diubah bentuknya dari cair menjadi gas maupun dari gas menjadi cair untuk mengambil panas dari evaporator dan membuangnya di kondenser. Jenis refrijeran
yang umum digunakan pada saat ini adalah refrigeran yang ramah terhadap lingkungan karena tidak mengandung clorofluorocarbon CFC yang dapat
merusak ozon. Mengingat pentingnya mesin pendingin dan luasnya pemakaian mesin pendingin, maka penulis tertarik untuk mengetahui lebih dalam tentang
mesin pendingin dengan melakukan penelitian tentang mesin pendingin.
1.2. Perumusan Masalah
Dalam penelitian ini, akan dicari karakteristik mesin pendingin siklus kompresi uap. Mesin pendingin yang akan ditinjau adalah mesin freezer dengan
daya 16 PK. Mesin pendingin yang dipergunakan dalam penelitian ini merupakan mesin pendingin freezer hasil buatan sendiri.
1.3. Tujuan penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah : a.
Membuat mesin freezer. b.
Menghitung kerja kompresor mesin freezer persatuan massa refrijeran. c.
Menghitung energi kalor persatuan massa refrijeran yang diserap mesin pendingin.
d. Menghitung energi kalor persatuan massa refrijeran yang dilepas mesin
pendingin e.
Menghitung COP.
1.4. Manfaat penelitian
Manfaat dari penelitian ini adalah : a.
Mampu memahami karakteristik mesin pendingin dengan siklus kompresi uap.
b. Mempunyai pengalaman dalam pembuatan mesin pendingin, pembeku dan
mesin pengkondisian udara. c.
Hasil dari penelitian ini dapat dipergunakan sebagai referensi bagi peneliti lainnya.
1.5. Batasan Masalah
Penelitian akan dibatasi pada pembuatan mesin pendingin dengan sistem siklus kompresi uap dengan menggunakan komponen dengan spesifikasi sebagai
berikut : a.
Kompresor dengan daya 115W. b.
Evaporator dan kondenser yang dipergunakan merupakan evaporator dan kondenser standar untuk mesin pendingin freezer.
c. Panjang pipa kapiler yang digunakan adalah 220 cm.
d. Refrigeran yang digunakan dalam mesin pendingin adalah R134a.
e. Beban pendinginan yang digunakan adalah air dengan volume 500 ml.
f. Temperatur awal beban pendinginan sama dengan temperatur udara
lingkungan yaitu 27 ⁰C
4
BAB II
DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Dasar Teori 2.1.1. Freezer
Freezer merupakan jenis mesin pendingin yang digunakan untuk membuat es batu dan membekukan bahan makanan seperti daging, ikan dan sebagainya agar
dapat tetap segar dan tahan lama. a. Pembagian freezer berdasarkan prinsip kerjanya.
Berdasarkan prinsip kerjanya freezer dibagi menjadi dua kategori : -
Freezer dengan daur kompresi uap Freezer dengan sistem daur kompresi uap menggunakan kerja mekanik
yang mengevaporasi dan mengkompresi refrijeran dalam proses pendinginannya.
- Freezer dengan sistem kriogenik
Freezer dengan sistem kriogenik bekerja dengan menyemprotkan secara langsung bahan pendingin berupa nitrogen cair dan karbon dioksida cair
atau gas secara langsung pada bahan yang akan didinginkan.
b. Pembagian freezer berdasarkan laju pergerakan es
Berdasarkan pada laju pergerakan es freezer terbagi menjadi beberapa kategori :
- Slow freezer 0,2 cmh, contoh : chest freezer
- Quick freezer 0,5 – 3cmh, contoh : blast freezer
- Rapid freezer 5 – 10 cmh, contoh : fluidised bed freezer
- Ultra rapid freezer 10 – 100 cmh contoh : kriogenik freezer
c. Macam-macam freezer yang sering dipergunakan Beberapa jenis freezer yang sering digunakan adalah :
- Chest freezer
Chest freezer merupakan jenis mesin pendingin yang berbentuk seperti peti dengan suhu kerja antara - 20
⁰ C sampai -38⁰ C.
Gambar 2.1 Chest freezer -
Up right freezer Up right freezer merupakan jenis mesin pendingin yang berbentuk seperti
lemari dengan suhu kerja -20 ⁰C.
Gambar 2.2 Upright freezer
2.1.2. Laju perpindahan Kalor
Laju perpindahan kalor pada mesin pendingin terdiri atas dua jenis yaitu laju perpindahan kalor konduksi dan laju perpindahan kalor konveksi.
a. Laju perpindahan kalor konduksi
Laju perpindahan kalor secara konduksi adalah proses dimana panas mengalir dari daerah yang bersuhu tinggi ke daerah bersuhu rendah di
dalam satu medium yang diam padat, cair atau gas atau antara medium- medium yang berlainan yang bersinggungan secara langsung.
b. Perpindahan kalor konveksi
Perpindahan kalor secara konveksi adalah proses transpor energi dengan kerja gabungan dari konduksi panas, penyimpanan energi dan
gerakan mencampur. Konveksi sangat penting sebagai mekanisme perpindahan energi antara permukaan benda padat dan cairan atau gas.
Perpindahan kalor secara konveksi terbagi menjadi dua cara, yaitu konveksi bebas dan konveksi paksa
- Konveksi bebas
Perpindahan kalor konveksi bebas terjadi ketika fluida yang mengalir pada proses perpindahan kalor mengalir tanpa adanya bantuan peralatan
dari luar, fluida mengalir karena ada perbedaan massa jenis. Pada umumnya perbedaan massa jenis disebabkan karena adanya perbedaan
suhu. -
Konveksi paksa Perpindahan kalor konveksi paksa terjadi ketika fluida yang mengalir
pada peroses perpindahan kalor mengalir dengan adanya alat bantu yang memaksa fluida untuk mengalir. Alat bantu yang diperrgunakan dapat
berupa pompa, blower, kipas angin atau kompressor.
2.1.3. Refrijeran
Refrijeran adalah fluida kerja yang bersirkulasi dalam siklus kompresi uap dari mesin pendingin. Refrijeran berfungsi untuk menyerap kalor dari benda-benda
yang berada di dalam evaporator dan membuangnya ke lingkungan sekitar kondenser.
a. Syarat-syarat refrijeran
Refrijeran yang dipergunakan dalam mesin pendingin siklus kompresi uap sebaiknya mememiliki sifat-sifat sebagai berikut :
- Tidak beracun.
- Tidak menyebabkan korosi pada bahan logam yang yang dipakai pada
mesin pendingin.
- Tidak dapat terbakar atau meledak jika bercampur dengan minyak
pelumas, udara dan sebagainya. -
Mempunyai titik didih dan tekanan kondensasi yang rendah. -
Mempunyai kalor laten penguapan yang besar, agar kalor yang diserap evaporator sebesar-besarnya.
- Mempunyai konduktifitas termal yang tinggi.
b. Jenis-jenis refrijeran
Refrijeran dibedakan menjadi dua jenis yaitu refrijeran primer dan refrijeran sekunder.
- Refrijeran primer
Refrijeran primer adalah fluida kerja yang digunakan oleh mesin pendingin, yang mengalami siklus kompresi uap. Refrijeran mengalami
proses penguapan di evaporator dan mengalami proses pengembunan di kondenser.
- Refrijeran sekunder
Refrijeran sekunder adalah fluida yang didinginkan oleh evaporator pada sistem refrijerasi.
2.1.4. Komponen Utama Mesin Pendingin Siklus Kompresi Uap
Komponen utama mesin pendingin siklus kompresi uap terdiri dari beberapa komponen utama seperti : kompresor, evaporator, kondenser, pipa kapiler atau
katup ekspansi.
Gambar 2.3 Komponen utama mesin pendingin siklus kompresi uap a.
Kompresor Fungsi kompresor pada mesin pendingin adalah untuk menaikan
tekanan refrigeran dari tekanan rendah menjadi tekanan tinggi. Jenis-jenis kompresor menurut prinsip kerjanya yang banyak
digunakan pada mesin pendingin siklus kompresi uap standar adalah sebagai berikut :
- Kompresor jenis piston
Gambar 2.4 Kompresor jenis piston Kompresor jenis piston banyak digunakan pada kulkas, freezer dan
mesin pendingin lain yang memerlukan kapasitas pendinginan yang tidak terlalu besar.
- Kompresor jenis rotary
Gambar 2.5 Kompresor jenis rotary
Kompresor jenis rotary banyak digunakan pada mesin pengkondisian udara jenis central, mesin pengkondisian udara rumah tangga dan mesin
pendingin lain yang memerlukan kapasitas pendinginan yang besar. Jenis-jenis kompresor jika dilihat dari posisi motor penggeraknya,
dapat dibagi menjadi tiga jenis : kompresor hermetik, kompresor semi hermetik dan kompresor open type
1. Kompresor hermetic
Kompresor hermetik adalah kompresor yang motor penggerak dan kompresornya berada dalam suatu rumahan yang tertutup. Motor
penggerak langsung memutarkan poros dari kompresor sehingga putaran motor penggerak sama dengan kompresor.
Keuntungan dari kompresor hermetik adalah : -
Bentuknya kecil, kompak dan harganya murah. -
Tidak memakai sil pada porosnya, sehingga jarang terjadi kebocoran. -
Tidak memakai tenaga penggerak dari luar sehingga tingkat kebisingannya rendah.
Kerugian dari kompresor hermetik adalah : -
Kerusakan yang terjadi didalam kompresor susah dideteksi sebelum rumah kompresor dibuka.
- Ketinggian minyak pelumas kompresor susah diketahui.
2. Kompresor semi-hermetik
Kompresor semi adalah kompresor yang motor serta kompresornya berada di dalam satu tempat atau rumahan, akan tetapi motor
penggeraknya terpisah dari kompresor. Kompresor digerakan oleh motor penggerak melalui sebuah poros penggerak.
3. Kompresor Open type
Kompresor open type adalah kompresor yang motor penggeraknya terpisah dengan kompresor. Kompresor digerakan oleh motor penggerak
melalui hubungan sabuk. Kompresor ini umumnya digunakan pada mesin pendingin dengan kapasitas besar.
Keuntungan kompresor open type : -
Jika terjadi kerusakan kita dapat dengan mudah melakukan penggantian komponen.
- Ketinggian minyak pelumas dapat diketahui dengan lebih mudah.
- Putaran kompresor dapat diubah dengan cara mengubah diameter puli.
- Pada daerah yang belum tersedia listrik, kompresor dapat bekerja dengan
sumber tenaga lain seperti mesin diesel. Kekurangan kompresor open type :
- Bentuknya besar dan berat.
- Berharga mahal.
b. Evaporator
Evaporator pada mesin pendingin merupakan tempat perubahan fase refrigeran dari cairan menjadi gas penguapan. Pada saat perubahan fase
ini diperlukan energi kalor, energi kalor diambil dari lingkungan evaporator yaitu dari bagian dalam mesin pendingin.
Gambar 2.6 Evaporator mesin freezer c.
Kondenser Kondenser pada mesin pendingin merupakan tempat perubahan fase
refrigeran dari gas menjadi cairan pengembunan atau kondensasi. Pada proses yang terjadi pada kondenser kondenser mengeluarkan kalor,kalor
yang dikeluarkan kondenser dibuang keluar dan diambil oleh udara sekitar.
Gambar 2.7 Kondenser
d. Pipa Kapiler
Pipa kapiler pada mesin pendingin berfungsi untuk menurunkan tekanan refrigeran. Pipa kapiler dipasang diantara kondenser dan
evaporator, pada sisi masuk dari pipa kapiler dipasangi filter. Ketika refrijeran mengalir di dalam pipa kapiler refrigeran mengalami penurunan
tekanan karena ukuran penampang pipa yang lebih kecil dari pipa sebelumnya. Diameter pipa kapiler yangumum digunakan pada mesin
pendingin adalah 0,0026 dan 0,0028 m.
Gambar 2.8 Pipa kapiler
e. Filter
Filter pada mesin pendingin berfungsi untuk menyaring kotoran dari regfrigeran yang melewatinya sehingga kotoran tidak mengganggu kinerja
dari mesin pendingin. Filter juga berfungsi untuk menangkap uap air dari refrijeran yang melewatinya. Jika tidak ada filter, kotoran dapat masuk ke
pipa kapiler yang berukuran lebih kecil dari pipa aliran refrijeran sebelumnya dan bisa membuat aliran di dalam pipa kapiler menjadi buntu.
Demikian juga dengan uap air, karena suhu yang dingin dapat
menyebabkan air menjadi beku di dalam pipa yang menyebabkan aliran refrijeran menjadi buntu.
Gambar 2.9 Filter
2.1.5. Komponen Pendukung Mesin Pendingin
Selain komponen utama, mesin pendingin juga memiliki beberapa komponen pendukung lain yang berfungsi untuk membantu kerja dari mesin pendingin yaitu
: Thermostat, Overload Protector, Heater dan Fan. a.
Themostat Themostat pada mesin pendingin berfungsi untuk mengatur suhu di
dalam mesin pendingin agar sesuai dengan suhu yang telah ditentukan. Jika suhu pada mesin pendingin sesuai dengan suhu yang telah ditentukan,
maka themostat akan memutus aliran listrik ke kompresor dan jika suhu pada mesin pendingin di atas dari suhu yang telah ditentukan, maka
themostat akan mengalirkan listrik ke kompresor.
Gambar 2.10 Thermostat b.
Overload motor protector Overload motor protector pada mesin pendingin merupakan pengaman
yang berfungsi untuk melindungi motor kompresor dari beban kerja yang berlebihan. Ketika kompresor mengalami panas yang berlebihan maka
Overload motor protector akan memutus arus ke motor kompresor agar kompresor tidak mengalami kerusakan.
Gambar 2.11Overload motor protector c.
Heater
Heater pada mesin pendingin berfungsi untuk mencairkan bunga es yang terdapat pada evaporator. Heater juga dapat mencegah bunga es pada
rak es dan rak penyimpanan lainnya di mesin pendingin.
Gambar 2.12 Heater d.
Fan Fan pada mesin pendingin berfungsi untuk mensirkulasikan suhu
dingin dari evaporator ke seluruh bagian penyimpanan dari mesin pendingin. Fan juga berfungsi mencegah terjadinya bunga es di
evaporator, tanpa fan maka suhu dingin akan terkumpul di evaporator saja dan akan menghasilkan bunga es.
Gambar 2.13 Fan
2.1.6. Siklus Kompresi Uap
Siklus kompresi uap dengan pemanasan lanjut pada diagram P-h dapat digambarkan seperti pada gambar 2.14.
Gambar 2.14 Diagram P-h Skema siklus kompresi uap dengan pemanasan lanjut dapat digambarkan seperti
pada Gambar 2.15.
Gambar 2.15 Siklus kompresi uap dengan pemanasan lanjut
Siklus kompresi uap pada gambar 2.14 dan 2.15 dapat dibagi menjadi beberapa tahapan sebagai berikut : proses kompresi, proses kondensasi, proses
ekspansi dan evaporasi. a.
Proses kompresi Proses kompresi terjadi pada tahap 1-2 dari gambar 2.14 dan 2.15.
Refrigeran dalam bentuk uap masuk ke kompresor, kerja atau usaha yang diberikan pada refrijeran akan menyebabkan kenaikan pada tekanan
sehingga temperatur refrigeran akan lebih tinggi dari temperatur lingkungan atau refrigeran mengalami fasa superheated.
b. Proses kondensasi
Proses kondensasi terjadi pada tahap 2-3 dari gambar 2.14 dan 2.15. Refrigeran dalam fasa superheated memasuki kondenser dan mengalami
pelepasan kalor pada tekanan konstan ke lingkungan yang menyebabkan penurunan dari fasa superheated dan pengembunan refrijeran.
c. Proses ekspansi
Proses ekspansi terjadi pada tahap 3-4 dari gambar 2.14 dan 2.15. Refrigeran dalam fasa cair mengalir menuju ke komponen ekspansi dan
mengalami penurunan tekanan dan suhu. Sehingga suhu dari refrigeran lebih rendah dari temperatur lingkungan. Pada tahap ini fasa refrigeran
berubah menjadi cair jenuh. d.
Proses evaporasi
Proses evaporasi terjadi pada tahap 4-5 dari gambar 2.14 dan 2.15. Refrigeran dalam fasa cair jenuh mengalir ke evaporator memiliki tekanan
dan temperatur rendah sehingga akan menerima kalor dari lingkungan yang akan didinginkan sehingga fasa dari refrigeran akan berubah
seluruhnya menjadi uap jenuh yang akan masuk ke kompresor untuk di sirkulasikan kembali.
2.1.7. Perhitungan Karakteristik Mesin Pendingin
Dengan bantuan diagram entalpi-tekanan, besaran yang penting dalam siklus kompresi uap dapat diketahui. Kerja kompresi, energi kalor yang diserap
evaporator, energi kalor yang dilepas kondenser dan koefisien prestasi COP. a.
Kerja kompresor W
comp
Kerja kompresor persatuan massa refrijeran merupakan perubahan entalpi pada titik 1-2 di Gambar 2.15, yang dapat dihitung dengan persamaan
2.3 W
comp
= h
2
– h
1 ,
kJkg 2.3 b.
Energi kalor persatuan massa refrijeran yang dilepas oleh kondenser Energi kalor persatuan massa refrijeran yang dilepas oleh kondenser
merupakan perubahan entalpi pada titik 2-3 di Gambar 2.15, perubahan entalpi tersebut dapat dihitung dengan persamaan 2.4.
Q
kon
= h
3
– h
2
, kJkg 2.4 c.
Energi kalor persatuan massa yang diserap evaporator
Energi kalor persatuan massa yang diserap oleh evaporator merupakan proses perubahan entalpi pada titik 4-1 di Gambar 2.15, perubahan entalpi
tersebut dapat dihitung dengan persamaan 2.5. Q
evap
= h
5
– h
4
, kJkg 2.5 d.
Koefisien prestasi COP Koefisien prestasi siklus kompresi uap standar adalah dampak refrijerasi
dibagi kerja kompresi, yang dapat dihitung dengan persamaan 2.6 COP
aktual
= Q
in
W
in
= h
1
-h
4
h
2
-h
1
2.6
2.2. Tinjauan Pustaka
Witjahjo 2009 melakukan uji prestasi mesin pendingin dengan menggunakan LPG liquified petroleum gas sebagai fluida kerja. Pada penelitian ini, LPG
digunakan sebagai pengganti refrigeran R-12 karena LPG dianggap mempunyai sifat termodinamika yang mendekati sifat termodinamika R-12. Hasil dari
pengujian yang telah dilakukan memberikan indikasi bahwa LPG dapat digunakan sebagai refrigeran pengganti R-12 terutama pada beban pendinginan sedang.
Anwar 2010 melakukan penelitian tentang efek beban pendinginan terhadap performa sistem mesin pendingin. Penelitian ini membahas tentang efek beban
pendingin terhadap kinerja sistem mesin pendingin meliputi kapasitas refrigerasi, koefisien prestasi dan waktu pendinginan. Metode yang digunakan adalah metode
eksperimental dengan variasi beban pendingin yang diperoleh dengan menempatkan bola lampu 60, 100, 200, 300 dan 400 Watt didalam ruang
pendingin. Hasil dari penelitian ini menunjukan bahwa perfoma optimum pada
pengujian selama 30 menit diperoleh pada bola lampu 200 Watt dengan COP sebesar 2,64. Sedangkan untuk waktu pendinginan diperolah paling lama oleh
beban paling tinggi bola lampu 400 Watt. Willis 2013 melakukan penelitian yang membandingkan prestasi kerja
refrigeran R22 dengan R134a pada mesin pendingin. Penelitian ini membahas mengenai perbandingan antara refrigeran R22 da R134a untuk menentukan
refrigeran mana yang lebih baik digunakan, baik dari efek refrijerasi, koefisien prestasi COP dan ramah lingkungan. Dari hasil penelitian yang dilakukan pada
kedua jenis refrigeran, diketahui bahwa karakteristik dari kedua refrigeran berbeda yang berpengaruh pada perstasi kerjanya. R22 dari segi prestasi kerjanya
lebih baik dari R134a, Tetapi R22 tidak ramah lingkungan sebaliknya R134a lebih ramah lingkungan tetapi prestasi kerjanya lebih rendah dari R22.
23
BAB III PEMBUATAN ALAT DAN METODOLOGI PENELITIAN
3.1. Pembuatan Alat 3.1.1. Komponen Mesin Freezer