yaitu Hukum pertama dan Kedua Termodinamika. Hukum Termodinamika pertama menyatakan bahwa energi tak dapat diciptakan atau dimusnahkan, yang berarti bahwa jumlah energi yang terkandung dalam suatu sistem dan lingkungannya selalu tetap selama proses berlangsung. Hukum ini juga dapat diartikan bahwa energi dapat diubah menjadi bentuk energi lain, namun energi yang diubah ini tidak bisa seluruhnya.

Hukum pertama ini memberikan konsep adanya energi dalam suatu sistem (u). Jumlah energi dalam suatu benda selalu tetap jika tidak ada panas (q) maupun kerja yang dilakukan padanya (w). Perubahan energi dalam ditulis sebagai:

....................................(2.1)

Semua energi yang masuk kedalam sistem (panas dan kerja) bertanda positif. Jika kerja dan panas yang terjadi dikur dalam jangka waktu yang singkat maka persamaan 1 dapat ditulis menjadi

......................................(2.2)

Kerja dalam proses termodinamika dinyatakan sebagai perkalian antara tekanan dan perubahan volume.

....................................(2.3)

Jika energi yang terlibat dalam proses hanya energi panas, maka persamaan (2.3) dapat ditulis sebagai

......................................(2.4)

Penjumlahan energi dalam dengan perkalian tekanan dan perubahan volume disebut sebagai entalpi (h, kJ/kg)

.......................................(2.5)

• Hukum kedua termodinamika menelaskan apa yang belum dijelaskan pada hukum pertama, arah terjadinya perubahan. Pada hukum kedua, diperkenalkan suatu besaran, entropi, yang menyatakan tingkat keacakan atau keteraturan. Hukum kedua menyatakan bahwa proses akan berlangsung spontan ke arah yang semakin acak atau ke arah yang mnyebabkan naiknya tingkat entropi sistem dan lingkungannya. Contohnya pada batang yang berbeda suhu yang didekatkan. Batang yang panas akan memindahkan energinya ke batang yang lebih dingin hingga suhu keduanya sama. Tingkat keacakan menjadi lebih tinggi daripada saat sebelum kedua batang disentuhkan.

Proses yang menuju entropi yang lebih tinggi adalah proses yang tak mampu balik, karena arah sebaliknya tidak dapat berlangsung secara spontan. Proses yang mampu balik adalah proses yang berlangsung tanpa perubahan entropi (Δs=0). Jika suatu proses dapat dikendalikan secara sempurna dan berlangsung secara mampu-balik maka akan menghasilkan jumlah maksimum energi yang dapat digunakan. Pada kenyataannya, tidak ada proses yang sesempurna ini karena setiap konversi energi selalu diikuti dengan kehilangan energi. Entropi suatu sistem secara termodinamik dinyatakan sebagai

……………………… (2.6)

Pada proses adiabatik, dimana tidak ada panas yang berpindah, tidak terjadi perubahan entropi. Jika pada sistem terjadi reaksi kimia yang mempunyai entalpi perubahan sebesar DH, maka perpindahan panas antara sistem dengan lingkungan pada tekanan tetap adalah q=DT.

Definisi entropi secara statistik memungkinkan kita menghitung ketidak-teraturan sistem secara nyata dengan Persamaan Ludwig Boltzman berikut:

.....................................(2.7)

dimana W adalah banyaknya variasi cara untuk mendapatkan energi sistem melalui penyusunan atom atau molekul diantara status yang tersedia, sedangkan k adalah tetapan Boltzman, yaitu (Tambunan, 2007)
Hukum kedua termodinamika menghasilkan konsep eksergi, yang didefinisikan sebagai energi minimum yang diperlukan oleh, atau energi maksimum yang dapat diambil dari, suatu proses tertentu. Melalui konsep eksergi, tingkat kegunaan dinyatakan sebagai bagian energi yang dapat dikonversi menjadi kerja mekanis. Penggunaan kaidah eksergi dalam analisa pendinginan dijelaskan pada bagian lain.

3. Properti, Status dan Fase Zat

Properti adalah sifat materi yang dapat dikur secara kuantitatif. Kerja dan pindah panas dapat diukur dan dihitung, namun kedua hal tersebut bukan properti. Properti termodinamika diukur berdasarkan suatu datum. Terdapat dua datum yang umum digunakan 00C dan -400C yang diukur pada tekanan 1 atm. Nilai salah satu properti dapat ditentukan dari dua properti lainnya, misalnya tekanan sebagai fungsi volume spesifik dan suhu, atau p=p(v,T), dan seterusnya. Properti yang umum digunakan untuk menyatakan status suatu sistem sederhana (zat murni yang hanya terdiri atas satu komponen) adalah tekanan (p; satuan Pa), volume spesifik (v; satuan m3/kg), suhu (T; satuan K), energi dalam spesifik (u; satuan kJ/kg), entalpi spesifik (h; satuan kJ/kg), dan entropi spesifik (s; satuan kJ/kg). Untuk sistem yang terdiri atas lebih dari satu zat yang tidak saling bersenyawa, penentuan nilai properti tersebut dapat dilakukan jika komposisi masing-masing zat di dalam sistem diketahui. (Tambunan, 2007)

Properti dapat digolongkan menjadi properti ekstensif, yaitu jika nilainya berubah akibat pembagian/pembelahan (seperti massa, volume, dan energi), dan properti intensif, yaitu jika nilainya tetap meskipun terjadi pembagian/pembelahan (seperti volume jenis, tekanan dan suhu) (Tambunan, 2007).

Kapasitas panas (c) adalah properti ekstensif yang sering dinyatakan dalam per satuan massa sehingga disebut sebagai kapasitas panas jenis. Kapasitas panas jenis didefinisikan sebagai perubahan kandungan panas yang terjadi sebagai akibat perubahan suhu pada satu satuan massa zat tertentu. Kapasitas panas jenis dapat berupa kapasitas panas jenis pada volume tetap (cv) dan pada tekanan tetap (cp), sesuai dengan kondisi yang ditetapkan.
cv dituliskan dalam persamaan:

..............................(2.8)

dan cp dapat dituliskan dengan persamaan:

.............................................................(2.9)

Hubungan antara kapasitas panas jenis suatu gas ideal pada tekanan tetap dengan pada volume tetap dapat ditentukan jika u, h, dan pV dinyatakan sebagai fungsi T. Bentuk diferensial persamaan [2-8] terhadap suhu adalah:

..................................................(2.10)

Sehingga, dengan memasukkan persamaan (8) dan (9), serta persamaan gas ideal pV=RT, akan diperoleh:

........................................(2.11)

Perbandingan kapasitas panas pada tekanan tetap terhadap kapasitas panas pada volume tetap (cp/cv) sering sangat bermanfaat untuk analisis sistem pendinginan. Untuk gas ideal nilai rasio kapasitas panas tersebut adalah:

[2.12]

Fasa suatu zat dapat diketahui berdasarkan dua sifat yang berbeda. Jika nilai salah satu properti berubah maka dikatakan zat tersebut mengalami proses. Sifat yang umum dipakai adalah tekanan, suhu, dan volume. Ketiga sifat ini dapat digambarkan dalam satu grafik untuk mengetahui perbedaan fasa suatu zat. Bentuk grafik dapat dilihat pada gambar 2-1.

Gambar 2.1. Permukaan p-v-T untuk zat yang mengembang pada saat membeku untuk mengetahui fasa zat.

Gambar diatas dpat diuraikan menjadi grafik dua dimensi untuk kegunaan yang khusus. Grafik volume-tekanan Status zat dapat ditunjukkan melalui grafik hubungan p, v, dan T, seperti dapat dilihat pada Gambar 2-2 untuk zat yang mengembang pada saat membeku (seperti air). Pada diagram tersebut ditunjukkan bidang yang merupakan permukaan p-v-T dan terdiri atas tiga bidang satu fase (masing-masing: fase padat, fase cair, dan fase gas), tiga bidang dua fase (masing-masing: bidang padat-cair, cair-gas, dan padat gas), serta satu garis tiga fase (padat-cair-gas) yang sering juga disebut sebagai garis tripel. Bidang-bidang tersebut memberi semua kemungkinan keadaan seimbang yang dapat dicapai oleh suatu zat murni. Pada bidang dua fase, suhu dan tekanan saling terpaut, sehingga salah satu dapat berubah jika dan hanya jika yang lainnya berubah. Dengan demikian, pada wilayah ini status tidak dapat ditentukan hanya berdasarkan tekanan dan suhu, tetapi dapat ditentukan berdasarkan volume jenis dengan suhu atau tekanan.

(a)(b)
(c)
Gambar 2-2. Diagram p-T (a), diagram p-v (b), dan diagram T-v (c) untuk zat yang mengembang pada saat membeku

Proyeksi permukaan p-v-T terhadap bidang p-v, p-T, dan T-v untuk air ditunjukkan pada Gambar 2-2. Pertemuan kedua garis jenuh tersebut dikenal dengan titik kritis, dan sering dinyatakan dalam suhu kritis, tekanan kritis, dan volume jenis kritis. Suhu kritis suatu zat murni adalah suhu tertinggi pada mana fase cair dan gas dapat berada bersama-sama. Titik kritik berbagai zat diberikan pada Lampiran 1. Jika permukaan p-v-T diproyeksikan menjadi bidang p-T maka diperoleh diagram fase, seperti diagram (a) pada kedua gambar di atas. Pada diagram fase, wilayah dua fase berubah menjadi garis P-C, P-U, dan C-U. Pertemuan ketiga garis tersebut disebut titik tripel. Titik tripel air berada pada suhu 273.16 oC dan tekanan 0.6113 kPa. Permukaan p-v-T dapat pula diproyeksikan menjadi bidang p-v dan T-v untuk keperluan tertentu.

Status jenuh (saturation state) adalah status zat saat terjadinya perubahan fase (sejak mulai hingga berakhir). Fase merujuk kepada sejumlah zat yang mempunyai komposisi kimia dan struktur fisika yang serba-sama, baik dalam bentuk padatan, cairan, atau uap (gas). Untuk tujuan keteknikan, fase gas dapat dibagi lagi menjadi uap dan gas sebenarnya. Pembagian tersebut tidak terlalu tegas dan hanya didasarkan pada derajat kesesuaiannya pada kaidah gas ideal, dimana uap dianggap sebagai fase gas yang tidak sesuai dengan kaidah gas ideal. Pada sistem refrigerasi, refrigeran berada pada keadaan cair atau uap, atau keduanya pada saat yang sama dengan proporsi tertentu. Kebanyakan refrigeran yang bekerja pada fase gas berada pada kondisi yang sangat dekat dengan garis jenuh sehingga dapat digolongkan sebagai uap. Pada pembuatan dry-ice (karbon dioksida padat) ketiga fase tersebut dapat ditemukan secara bersama-sama.

B. Proses dan Siklus Termodinamika

Proses adalah perpindahan zat dari suatu status ke status lainnya yang masing-masing berada dalam keseimbangan. Sistem yang tidak mengalami perubahan properti terhadap waktu disebut dalam status mantap (steady state), sedangkan yang mengalami perubahan disebut status tak-mantap (unsteady-state/transient).

Keadaan seimbang adalah keadaan dimana tidak terjadi lagi perubahan (bersih) dalam sistem, atau antara sistem dengan lingkungannya. Pada keadaan seimbang, suhu dan tekanan menjadi seragam dan tidak ada lagi gaya-gaya tak-seimbang yang bekerja di seluruh sistem. Keseimbangan (equilibrium) secara termodinamik sulit didefinisikan sehingga sering harus dikelompokkan menjadi beberapa jenis keseimbangan, seperti keseimbangan mekanik, panas, fase dan kimia. Jika suatu sistem tidak menunjukkan terjadinya perubahan, maka sistem tersebut dapat dikatakan berada pada status keseimbangan. Proses nyata umumnya terjadi dalam keadaan tak-seimbang, sehingga sering didekati dengan keadaan seimbang-semu. Proses seimbang-semu (quasi-equilibrium process) adalah suatu idealisasi yang menganggap terjadinya perpindahan sangat kecil dari status keseimbangan.

Uap super panas mempunyai sifat seperti gas jika berada di bawah suhu kritisnya. Beberapa proses yang dapat terjadi pada pemanasan dan ekspansi uap adalah sebagaimana yang dijelaskan berikut. Proses volume tetap (isometric) adalah proses yang bekerja pada satu garis volume sehingga volume akhir sama dengan volume awal proses. Proses tekanan tetap (isobaric) adalah proses yang bekerja pada satu garis tekanan sehingga tekanan akhir sama dengan tekanan awal proses. Pada tekanan tertentu terdapat suhu jenuh yang tertentu pula sehingga di dalam wilayah yang dibatasi oleh garis jenuh cair dan uap proses tekanan tetap adalah juga proses suhu tetap (isothermic), yaitu proses yang bekerja pada satu garis suhu. Proses cekik (throtling) terjadi jika terdapat penyempitan luas penampang aliran. Pada proses ini tekanan akan berkurang akibat adanya gesekan dalam aliran, dan tidak terjadi kerja maupun perpindahan kalor. Proses cekik dipergunakan untuk pendinginan dan pengeringan uap.

Pada mesin-mesin refrigerasi, pencekikan refrigeran dilakukan dengan cara melewatkannya melalui suatu penampang saluran yang menyempit pada katup ekspansi atau melalui sebuah pipa kapiler yang panjang sehingga terjadi penurunan tekanan. Dengan proses cekik suhu uap akan turun diikuti dengan peningkatan mutu uap, sebagian panas sensibel diubah menjadi panas laten dan uap menjadi bersifat super panas.

a. Siklus dan mesin panas

Gambar 2-3 adalah diagram suatu siklus dimana satu satuan massa gas mengalami pengembangan (ekspansi) dari keadaan 1 ke keadaan 2. Pada saat tersebut kerja dilepas ke luar sebesar luasan 1-a-2-d-c-1. Pada mesin nyata proses tidak dapat berlangsung hanya satu arah akan tetapi gas yang berada pada keadaan 2 harus dikembalikan ke keadaan 1 dengan suatu cara tertentu. Proses dari keadaan 2 ke keadaan 1 disebut pengempaan (kompresi) dengan memberi kerja kepada gas. Lintasan yang dilalui pada proses tersebut adalah 2-b-1, dan kerja yang harus diberikan tersebut adalah sebesar luasan 2-b-1-c-d. Kerja bersih yang dilepaskan dari sistem tersebut adalah :

W = luasan 1-a-2-d-c - luasan 2-b-1-c-d = luasan 1-a-2-b-1 (luasan terarsir), atau :

[2.13]

Gambar 2-3. Suatu siklus tertutup yang digambarkan pada diagram p-v

Dengan demikian, siklus adalah suatu perubahan keadaan yang melingkupi suatu luasan tertutup di dalam suatu diagram keadaan (p-V, T-s, dll). Jika jumlah panas yang ditambahkan ke dalam suatu siklus adalah Qi dan jumlah panas yang dilepas adalah Qo maka kerja yang terjadi pada siklus tersebut dapat juga dituliskan sebagai :

[2.14]

Siklus yang ditunjukkan di atas bekerja searah gerakan jarum jam, panas Qi diterima dan kerja W dilepas ke luar. Dengan kata lain sebagian dari panas diubah menjadi kerja. Mesin-mesin panas menghasilkan panas dengan cara tersebut. Mesin panas diharapkan dapat mengubah sebanyak mungkin panas yang diterima menjadi kerja. Perbandingan kerja yang dihasilkan dengan panas yang diterima disebut dengan efisiensi termal, yaitu :

[2.15]

b. Siklus terbalik dan mesin pendingin

Jika siklus pada gambar 2.3 bekerja pada arah terbalik (berlawanan arah gerakan jarum jam) seperti ditunjukkan pada gambar 2.4 maka arah panas dan kerja juga adalah sebaliknya. Dengan cara demikian, kerja dari luar dikenakan pada gas, sedangkan panas dapat diambil dari sumber bersuhu rendah sebesar Qo dan dilepas pada sumber bersuhu tinggi sebesar Qi = W-Qo. Siklus demikian disebut dengan siklus terbalik.

Pada siklus terbalik, panas yang seharusnya mengalir secara alami dari sumber bersuhu tinggi ke sumber bersuhu rendah, dibalik sehingga panas dari sumber bersuhu rendah dialirkan ke sumber bersuhu tinggi dengan mengenakan kerja. Siklus terbalik merupakan dasar kerja suatu mesin pendingin (refrigerator) dan pompa panas (heat pump). Mesin pendingin adalah mesin yang digunakan untuk mendapatkan suhu dingin, sedangkan pompa panas adalah mesin yang digunakan untuk memperoleh panas dari sumber bersuhu rendah. Istilah pompa panas digunakan sebagai analogi suatu pompa air yang digunakan untuk memperoleh air dari sumber pada lokasi yang lebih rendah. Kinerja kedua mesin tersebut umumnya dinyatakan dengan tetapan penampilan (coefficient of performance; COP), yaitu :

Mesin pendingin :

[2.16]

Pompa panas :

[2.17]

Koefisien penampilan di atas dapat digunakan sebagai pembanding standar untuk mesin pendingin dan pompa panas dalam keadaan nyata.

Gambar 2.4. Siklus terbalik

Contoh Soal 2.1.

Tentukan entalpi dan energi dalam zat karbondioksida yang berada pada keadaan uap jenuh pada suhu dan tekanan seperti pada contoh soal 1., jika panas laten penguapannya adalah 320,52 kJ/kg dan volume jenis uap jenuh yang dihasilkan adalah 0,0382 m3/kg.

Jawab:
Panas laten penguapan adalah selisih antara entalpi pada keadaan uap jenuh dengan entalpi pada keadaan cair jenuh, atau:

Karena Hl = 0, maka Hv = DH + 0 = 320,52 kJ/kg
Energi dalam dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan,
Uv = Hv - pVv = 320,52 - 103 (0,0382) = 282,32 kJ/kg

Contoh soal 2.2

Uap pada tekanan 10 bar dan mutu uap 0.9 dicekik hingga mencapai tekanan 2 bar. Gunakan tabel uap untuk menentukan mutu uap akhir.

Jawab :
Pada p1 = 10 bar diperoleh T1 = 179.9 oC, hf1 = 762.81 kJ/kg, dan hg1 = 2778.1 kJ/kg
Pada p2 = 2 bar diperoleh T2 = 120.2 oC, hf2 = 504.70 kJ/kg, dan hg2 = 2706.7 kJ/kg
Dengan pers. [1-2] diperoleh h1 = hf1 + x1 (hg1 - hf1) = 762.81 + 0.9 (2015.29) = 2576.57 kJ/kg
Proses cekik terjadi secara adiabatik sehingga h1 = h2 = 2576.57 kJ/kg
Karena h2 < x2 =" (h2" 0 =" 0.94

• Entalpi. Jika suatu proses pada tekanan tetap dilakukan dengan tanpa adanya kerja yang dilakukan pada proses tersebut, maka panas yang dipindahkan per unit massa adalah entalpi zat tersebut. Entalpi selalu ditetapkan berdasarkan satu datum.
• Entropi, adalah ukuran keteraturan benda atau lingkungan.
• Kerapatan, adalah massa benda setiap unit volume (kg/m3). Kebalikan dari kerpatan adalah volume spesifik, volume benda setiap unit massa (m3/kg).
• Panas jenis (c), adalah jumlah energi yang digunakan untuk meningkatkan suhu 1 K setiap 1 kg zat (J/kg.K). Besarnya panas jenis bergantung pada proses yang dilakukan karenanya dikenal dua macam panas jenis, yaitu panas jenis dalam tekanan konstan dan volume konstan (cp dan cv).
• Panas laten, adalah jumlah energi yang dibutuhkan untuk mengubah fasa 1 kg zat (J/kg). Pada pemanasan air, saat air mencapai suhu 1000C, proses kenaikan suhu akan berhenti dan terjadi perubahan fasa air dari cair menjadi gas. Energi yang dibutuhkan untuk mengubah fasa inilah yang disebut sebagai panas laten suatu zat.

Siklus carnot pertama kali diperkenalkan oleh Sadi Carnot, ilmuwan Prancis (1796-1832) yang dikembangkan oleh Clayperon. Siklus Carnot merupakan siklus yang digunakan untuk analisa mesin panas, dimana untuk menghasilkan kerja, maka kalor dipindahkan dari suhu tinggi ke suhu rendah. Pada siklus pendinginan, hal ini dibalik, dimana tujuan akhirnya adalah mendapatkan keadan yang lebih dingin. Pembalikan ini digambarkan pada gambar berikut

Pada siklus Carnot asli, kerja dihasilkan dari berpindahnya panas dari suhu tinggi ke suhu rendah. (W = Qh-Ql). Pada mesin pendingin dibutuhkan kerja untuk memindahkan panas dari suhu rendah ke suhu tinggi (W=Ql-Qh). Efisiensi sutu mesin didefinisikan sebagai perbandingan hasil kerja dan usaha untuk mengasilkan kerja.

Pada siklus mesin panas efisiensi selalu bernilai kurang dari 1 (efisiensi = W/Qh = 1-Ql/Qh). Hasil dari siklus pendinginan adalah efek pendinginan yang terjadi (Ql) dan kerja yang diperlukan adalah sebesar W (Qh-Ql) dan karenanya efisiensi mesin pendingin selalu lebih besar dari satu (efisiensi= Ql/W)

BAB 1. APLIKASI TEKNIK PENDINGINAN

Tujuan Instruksional Khusus:

Mahasiswa mampu menjelaskan gambaran umum penerapan Teknik Pendinginan untuk pengkondisian udara, penyimpanan dingin dan pembekuan. Pokok bahasan ini mencakup sejarah singkat perkembangan sistem refrigerasi, yang meliputi jenis kompresi uap maupun jenis lainnya, hingga pada penerapannya khususnya dalam bidang pertanian dan tantangan yang dihadapi oleh industry pendinginan/pembekuan produk pertanian/pangan dewasa ini.

A. Sejarah Teknik Pendinginan

Sejarah teknik pendinginan berkembang sejalan dengan perkembangan peradaban manusia di wilayah sub-tropik. Secara alamiah, manusia yang tinggal di wilayah sub-tropik menyadari bahwa bahan pangan yang mudah rusak ternyata dapat disimpan lebih lama dan lebih baik pada saat musim dingin dibandingkan dengan pada saat musim panas. Kesadaran inilah yang memandu manusia pada saat itu mulai memanfaatkan “es alam” untuk memperpanjang masa simpan bahan pangan yang mudah rusak.

Penggunaan es alam ini bahkan masih dilakukan hingga abad ke-20, dan bahkan menurut catatan IIR (Intenational Institute of Refrigeration) hingga awal abad ke-20 penggunaan es alam masih lebih banyak dibandingkan “es buatan”. Es alam adalah es yang dihasilkan tanpa peralatan refrigerasi, baik yang diperoleh dari sungai atau danau yang membeku pada musim dingin atau yang sengaja dibekukan secara alamiah akibat radiasi termal dari permukaan air ke langit.

Gambar 1-1. Mesin pendingin evaporatif rancangan Leonardo da Vinci (Pita, 1981)

Di wilayah dengan kelembaban udara yang rendah, seperti Timur Tengah, sejarah pendinginan dimulai dengan pendinginan evaporatif, yaitu dengan menggantungkan tikar basah di depan pintu yang terbuka untuk mengurangi panasnya udara dalam ruangan. Pada abad ke-15, Leonardo da Vinci telah merancang suatu mesin pendingin evaporatif ukuran besar. Konon, mesin ini dipersembahkan untuk Beatrice d’Este, istri Duke of Milan (Pita, 1981). Mesin ini mempunyai roda besar, yang diletakkan di luar istana, dan digerakkan oleh air (sekali-sekali dibantu oleh budak) dengan katup-katup yang terbuka-tutup secara otomatis untuk menarik udara ke dalam drum di tengah roda. Udara yang telah dibersihkan di dalam roda dipaksa keluar melalui pipa kecil dan dialirkan ke dalam ruangan (Gambar 1-1).

Perkembangan teknik pendinginan selanjutnya masih terjadi secara tidak sengaja, yaitu penggunaan larutan air-garam untuk mendapatkan suhu yang lebih rendah. Menurut catatan Ibn Abi Usaibia, seorang penulis Arab, penggunaan larutan air-garam ini sudah dilakukan di India sekitar abad ke-4. Garam yang digunakan pada larutan tersebut adalah potasium nitrat, sebagaimana dicatat oleh seorang dokter Italia bernama Zimara pada tahun 1530 dan dokter Spanyol bernama Blas Villafranca pada tahun 1550. Fenomena pencampuran garam pada salju untuk mendapatkan suhu lebih rendah baru dapat dijelaskan oleh Battista Porta pada tahun 1589 dan Trancredo pada tahun 1607.

Gambar 1-2. Robert Boyle

Teknik pendinginan mulai berkembang secara ilmiah sejak abad ke-17, dimulai dari penelitian tentang pemantulan melalui efek panas dan dingin yang dilakukan oleh Robert Boyle (1627-1691) di Inggris dan Mikhail Lomonossov (1711-1765) di Rusia. Selanjutnya, penelitian mengenai termometri yang dimulai oleh Galileo dikembangkan kembali oleh Guillaume Amontons (1663-1705) di Perancis, Isaac Newton (1642-1727) di Inggris, Daniel Fahrenheit (1686-1736) orang German yang bekerja di Inggris dan Belanda, René de Réaumur (1683-1757) di Perancis dan Anders Celsius (1701-1744) di Swedia. Tiga ilmuwan yang disebutkan terakhir merupakan penemu sistem skala pengukuran suhu, dan masing-masing namanya diabadikan pada sistem skala tersebut yaitu Fahrenheit, Reaumur dan Celsius. Setelah Anders Celsius menemukan termometer skala centesimal pada tahun 1742 di Swedia, disepakati bahwa sistem skala yang digunakan pada Sistem Internasional adalah Celsius.

Pada awal abad ke-18, William Cullen (1710-1790) menemukan terjadinya penurunan suhu pada saat ethyl ether menguap. Cullen, bahkan, pada tahun 1755 berhasil mendapatkan sedikit es dengan cara menguapkan air di labu uap. Murid dan penerus Cullen, yaitu seorang Scotland yang bernama Joseph Black (1728-1799) berhasil menjelaskan pengertian panas dan suhu, sehingga sering dianggap sebagai penemu kalorimetri. Bidang ini akhirnya dikembangkan dengan sangat baik oleh para ilmuwan Perancis, seperti Pierre Simon de Laplace (1749-1827), Pierre Dulong (1785-1838), Alexis Petit (1791-1820), Nicolas Clément-Desormes (1778-1841) dan Victor Regnault (1810-1878).

B. Perkembangan Mesin Pendingin Sistem Kompresi Uap

Tulisan Sadi Carnot (1796-1832), seorang Perancis, yang sangat terkenal pada tahun 1824 menjadi inspirasi bagi banyak penelitian yang dilakukan mengenai berbagai konsep termodinamika dan sistem pendinginan, termasuk James Prescot Joule (Inggris, 1818-1889), Julios von Mayer (Jerman, 1814-1878), Herman von Helmholtz (Jerman, 1821-1894), Rudolph Clausius (Jerman, 1822-1888), Ludwig Boltzmann (Austria, 1844-1906), dan William Thomson (Lord Kelvin, Inggris, 1824-1907).

Gambar 1-3. Sadi Carnot

Penemuan-penemuan di atas menjadi awal yang sangat berharga dalam sejarah penemuan mesin-mesin pendinginan dan zat-zat pendinginnya. Perkembangan ini dimulai dengan mesin pendingin mekanis, setelah seorang Amerika bernama Oliver Evans (1755-1819) mampu menjelaskan siklus refrigerasi kompresi uap. Pada tahun 1835, seorang Amerika lainnya yang bekerja di Inggris yaitu Jacob Perkins (1766-1849) berhasil mendapatkan paten untuk mesin pendingin temuannya yang bekerja berdasarkan siklus kompresi uap tersebut.

Gambar 1-4. Siklus Refrigerari Kompresi Uap

Fluida kerja (refrigeran) yang digunakan Perkins pada mesin pendinginnya tersebut adalah ethyl ether. James Harrison (1816-1893), seorang Skotlandia yang pindah ke Australia, berhasil membuat mesin pendingin yang dapat bekerja dengan baik pada skala industrial. Mesin tersebut dipatenkan oleh Harrison pada tahun 1855, 1856, dan 1857. Mesin pendingin Harrison, yang diproduksi di Inggris, masih menggunakan ethyl ether sebagai fluida kerja, dan mampu menghasilkan es maupun larutan pendingin (refrigeran sekunder).

Dengan ditemukannya mesin pendingin sistem kompresi uap, terjadi perkembangan yang cepat dalam penemuan zat-zat pendingin (refrigeran). Charles Tellier (1828-1913), seorang Perancis, memperkenalkan penggunaan dimethyl ehter sebagai refigeran. Pada tahun 1862, Tellier juga meneliti penggunaan amonia (NH3) sebagai refrigeran, meskipun penggunaannya secara luas pada skala industrial baru dapat dilakukan oleh seorang Jerman Carl von Linde (1842-1934). Refrigeran amonia masih banyak digunakan hingga sekarang, khususnya pada industri pembekuan pangan.

Thaddeus Lowe (1832-1913) mulai menggunakan karbon-dioksida (CO2) sebagai refrigeran. Meskipun sempat ditinggalkan, penggunaan karbon-dioksida belakangan ini kembali dikembangkan sebagai refrigeran yang ramah lingkungan. Sulfur-dioksida (SO2) pertama kali digunakan sebagai refrigeran oleh ahli fisika Swiss Raoul Pierre Pictet (1846-1929), tetapi akhirnya tidak digunakan lagi sesaat sebelum perang dunia II. Metil-klorida (Ch3Cl) juga digunakan oleh orang Perancis C. Vincent sebagai refrigeran pada tahun 1878, meskipun akhirnya hilang dari peredaran pada tahnun 1960-an.

Didasarkan pada hasil penelitian Swarts yang dilakukan selama kurun 1893-1907 di Ghent, suatu tim peneliti Frigidaire Corporation di Amerika, yang dipimpin oleh Thomas Midgley berhasil mengembangkan refrigeran fluoro-carbon pertama pada tahun 1930. Refrigeran fluoro-carbon dianggap sebagai refrigeran yang aman karena tidak bersifat toksik dan tidak mudah terbakar. Refrigeran CFC (chloro-fluoro-carbon) pertama, yaitu R12 (CF2Cl2) mulai dilepas ke pasar pada tahun 1931, diikuti dengan refrigeran HCFC (hidro-chloro-fluoro-carbon) pertama, yaitu R22 (CHF2Cl) pada tahun 1934. Pada tahun 1961, campuran azeotropik pertama, yaitu R502 (R22/R115), diperkenalkan ke pasar sebagai refrigeran.

Refrigeran CFC, khususnya R12, dianggap sebagai zat yang sangat istimewa sebagai fluida kerja mesin pendingin sistem kompresi uap, hingga pemenang Nobel dari Amerika (F.S. Rowland dan M.J. Molina) mempublikasikan hasil penelitiannya pada tahun 1974. Rowland dan Molina menyimpulkan bahwa klorin yang dilepaskan oleh zat halogenasi hidrokarbon menyebabkan terjadinya perusakan lapisan ozon di angkasa. Untuk menganggapi temuan ini, pada tahun 1987 telah disepakati Protokol Montreal mengenai pelarangan penggunaan zat-zat yang bersifat merusak lapisan ozon.

Refrigeran CFC dan HCFC termasuk pada kategori zat perusak ozon, sehingga penggunaannya sebagai refrigeran juga dilarang. Sebagai gantinya, disarankan penggunaan HFC (hidro-fluoro-carbon), yaitu refrigeran yang dihalogenasi tapi tidak diklorinasi. Akan tetapi, refrigeran HFC, baik yang murni (R134a) maupun campurannya (R410A, R407A, R404A, dll), juga menimbulkan efek lingkungan yaitu pemanasan global. Pada Protokol Kyoto, yang ditanda-tangani pada 11 Desember 1997, refrigeran HFC termasuk zat yang dilarang peredarannya karena menyebabkan pemanasan global. Indonesia, sebagai negara yang ikut meratifikasi Protokol Montreal maupun Protokol Kyoto, berkewajiban untuk melaksanakan setiap fasal dalam protokol yang disepakati tersebut.

Perkembangan lain dalam sistem kompresi uap adalah pada komponen peralatannya. Pada awalnya mesin pendingin sistem kompresi uap menggunakan kompresor dengan piston yang besar dan lambat, tetapi sejak akhir abad ke-19 berubah menjadi lebih ringan dan cepat. Pada tahun 1934 A. Lysholm berhasil mengembangkan kompresor ulir dengan rotor ganda di Swedia, sedangkan pada tahun 1967 B. Zimmern mengembangkan kompresor ulir rotor tunggal di Perancis.

Gambar 1-5. Kompresor

Kompresor scroll sebenarnya telah dipatenkan oleh seorang Perancis bernama Leon Creux pada tahun 1905, tetapi baru dapat dikembangkan pada tahun 1970-an. Kompresor sentrifugal dikembangkan atas dasar penelitian seorang Perancis bernama Auguste Rateau tahun 1890 dan orang Amerika bernama Willis Carrier tahun 1911. Kompresor hermetik dikembangkan untuk mengatasi kebocoran refrigeran oleh Father Audiffren pada tahun 1905 di Perancis, dan digunakan sangat banyak saat ini.

C. Perkembangan Sistem Pendingin Lainnya

Perkembangan sistem pendingin selain sistem kompresi uap dipicu oleh kemajuan yang dicapai dalam bidang termodinamika yang sangat pesat pada abad ke-19. Kemajuan ini dimulai dari penelitian mengenai gas oleh ahli fisika Inggris Boyle, disusul oleh Edme Mariotte (1620-1684), Jacques Charles (1746-1823) dan Louis Joseph Gay-Lussac (1778-1850), hingga penelitian mengenai mesin uap yang dilakukan oleh orang Skotlandia bernama James Watt (1736-1819). Ilmuwan Perancis Sadi Carnot (1796-1832) akhirnya mempublikasikan hasil karyanya yang menjadi inti Hukum Termodinamika Kedua pada tahun 1824. Berbagai penelitian mengenai teknik pendinginan sangat banyak dilakukan sebagai dampak dari kemajuan termodinamika ini.

Disamping mesin pendingin sistem kompresi uap, sebagaimana dijelaskan di atas, berbagai sistem pendingin lain juga ditemukan selama abad ke-19. Salah satu diantaranya adalah sistem pendingin siklus gas yang muncul akibat penemuan ”mesin udara” siklus terbuka oleh John Gorrie (1803-1855), seorang dokter Amerika. Gorrie mematenkan penemuan tersebut setelah berhasil mendiningkan brine ke suhu -7 oC pada tahun 1850 dan 1851. Alexander Kirk (1830-1892) berhasil mengembangkan mesin siklus tertutup yang dapat mendinginkan hingga suhu -13 oC pada tahun 1864. Mesin ini didasarkan pada motor udara panas yang dikembangkan oleh pastor Skotlandia Robert Stirling pada tahun 1837.

Gambar 1-6. Termoelectric cooling

Pada tahun 1834, Ahli fisika Perancis Jean Charles Peltier (1785-1845) menemukan bahwa aliran arus searah yang melalui jembatan dua logam dapat menyebabkan pendinginan pada salah satu logam dan pemanasan pada logam lainnya. Sampai tahun 1940-an, sistem termoelektrik hanya dianggap sebagai keingin-tahuan ilmiah, hingga berkembangnya pengetahuan mengenai semi-konduktor. Akan tetapi, hingga sekarang penggunaan sistem pendingin termoelektrik secara komersial relatif sangat kecil.

Salah satu sistem pendingin yang berkembang dengan baik, disamping sistem kompresi uap, adalah sistem absorbsi. Mesin pendingin sistem absorbsi kontinyu yang pertama ditemukan pada tahun 1859 oleh seorang Perancis bernama Ferdinand Carré (1824-1900). Mesin temuan Carré ini menggunakan air sebagai absorber dan amonia sebagai refrigeran. Sistem absorbsi tak-kontinyu sebenarnya lebih dulu dikembangkan (hasil temuan saudara Ferdinand Carré yang bernama Edmond Carré pada tahun 1866), tetapi tidak terlalu berhasil. Pada tahun 1913, seorang Jerman bernama Edmund Altenkirch berhasil mempelajari dan menjelaskan sifat termodinamik sistem ini dengan rinci. Pada tahun 1940-an, sistem absorbsi dengan litium-bromida sebagai absorber dan air sebagai refrigeran berhasil dikembangkan di Amerika, sebagai modifikasi dari sistem yang dikembangkan oleh Carré. Sistem absorbsi litium-bromida-air ini banyak digunakan dalam bidang pengkondisian udara.

D. Aplikasi Teknik Pendinginan

Refrigerasi (pendinginan) adalah suatu sistem yang mengambil panas dari suatu benda atau ruangan yang bersuhu lebih rendah dari lingkungan alamiahnya. Bangsa Romawi dan Cina mengambil es dan salju untuk digunakan sebagai penyejuk udara saat musim panas. Bangsa Mesir meletakkan bejana air di atap rumah pada malam hari untuk mendinginkannya. Terlihat bahwa usaha untuk mendinginkan bahan atau udara telah ada sejak dahulu. Peradaban yang maju membuat teknik pendinginan semakin berkembang

Terdapat dua bidang pendinginan yang saling terkait dalam pendinginan yaitu bidang refrigerasi dan pengkondisian udara. Aplikasi teknik pendinginan dapat dijumpai di berbagai bidang. Di bidang industri, pengkondisian udara digunakan untuk mendapatkan suhu dan kelembaban yang nyaman bagi pekerja.

Gambar 1-7. AC untuk tranportasi

Beberapa sistem dirancang untuk mendapatkan kondisi udara dimana debu hampir tidak ada (ruang steril) seperti pada industri elektronika. Industri percetakan perlu udara dengan tingkat kelembaban tertentu sehingga kertas tidak menggumpal dan tinta cepat kering. Kelembaban yang tinggi juga dapat menyebabkan terjadinya korsleting. Perkantoran dan perumahan saat ini umum menggunakan AC untuk menambah kenyamanan ruangan.

Gambar 1-8. AC untuk Gimnaisum

Di negara sub-tropis, pengkondisian juga meliputi pemanasan ruangan saat musim dingin. Keinginan manusia untuk berkendara dengan nyaman membuat sistem pendinginan juga dijumpai di mobil dan kendaran angkutan lainnya. Industri pertanian saat ini umum menggunakan sistem cold chain untuk menjaga mutu produk. Sistem pendinginan ini biasanya digunakan untuk produk yang mudah busuk dan banyak mengandung air, seperti daging, sayur dan buah. Untuk mendapatkan umur simpan yang lebih lama, pembekuan digunakan untuk membekukan produk.

Gambar 1-8. Pendinginan buah

Produk yang dibekukan dapat kembali ke keadaan semula umumnya dengan perlakuan panas. Di toko-toko, bahan pertanian ini juga ditampilkan pada rak berpendingin Pendinginan juga dikenal dalam proses pengolahan makanan. Es krim, dibuat dengan membekukan susu setelah proses pasteurisasi dan pencampuran dilakukan.

Gambar 1-9. Ice cream

Produk pangan lain yang membutukan pendinginan antara lain susu, keju, jus buah. Industri roti juga menggunakan pendinginan untuk menyimpan adonan roti sehingga roti lebih cepat disajikan dan mengurangi kerugian toko roti karena adanya adonan yang tidak dibakar. Industri kimia menggunakan teknik pendinginan untuk memisahkan gas, pengembunan gas, penghilangan kalor reaksi, pemisahan zat dari campurannya dan untuk menjaga tekanan. Teknik pendinginan juga digunakan pada bidang lainnya seperti konstruksi, pembuatan es batu, dan arena olahraga

Gambar 1-10. Produk horitultura di supermarket

E. Tantangan Industri Pendinginan dan Pembekuan Pangan

Teknik refrigerasi adalah teknik pengambilan panas dari suatu benda atau ruangan yang bersuhu lebih rendah dari lingkungan alamiahnya. Teknik refrigerasi merupakan penerapan termodinamika dan perpindahan panas/massa, yang termasuk dalam cakupan bidang konversi energi. Salah satu jenis mesin refrigerasi yang umum digunakan pada zaman sekarang adalah jenis kompresi uap. Mesin pendingin jenis ini bekerja secara mekanik dan perpindahan panas dilakukan dengan memanfaatkan sifat refrigeran yang berubah dari fase cair ke fase gas (uap) kemudian ke fase cair kembali secara berulang.

Gambar 1-11. Chilling injury

Proses pendinginan merupakan proses yang populer untuk penyimpanan produk-produk pertanian. Dengan menurunkan suhu suatu produk, aktivitas enzim dan mikroba yang ada akan berkurang, sehingga penurunan mutu atau kerusakan dapat dihambat. Pada buah-buahan atau sayur-sayuran, pengendalian proses pendinginan merupakan faktor kritis karena dapat menyebabkan chilling injury bila dibawah suhu tertentu. Pembekuan merupakan pendinginan sampai titik beku air dengan tujuan yang sama. Pada umumnya produk beku akan mempunyai ketahanan yang lebih lama, namun tidak semua produk pertanian cocok dengan proses ini.

Pustaka:

• Pita, E.G., 1981, Air Conditioning Principles and Systems – An Energy Approach, John Wiley & Sons, Inc.
• Stoecker, W.F., and Jones, J.W., 1987, Refrigeration and Air conditioning, 2nd ed., McGraw-Hill International Edition, Singapore
• Tambunan, A.H., Teknik Pendinginan (diktat kuliah)
• IIR Thematic File, A Brief History of Refrigeration, http://www.iifiir.org/2endossiers_dossiers_histoire.htm#_ftn

Materi Singkat Teknik Pendingin
Pada awalnya untuk pengawetan makanan digunakan es atau salju sejak 1000 tahun sebelum masehi. Pada tahun 1850 mulai dipakai mesin pendingin yang memakai kompressor dengan bahan pendingin udara. Kemudian dipakai bahan pendingin amonia, keburukannya beracun, sampai akhirnya di temukan bahan pendingin freon yang lebih aman dan digunakan sampai sekarang.
1.2 Jenis dan Tipe Mesin pendingin
Jenis dan tipe mesin pendingin disesuaikan dengan kegunaan dan daya yang dimilikinya. Misalnya AC untuk kantor-kantor besar berbeda dengan AC untuk rumah tangga. Begitu juga untuk jenis kulkas.Karena di pasaran sudah tersedia berbagai jenis dan tipe mesin pendingin.

1.2.1 Jenis-jenis Mesin Pendingin
Dari berbagai mesin pendingin yang ada, serta ditinjau dari segi kegunaan dan fungsinya, yang umum kita kenal ada 4 macam mesin pendingin, antara lain :
1.2.1.1 Refrigerant
Jenis ini lebih dikenal dengan sebutan kulkas atau lemari es. Tipe dan kapasitasnya bermacam-macam, dan umumnya digunakan untuk rumah tangga. Fungsinya untuk mendinginkan minuman, mengawetkan bahan makanan, menhasilkan es. Suhu untuk lemari es dipertahankan 3o -100 C
1.2.1.2 Freezer
Jenis yang satu ini tidak berbeda dengan kulkas, hanya saja kapasitas lebih besar, dan suhunya lebih rendah.
1.2.1.3 Air Conditioner (AC)
Manusia selalu berusaha untuk membuat keadaan disekelilingnya menjadi lebih baik dan suasana lebih nyaman. Air Conditioner adalah salah satu yang dapat memenuhi kebutuhan itu. Dengan membuat keadaan menjadi lebih sejuk. Sesuai dengan namanya air conditioner berarti pengatur udara diperlukan sekurangnya 3 peraturan
a. Suhu udara
Adalah derajat panas atau dingin dari udara yang diukur dengan thermo-meter. Udara harus didinginkan untuk membuat suhu di dalam ruangan menjadi sejuk. Suhu kamar yang sejuk dan nyaman adalah 240 – 270 C
b. Kelembaban
Untuk mendapatkan udara yang sejuk dan nyaman di dalam ruangan, kita harus mengatur kelembaban udara dengan mengambil uap air dari udara atau menambahkan uap air pada udara yang mengalir di dalam ruangan. Jumlah uap air di dalam udara dinyatakan dengan %. Jadi AC selain dapat menyejukkan udara juga dapat membersihkan udara yang ada dalam ruangan. AC rumah tangga dapat dioperasikan dengan listrik satu phase pada 110 Volt atau 220 Volt. Kapasitas mulai 4.000 s/d 25.000 BTU/h.
1.2.1.4 Kipas Angin
Walaupun pada dasarnya peralatan yang satu ini tidak menghasilkan udara atau suhu yang dingin sebagaimana kulkas atau AC, tetapi putaran dan sistem kerjanya mirip dengan kerja dari kedua peralatan diatas.
BAB II
DASAR –DASAR MESIN PENDINGIN
2.1 Proses Dasar Terjadinya Dingin
Dingin merupakan hasil yang diciptakan oleh mesin pendingin terutama kulkas dan freezer. Sedangkan AC lebih ke keadaan sejuk. Proses terjadinya pendinginan yang diciptakan oleh mesin pendingin sebenarnya merupakan tiruan terjadinya dinginyang disebabkan oleh alam. Dan dingin sebenarnya merupakan suatu proses penguapan karena adanya panas akan menimbulkan udara dingin disekitarnya. Dingin terjadi karena adanya penguapan, dan penguapan berlangsung karena adanya panas.
2.2 Terjadinya Dingin Pada Ruang mesin
Proses dingin di dalam mesin pendingin karena adanya pemindahan panas. Setiap mesin pendingin mampu menghasilkan suhu dingin dengan cara menyerap panas dari udara yang ada dalam ruang pada mesin pendingin itu sendiri. Bahan yang digunakan untuk menghasilkan penguapan yang begitu cepat sehingga mampu menghasilkan udara dingin. Biasanya untuk keperluan ini digunakan gas Freon. Gas ini dalam sistem pendinginan memiliki bentuk yang berubah-ubah, yaitu dari bentuk cairan menjadi bentuk gas (uap). Pada kompresor, gas yang telah berubah menjadi uap tadi takanan dan panasnya dinaikkan untuk selanjutnya uap panas yan berasal dari gas itu diturunkan atau didinginkan pada bagian kondensor sampai membentuk cairan. Kemudian sesampainya pada evaporator cairan itu diturunkan tekanannya sehingga menguap dan menyerap panas yang ada di sekitarnya. Kemudian dalam bentuk uap refrigerant tadi dihisap kembali oleh bagian kompresor dan dikeluarkan lagi seperti semula. Proses seperti ini berlangsung secara berulang. Dalam sistem mesin pendingin jumlah refrigerant yang digunakan adalah tetap, yang berubah adalah bentuknya karena adanya proses seperti diatas.
2.3 Istilah – istilah Teknik di Bidang Pendinginan
2.3.1 Tekanan
Tekanan ialah gaya yang bekerja secara vertikal pada bidang datar luas 1 cm2, oleh benda padat, cair atau gas. Pada umumnya satuannya kg/cm2.
2.3.2 Temperatur / Suhu
Suhu adalah derajat panas atau tingkat kedinginan. Ukuran suhu dinyatakan dengan angka dan angka ini disebut derajat seperti 0C (derajat Celcius), 0F(derajat Fahrenheit)
2.3.3 Kalor (Panas)
Kalor adalah energi yang diterima oleh benda, sehingga suhu benda atau wujudnya berubah. Jika kalor dilepaskan suhu benda akan turun. Kalor adalah suatu bentuk energi yang dapat dipindahkan, tetapi tidak dapat dihilangkan. Kalor dapat diukur meskipun kita tidak melihatnya. Satuan dari kalor joule (J), Kalori , BTU.
2.3.4 Kalor Jenis
Kalor jenis suatu zat ialah jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 kilo zat itu sebesar 10K atau satu derajat Kelvin. Bilangan kalor jenis dinyatakan dengan satuan K Cal/Kg 0C.
2.3.5 Panas Bebas
Umumnya, apabila memanaskan atau mendinginkan suatu benda, suhu dari benda tersebut mengalami perubahan. Panas yang mempengaruhi langsung pada suatu benda demikian disebut panas bebas.
2.3.6 Kalor Laten
Panas yang diperlukan untuk mengubah wujud zat dari padat menjadi cair, dan cair menjadi gas atau sebaliknya tanpa mengubah suhunya disebut kalor laten (panas laten). Satuan Kalor Laten : Joule, Kalori, BTU,
2.3.7 Kalor Sensibel
Kalor sensibel adalah jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikkan atau menurunkan suhu suatu benda. Satuan dalam : Joule, Kalori, atau BTU.
2.3.8 Massa Jenis
Massa sebuah benda banyaknya zat atau materi yang dikandung suatu benda satuan Kg. Massa Jenis suatu zat ialah massa zat itu dibagi volumenya pada 00C. satuannya Kg/m3, Kg/l.
2.3.9 Bahan Pendingin (Refrigerant)
Refrigerant adalah suatu zat yang mudah menguap dan berfungsi sebagai penghantar panas dalam sirkulasi pada saluran instalasi mesin pendingin. Bahan pendingin (refrigerant) adalah suatu zat yang mudah berubah wujud dari gas menjadi cair atau sebaliknya. Dapat mengambil panas dari evaporator dan membuangnya di kondensor. Untuk instalasi Refrigerator/kulkas, AC dipakai freon R-12 atau R-22 sebagai refrigerant.
2.3.10 Effek Pendinginan
Adalah kemampuan membawa kalor dari bahan pendingin atau jumlah kalor yang dapat diserap oleh 1 pound bahan pendingin waktu mulai evaporator. Satuannya dalam K Cal/Kg.
2.3.11 Kapasitas Pendinginan
Untuk menyatakan efek pendinginan, banyaknya kalori panas yang di serap dalam satuan waktu dinyatakan dengan K Cal/Jam.
2.3.12 Frost
Bila kita mendinginkan udara terus-menerus, volume uap air dalam udara menjadi kecil, dan sebagian uap air yang menyentuh pada permukaan suatu benda yang rendah suhunya akan berbentuk embun-es yang halus. Peristiwa demikian disebut Frost.
2.3.13 Dingin
Dingin adalah suhunya rendah atau tidak ada panas. Dingin adalah akibat dari pengambilan kalor. Lemari es menghasilkan dingin dengan mengambil kalori dari bagian dalamnya. Lemari es tidak dapat menghilangkan kalor, tetapi dapat memindahkan melalui bahan pendingin.
2.3.14 Tekanan Maksimum, Temperatur Maksimum
Benda gas seperti freon, bila di beri tekanan dalam silinder tertutup di bawah suhu udara bebas, menjadi uap air jenuh dan akhirnya berubah menjadi cairan melalui fase pengembunan. Akan tetapi, bila suhu naik sampai suatu derajat, gas tersebut tidak mengembun lagi sekalipun di beri tekanan. Benda gas mempunyai batas kemampuan di mana sudah tidak berdaya untuk mengubah fase gas ke fase cair. Temperatur yang terdapat pada batas tersebut disebut temperatur maksimum dan tekanan pada gas yang terjadi pada batas tersebut dikatakan tekanan maksimum.
2.4 Dasar Termodinamika
2.4.1 Hukum Pertama Termodinamika
• Perubahan kalor dapat menghasilkan usaha dari perubahan energi dalam.
• Kalor yang masuk sistem menjelma sebagai penambahan energi dalam sistem
2.4.2 Hukum Kedua Termodinamika
* Kalor tidak mungkin berpindah dari sistem yang bersuhu rendah ke sistem yang bersuhu tinggi secara spontan.
* Tidak mungkin ada sembarang proses yang dapat memindahkan panas dari satu temperatur ke temperatur lain yang lebih tinggi.
* Panas yang diserap oleh suatu sistem tidak dapat diubah seluruhnya menjadi kerja mekanik pada suatu proses melingkar, ini berarti pastilah ada panas yang terbuang ke sekeliling secara percuma.
2.4.3 Entalpy
* Entalpy dari suatu sistem didefinisikan sebagai penjumlahan energi dalam dengan selisih hasil kali tekanan dan volume.
* Entalpy dapat didefinisikan kalor total dari panas bebas dan panas laten yang terdapat pada suatu benda. Harga entalpy dinyatakan dalam satuan K Cal?Kg.
2.5 Diagram Garis Molier dan Siklus Pendinginan
2.5.1 Diagram Garis Molier
Diagram ini menggambarkan hasil penyelidikan dalam sebuah garis yang disebut garis molier, yang dapat kita manfaatkan untuk menentukan kapasitas, tenaga dan sebagainya dari tiap komponen instalasi mesin pendingin guna perencanaan.
Jika kita menggambarkan sirkulasi bahan pendingin dalam instalasi pendingin pada diagram garis molier, akan terdapat garis persegi A, B, C, D.
1.Proses Kompresi Refrigeran
Titik A menyatakan keadaan gas refrigeran yang berada di tempat kompresor menghisap bahan pendingin, yang masih rendah tekanannya (pada tingkat P). Dari titik A-B
2. Proses Pengembunan
Gas refrigeran yang masuk ke dalam kondensor garis horisontal akan berubah dari tingkat gas menjadi cair. Perubahan dari tingkat gas menjadi cair karena didinginkan (membuang panas). Dari titik B-C
3. Proses Pengembangan
Bahan pendingin yang menjadi cair pada titik C, akan turun terus sampai titik ketika mengembang dalam kabut pada tepat kedudukan pipa kapiler/klep ekspansi.
4. Proses Penguapan
Refrigeran berupa kabut yang masuk ke dalam evaporator menarik panas dari molekul gas sekitarnya, sehingga entalpy bertambah. Dari titik D-A menggambarkan pertambahan entalpy dan perubahan fase dari cair ke gas.
BABIII
BAGIAN-BAGIAN PENTING MESIN PENDINGIN
3.1 BAGIAN – BAGIAN MESIN PENDINGIN
3.1.1 KOMPRESOR
Kompresor memompa bahan pendingin ke seluruh sistem. Gunanya adalah untuk menghisap gas tekanan rendah dan suhu terendah dari evaporator dan kemudian menekan/memampatkan gas tersebut, sehingga menjadi gas dengan tekanan dan suhu tinggi, lalu dialirkan ke kondensor. Jadi kerja kompresor adalah untuk
1. Menurunkan tekanan di evaporator, sehingga bahan pendingin cair di evaporator dapat menguap pada suhu yang lebih rendah dan menyerap lebih banyak panas dari sekitarnya.
2. Menghisap gas bahan pendingin dari evaporator, lalu menaikkan tekanan dan suhu gas bahan pendingin tersebut, dan mengalirkannya ke kondensor sehingga gas tersebut dapat mengembun dan memberikan panasnya pada medium yang mendinginkan kondensor.
Ada tiga macam kompresor yang banyak dipakai pada mesin-mesin pendingin yaitu :
1. Kompresor Torak, kompresinya dikerjakan oleh torak.
2. Kompresor Rotasi, kompresinya dikerjakan oleh blade atau vane dan roller
3. Kompresor Centrifugal, kompresor centrifugal tidak mempunyai alat-alat tersebut kompresi timbul akibat gaya centrifugal yang terjadi karena gas diputar oleh putaran yang tinggi kecepatannya dan impeller.
Ketiga macam kompresor mempunyai keunggulan masing-masing. Pemakaiannya ditentukan oleh besarnya kapasitas, penggunaannya, instalasinya dan jenis bahan pendingin yang dipakai.
3.1. 2 KONDENSOR
Kondensor adalah suatu alat untuk merubah bahan pendingin dari bentuk gas menjadi cair. Bahan pendingin dari kompresor dengan suhu dan tekanan tinggi, panasnya keluar melalui permukaan rusuk-rusuk kondensor ke udara. Sebagai akibat dari kehilangan panas, bahan pendingin gas mula-mula didinginkan menjadi gas jenuh, kemudian mengembun berubah menjadi cair.
3.1.3 EVAPORATOR
Evaporator adalah suatu alat dimana bahan pendingin menguap dari cair menjadi gas. Melalui perpindahan panas dari dinding – dindingnya, mengambil panas dari ruangan di sekitarnya ke dalam sistem, panas tersebut lalu di bawa ke kompresor dan dikeluarkan lagi oleh kondensor.
3.1.4 SARINGAN
Saringan untuk AC dibuat dari pipa tembaga berguna untuk menyaring kotoran-kotoran di dalam sistem, seperti : potongan timah, lumpur, karat, dan kotoran lainnya agar tidak masuk ke dalam pipa kapiler atau keran ekspansi. Saringan harus menyaring semua kotoran di dalam sistem, tetapi tidak boleh menyebabkan penurunan tekanan atau membuat sistem menjadi buntu.
3.1.5 PIPA KAPILER
Pipa kapiler gunanya adalah untuk :
1. Menurunkan tekanan bahan pendingin cair yang mengalir di dalam pipa tersebut.
2. Mengontrol atau mengatur jumlah bahan pendingin cair yang mengalir dari sisi tekanan tinggi ke sisi tekanan rendah.
3.1.6 KERAN EKSPANSI
Keran ekspansi ada 2 macam
1. Automatic Expasion Valve
2. Thermostatic Expansion Valve
Thermostatic Exspansion Valve lebih baik dan lebih banyak dipakai, tetapi pada AC hanya dipakai automatic expansion valve, maka disini kita hanya akan membicarakan automatic expansion valve saja. Gunanya untuk menurunkan cairan dan tekanan tekanan evaporator dalam batas-batas yang telah di tentukan dengan mengalirkan cairan bahan pendingin dalam jumlah yang tertentu ke dalam evaporator.
3.1.7 BAHAN PENDINGIN
Bahan pendingin adalah suatu zat yang mudah di rubah bentuknya dari gas menjadi cair atau sebaliknya, dipakai untuk mengambil panas dari evaporator dan membuangnya di kondensor. Bahan pendingin diantaranya yang dewasa ini banyak dan secara umum digunakan Refrigerant-11 (R-11), R-12, R-13, R-22.
3.1.8 MINYAK KOMPRESOR
Minyak kompresor untuk mesin-mesin pendingin harus mempunyai sifat-sifat yang khusus untuk keperluan ini. Minyak kompresor dipakai untuk melindungi dan melumasi bagian-bagian yang bergerak dari kompresor. Karena dalam kenyataan minyak kompresor selalu berhubungan, bahkan bercampur dengan bahan pendingin di dalam kompresor dan mengalir bersama-sama ke semua bagian dari sistem.Minyak harus tahan terhadap suhu dan tekanan yang tinggi dari kompresor dan tetap dapat memberikan pelumasan dan melindungi bagian-bagian kompresor yang bergerak agar jangan aus dan rusak.
3.2 ALAT – ALAT LISTRIK PADA AC
3.2.1 OPERATION CONTROL
Semua air conditioner mempunyai operation control atau kontrol panel yang terdiri dari 3 bagian :
1. Selector switch (pengatur hubungan) atau main switch. Macamnya ada 2 : Rotation Switch (putar) dan Push Switch (tekan). Fungsi dari keduanya adalah sama, untuk menjalankan fan saja atau menjalankan fan dari kompresor bersama-sama.
2. Thermostat (pengatur suhu), sering juga dinamakan Air temperatur control gunanya adalah : mengatur batas-batas suhu di dalam ruangan, mengatur lamanya kompresor berhenti, dan menghentikan, menjalankan kembali kompresor secara otomatis.
3. Ventilation control (pengatur aliran udara), ada yang berbentuk knop yang di putar atau batang yang digerakkan ke kanan/ ke kiri atau ke atas/ke bawah untuk mendapatkan kedudukan Close : tidak ada udara yang masuk atau ke luar, open : damper terbuka ke dalam untuk mengalirkan udara ke luar dari kamar, Fresh: damper terbuka ke luar, untuk mengalirkan udara segar dari luar masuk ke dalam kamar.
3.2.2 OVERLOAD MOTOR PROTECTOR (PENGAMAN MOTOR)
Dipasang untuk melindungi kompresor, yang memakai bi-metal dan heater. Bekerjanya dipengaruhi oleh amper yang terlalu besar dan panas dari motor atau kompresor. Bi-metal ini di hubungkan oleh kontak-kontak, yang dapat membuka kontaknya apabila amper yang lewat terlalu besar dan panas dari motor atau kompresor yang terlalu tinggi. Setelah lewat beberapa menit motor dan kompresor menjadi dingin, dan kontak-kontak dapat berhubungan kembali.
3.2.3 START CAPACITOR
Start capacitor direncanakan untuk dipakai dalam waktu yang singkat paling lama 3 detik dan tidak berulang-ulang. Biasanya hanya di perlukan waktu 1 detik untuk memutar motor yang besar sampai 7 hp, sangat jarang yang memerlukan waktu start sampai 3 detik. Pada kompresor hermetik, start capacitor harus dipakai dengan relay, untuk menghubungkan dan melepaskan kembali aliran listrik dari start capcitor.
3.2.4 RUN CAPACITOR
Run capacitor dapat memperbaiki effisiensi dengan mempertinggi atau memperbaiki faktor kerja dan menurunka amper. Menjalankan motor tanpa run capacitor yang tepat, dapat menurunkan kopel, faktor kerja, effisiensi, sedangkan ampernya naik. Run capacitor rusak dapat menyebabkan motor terbakar.
3.2.5 STARTING RELAY
Starting relay pada kompresor hermetik unit adalah suatu switch yang bekerja otomatis, berdasarkan magnit yang dibangkitkan untuk menghubungkan dan melepas hubungan listrik dari start capacitor atau lilitan bantu, setelah motor mencapai putaran penuh.
3.2.6 MOTOR LISTRIK UNTUK KOMPRESOR HERMETIK
Kompresor hermetik mempunyai motor listrik, dimana motor dan kompresor berada di dalam rumah yang tertutup rapat. Rotor dan motor menjadi satu dengan poros kompresor, maka jumlah putaran motor dan kompresor sama. Motor listrik satu phase untuk kompresor hermetik harus mempunyai starting kopel yang kuat dan effisiensi kerja yang baik. Motornya terutama mendapat pendinginan dari bahan pendingin yang dihisap dari evaporator, maka kompresor hermetik tidak boleh dijalankan untuk jangka waktu yang lama tanpa mendapat pendingin yang cukup
3.2.7 FAN MOTOR
Fan motor digunakan sebagai tenaga penggerak untuk memutar daun kipas atau blower untuk mengalirkan udara dingin dari evaporator dan untuk mendinginkan kondensor.
BAB IV
PRINSIP KERJA MESIN PENDINGIN
4.1 LEMARI ES (REFRIGERATOR)
Adalah suatu unit mesin pendingin dipergunakan dalam rumah tangga, untuk menyimpan bahan makanan atau minuman. Untuk menguapkan bahan pendingin di perlukan panas. Lemari es memanfaatkan sifat ini. Bahan pendingin yang digunakan sudah menguap pada suhu -200C. panas yang diperlukan untuk penguapan ini diambil dari ruang pendingin, karena itu suhu dalam ruangan ini akan turun. Penguapan berlangsung dalam evaportor yang ditempatkan dalam ruang pendingin. Karena sirkulasi udara, ruang pendingin ini akan menjadi dingin seluruhnya.
4.1.1 Cara Kerja Instalasi Mesin Kulkas
Setelah ke dalam kompresor diisi gas freon , maka gas itu dapat dikeluarkan kembali dari silinder oleh kompresor untuk diteruskan ke kondensor, setelah itu menuju saringan, setelah itu menuju ke pipa kapiler dan akan mengalami penahanan. Adanya penahanan ini akan menimbulkan suatu tekanan di dalam pipa kondensor. Sebagai akibatnya gas tersebut menjadi cairan di dalam pipa kondensor. Dari pipa kapiler cairan tersebut terus ke evaporator dan terus menguap untuk menyerap panas. Setelah menjadi gas terus dihisap lagi ke kompresor. Demilian siklus kembali terulang.
4.1.2 Jenis Aliran Udara Pendingin
Jenis aliran udara pada lemari es ada 2 macam
1. Secara alamiah tanpa fan motor, di dalam lemari es udara dingin pada bagian atas dekat evaporator mempunyai berat jenis lebih besar. Dari beratnya sendiri udara dingin akan mengalir ke bagian bawah lemari es. Udara panas pada bagian bawah lemari es karena berat jenisnya lebih kecil dan di desak oleh udara dingin dari atas, akan mengalir naik ke atas menuju evaporator. Udara panas oleh evaporator didinginkan menjadi dingin dan berat lalu mengalir ke bawah lagi. Demikianlah terjadi terus menerus secara alamiah.
2. Aliran udara di dalam lemari es dengan di tiup oleh fan motor, lemari es yang memakai fan motor, dapat terjadi sirkulasi udara dingin yang kuat dan merata ke semua bagian dari lemari es. Udara panas di dalam lemari es dihisap oleh fan motor lalu dialirkan melalui evaporator. Udara menjadi dingin dan oleh fan motor di dorong melalui saluran atau cerobong udara, di bagi merata ke semua bagian dalam lemari es.
4.2 Air Conditioner (AC)
Air conditioner atau alat pengkondisi udara membantu manusia memberikan udara sejuk dan menyediakan uap air yang dibutuhkan bagi tubuh. Air conditioner bentuknya lebih kecil dari lemari es, tetapi tenaga motor listrik sebagai penggerak yang diperlukan jauh lebih besar. Proses pendinginan yang harus dilakukan yaitu untuk menyejukkan udara dalam suatu ruangan luas atau kamar, adalah jauh lebih lebih besar dari pada lemari pendingin atau kulkas. Secara umum dapat dibedakan menjadi 2 jenis :
1. AC Window/ Jendela
2. AC Split
4.2.1 Prinsip Kerja AC
Prinsip kerja AC dapat dibagi 3 bagian :
1. Kerja bahan pendingin, Setelah ke dalam kompresor diisi gas freon , maka gas itu dapat dikeluarkan kembali dari silinder oleh kompresor untuk diteruskan ke kondensor, setelah itu menuju saringan, setelah itu menuju ke pipa kapiler dan akan mengalami penahanan. Adanya penahanan ini akan menimbulkan suatu tekanan di dalam pipa kondensor. Sebagai akibatnya gas tersebut menjadi cairan di dalam pipa kondensor. Dari pipa kapiler cairan tersebut terus ke evaporator dan terus menguap untuk menyerap panas. Setelah menjadi gas terus dihisap lagi ke kompresor. Demilian siklus kembali terulang.
2. Kerja Aliran Udara, kerja aliran udara ada 2 bagian yang terpisah yaitu : bagian muka atau bagian depan dan bagian belakang atau bagian yang panas. Bagian depan bagian dari evaporator merupakan bagian dingin, dimana fan menghembuskan udara meniup evaporator sehingga udara yang keluar dari bagian depan udara dingin. Sedangkan bagian belakang fan meniup kondensor untuk mendinginkan sehingga udara yang keluar udara panas dari kondensor.
3. Kerja Alat-alat Listrik, Alat-alat listrik dari AC adalah bagian-bagian yang paling banyak variasinya dan paling banyak menimbulkan gangguan-gangguan. Pada prinsipnya dapat dibagi dalam 2 bagian : fan motor dan kompresor dengan alat – alat pengaman dan pengaturnya.