PERBANDINGAN R-134a DAN R-502 SEBAGAI REFRIGERAN PRIMER PADA EFEKTIFITAS KERJA MESIN PENDINGIN DENGAN ETHYLENE GLYCOL SEBAGAI REFRIGERAN SEKUNDER SKRIPSI
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
PERBANDINGAN R-134a DAN R-502
SEBAGAI REFRIGERAN PRIMER PADA EFEKTIFITAS
KERJA MESIN PENDINGIN DENGAN ETHYLENE GLYCOL
SEBAGAI REFRIGERAN SEKUNDER
SKRIPSI
Untuk memenuhi sebagian persyaratan
mencapai derajat sarjana S-1 Teknik Mesin
Program Studi Teknik Mesin
Jurusan Teknik Mesin
Diajukan oleh
HILARION ARYO SEKAR PRABHADAMAR
NIM: 125214029
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA
YOGYAKARTA
2014
i
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
COMPARISON BETWEEN R-134a AND R-502 AS PRIMARY
REFRIGERANT AT COEFFICIENT OF PERFORMANCE OF
REFRIGERATOR WHICH USE ETHYLENE GLYCOL AS
SECONDARY REFRIGERANT
FINAL PROJECT
As partial fulfillment of the requirement
To obtain the Sarjana Teknik degree in Mechanical Engineering
Mechanical Engineering Study Program
Mechanical Engineering Department
By
HILARION ARYO SEKAR PRABHADAMAR
Student Number: 125214029
MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM
MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT
FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
SANATA DHARMA UNIVERSITY
YOGYAKARTA
2014
ii
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
INTISARI
Mesin pendingin pada penelitian ini adalah mesin yang digunakan untuk
membekukan air atau dapat disebut juga freezer. Tujuan penelitian ini adalah
untuk mengetahui dan membandingkan karakteristik mesin pendingin dengan
siklus kompresi uap yang menggunakan refrigeran sekunder. Karakteristik mesin
pendingin meliputi perhitungan (1) penyerapan energi kalor per satuan massa
refrigeran pada evaporator ( ), (2) pelepasan kalor per satuan massa refrigeran
pada kondensor (
), (3) kerja per satuan massa refrigeran pada kompresor
(
), (4) laju massa refrigeran R-134a dan R-502 pada mesin pendingin ( ̇ ), (5)
COP ideal dan aktual mesin pendingin, (6) efisiensi mesin pendingin ( ), (7)
mengukur nilai arus listrik pada kompresor dari waktu ke waktu, dan menghitung
besarnya daya listrik yang dikonsumsi kompresor.
Penelitian dilakukan dengan menggunakan mesin pendingin yang terdiri
dari kompresor hermetic dengan daya 124 watt berdasarkan yang tertera pada
nameplate, kondensor tipe 12U, filter 3 lubang, pipa kapiler (capillary tube)
dengan diameter dalam 0,026 inchi (0,66 mm) dan panjang 2 meter, dan
evaporator yang dibuat dari pipa tembaga dengan diameter dalam 0,25 inchi (6,35
mm) dan panjang 8 meter. Refrigeran primer yang digunakan ada dua macam,
yaitu Tetrafluoroethane (R-134a) yang tergolong hydrofluorcarbon (HFC) yang
⁄ ∙ ℉ dan
bekerja pada tekanan tinggi dengan Cp = 0,3366
chlorodifluoromethane atau chloropentafluoroethane (R-502) yang tergolong
Chloro Fluoro Carbon (CFC) yang juga bekerja pada tekanan tinggi dengan Cp =
⁄ ∙ ℉. Selain itu, mesin pendingin yang digunakan di dalam
0,2958
penelitian ini juga menggunakan ethylene glycol sebagai refrigeran sekunder.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa, (1) penyerapan energi kalor per
satuan massa refrigeran oleh R-134a lebih besar dibandingkan R-502 yang
ditunjukkan dengan nilai rata-rata energi kalor yang diserap yaitu 167,82 kJ/kg
dan 147,79 kJ/kg. (2) pelepasan energi kalor per satuan massa refrigeran oleh R134a lebih besar dibandingkan R-502 yang ditunjukkan dengan nilai rata-rata
energi kalor yang dilepas yaitu 226,81 kJ/kg dan 210,94 kJ/kg. (3) kerja per
satuan massa refrigeran dengan R-134a lebih kecil dibandingkan dengan R-502
yaitu 58,99 kJ/kg dan 63,15 kJ/kg. (4) laju aliran massa R-134a lebih besar
dibandingkan dengan R-502 yang ditunjukkan dengan nilai rata-rata laju aliran
massa yaitu 2,59 g/s dan 2,44 g/s. (5) COP ideal dan COP aktual R-134a lebih
besar dibandingkan R-502 yaitu 3,66 dibandingkan 3,07 dan 2,85 dibandingkan
2,35. (6) efisiensi mesin pendingin dengan R-134a lebih besar dengan R-502 yaitu
0,78 dan 0,76. (7) daya listrik yang diserap oleh kompresor dengan R-134a lebih
kecil dibandingkan dengan R-502 yaitu 152,38 watt dan 153,63 watt.
Kata kunci: mesin pendingin, R-502, siklus kompresi uap, refrigeran sekunder,
ethylene glycol.
vii
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
ABSTRACT
Refrigerating machine category in this research is freezer which is used
for freezing water. The research purposes are studying and comparing
refrigerating machine characteristic with vapour compression refrigeration cycle
which uses secondary refrigerant. (1) Heat absorption per refrigerant mass unit in
evaporator ( ), (2) heat discharge per refrigerant mass unit in condenser (
),
(3) work per refrigerant mass unit in compressor (
), (4) mass flow rate of R134a and R-502 in refrigerating machine ( ̇ ), (5) ideal and actual COP of
refrigerating machine, (6) efficiency of refrigerating machine ( ), (7) measuring
electric current in compressor over time, and calculating electric power which is
consumed by compressor.
This research has been done by using refrigerating machine which is
comprised of hermetic compressor 124 watt (based on nameplate information),
condenser 12U type, filter with 3 channels, capillary tube with inner diameter
0.026 inch (0.66 mm) and length of 2 meter, and evaporator which is made up of
copper tube with inner diameter 0.25 inch (6.35 mm) and length of 8 meter. This
research used 2 types of primary refrigerant; those are Tetrafluoroethane (R-134a)
classified as hydrofluorcarbon (HFC) which works in high pressure state with Cp
⁄ ∙ ℉ and chlorodifluoromethane or chloropentafluoroethane (R= 0.3366
502) classified as Chloro Fluoro Carbon (CFC) which works also in high pressure
⁄ ∙ ℉. Furthermore, ethylene glycol as
condition with Cp = 0,2958
secondary refrigerant is used in the research.
The research result indicates that, (1) heat absorption per refrigerant mass
unit by R-134a is greater than heat absorption by R-502 which is proved by
average point of heat absorption 167.82 kJ/kg and 147.79 kJ/kg. (2) Heat
discharge per refrigerant mass unit by R-134a is greater compared with heat
discharge by R-502 which is proved by average point of heat discharge 226.81
kJ/kg and 210.94 kJ/kg. (3) Work per refrigerant mass unit with R-134a is lower
than using R-502 where 58.99 kJ/kg and 63.15 kJ/kg respectively. (4) Mass flow
rate of R-134a is higher than mass flow rate of R-502 where it is indicated by
average point of mass flow rate respectively 2.59 g/s and 2.44 g/s. (5) Ideal and
actual COP of R-134a is greater than R-502, namely each of the values is 3.66
compared with 3.07 and 2.85 compared with 2.35. (6) Efficiency of refrigerating
machine using R-134a is higher than using R-502, namely each of the points is
0.78 and 0.76 respectively. (7) Electric power which is consumed by compressor
with R-134a is lower than R-502, is 152.38 watt and 153.63 watt respectively.
Keywords: refrigerating machine, R-502, vapour compression refrigeration cycle,
secondary refrigerant, ethylene glycol.
viii
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
DAFTAR NOTASI
h
: enthalpy (kJ/kg)
m
: laju aliran massa refrigerant pada mesin pendingin (g/s)
p
: tekanan (psia) atau (bar)
P
: daya listrik yang digunakan compressor (watt) atau (J/s)
Qin
: energi kalor per satuan massa refrigerant yang diserap (kJ/kg)
QL
: energi kalor per satuan massa refrigerant yang diserap (kJ/kg)
Q in
: laju penyerapan energi kalor (kJ/s)
Qout
: energi kalor per satuan massa refrigerant yang dilepas (kJ/kg)
QH
: energi kalor per satuan massa refrigerant yang dilepas (kJ/kg)
Q out
: laju pelepasan energi kalor (kJ/s)
s
: entropy (kJ/kg)
T
: temperature atau suhu (oC, oF)
TH
: temperature reservoir bersuhu tinggi (K)
TL
: temperature reservoir bersuhu rendah (K)
v
: volume jenis/specific volume (m3/kg)
Win
: kerja compressor per satuan massa refrigerant (kJ/kg)
WC
: kerja compressor per satuan massa refrigerant (kJ/kg)
W C
: daya atau laju energi yang diserap oleh compressor (kJ/s)
ηII
: efisiensi hukum kedua Termodinamika atau efisiensi mesin pendingin
ix
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
KATA PENGANTAR
Segala puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas semua
kebaikan yang telah dilimpahkan-Nya sehingga penulis mampu menyusun
Skripsi, menyelesaikan studi dengan hasil yang memuaskan. Judul Skripsi adalah
Perbandingan R134a dan R-502 sebagai Refrigeran Primer pada Efektifitas Kerja
Mesin Pendingin dengan Ethylene Glycol sebagai Refrigeran Sekunder.
Penyusunan skripsi ini tentunya berat, namun dengan bantuan,
bimbingan, dan saran yang konstruktif dari berbagai pihak, penulis mampu
menyelesaikan Skripsi dengan hasil yang baik. Dengan kerendahan hati, penulis
menyampaikan terima kasih kepada:
1. Paulina Heruningsih Prima Rosa, S.Si., M.Sc., sebagai Dekan Fakultas Sains
dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
2. Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T., sebagai Ketua Program Studi Teknik Mesin
Universitas Sanata Dharma Yogyakarta dan sebagai Dosen Pembimbing
Skripsi.
3. A. Prasetyadi S.Si., M.Si., sebagai Dosen Pembimbing Akademik.
4. Seluruh Dosen, Staf Karyawan, dan Laboran Universitas Sanata Dharma
Yogyakarta yang telah bekerja keras melayani semua hal demi kelancaran
pendidikan.
5. Hadrian Edy Suharyo dan Paulina Maria Sri Maryati selaku orang tua penulis
yang senantiasa mendukung dan memotivasi penulis dalam belajar dan
menyelesaikan Skripsi, serta keluarga penulis yang lain, yang tidak dapat
penulis sebutkan satu persatu.
6. Angelina Corbara Damar K. sebagai kekasih dan sahabat istimewa penulis
yang setia mendengarkan keluh kesah penulis dan selalu memberikan saransaran konstruktif bagi penulis.
7. FX. Pamungkas dan Lorentius Nico Advery sebagai rekan seperjuangan
penulis dalam membuat alat penelitian dan penyusunan Skripsi.
x
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
8. Teman-teman Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma,
teman-teman UKM Mapasadha, dan semua pihak lain yang tidak dapat penulis
sebutkan satu persatu.
Semoga dengan naskah Skripsi yang telah disusun ini dapat memberikan
banyak manfaat bagi penerapan teknologi tepat guna untuk masa depan yang lebih
baik serta menjadi sumber inspirasi bagi mahasiswa maupun pembaca lainnya
dalam menciptakan inovasi di bidang teknologi. Ketidaksempurnaan penulisan
naskah ini menjadi motivasi bagi penulis untuk terus belajar. Oleh sebab itu,
segala bentuk saran dan kritik yang membangun akan penulis terima. Penulis
mohon maaf apabila terdapat informasi yang tidak lengkap dalam naskah ini.
Yogyakarta, 14 Juli 2014
Penulis,
Hilarion Aryo Sekar Prabhadamar
xi
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL…………………………………………………....
i
TITLE PAGE…………………………………………………................
ii
HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING…………………….…..
iii
HALAMAN PENGESAHAN……………………………………….….
iv
PERNYATAAN KEASLIAN KARYA………………………………...
v
PERNYATAAN PERSETUJUAN……………………………………...
vi
INTISARI……………………………………………………………......
vii
ABSTRACT……………………………………………………………………
viii
DAFTAR NOTASI…………………………………………………………..…
xi
KATA PENGANTAR……………………………………………………….....
x
DAFTAR ISI……………………………………………………………….…..
xii
DAFTAR GAMBAR…………………………………………………………...
xv
DAFTAR TABEL………………………………………………………….…..
xviii
BAB I
BAB II
PENDAHULUAN………………………………………………...
1
1.1 Latar Belakang…………………………………………….…..
1
1.2 Rumusan Masalah………………………………………….….
4
1.3 Tujuan Penelitian……………………………………………...
5
1.4 Batasan Penelitian…………………………………….……….
5
1.5 Manfaat Penelitian………………………………………….…
6
LANDASAN TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA………….…
8
2.1 Landasan Teori………………………………………………..
8
2.1.1 Siklus Carnot dan Siklus Balik Carnot……………………...
8
2.1.2 Model Sistem Refrigerasi Gas: Siklus Balik Brayton………
16
2.1.3 Skala Temperatur Termodinamika………………………….
19
2.1.4 Siklus Ideal Kompresi Uap………………………………….
19
2.1.5 Siklus Aktual Kompresi Uap………………………………..
25
2.1.6 Refrigeran.…………………………………………………..
28
2.1.6.1 Refrigeran Primer………………………………………...
29
2.1.6.2 Refrigeran Sekunder……………………………………...
32
2.1.7 Komponen-komponen Mesin Pendingin……………………
34
2.1.7.1 Kompresor………………………………………………...
34
xii
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
2.1.7.2 Kondenser…………………………………………………
38
2.1.7.3 Pipa kapiler dan katup ekspansi…………………………...
39
2.1.7.4 Evaporator………………………………………………...
40
2.1.8 Daya Listrik…………………………………………………
41
2.1.9 Efisiensi Hukum Kedua Termodinamika (ηII)………………
41
2.2 Tinjauan Pustaka………………………………………………
43
PERAKITAN FREEZER………………………………………….
47
3.1 Persiapan Perakitan Freezer…………………………………..
47
3.2 Daftar Bahan dan Peralatan pada Penelitian…………………..
47
3.2.1 Kompresor……………………………………......................
56
3.2.2 Kondenser…………………………………….......................
56
3.2.3 Filter….…………………………………...............................
57
3.2.4 Pipa kapiler…………………………………….....................
57
3.2.5 Evaporator……………………………………......................
58
3.2.6 Pressure Gauge……………………………………..............
59
3.3 Proses Perakitan Freezer……………………………………...
60
3.4 Proses Pengujian Freezer……………………………………..
66
METODOLOGI PENELITIAN…………………………………..
67
4.1 Diagram Alir Pelaksanaan Penelitian…………………………
67
4.2 Obyek Penelitian………………………………………………
69
4.3 Skema Alat Penelitian………………………………………...
69
4.4 Variasi Penelitian……………………………………………...
70
4.5 Cara Mendapatkan Data………………………………………
71
4.6 Cara Mengolah Data…………………………………………..
72
4.7 Cara Memperoleh Kesimpulan………………………………..
73
HASIL DAN PEMBAHASAN…………………………………...
74
5.1 Hasil Penelitian……………………………………………….
74
5.2 Perhitungan……………………………………………………
77
5.3 Pembahasan…………………………………………………...
93
KESIMPULAN DAN SARAN…………………………………...
102
6.1 Kesimpulan……………………………………………………
102
6.2 Saran…………………………………………………………..
104
DAFTAR PUSTAKA………………………………………………………….
105
BAB III
BAB IV
BAB V
BAB VI
xiii
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
LAMPIRAN……………………………………………………………………
107
xiv
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1
Proses berlangsungnya siklus Carnot pada sistem tertutup...
10
Gambar 2.2
Diagram p-v Siklus Carnot…………………………………
12
Gambar 2.3
Skema dan diagram T-s Siklus Balik Carnot………………
12
Gambar 2.4
Perbandingan COPR dari mesin pendingin reversible,
irreversible, dan imposible…………………………………
15
Gambar 2.5
Skema Siklus Balik Brayton………………………………..
16
Gambar 2.6
Diagram T-s dan p-v Siklus Balik Brayton………………...
17
Gambar 2.7
Prinsip kerja mesin pendingin……………………………...
20
Gambar 2.8
Skema komponen mesin pendingin dan diagram T-s siklus
ideal kompresi uap………………………………………….
24
Gambar 2.9
Siklus Ideal Kompresi Uap pada diagram p-h……………...
25
Gambar 2.10
Skema dan diagram T-s Siklus Aktual Kompresi Uap……..
26
Gambar 2.11
Titik beku larutan-larutan ethylene glycol………………….
33
Gambar 2.12
Diagram fase larutan anti beku……………………………..
33
Gambar 2.13
Hermetic compressor (section view 2D)…………………………
35
Gambar 2.14
Hermetic compressor (section view 3D)…………………………
36
Gambar 2.15
Semi-hermetic compressor (section view 2D)……………………
36
Gambar 2.16
Semi-hermetic compressor (section view 3D)……………………
37
Gambar 2.17
Compressor pada mobil………………………………………….
37
Gambar 2.18
a. Condenser untuk mobil; b. Condenser untuk freezer……
38
Gambar 2.19
Pipa kapiler (capillary tube)………………………………..
39
Gambar 2.20
Thermal Expansion Valve (TXV)…………………………...
40
Gambar 2.21
a. AC evaporator; b. Fridge evaporator……………………
40
Gambar 3.1
Kompresor Hermetic……………………………………………..
56
Gambar 3.2
Kondeser Tipe 12-U………………………………………..
56
Gambar 3.3
Filter……………………………………………………………...
57
Gambar 3.4
Pipa kapiler……………………………………………………….
58
Gambar 3.5
Evaporator………………………………………………………..
58
Gambar 3.6
Low Pressure Gauge……………………………………………..
59
xv
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
Gambar 3.7
High Pressure Gauge…………………………………………….
59
Gambar 3.8
Posisi pemasangan kondenser……………………………………
60
Gambar 3.9
Saluran keluar fluida saat proses pemvakuman terdapat
pada filter…………………………………………………...
64
Gambar 4.1
Diagram Alir Pelaksanaan Tugas Akhir……………………
67
Gambar 4.2
Skema Alat Penelitian……………………………………………
70
Gambar 5.1
Ilustrasi penentuan nilai enthalpy, TH, TL, dan tekanan……
82
Gambar 5.2
COP aktual dari waktu ke waktu untuk mesin pendingin
dengan fluida kerja R-502 sesuai dengan hasil perhitungan
pada Tabel 5.11……………………………………………..
Gambar 5.3
93
COP aktual dari waktu ke waktu untuk mesin pendingin
dengan fluida kerja R-134a sesuai dengan hasil perhitungan
pada Tabel 5.19……………………………………………..
Gambar 5.4
94
Efisiensi mesin pendingin dari waktu ke waktu dengan
fluida kerja R-502 sesuai dengan hasil perhitungan pada
Tabel 5.11…………………………………………………..
Gambar 5.5
95
Efisiensi mesin pendingin dari waktu ke waktu dengan
fluida kerja R-134a sesuai dengan hasil perhitungan pada
Tabel 5.19…………………………………………………..
Gambar 5.6
Laju massa R-502 dari waktu ke waktu sesuai dengan hasil
perhitungan pada Tabel 5.11……………………………….
Gambar 5.7
96
Laju massa R-134a dari waktu ke waktu sesuai dengan
hasil perhitungan pada Tabel 5.19…………………………
Gambar 5.8
95
96
Grafik konsumsi daya listrik mesin pendingin dengan
penggunaan R-502 dari waktu ke waktu sesuai dengan
hasil perhitungan pada Tabel 5.11………………………….
Gambar 5.9
97
Daya listrik dari waktu ke waktu untuk mesin pendingin
dengan fluida kerja R-134a sesuai dengan hasil perhitungan
pada Tabel 5.19……………………………………………..
98
xvi
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
Gambar 5.10
COP aktual mesin pendingin dari waktu ke waktu dengan
fluida kerja R-502 dan R-134a pada hari pertama…………
Gambar 5.11
COP aktual dari waktu ke waktu untuk mesin pendingin
dengan fluida kerja R-502 dan R-134a pada hari kedua…...
Gambar 5.12
99
99
COP aktual mesin pendingin menggunakan R-502 dan R134a sebagai fluida kerja pada hari ketiga…………………
100
xvii
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1
Beberapa refrigerant halokarbon…………………………..
29
Tabel 2.2
Beberapa refrigerant anorganik……………………………
30
Tabel 2.3
Beberapa refrigerant hidrokarbon…………………………
30
Tabel 3.1
Daftar Bahan……………………………………………......
48
Tabel 3.2
Daftar Peralatan…………………………………………….
52
Tabel 3.3
Daftar Alat Ukur……………………………………………
55
Tabel 5.1
Data Pengamatan Karakteristik Mesin Pendingin dengan
R-502, 1 April 2014………………………………………...
Tabel 5.2
Data Pengamatan Karakteristik Mesin Pendingin dengan
R-502, 2 April 2014………………………………………...
Tabel 5.3
78
Hasil Konversi satuan temperatur dan tekanan R-502, 2
April 2014…………………………………………………..
Tabel 5.9
77
Hasil Konversi satuan temperatur dan tekanan R-502, 1
April 2014…………………………………………………..
Tabel 5.8
76
Data Pengamatan Karakteristik Mesin Pendingin dengan
R-134a, 7 April 2014……………………………………….
Tabel 5.7
76
Data Pengamatan Karakteristik Mesin Pendingin dengan
R-134a, 6 April 2014……………………………………….
Tabel 5.6
75
Data Pengamatan Karakteristik Mesin Pendingin dengan
R-134a, 5 April 2014……………………………………….
Tabel 5.5
75
Data Pengamatan Karakteristik Mesin Pendingin dengan
R-502, 3 April 2014………………………………………...
Tabel 5.4
74
79
Hasil Konversi satuan temperatur dan tekanan R-502, 3
April 2014…………………………………………………..
80
Tabel 5.10
Hasil Perhitungan Nilai QL, QH, Win, R-502, 1 April 2014..
81
Tabel 5.11
Hasil Perhitungan Nilai COP aktual, COP ideal, efisiensi,
laju aliran massa, dan daya compressor, R-502, 1 April
Tabel 5.12
2014…………………………………………………...........
81
Hasil Perhitungan Nilai QL, QH, Win, R-502, 2 April 2014..
85
xviii
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
Tabel 5.13
Hasil Perhitungan Nilai COP aktual, COP ideal, efisiensi,
laju aliran massa, dan daya compressor, R-502, 2 April
2014………………………………………………………...
85
Tabel 5.14
Hasil Perhitungan Nilai QL, QH, Win, R-502, 3 April 2014..
86
Tabel 5.15
Hasil Perhitungan Nilai COP aktual, COP ideal, efisiensi,
laju aliran massa, dan daya compressor, R-502, 3 April
2014………………………………………………………...
86
Tabel 5.16
Hasil Perhitungan Nilai QL, QH, Win, R-134a, 5 April 2014
87
Tabel 5.17
Hasil Perhitungan Nilai COP aktual, COP ideal, efisiensi,
laju aliran massa, dan daya compressor, R-134a, 5 April
2014………………………………………………………...
88
Tabel 5.18
Hasil Perhitungan Nilai QL, QH, Win, R-134a, 6 April 2014
88
Tabel 5.19
Hasil Perhitungan Nilai COP aktual, COP ideal, efisiensi,
laju aliran massa, dan daya compressor, R-134a, 6 April
2014………………………………………………………...
89
Tabel 5.20
Hasil Perhitungan Nilai QL, QH, Win, R-134a, 7 April 2014
89
Tabel 5.21
Hasil Perhitungan Nilai COP aktual, COP ideal, efisiensi,
laju aliran massa, dan daya compressor, R-134a, 7 April
2014…………………………………………………….......
90
xix
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Bidang refrigerasi dewasa ini banyak dikembangkan dan sudah banyak pula
dipakai untuk berbagai keperluan, mulai dari keperluan rumah tangga hingga
keperluan industri. Mesin-mesin pendingin sudah banyak diciptakan untuk
berbagai kebutuhan manusia di bidang refrigerasi. Beberapa contoh mesin
pendingin adalah kulkas, freezer, show case, cold storage, cold container, ice
maker, ice skating rinks, dan mesin pendingin mayat (mortuary chamber).
Sistem refrigerasi ini berperan penting dalam banyak bidang, misalnya
bidang pengolahan makanan atau minuman dan bidang penyimpanan bahan-bahan
kimia. Dalam industri makanan, banyak proses di dalamnya membutuhkan sistem
refrigerasi, yaitu pengawetan atau pembekuan, serta pemrosesan bahan makanan
atau minuman, dan distribusinya. Pada industri kimia, sistem refrigerasi juga
digunakan untuk penyerapan kalor pada bahan-bahan kimia.
Pada industri makanan, kondisi udara di tempat penyimpanan bahan
makanan perlu diperhatikan. Bahan-bahan makanan seperti daging, ikan, buahbuahan, serta sayur-sayuran bersifat mudah membusuk karena aktifitas bakteri
dapat berkembang pesat dalam proses pembusukan pada suhu ruang, berkisar
21,1˚C hingga 37,8˚C (Basbeth, 2012). Umur penyimpanan bahan-bahan makanan
tersebut dapat diperpanjang dengan cara menyimpannya pada suhu rendah di atas
suhu pembekuan bahan makanan tersebut. Ada pula bahan makanan setengah jadi,
1
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
2
seperti sosis atau nugget, sengaja dibekukan agar dapat bertahan hingga beberapa
bulan lamanya hingga konsumen mengolahnya.
Bahan makanan yang dikeluarkan dari cold storage akan didistribusikan ke
pasar-pasar hingga akhirnya sampai pada konsumen dan disimpan di dalam kulkas
sebelum diolah dan dikonsumsi. Dapat dicermati pada skema distribusi bahan
makanan betapa pentingnya sistem refrigerasi untuk menjaga kualitas bahan
makanan tetap baik hingga dikonsumsi. Proses distribusi bahan makanan ataupun
makanan juga memerlukan ruang pendingin di dalam kendaraan atau kita dapat
menyebutnya sebagai cold container. Setelah sampai di pasar, tentu bahan
makanan atau makanan jadi ini perlu tempat untuk menyajikannya kepada
konsumen agar konsumen dapat melihat langsung bahan makanan yang
ditawarkan. Mesin pendingin jenis ini disebut freezer dan mesin guna menyajikan
minuman disebut show case.
Dalam pengolahan bahan makanan, seperti pengolahan susu, es krim, dan
keju juga membutuhkan sistem refrigerasi. Pengolahan susu membutuhkan suhu
rendah berkisar 3˚C hingga 4˚C untuk penyimpanan setelah melewati proses
pasteurisasi selama kurang lebih 20 detik pada suhu kira-kira 73˚C. Pengolahan es
krim mencampurkan bahan-bahan es krim pada suhu kira-kira 6˚C dan terus
menerus diaduk sambil menurunkan suhu mencapai -5˚C kemudian disimpan
pada suhu di bawah titik bekunya (Stoecker dan Jones, 1989).
Pada industri kimia, beberapa proses yang membutuhkan sistem refrigerasi
adalah
proses
pemisahan
gas-gas,
pengembunan
gas,
pemadatan atau
pengendapan suatu zat di dalam campuran untuk memisahkannya dengan yang
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
3
lain, menjaga kondisi suhu rendah dalam penyimpanan gas cair agar tekanannya
tidak berlebihan, dan penghilangan kalor reaksi. Campuran gas hidrokarbon dapat
dipisahkan menjadi unsur-unsurnya dengan cara mendinginkan campuran
tersebut, sehingga unsur yang tinggi titik didihnya akan mencair terlebih dahulu
dan dapat dipisahkan secara fisik dengan unsur yang masih berbentuk gas
(Stoecker dan Jones, 1989).
Penulis tertarik untuk melakukan penelitian di bidang refrigerasi pada mesin
pendingin dengan siklus kompresi uap karena begitu banyak peneliti yang
mengerjakan penelitian pada bidang ini. Selain itu juga untuk memenuhi rasa
ingin tahu penulis pada penggunaan refrigeran terbaik dalam siklus kompresi uap
guna meningkatkan nilai Coefficient of Performance mesin pendingin. Dalam
penelitian ini, refrigeran primer yang digunakan dan dibandingkan adalah R-134a
dan R-502 serta ethylene glycol sebagai refrigeran sekunder.
Hassan (2013) melakukan penelitian pada ice maker machine dengan
menggunakan karbon methanol aktif sebagai adsorbent refrigerant working pair.
Penelitiannya bertujuan untuk menghitung nilai penyerapan kalor pada evaporator
di ice maker machine yang menggunakan karbon methanol aktif sebagai
refrigeran dan untuk mengurangi konsumsi pada energi listrik. Latar belakang dari
penelitiannya juga jelas, karena pada saat ini mesin pendingin dengan siklus
kompresi uap didominasi oleh penggunaan electric compressor yang berdampak
pada tingginya penggunaan daya listrik. Berbeda dengan mesin pendingin lainnya,
ice maker machine yang dikerjakan Hassan (2013) tidak menggunakan electric
compressor melainkan menggunakan adsorption reactor.
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
4
Pada penelitian yang dilakukan oleh Antonijevic (2008), refrigeran yang
dibandingkan adalah CO2 dengan R-134a. Karakteristik kedua refrigeran tersebut
berbeda, sehingga berpengaruh pada komponen di mesin pendingin. Komponenkomponen utama pada mesin pendinginnya adalah kompresor, gas cooler,
expansion valve, accumulator, dan internal heat exchanger (IHX). Internal Heat
Exchanger (IHX) berfungsi untuk pendinginan dan pemanasan lanjut refrigeran
CO2. Pada saat refrigeran CO2 keluar dari gas cooler, tekanan dan temperaturnya
sangat tinggi, kondisi ini dimanfaatkan untuk proses pemanasan lanjut. Pada saat
refrigeran CO2 keluar dari evaporator, tekanan dan suhunya sangat rendah,
kondisi ini dimanfaatkan untuk proses pendinginan lanjut. Proses pemanasan
lanjut bertujuan untuk mengubah fase CO2 dari campuran cair dan gas menjadi
sepenuhnya gas sebelum masuk ke kompresor, sedangkan proses pendinginan
lanjut bertujuan untuk menurunkan temperatur refrigeran setelah keluar dari gas
cooler. Dengan turunnya temperatur refrigeran, coefficient of performance (COP)
mesin pendingin meningkat. Proses pada gas cooler pun tidak sepenuhnya
kondensasi,
namun
menggunakan
pendinginan
uap
super
kritis
untuk
mempercepat proses pelepasan kalor.
1.2 Rumusan Masalah
Masalah yang dapat dirumuskan pada penelitian ini adalah sebagai berikut.
1. Perbandingan efektifitas kerja compressor pada mesin pendingin yang
menggunakan R-134a dan R-502.
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
5
2. Perbandingan nilai COP mesin pendingin yang menggunakan R-134a dan R502.
1.3 Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini dijelaskan pada poin-poin di bawah ini.
1. Menghitung dan membandingkan nilai-nilai berikut ini.
a. Penyerapan kalor per satuan massa refrigeran (
) pada evaporator untuk
R-134a dengan R-502.
b. Pelepasan kalor per satuan massa refrigeran (
) pada kondensor untuk
R-134a dengan R-502.
c. Kerja per satuan massa refrigeran (
) pada kompresor.
d. Laju massa refrigeran R-134a dan R-502 pada mesin pendingin ( ̇ ).
e. Coefficient of Performance (COP) ideal dan COP aktual mesin pendingin
dengan R-134a dan dengan R-502.
f. Efisiensi mesin pendingin (
), yaitu perbandingan antara nilai COP
aktual dan nilai COP ideal.
2. Mengukur nilai arus listrik dan tegangan listrik yang digunakan kompresor
dari waktu ke waktu dan menghitung daya yang digunakan kompresor dari
waktu ke waktu selama proses pendinginan.
1.4 Batasan Penelitian
Batasan-batasan pada penelitian ini dijabarkan dalam poin-poin di bawah ini.
1. Refrigeran primer pada penelitian ini adalah R-134a dan R-502.
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
6
2. Refrigeran sekunder pada penelitian ini adalah ethylene glycol.
3. Beban pendinginan pada penelitian ini adalah air dengan volume 0,5 dm3.
4. Kompresor pada penelitian ini sesuai yang tertera pada nameplate adalah jenis
hermetic compressor yang digunakan untuk kompresi refrigeran R-12.
Spesifikasi motor listriknya sebagai berikut, yaitu daya 124 watt, arus listrik
0,92 ampere, beda potensial 220 VAC, frekuensi 50/60 Hz, 1 phase.
5. Kondensor pada penelitian ini mempunyai tipe 12-U.
6. Pipa kapiler pada penelitian ini berbahan tembaga dengan diameter dalam
0,026 inch (0,66 mm) dan panjang 2 meter.
7. Evaporator pada penelitian ini terbuat dari pipa tembaga dengan diameter
dalam 0,25 inch (6,35 mm) dan panjang 8 meter.
8. Filter dalam penelitian ini memiliki tiga lubang, yaitu dua lubang berfungsi
untuk saluran aliran refrigeran dari kondensor menuju pipa kapiler dan satu
lubang lain berfungsi untuk mengeluarkan udara di dalam mesin pendingin
pada saat proses pemvakuman.
9. Pressure gauge dalam pemelitian ini ada dua macam, yaitu low pressure
gauge dengan kapasitas tekanan pengukuran 0 hingga 250 psi dan high
pressure gauge dengan kapasitas tekanan pengukuran 0 hingga 500 psi.
10. Tekanan refrigeran pada saat pengisian adalah 5 psig.
1.5 Manfaat Penelitian
Manfaat yang ingin diberikan penulis kepada masyarakat adalah sebagai
berikut.
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
7
1. Menjadi referensi pustaka bagi peneliti-peneliti lain yang hendak meneliti dan
mengembangkan teknologi pada bidang mesin pendingin dengan siklus
kompresi uap.
2. Menambah koleksi pustaka ilmu pengetahuan perpustakaan Universitas Sanata
Dharma, Yogyakarta.
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
BAB II
LANDASAN TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Landasan Teori
Dalam penelitian ini penulis meneliti pengaruh refrigeran terhadap COPR
suatu mesin pendingin yang beroperasi dengan prinsip siklus kompresi uap. Oleh
karena itu, properti dari refrigeran perlu untuk dipelajari dalam bab ini. Selain itu
juga diperlukan pemahaman akan siklus kompresi uap serta dua siklus lain yang
berkaitan erat dengan siklus kompresi uap, yaitu siklus balik Carnot dan siklus
balik Brayton.
2.1.1 Siklus Carnot dan Siklus Balik Carnot (Reversed Carnot Cycle)
Mesin kalor dikenal sebagai sebuah perangkat siklus, artinya sebuah
perangkat yang bekerja dengan suatu siklus sebagai prinsip kerjanya. Fluida kerja
mesin kalor dapat kembali ke kondisi awal setelah siklus pada mesin kalor
berhenti. Hal demikian itu adalah prinsip proses reversible. Kerja dapat diberikan
oleh fluida kerja di satu elemen mesin kalor selama siklus berlangsung dan kerja
juga dapat diterima oleh fluida kerja di elemen mesin kalor yang lain selama
siklus berlangsung. Beda atau selisih nilai kerja di antara dua elemen mesin kalor
tersebut disebut kerja bersih mesin kalor.
Efisiensi kerja sebuah mesin kalor sangat bergantung pada performa tiap
proses yang berlangsung di dalam tiap elemen mesin kalor yang membentuk
siklus. Kerja bersih mesin kalor, sebagai hasil dari efisiensi kerja mesin kalor,
dapat dimaksimalkan dengan menggunakan proses-proses yang menyerap
8
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
9
sejumlah kecil energi, namun menghasilkan energi yang jauh lebih besar. Untuk
mencapai tujuan tersebut, proses-proses yang berlangsung haruslah reversible.
Oleh karena itu, tidak mengejutkan apabila siklus yang paling efisien adalah
siklus reversible karena siklus reversible terdiri dari proses-proses reversible.
Siklus reversible tidak dapat dicapai karena irreversibilities pada tiap
proses tidak dapat dihilangkan. Kemungkinan, siklus yang dikenal paling baik
sebagai siklus reversible adalah siklus Carnot yang dikemukakan pertama kali
pada tahun 1824 oleh ahli teknik berkebangsaan Perancis, Sadi Carnot. Secara
teori, mesin kalor yang bekerja menggunakan prinsip siklus Carnot disebut mesin
kalor Carnot. Siklus Carnot dibentuk oleh empat proses reversible, yang terdiri
dari dua proses isothermal dan dua proses adiabatic, dan dapat dioperasikan baik
dalam sistem tertutup maupun sistem aliran konstan (steady-flow system).
Gambar 2.1 memberikan ilustrasi tentang sebuah sistem tertutup yang
mengandung fluida gas di dalam sebuah rakitan piston-silinder adiabatic dan
empat proses reversible yang membentuk siklus Carnot. Isolasi pada kepala
silinder dapat dilepas guna menghubungkan kepala silinder dengan tabung
penyimpan kalor supaya terjadi perpindahan kalor. Saat isolasi dipasangkan
kembali akan mencegah terjadinya perpindahan kalor.
Ekspansi reversible isothermal (proses 1-2,
awalnya, temperatur gas adalah
sumber energi pada suhu
=
). Pada
dan kepala silinder bersentuhan dengan
. Gas melakukan ekspansi perlahan-lahan. Ketika gas
melakukan ekspansi, temperatur gas cenderung berkurang. Akan tetapi, sesaat
setelah gas melakukan ekspansi, kalor dari sumber energi atau tabung penyimpan
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
10
Gambar 2.1 Proses berlangsungnya siklus Carnot pada sistem tertutup.
Sumber: Fundamentals of Engineering Thermodynamics oleh M. J. Moran dan
H. N. Shapiro, 2004
kalor merambat menuju gas sehingga temperatur gas meningkat hingga
karena itu, temperatur gas dipertahankan konstan pada nilai
kalor yang ditransferkan ke gas adalah
. Oleh
. Jumlah energi
.
Ekspansi reversible adiabatic (proses 2-3, temperatur turun dari
ke
). Pada wilayah 2, reservoir panas atau tabung penyimpan kalor tidak lagi
bersentuhan dengan kepala silinder dan diganti dengan isolasi sehingga sistem
menjadi adiabatic. Gas di dalam sistem perlahan-lahan melakukan ekspansi dan
memberikan kerja ke lingkungan hingga temperatur turun dari
ke
(wilayah
3). Piston di dalam sistem diasumsikan bebas gesekan dan proses yang
berlangsung di dalam sistem berada dalam kondisi quasiequilibrium, sehingga
proses yang berlangsung benar-benar reversible adiabatic.
Kompresi reversible isothermal (proses 3-4,
=
). Pada
wilayah 3, isolasi pada kepala silinder dilepas, dan disentuhkan kembali dengan
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
tabung penyimpan kalor pada suhu
11
. Pada proses ini, gas diberi kerja melalui
tekanan piston ke arah dalam yang mendapat gaya dari luar sistem. Pada saat gas
dikompresi, temperatur gas akan meningkat. Akan tetapi, sesaat setelah ada
peningkatan temperatur gas, kalor langsung ditransfer kepada tabung penyimpan
kalor sehingga temperatur gas tetap senilai
. Oleh karena itu, temperature gas
konstan. Sepanjang perbedaan temperatur antara gas dan reservoir tidak
melampaui
, maka proses perpindahan kalor berlangsung reversible. Jumlah
kalor yang dilepaskan gas selama proses ini senilai
.
Kompresi reversible adiabatic (proses 4-1, temperature meningkat dari
ke
). Pada wilayah 4, tabung penyimpan kalor bersuhu rendah atau reservoir
dingin dipindahkan dan kepala silinder diisolasi kembali. Setelah itu, gas
mengalami kompresi reversible sehingga gas kembali kepada kondisi awal
(wilayah 1). Temperatur gas meningkat dari
ke
selama proses kompresi
reversible adiabatic. Proses ini melengkapi sekaligus menutup siklus Carnot.
Pada Gambar 2.2 ditunjukan siklus Carnot melalui diagram hubungan
tekanan (P) dengan volume spesifik (v). Perlu diingat bahwa wilayah di bawah
kurva mewakili batas kerja pada proses quasiequilibrium (internally reversible).
Wilayah di bawah kurva 1-2-3 adalah kerja yang dilakukan gas selama ekspansi.
Wilayah di bawah kurva 3-4-1 adalah kerja yang dikerjakan gas pada saat proses
kompresi berlangsung. Wilayah yang dibatasi kurva 1-2-3-4-1 adalah kerja bersih
yang dilakukan selama siklus berlangsung adalah selisih dari kerja gas saat
ekspansi dan kerja gas saat kompresi.
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
12
Gambar 2.2 Diagram P-v Siklus Carnot
Sumber: Thermodynamics An Engineering Approach oleh Y. A. Çengel dan
M. A. Boles, 2006
Gambar 2.3 Skema dan diagram T-s Siklus Balik Carnot
Sumber: Thermodynamics An Engineering Approach oleh Y. A. Çengel dan
M. A. Boles, 2006
Prinsip kerja siklus Carnot adalah prinsip kerja yang ideal dan digunakan
sebagai ukuran efektifitas maksimal kerja mesin pendingin pada aplikasi seharihari, dan memang tidak realistis untuk diterapkan secara nyata atau dinyatakan
pada siklus pendinginan. Gambar 2.3 memberikan ilustrasi siklus balik Carnot
untuk terapan siklus Carnot pada siklus pendinginan. Siklus balik Carnot adalah
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
13
pembalikan dari siklus Carnot. Membalik siklus berarti juga membalik arah
interaksi kalor dan kerja. Mesin pendingin yang menggunakan prinsip kerja siklus
balik Carnot disebut mesin pendingin Carnot.
Formula untuk menentukan Coefficient of Performance dari siklus
Carnot dapat dinyatakan dengan Persamaan (2.1) dan (2.2).
COP
COP
=
,
,
=
=
(2.1)
⁄
=
⁄
(2.2)
dengan COPR,Car not adalah COP r efr iger ator , COPHP,Car not adalah COP pompa
kalor (heat pump) , QL adalah jumlah kalor yang diserap dari lingkungan yang
hendak didinginkan (
lingkungan (
⁄
).
⁄
) , dan QH adalah jumlah kalor yang dilepaskan ke
Dari persamaan (2.1) dan (2.2) dapat dikemukakan bahwa
COP
= COP + 1
(2.3)
untuk nilai QL dan QH konstan. Dari hubungan tersebut dapat disimpulkan bahwa
nilai COPHP,Carnot selalu lebih besar daripada satu dengan catatan nilai COPR,Carnot
positif. Bagaimanapun juga, sebagian dari QH terbuang ke lingkungan melalui
pipa atau perangkat lain dari mesin pendingin dan COPHP dapat turun hingga
kurang dari satu saat temperatur lingkungan sangat rendah atau lebih rendah dari
titik beku refrigeran yang digunakan. Bila hal ini terjadi, maka pompa kalor akan
menjadi pemanas resistansi.
Dua proses perpindahan kalor pada kondisi isothermal dari siklus Carnot
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
14
dapat diterapkan pada mesin pendingin dengan siklus kompresi uap. Proses
penyerapan kalor yang berlangsung di evaporator (1-2) dan proses pelepasan kalor
yang berlangsung di kondensor (3-4) dapat dicapai di dalam aplikasi mesin
pendingin karena dengan mempertahankan tekanan refrigeran atau membuat
refrigeran pada tekanan konstan secara otomatis akan menghasilkan temperatur
konstan. Akan tetapi, proses yang berlangsung di dalam kompresor (2-3) dan
turbin (4-1) tidak dapat didekati dalam praktek nyata. Hal ini disebabkan proses
kompresi melibatkan kompresi campuran fase cair dan uap, sedangkan proses
ekspansi melibatkan refrigeran yang mengandung kelembaban tinggi.
Keterangan pada paragraf di atas menunjukan seolah-olah persoalan fase
campuran dapat dihindari dengan menerapkan siklus balik Carnot di luar wilayah
fase campuran jenuh. Akan tetapi, pada kenyataannya tetap sulit mempertahankan
temperatur pada nilai konstan selama proses penyerapan kalor dan pelepasan
kalor. Oleh karena itu, siklus balik Carnot ini pun tidak dapat didekati oleh
perangkat mesin pendingin sesungguhnya, tetapi dapat digunakan sebagai
standard maksimal siklus pendinginan.
Nilai COPR dari mesin pendingin yang bekerja pada kondisi reversible
maupun irreversible dapat ditentukan menggunakan persamaan (2.1), dengan QL
adalah jumlah kalor yang diserap dari medium bersuhu rendah dan QH adalah
jumlah kalor yang dilepaskan ke medium bersuhu tinggi. Nilai COPR dari mesin
pendingin reversible dapat ditentukan dengan cara mengganti rasio perpindahan
kalor pada persamaan (2.1) dengan rasio temperatur absolut dari reservoir bersuhu
tinggi (TH) dan reservoir bersuhu rendah (TL) yang ditunjukan pada Persamaan
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
15
(2.4). Kemudian, persamaan untuk menentukan nilai COPR reversible adalah
sebagai berikut
COP
,
=
⁄
(2.4)
Melalui persamaan di atas dapat diperoleh nilai COPR tertinggi yang dapat dicapai
oleh setiap mesin pendingin yang bekerja di antara dua reservoir dengan
temperatur TH dan TL, keduanya dalam satuan Kelvin (K). Nilai COPR,aktual selalu
lebih kecil daripada COPR,rev.
Gambar 2.4 Perbandingan COPR dari mesin pendingin reversible,
irreversible, dan imposible.
Sumber: Thermodynamics An Engineering Approach oleh Y. A. Çengel dan
M. A. Boles, 2006
Dari Gambar 2.4, dapat dideskripsikan hubungan antara nilai COPR,aktual
dan nilai COPR,rev sebagai berikut:
COP
,
< COP ,
= COP ,
> COP ,
→ mesin pendingin ir rever sible
→ mesin pendingin rever sible
→ mesin pendingin imaginer
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
16
2.1.2 Model Sistem Refrigerasi Gas: Siklus Balik Brayton
Siklus aktual refrigerasi atau pendinginan menggunakan kerja dari
substansi gas atau fluida gas tidak didasarkan pada Siklus Balik Carnot karena
sulit untuk mempraktekan proses-proses yang terjadi di dalam Siklus Balik
Carnot. Siklus ideal yang lebih mudah disimulasikan ke dalam kebutuhan seharihari adalah siklus balik Brayton atau siklus refrigerasi Brayton. Pada Gambar 2.5
ditunjukkan skema siklus balik Brayton dan Gambar 2.6 ditunjukkan diagram P-v
siklus balik Brayton dan diagram T-s siklus balik Brayton.
Gambar 2.5 Skema Siklus Balik Brayton
Sumber: Engineering Thermodynamics oleh J. B. Jones dan R. E. Dugan, 1996
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
a.
17
b.
Gambar 2.6 a. Diagram P-v dan b. T-s Siklus Balik Brayton
Sumber: Engineering Thermodynamics oleh J. B. Jones dan R. E. Dugan, 1996
Siklus Balik Brayton biasanya menggunakan udara sebagai refrigeran.
Refrigeran memasuki kompresor pada wilayah 1 di mana temperaturnya di bawah
temperatur TC dan dikompresi menuju wilayah 2. Refrigeran kemudian
didinginkan menuju wilayah 3 di mana temperaturnya mendekati temperatur
lingkungan panas (hot region) TH. Selanjutnya, refrigeran diekspansi menuju
wilayah 4 di mana temperatur T4 di bawah temperatur lingkungan dingin (cold
region). Proses pendinginan dicapai melalui perpindahan kalor dari lingkungan
dingin ke refrigeran yang mengalir melalui wilayah 4 ke wilayah 1.
Siklus refrigerasi Brayton ideal digambarkan pada diagram T-s yang
dilambangkan 1-2s-3-4s-1, dengan mengasumsikan semua proses yang terjadi di
dalam sistem adalah reversible dan proses di kompresor dan turbin adalah
adiabatic. Pada siklus 1-2-3-4-1 efek irreversible yang terjadi di kompresor dan
turbin dipertimbangkan, namun penurunan tekanan akibat gesekan diabaikan.
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
18
TH dan TL adalah temperatur lingkungan di mana sejumlah kalor dilepas
dan dari mana sejumlah kalor diserap. Fluida kerja yang digunakan biasanya
udara. Udara dikompresi secara isentropic hingga menuju temperatur di atas TH,
kemudian fluida kerja didinginkan secara reversible pada tekanan konstan.
Setelah itu, fluida kerja mengalami ekspansi secara isentropic melalui sebuah
mesin atau turbin untuk memenuhi kebutuhan energi yang diserap kompresor.
Temperatur fluida kerja setelah melalui turbin turun hingga lebih rendah dari TL,
kemudian kalor dapat diserap dari lingkungan pada suhu TL melalui perpindahan
kalor yang terjadi di penukar kalor (heat exchanger) pada tekanan konstan lalu
kembali ke wilayah 1 untuk menyelesaikan rangkaian siklus.
Kerja kompresor dan kerja turbin per aliran massa refrigeran dapat
didefinisikan dengan persamaan (2.5) dan (2.6).
̇
̇
= ℎ −ℎ
̇
= ℎ −ℎ
̇
(2.5)
(2.6)
Persamaan (2.5) dan (2.6) diperoleh dengan mengabaikan adanya perpindahan
panas dengan lingkungan dan perubahan energi kinetik dan energi potensial.
Berbeda dengan Siklus Kompresi Uap, pada Siklus Balik Brayton kerja yang
dihasilkan turbin nilainya relative dengan kerja yang diserap kompresor.
Perpindahan kalor dari ruang yang hendak didinginkan ke refrigeran
terjadi pada penukar kalor (heat exchanger) bertekanan rendah. Efek dari
refrigerasi dapat dituliskan dengan Persamaan (2.7).
̇
̇
= ℎ −ℎ
(2.7)
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
19
Coefficient of Performance adalah rasio efek refrigerasi dengan input kerja bersih
yang dituliskan dengan Persamaan (2.8).
=
̇
⁄ ̇
̇ ⁄ ̇
̇ ⁄ ̇
=
(
(
)
) (
)
(2.8)
2.1.3 Skala Temperatur Termodinamika
Skala temperatur yang digunakan di dalam ilmu Termodinamika adalah
skala Kelvin (K). dasar dari pemakaian skala Kelvin secara singkat adalah skala
Kelvin bersifat independent terhadap properti semua substansi dan pada semua
siklus daya reversible (reversible power cycles) yang beroperasi di antara dua
reservoir selalu mempunyai efisiensi termal yang sama.
Persamaan untuk konversi temperatur dari temperatur dengan skala ˚C ke
skala K dapat dinyatakan dengan persamaan (2.9).
( )=
( ℃) + 273.15
(2.9)
2.1.4 Siklus Ideal Kompresi Uap
Mesin pendingin mengerjakan siklus pendinginan (refrigeration cycle).
Siklus pendinginan pada mesin pendingin biasa disebut sebagai siklus kompre
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
PERBANDINGAN R-134a DAN R-502
SEBAGAI REFRIGERAN PRIMER PADA EFEKTIFITAS
KERJA MESIN PENDINGIN DENGAN ETHYLENE GLYCOL
SEBAGAI REFRIGERAN SEKUNDER
SKRIPSI
Untuk memenuhi sebagian persyaratan
mencapai derajat sarjana S-1 Teknik Mesin
Program Studi Teknik Mesin
Jurusan Teknik Mesin
Diajukan oleh
HILARION ARYO SEKAR PRABHADAMAR
NIM: 125214029
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA
YOGYAKARTA
2014
i
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
COMPARISON BETWEEN R-134a AND R-502 AS PRIMARY
REFRIGERANT AT COEFFICIENT OF PERFORMANCE OF
REFRIGERATOR WHICH USE ETHYLENE GLYCOL AS
SECONDARY REFRIGERANT
FINAL PROJECT
As partial fulfillment of the requirement
To obtain the Sarjana Teknik degree in Mechanical Engineering
Mechanical Engineering Study Program
Mechanical Engineering Department
By
HILARION ARYO SEKAR PRABHADAMAR
Student Number: 125214029
MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM
MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT
FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
SANATA DHARMA UNIVERSITY
YOGYAKARTA
2014
ii
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
INTISARI
Mesin pendingin pada penelitian ini adalah mesin yang digunakan untuk
membekukan air atau dapat disebut juga freezer. Tujuan penelitian ini adalah
untuk mengetahui dan membandingkan karakteristik mesin pendingin dengan
siklus kompresi uap yang menggunakan refrigeran sekunder. Karakteristik mesin
pendingin meliputi perhitungan (1) penyerapan energi kalor per satuan massa
refrigeran pada evaporator ( ), (2) pelepasan kalor per satuan massa refrigeran
pada kondensor (
), (3) kerja per satuan massa refrigeran pada kompresor
(
), (4) laju massa refrigeran R-134a dan R-502 pada mesin pendingin ( ̇ ), (5)
COP ideal dan aktual mesin pendingin, (6) efisiensi mesin pendingin ( ), (7)
mengukur nilai arus listrik pada kompresor dari waktu ke waktu, dan menghitung
besarnya daya listrik yang dikonsumsi kompresor.
Penelitian dilakukan dengan menggunakan mesin pendingin yang terdiri
dari kompresor hermetic dengan daya 124 watt berdasarkan yang tertera pada
nameplate, kondensor tipe 12U, filter 3 lubang, pipa kapiler (capillary tube)
dengan diameter dalam 0,026 inchi (0,66 mm) dan panjang 2 meter, dan
evaporator yang dibuat dari pipa tembaga dengan diameter dalam 0,25 inchi (6,35
mm) dan panjang 8 meter. Refrigeran primer yang digunakan ada dua macam,
yaitu Tetrafluoroethane (R-134a) yang tergolong hydrofluorcarbon (HFC) yang
⁄ ∙ ℉ dan
bekerja pada tekanan tinggi dengan Cp = 0,3366
chlorodifluoromethane atau chloropentafluoroethane (R-502) yang tergolong
Chloro Fluoro Carbon (CFC) yang juga bekerja pada tekanan tinggi dengan Cp =
⁄ ∙ ℉. Selain itu, mesin pendingin yang digunakan di dalam
0,2958
penelitian ini juga menggunakan ethylene glycol sebagai refrigeran sekunder.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa, (1) penyerapan energi kalor per
satuan massa refrigeran oleh R-134a lebih besar dibandingkan R-502 yang
ditunjukkan dengan nilai rata-rata energi kalor yang diserap yaitu 167,82 kJ/kg
dan 147,79 kJ/kg. (2) pelepasan energi kalor per satuan massa refrigeran oleh R134a lebih besar dibandingkan R-502 yang ditunjukkan dengan nilai rata-rata
energi kalor yang dilepas yaitu 226,81 kJ/kg dan 210,94 kJ/kg. (3) kerja per
satuan massa refrigeran dengan R-134a lebih kecil dibandingkan dengan R-502
yaitu 58,99 kJ/kg dan 63,15 kJ/kg. (4) laju aliran massa R-134a lebih besar
dibandingkan dengan R-502 yang ditunjukkan dengan nilai rata-rata laju aliran
massa yaitu 2,59 g/s dan 2,44 g/s. (5) COP ideal dan COP aktual R-134a lebih
besar dibandingkan R-502 yaitu 3,66 dibandingkan 3,07 dan 2,85 dibandingkan
2,35. (6) efisiensi mesin pendingin dengan R-134a lebih besar dengan R-502 yaitu
0,78 dan 0,76. (7) daya listrik yang diserap oleh kompresor dengan R-134a lebih
kecil dibandingkan dengan R-502 yaitu 152,38 watt dan 153,63 watt.
Kata kunci: mesin pendingin, R-502, siklus kompresi uap, refrigeran sekunder,
ethylene glycol.
vii
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
ABSTRACT
Refrigerating machine category in this research is freezer which is used
for freezing water. The research purposes are studying and comparing
refrigerating machine characteristic with vapour compression refrigeration cycle
which uses secondary refrigerant. (1) Heat absorption per refrigerant mass unit in
evaporator ( ), (2) heat discharge per refrigerant mass unit in condenser (
),
(3) work per refrigerant mass unit in compressor (
), (4) mass flow rate of R134a and R-502 in refrigerating machine ( ̇ ), (5) ideal and actual COP of
refrigerating machine, (6) efficiency of refrigerating machine ( ), (7) measuring
electric current in compressor over time, and calculating electric power which is
consumed by compressor.
This research has been done by using refrigerating machine which is
comprised of hermetic compressor 124 watt (based on nameplate information),
condenser 12U type, filter with 3 channels, capillary tube with inner diameter
0.026 inch (0.66 mm) and length of 2 meter, and evaporator which is made up of
copper tube with inner diameter 0.25 inch (6.35 mm) and length of 8 meter. This
research used 2 types of primary refrigerant; those are Tetrafluoroethane (R-134a)
classified as hydrofluorcarbon (HFC) which works in high pressure state with Cp
⁄ ∙ ℉ and chlorodifluoromethane or chloropentafluoroethane (R= 0.3366
502) classified as Chloro Fluoro Carbon (CFC) which works also in high pressure
⁄ ∙ ℉. Furthermore, ethylene glycol as
condition with Cp = 0,2958
secondary refrigerant is used in the research.
The research result indicates that, (1) heat absorption per refrigerant mass
unit by R-134a is greater than heat absorption by R-502 which is proved by
average point of heat absorption 167.82 kJ/kg and 147.79 kJ/kg. (2) Heat
discharge per refrigerant mass unit by R-134a is greater compared with heat
discharge by R-502 which is proved by average point of heat discharge 226.81
kJ/kg and 210.94 kJ/kg. (3) Work per refrigerant mass unit with R-134a is lower
than using R-502 where 58.99 kJ/kg and 63.15 kJ/kg respectively. (4) Mass flow
rate of R-134a is higher than mass flow rate of R-502 where it is indicated by
average point of mass flow rate respectively 2.59 g/s and 2.44 g/s. (5) Ideal and
actual COP of R-134a is greater than R-502, namely each of the values is 3.66
compared with 3.07 and 2.85 compared with 2.35. (6) Efficiency of refrigerating
machine using R-134a is higher than using R-502, namely each of the points is
0.78 and 0.76 respectively. (7) Electric power which is consumed by compressor
with R-134a is lower than R-502, is 152.38 watt and 153.63 watt respectively.
Keywords: refrigerating machine, R-502, vapour compression refrigeration cycle,
secondary refrigerant, ethylene glycol.
viii
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
DAFTAR NOTASI
h
: enthalpy (kJ/kg)
m
: laju aliran massa refrigerant pada mesin pendingin (g/s)
p
: tekanan (psia) atau (bar)
P
: daya listrik yang digunakan compressor (watt) atau (J/s)
Qin
: energi kalor per satuan massa refrigerant yang diserap (kJ/kg)
QL
: energi kalor per satuan massa refrigerant yang diserap (kJ/kg)
Q in
: laju penyerapan energi kalor (kJ/s)
Qout
: energi kalor per satuan massa refrigerant yang dilepas (kJ/kg)
QH
: energi kalor per satuan massa refrigerant yang dilepas (kJ/kg)
Q out
: laju pelepasan energi kalor (kJ/s)
s
: entropy (kJ/kg)
T
: temperature atau suhu (oC, oF)
TH
: temperature reservoir bersuhu tinggi (K)
TL
: temperature reservoir bersuhu rendah (K)
v
: volume jenis/specific volume (m3/kg)
Win
: kerja compressor per satuan massa refrigerant (kJ/kg)
WC
: kerja compressor per satuan massa refrigerant (kJ/kg)
W C
: daya atau laju energi yang diserap oleh compressor (kJ/s)
ηII
: efisiensi hukum kedua Termodinamika atau efisiensi mesin pendingin
ix
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
KATA PENGANTAR
Segala puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas semua
kebaikan yang telah dilimpahkan-Nya sehingga penulis mampu menyusun
Skripsi, menyelesaikan studi dengan hasil yang memuaskan. Judul Skripsi adalah
Perbandingan R134a dan R-502 sebagai Refrigeran Primer pada Efektifitas Kerja
Mesin Pendingin dengan Ethylene Glycol sebagai Refrigeran Sekunder.
Penyusunan skripsi ini tentunya berat, namun dengan bantuan,
bimbingan, dan saran yang konstruktif dari berbagai pihak, penulis mampu
menyelesaikan Skripsi dengan hasil yang baik. Dengan kerendahan hati, penulis
menyampaikan terima kasih kepada:
1. Paulina Heruningsih Prima Rosa, S.Si., M.Sc., sebagai Dekan Fakultas Sains
dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
2. Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T., sebagai Ketua Program Studi Teknik Mesin
Universitas Sanata Dharma Yogyakarta dan sebagai Dosen Pembimbing
Skripsi.
3. A. Prasetyadi S.Si., M.Si., sebagai Dosen Pembimbing Akademik.
4. Seluruh Dosen, Staf Karyawan, dan Laboran Universitas Sanata Dharma
Yogyakarta yang telah bekerja keras melayani semua hal demi kelancaran
pendidikan.
5. Hadrian Edy Suharyo dan Paulina Maria Sri Maryati selaku orang tua penulis
yang senantiasa mendukung dan memotivasi penulis dalam belajar dan
menyelesaikan Skripsi, serta keluarga penulis yang lain, yang tidak dapat
penulis sebutkan satu persatu.
6. Angelina Corbara Damar K. sebagai kekasih dan sahabat istimewa penulis
yang setia mendengarkan keluh kesah penulis dan selalu memberikan saransaran konstruktif bagi penulis.
7. FX. Pamungkas dan Lorentius Nico Advery sebagai rekan seperjuangan
penulis dalam membuat alat penelitian dan penyusunan Skripsi.
x
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
8. Teman-teman Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma,
teman-teman UKM Mapasadha, dan semua pihak lain yang tidak dapat penulis
sebutkan satu persatu.
Semoga dengan naskah Skripsi yang telah disusun ini dapat memberikan
banyak manfaat bagi penerapan teknologi tepat guna untuk masa depan yang lebih
baik serta menjadi sumber inspirasi bagi mahasiswa maupun pembaca lainnya
dalam menciptakan inovasi di bidang teknologi. Ketidaksempurnaan penulisan
naskah ini menjadi motivasi bagi penulis untuk terus belajar. Oleh sebab itu,
segala bentuk saran dan kritik yang membangun akan penulis terima. Penulis
mohon maaf apabila terdapat informasi yang tidak lengkap dalam naskah ini.
Yogyakarta, 14 Juli 2014
Penulis,
Hilarion Aryo Sekar Prabhadamar
xi
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL…………………………………………………....
i
TITLE PAGE…………………………………………………................
ii
HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING…………………….…..
iii
HALAMAN PENGESAHAN……………………………………….….
iv
PERNYATAAN KEASLIAN KARYA………………………………...
v
PERNYATAAN PERSETUJUAN……………………………………...
vi
INTISARI……………………………………………………………......
vii
ABSTRACT……………………………………………………………………
viii
DAFTAR NOTASI…………………………………………………………..…
xi
KATA PENGANTAR……………………………………………………….....
x
DAFTAR ISI……………………………………………………………….…..
xii
DAFTAR GAMBAR…………………………………………………………...
xv
DAFTAR TABEL………………………………………………………….…..
xviii
BAB I
BAB II
PENDAHULUAN………………………………………………...
1
1.1 Latar Belakang…………………………………………….…..
1
1.2 Rumusan Masalah………………………………………….….
4
1.3 Tujuan Penelitian……………………………………………...
5
1.4 Batasan Penelitian…………………………………….……….
5
1.5 Manfaat Penelitian………………………………………….…
6
LANDASAN TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA………….…
8
2.1 Landasan Teori………………………………………………..
8
2.1.1 Siklus Carnot dan Siklus Balik Carnot……………………...
8
2.1.2 Model Sistem Refrigerasi Gas: Siklus Balik Brayton………
16
2.1.3 Skala Temperatur Termodinamika………………………….
19
2.1.4 Siklus Ideal Kompresi Uap………………………………….
19
2.1.5 Siklus Aktual Kompresi Uap………………………………..
25
2.1.6 Refrigeran.…………………………………………………..
28
2.1.6.1 Refrigeran Primer………………………………………...
29
2.1.6.2 Refrigeran Sekunder……………………………………...
32
2.1.7 Komponen-komponen Mesin Pendingin……………………
34
2.1.7.1 Kompresor………………………………………………...
34
xii
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
2.1.7.2 Kondenser…………………………………………………
38
2.1.7.3 Pipa kapiler dan katup ekspansi…………………………...
39
2.1.7.4 Evaporator………………………………………………...
40
2.1.8 Daya Listrik…………………………………………………
41
2.1.9 Efisiensi Hukum Kedua Termodinamika (ηII)………………
41
2.2 Tinjauan Pustaka………………………………………………
43
PERAKITAN FREEZER………………………………………….
47
3.1 Persiapan Perakitan Freezer…………………………………..
47
3.2 Daftar Bahan dan Peralatan pada Penelitian…………………..
47
3.2.1 Kompresor……………………………………......................
56
3.2.2 Kondenser…………………………………….......................
56
3.2.3 Filter….…………………………………...............................
57
3.2.4 Pipa kapiler…………………………………….....................
57
3.2.5 Evaporator……………………………………......................
58
3.2.6 Pressure Gauge……………………………………..............
59
3.3 Proses Perakitan Freezer……………………………………...
60
3.4 Proses Pengujian Freezer……………………………………..
66
METODOLOGI PENELITIAN…………………………………..
67
4.1 Diagram Alir Pelaksanaan Penelitian…………………………
67
4.2 Obyek Penelitian………………………………………………
69
4.3 Skema Alat Penelitian………………………………………...
69
4.4 Variasi Penelitian……………………………………………...
70
4.5 Cara Mendapatkan Data………………………………………
71
4.6 Cara Mengolah Data…………………………………………..
72
4.7 Cara Memperoleh Kesimpulan………………………………..
73
HASIL DAN PEMBAHASAN…………………………………...
74
5.1 Hasil Penelitian……………………………………………….
74
5.2 Perhitungan……………………………………………………
77
5.3 Pembahasan…………………………………………………...
93
KESIMPULAN DAN SARAN…………………………………...
102
6.1 Kesimpulan……………………………………………………
102
6.2 Saran…………………………………………………………..
104
DAFTAR PUSTAKA………………………………………………………….
105
BAB III
BAB IV
BAB V
BAB VI
xiii
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
LAMPIRAN……………………………………………………………………
107
xiv
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1
Proses berlangsungnya siklus Carnot pada sistem tertutup...
10
Gambar 2.2
Diagram p-v Siklus Carnot…………………………………
12
Gambar 2.3
Skema dan diagram T-s Siklus Balik Carnot………………
12
Gambar 2.4
Perbandingan COPR dari mesin pendingin reversible,
irreversible, dan imposible…………………………………
15
Gambar 2.5
Skema Siklus Balik Brayton………………………………..
16
Gambar 2.6
Diagram T-s dan p-v Siklus Balik Brayton………………...
17
Gambar 2.7
Prinsip kerja mesin pendingin……………………………...
20
Gambar 2.8
Skema komponen mesin pendingin dan diagram T-s siklus
ideal kompresi uap………………………………………….
24
Gambar 2.9
Siklus Ideal Kompresi Uap pada diagram p-h……………...
25
Gambar 2.10
Skema dan diagram T-s Siklus Aktual Kompresi Uap……..
26
Gambar 2.11
Titik beku larutan-larutan ethylene glycol………………….
33
Gambar 2.12
Diagram fase larutan anti beku……………………………..
33
Gambar 2.13
Hermetic compressor (section view 2D)…………………………
35
Gambar 2.14
Hermetic compressor (section view 3D)…………………………
36
Gambar 2.15
Semi-hermetic compressor (section view 2D)……………………
36
Gambar 2.16
Semi-hermetic compressor (section view 3D)……………………
37
Gambar 2.17
Compressor pada mobil………………………………………….
37
Gambar 2.18
a. Condenser untuk mobil; b. Condenser untuk freezer……
38
Gambar 2.19
Pipa kapiler (capillary tube)………………………………..
39
Gambar 2.20
Thermal Expansion Valve (TXV)…………………………...
40
Gambar 2.21
a. AC evaporator; b. Fridge evaporator……………………
40
Gambar 3.1
Kompresor Hermetic……………………………………………..
56
Gambar 3.2
Kondeser Tipe 12-U………………………………………..
56
Gambar 3.3
Filter……………………………………………………………...
57
Gambar 3.4
Pipa kapiler……………………………………………………….
58
Gambar 3.5
Evaporator………………………………………………………..
58
Gambar 3.6
Low Pressure Gauge……………………………………………..
59
xv
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
Gambar 3.7
High Pressure Gauge…………………………………………….
59
Gambar 3.8
Posisi pemasangan kondenser……………………………………
60
Gambar 3.9
Saluran keluar fluida saat proses pemvakuman terdapat
pada filter…………………………………………………...
64
Gambar 4.1
Diagram Alir Pelaksanaan Tugas Akhir……………………
67
Gambar 4.2
Skema Alat Penelitian……………………………………………
70
Gambar 5.1
Ilustrasi penentuan nilai enthalpy, TH, TL, dan tekanan……
82
Gambar 5.2
COP aktual dari waktu ke waktu untuk mesin pendingin
dengan fluida kerja R-502 sesuai dengan hasil perhitungan
pada Tabel 5.11……………………………………………..
Gambar 5.3
93
COP aktual dari waktu ke waktu untuk mesin pendingin
dengan fluida kerja R-134a sesuai dengan hasil perhitungan
pada Tabel 5.19……………………………………………..
Gambar 5.4
94
Efisiensi mesin pendingin dari waktu ke waktu dengan
fluida kerja R-502 sesuai dengan hasil perhitungan pada
Tabel 5.11…………………………………………………..
Gambar 5.5
95
Efisiensi mesin pendingin dari waktu ke waktu dengan
fluida kerja R-134a sesuai dengan hasil perhitungan pada
Tabel 5.19…………………………………………………..
Gambar 5.6
Laju massa R-502 dari waktu ke waktu sesuai dengan hasil
perhitungan pada Tabel 5.11……………………………….
Gambar 5.7
96
Laju massa R-134a dari waktu ke waktu sesuai dengan
hasil perhitungan pada Tabel 5.19…………………………
Gambar 5.8
95
96
Grafik konsumsi daya listrik mesin pendingin dengan
penggunaan R-502 dari waktu ke waktu sesuai dengan
hasil perhitungan pada Tabel 5.11………………………….
Gambar 5.9
97
Daya listrik dari waktu ke waktu untuk mesin pendingin
dengan fluida kerja R-134a sesuai dengan hasil perhitungan
pada Tabel 5.19……………………………………………..
98
xvi
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
Gambar 5.10
COP aktual mesin pendingin dari waktu ke waktu dengan
fluida kerja R-502 dan R-134a pada hari pertama…………
Gambar 5.11
COP aktual dari waktu ke waktu untuk mesin pendingin
dengan fluida kerja R-502 dan R-134a pada hari kedua…...
Gambar 5.12
99
99
COP aktual mesin pendingin menggunakan R-502 dan R134a sebagai fluida kerja pada hari ketiga…………………
100
xvii
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1
Beberapa refrigerant halokarbon…………………………..
29
Tabel 2.2
Beberapa refrigerant anorganik……………………………
30
Tabel 2.3
Beberapa refrigerant hidrokarbon…………………………
30
Tabel 3.1
Daftar Bahan……………………………………………......
48
Tabel 3.2
Daftar Peralatan…………………………………………….
52
Tabel 3.3
Daftar Alat Ukur……………………………………………
55
Tabel 5.1
Data Pengamatan Karakteristik Mesin Pendingin dengan
R-502, 1 April 2014………………………………………...
Tabel 5.2
Data Pengamatan Karakteristik Mesin Pendingin dengan
R-502, 2 April 2014………………………………………...
Tabel 5.3
78
Hasil Konversi satuan temperatur dan tekanan R-502, 2
April 2014…………………………………………………..
Tabel 5.9
77
Hasil Konversi satuan temperatur dan tekanan R-502, 1
April 2014…………………………………………………..
Tabel 5.8
76
Data Pengamatan Karakteristik Mesin Pendingin dengan
R-134a, 7 April 2014……………………………………….
Tabel 5.7
76
Data Pengamatan Karakteristik Mesin Pendingin dengan
R-134a, 6 April 2014……………………………………….
Tabel 5.6
75
Data Pengamatan Karakteristik Mesin Pendingin dengan
R-134a, 5 April 2014……………………………………….
Tabel 5.5
75
Data Pengamatan Karakteristik Mesin Pendingin dengan
R-502, 3 April 2014………………………………………...
Tabel 5.4
74
79
Hasil Konversi satuan temperatur dan tekanan R-502, 3
April 2014…………………………………………………..
80
Tabel 5.10
Hasil Perhitungan Nilai QL, QH, Win, R-502, 1 April 2014..
81
Tabel 5.11
Hasil Perhitungan Nilai COP aktual, COP ideal, efisiensi,
laju aliran massa, dan daya compressor, R-502, 1 April
Tabel 5.12
2014…………………………………………………...........
81
Hasil Perhitungan Nilai QL, QH, Win, R-502, 2 April 2014..
85
xviii
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
Tabel 5.13
Hasil Perhitungan Nilai COP aktual, COP ideal, efisiensi,
laju aliran massa, dan daya compressor, R-502, 2 April
2014………………………………………………………...
85
Tabel 5.14
Hasil Perhitungan Nilai QL, QH, Win, R-502, 3 April 2014..
86
Tabel 5.15
Hasil Perhitungan Nilai COP aktual, COP ideal, efisiensi,
laju aliran massa, dan daya compressor, R-502, 3 April
2014………………………………………………………...
86
Tabel 5.16
Hasil Perhitungan Nilai QL, QH, Win, R-134a, 5 April 2014
87
Tabel 5.17
Hasil Perhitungan Nilai COP aktual, COP ideal, efisiensi,
laju aliran massa, dan daya compressor, R-134a, 5 April
2014………………………………………………………...
88
Tabel 5.18
Hasil Perhitungan Nilai QL, QH, Win, R-134a, 6 April 2014
88
Tabel 5.19
Hasil Perhitungan Nilai COP aktual, COP ideal, efisiensi,
laju aliran massa, dan daya compressor, R-134a, 6 April
2014………………………………………………………...
89
Tabel 5.20
Hasil Perhitungan Nilai QL, QH, Win, R-134a, 7 April 2014
89
Tabel 5.21
Hasil Perhitungan Nilai COP aktual, COP ideal, efisiensi,
laju aliran massa, dan daya compressor, R-134a, 7 April
2014…………………………………………………….......
90
xix
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Bidang refrigerasi dewasa ini banyak dikembangkan dan sudah banyak pula
dipakai untuk berbagai keperluan, mulai dari keperluan rumah tangga hingga
keperluan industri. Mesin-mesin pendingin sudah banyak diciptakan untuk
berbagai kebutuhan manusia di bidang refrigerasi. Beberapa contoh mesin
pendingin adalah kulkas, freezer, show case, cold storage, cold container, ice
maker, ice skating rinks, dan mesin pendingin mayat (mortuary chamber).
Sistem refrigerasi ini berperan penting dalam banyak bidang, misalnya
bidang pengolahan makanan atau minuman dan bidang penyimpanan bahan-bahan
kimia. Dalam industri makanan, banyak proses di dalamnya membutuhkan sistem
refrigerasi, yaitu pengawetan atau pembekuan, serta pemrosesan bahan makanan
atau minuman, dan distribusinya. Pada industri kimia, sistem refrigerasi juga
digunakan untuk penyerapan kalor pada bahan-bahan kimia.
Pada industri makanan, kondisi udara di tempat penyimpanan bahan
makanan perlu diperhatikan. Bahan-bahan makanan seperti daging, ikan, buahbuahan, serta sayur-sayuran bersifat mudah membusuk karena aktifitas bakteri
dapat berkembang pesat dalam proses pembusukan pada suhu ruang, berkisar
21,1˚C hingga 37,8˚C (Basbeth, 2012). Umur penyimpanan bahan-bahan makanan
tersebut dapat diperpanjang dengan cara menyimpannya pada suhu rendah di atas
suhu pembekuan bahan makanan tersebut. Ada pula bahan makanan setengah jadi,
1
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
2
seperti sosis atau nugget, sengaja dibekukan agar dapat bertahan hingga beberapa
bulan lamanya hingga konsumen mengolahnya.
Bahan makanan yang dikeluarkan dari cold storage akan didistribusikan ke
pasar-pasar hingga akhirnya sampai pada konsumen dan disimpan di dalam kulkas
sebelum diolah dan dikonsumsi. Dapat dicermati pada skema distribusi bahan
makanan betapa pentingnya sistem refrigerasi untuk menjaga kualitas bahan
makanan tetap baik hingga dikonsumsi. Proses distribusi bahan makanan ataupun
makanan juga memerlukan ruang pendingin di dalam kendaraan atau kita dapat
menyebutnya sebagai cold container. Setelah sampai di pasar, tentu bahan
makanan atau makanan jadi ini perlu tempat untuk menyajikannya kepada
konsumen agar konsumen dapat melihat langsung bahan makanan yang
ditawarkan. Mesin pendingin jenis ini disebut freezer dan mesin guna menyajikan
minuman disebut show case.
Dalam pengolahan bahan makanan, seperti pengolahan susu, es krim, dan
keju juga membutuhkan sistem refrigerasi. Pengolahan susu membutuhkan suhu
rendah berkisar 3˚C hingga 4˚C untuk penyimpanan setelah melewati proses
pasteurisasi selama kurang lebih 20 detik pada suhu kira-kira 73˚C. Pengolahan es
krim mencampurkan bahan-bahan es krim pada suhu kira-kira 6˚C dan terus
menerus diaduk sambil menurunkan suhu mencapai -5˚C kemudian disimpan
pada suhu di bawah titik bekunya (Stoecker dan Jones, 1989).
Pada industri kimia, beberapa proses yang membutuhkan sistem refrigerasi
adalah
proses
pemisahan
gas-gas,
pengembunan
gas,
pemadatan atau
pengendapan suatu zat di dalam campuran untuk memisahkannya dengan yang
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
3
lain, menjaga kondisi suhu rendah dalam penyimpanan gas cair agar tekanannya
tidak berlebihan, dan penghilangan kalor reaksi. Campuran gas hidrokarbon dapat
dipisahkan menjadi unsur-unsurnya dengan cara mendinginkan campuran
tersebut, sehingga unsur yang tinggi titik didihnya akan mencair terlebih dahulu
dan dapat dipisahkan secara fisik dengan unsur yang masih berbentuk gas
(Stoecker dan Jones, 1989).
Penulis tertarik untuk melakukan penelitian di bidang refrigerasi pada mesin
pendingin dengan siklus kompresi uap karena begitu banyak peneliti yang
mengerjakan penelitian pada bidang ini. Selain itu juga untuk memenuhi rasa
ingin tahu penulis pada penggunaan refrigeran terbaik dalam siklus kompresi uap
guna meningkatkan nilai Coefficient of Performance mesin pendingin. Dalam
penelitian ini, refrigeran primer yang digunakan dan dibandingkan adalah R-134a
dan R-502 serta ethylene glycol sebagai refrigeran sekunder.
Hassan (2013) melakukan penelitian pada ice maker machine dengan
menggunakan karbon methanol aktif sebagai adsorbent refrigerant working pair.
Penelitiannya bertujuan untuk menghitung nilai penyerapan kalor pada evaporator
di ice maker machine yang menggunakan karbon methanol aktif sebagai
refrigeran dan untuk mengurangi konsumsi pada energi listrik. Latar belakang dari
penelitiannya juga jelas, karena pada saat ini mesin pendingin dengan siklus
kompresi uap didominasi oleh penggunaan electric compressor yang berdampak
pada tingginya penggunaan daya listrik. Berbeda dengan mesin pendingin lainnya,
ice maker machine yang dikerjakan Hassan (2013) tidak menggunakan electric
compressor melainkan menggunakan adsorption reactor.
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
4
Pada penelitian yang dilakukan oleh Antonijevic (2008), refrigeran yang
dibandingkan adalah CO2 dengan R-134a. Karakteristik kedua refrigeran tersebut
berbeda, sehingga berpengaruh pada komponen di mesin pendingin. Komponenkomponen utama pada mesin pendinginnya adalah kompresor, gas cooler,
expansion valve, accumulator, dan internal heat exchanger (IHX). Internal Heat
Exchanger (IHX) berfungsi untuk pendinginan dan pemanasan lanjut refrigeran
CO2. Pada saat refrigeran CO2 keluar dari gas cooler, tekanan dan temperaturnya
sangat tinggi, kondisi ini dimanfaatkan untuk proses pemanasan lanjut. Pada saat
refrigeran CO2 keluar dari evaporator, tekanan dan suhunya sangat rendah,
kondisi ini dimanfaatkan untuk proses pendinginan lanjut. Proses pemanasan
lanjut bertujuan untuk mengubah fase CO2 dari campuran cair dan gas menjadi
sepenuhnya gas sebelum masuk ke kompresor, sedangkan proses pendinginan
lanjut bertujuan untuk menurunkan temperatur refrigeran setelah keluar dari gas
cooler. Dengan turunnya temperatur refrigeran, coefficient of performance (COP)
mesin pendingin meningkat. Proses pada gas cooler pun tidak sepenuhnya
kondensasi,
namun
menggunakan
pendinginan
uap
super
kritis
untuk
mempercepat proses pelepasan kalor.
1.2 Rumusan Masalah
Masalah yang dapat dirumuskan pada penelitian ini adalah sebagai berikut.
1. Perbandingan efektifitas kerja compressor pada mesin pendingin yang
menggunakan R-134a dan R-502.
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
5
2. Perbandingan nilai COP mesin pendingin yang menggunakan R-134a dan R502.
1.3 Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini dijelaskan pada poin-poin di bawah ini.
1. Menghitung dan membandingkan nilai-nilai berikut ini.
a. Penyerapan kalor per satuan massa refrigeran (
) pada evaporator untuk
R-134a dengan R-502.
b. Pelepasan kalor per satuan massa refrigeran (
) pada kondensor untuk
R-134a dengan R-502.
c. Kerja per satuan massa refrigeran (
) pada kompresor.
d. Laju massa refrigeran R-134a dan R-502 pada mesin pendingin ( ̇ ).
e. Coefficient of Performance (COP) ideal dan COP aktual mesin pendingin
dengan R-134a dan dengan R-502.
f. Efisiensi mesin pendingin (
), yaitu perbandingan antara nilai COP
aktual dan nilai COP ideal.
2. Mengukur nilai arus listrik dan tegangan listrik yang digunakan kompresor
dari waktu ke waktu dan menghitung daya yang digunakan kompresor dari
waktu ke waktu selama proses pendinginan.
1.4 Batasan Penelitian
Batasan-batasan pada penelitian ini dijabarkan dalam poin-poin di bawah ini.
1. Refrigeran primer pada penelitian ini adalah R-134a dan R-502.
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
6
2. Refrigeran sekunder pada penelitian ini adalah ethylene glycol.
3. Beban pendinginan pada penelitian ini adalah air dengan volume 0,5 dm3.
4. Kompresor pada penelitian ini sesuai yang tertera pada nameplate adalah jenis
hermetic compressor yang digunakan untuk kompresi refrigeran R-12.
Spesifikasi motor listriknya sebagai berikut, yaitu daya 124 watt, arus listrik
0,92 ampere, beda potensial 220 VAC, frekuensi 50/60 Hz, 1 phase.
5. Kondensor pada penelitian ini mempunyai tipe 12-U.
6. Pipa kapiler pada penelitian ini berbahan tembaga dengan diameter dalam
0,026 inch (0,66 mm) dan panjang 2 meter.
7. Evaporator pada penelitian ini terbuat dari pipa tembaga dengan diameter
dalam 0,25 inch (6,35 mm) dan panjang 8 meter.
8. Filter dalam penelitian ini memiliki tiga lubang, yaitu dua lubang berfungsi
untuk saluran aliran refrigeran dari kondensor menuju pipa kapiler dan satu
lubang lain berfungsi untuk mengeluarkan udara di dalam mesin pendingin
pada saat proses pemvakuman.
9. Pressure gauge dalam pemelitian ini ada dua macam, yaitu low pressure
gauge dengan kapasitas tekanan pengukuran 0 hingga 250 psi dan high
pressure gauge dengan kapasitas tekanan pengukuran 0 hingga 500 psi.
10. Tekanan refrigeran pada saat pengisian adalah 5 psig.
1.5 Manfaat Penelitian
Manfaat yang ingin diberikan penulis kepada masyarakat adalah sebagai
berikut.
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
7
1. Menjadi referensi pustaka bagi peneliti-peneliti lain yang hendak meneliti dan
mengembangkan teknologi pada bidang mesin pendingin dengan siklus
kompresi uap.
2. Menambah koleksi pustaka ilmu pengetahuan perpustakaan Universitas Sanata
Dharma, Yogyakarta.
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
BAB II
LANDASAN TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Landasan Teori
Dalam penelitian ini penulis meneliti pengaruh refrigeran terhadap COPR
suatu mesin pendingin yang beroperasi dengan prinsip siklus kompresi uap. Oleh
karena itu, properti dari refrigeran perlu untuk dipelajari dalam bab ini. Selain itu
juga diperlukan pemahaman akan siklus kompresi uap serta dua siklus lain yang
berkaitan erat dengan siklus kompresi uap, yaitu siklus balik Carnot dan siklus
balik Brayton.
2.1.1 Siklus Carnot dan Siklus Balik Carnot (Reversed Carnot Cycle)
Mesin kalor dikenal sebagai sebuah perangkat siklus, artinya sebuah
perangkat yang bekerja dengan suatu siklus sebagai prinsip kerjanya. Fluida kerja
mesin kalor dapat kembali ke kondisi awal setelah siklus pada mesin kalor
berhenti. Hal demikian itu adalah prinsip proses reversible. Kerja dapat diberikan
oleh fluida kerja di satu elemen mesin kalor selama siklus berlangsung dan kerja
juga dapat diterima oleh fluida kerja di elemen mesin kalor yang lain selama
siklus berlangsung. Beda atau selisih nilai kerja di antara dua elemen mesin kalor
tersebut disebut kerja bersih mesin kalor.
Efisiensi kerja sebuah mesin kalor sangat bergantung pada performa tiap
proses yang berlangsung di dalam tiap elemen mesin kalor yang membentuk
siklus. Kerja bersih mesin kalor, sebagai hasil dari efisiensi kerja mesin kalor,
dapat dimaksimalkan dengan menggunakan proses-proses yang menyerap
8
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
9
sejumlah kecil energi, namun menghasilkan energi yang jauh lebih besar. Untuk
mencapai tujuan tersebut, proses-proses yang berlangsung haruslah reversible.
Oleh karena itu, tidak mengejutkan apabila siklus yang paling efisien adalah
siklus reversible karena siklus reversible terdiri dari proses-proses reversible.
Siklus reversible tidak dapat dicapai karena irreversibilities pada tiap
proses tidak dapat dihilangkan. Kemungkinan, siklus yang dikenal paling baik
sebagai siklus reversible adalah siklus Carnot yang dikemukakan pertama kali
pada tahun 1824 oleh ahli teknik berkebangsaan Perancis, Sadi Carnot. Secara
teori, mesin kalor yang bekerja menggunakan prinsip siklus Carnot disebut mesin
kalor Carnot. Siklus Carnot dibentuk oleh empat proses reversible, yang terdiri
dari dua proses isothermal dan dua proses adiabatic, dan dapat dioperasikan baik
dalam sistem tertutup maupun sistem aliran konstan (steady-flow system).
Gambar 2.1 memberikan ilustrasi tentang sebuah sistem tertutup yang
mengandung fluida gas di dalam sebuah rakitan piston-silinder adiabatic dan
empat proses reversible yang membentuk siklus Carnot. Isolasi pada kepala
silinder dapat dilepas guna menghubungkan kepala silinder dengan tabung
penyimpan kalor supaya terjadi perpindahan kalor. Saat isolasi dipasangkan
kembali akan mencegah terjadinya perpindahan kalor.
Ekspansi reversible isothermal (proses 1-2,
awalnya, temperatur gas adalah
sumber energi pada suhu
=
). Pada
dan kepala silinder bersentuhan dengan
. Gas melakukan ekspansi perlahan-lahan. Ketika gas
melakukan ekspansi, temperatur gas cenderung berkurang. Akan tetapi, sesaat
setelah gas melakukan ekspansi, kalor dari sumber energi atau tabung penyimpan
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
10
Gambar 2.1 Proses berlangsungnya siklus Carnot pada sistem tertutup.
Sumber: Fundamentals of Engineering Thermodynamics oleh M. J. Moran dan
H. N. Shapiro, 2004
kalor merambat menuju gas sehingga temperatur gas meningkat hingga
karena itu, temperatur gas dipertahankan konstan pada nilai
kalor yang ditransferkan ke gas adalah
. Oleh
. Jumlah energi
.
Ekspansi reversible adiabatic (proses 2-3, temperatur turun dari
ke
). Pada wilayah 2, reservoir panas atau tabung penyimpan kalor tidak lagi
bersentuhan dengan kepala silinder dan diganti dengan isolasi sehingga sistem
menjadi adiabatic. Gas di dalam sistem perlahan-lahan melakukan ekspansi dan
memberikan kerja ke lingkungan hingga temperatur turun dari
ke
(wilayah
3). Piston di dalam sistem diasumsikan bebas gesekan dan proses yang
berlangsung di dalam sistem berada dalam kondisi quasiequilibrium, sehingga
proses yang berlangsung benar-benar reversible adiabatic.
Kompresi reversible isothermal (proses 3-4,
=
). Pada
wilayah 3, isolasi pada kepala silinder dilepas, dan disentuhkan kembali dengan
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
tabung penyimpan kalor pada suhu
11
. Pada proses ini, gas diberi kerja melalui
tekanan piston ke arah dalam yang mendapat gaya dari luar sistem. Pada saat gas
dikompresi, temperatur gas akan meningkat. Akan tetapi, sesaat setelah ada
peningkatan temperatur gas, kalor langsung ditransfer kepada tabung penyimpan
kalor sehingga temperatur gas tetap senilai
. Oleh karena itu, temperature gas
konstan. Sepanjang perbedaan temperatur antara gas dan reservoir tidak
melampaui
, maka proses perpindahan kalor berlangsung reversible. Jumlah
kalor yang dilepaskan gas selama proses ini senilai
.
Kompresi reversible adiabatic (proses 4-1, temperature meningkat dari
ke
). Pada wilayah 4, tabung penyimpan kalor bersuhu rendah atau reservoir
dingin dipindahkan dan kepala silinder diisolasi kembali. Setelah itu, gas
mengalami kompresi reversible sehingga gas kembali kepada kondisi awal
(wilayah 1). Temperatur gas meningkat dari
ke
selama proses kompresi
reversible adiabatic. Proses ini melengkapi sekaligus menutup siklus Carnot.
Pada Gambar 2.2 ditunjukan siklus Carnot melalui diagram hubungan
tekanan (P) dengan volume spesifik (v). Perlu diingat bahwa wilayah di bawah
kurva mewakili batas kerja pada proses quasiequilibrium (internally reversible).
Wilayah di bawah kurva 1-2-3 adalah kerja yang dilakukan gas selama ekspansi.
Wilayah di bawah kurva 3-4-1 adalah kerja yang dikerjakan gas pada saat proses
kompresi berlangsung. Wilayah yang dibatasi kurva 1-2-3-4-1 adalah kerja bersih
yang dilakukan selama siklus berlangsung adalah selisih dari kerja gas saat
ekspansi dan kerja gas saat kompresi.
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
12
Gambar 2.2 Diagram P-v Siklus Carnot
Sumber: Thermodynamics An Engineering Approach oleh Y. A. Çengel dan
M. A. Boles, 2006
Gambar 2.3 Skema dan diagram T-s Siklus Balik Carnot
Sumber: Thermodynamics An Engineering Approach oleh Y. A. Çengel dan
M. A. Boles, 2006
Prinsip kerja siklus Carnot adalah prinsip kerja yang ideal dan digunakan
sebagai ukuran efektifitas maksimal kerja mesin pendingin pada aplikasi seharihari, dan memang tidak realistis untuk diterapkan secara nyata atau dinyatakan
pada siklus pendinginan. Gambar 2.3 memberikan ilustrasi siklus balik Carnot
untuk terapan siklus Carnot pada siklus pendinginan. Siklus balik Carnot adalah
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
13
pembalikan dari siklus Carnot. Membalik siklus berarti juga membalik arah
interaksi kalor dan kerja. Mesin pendingin yang menggunakan prinsip kerja siklus
balik Carnot disebut mesin pendingin Carnot.
Formula untuk menentukan Coefficient of Performance dari siklus
Carnot dapat dinyatakan dengan Persamaan (2.1) dan (2.2).
COP
COP
=
,
,
=
=
(2.1)
⁄
=
⁄
(2.2)
dengan COPR,Car not adalah COP r efr iger ator , COPHP,Car not adalah COP pompa
kalor (heat pump) , QL adalah jumlah kalor yang diserap dari lingkungan yang
hendak didinginkan (
lingkungan (
⁄
).
⁄
) , dan QH adalah jumlah kalor yang dilepaskan ke
Dari persamaan (2.1) dan (2.2) dapat dikemukakan bahwa
COP
= COP + 1
(2.3)
untuk nilai QL dan QH konstan. Dari hubungan tersebut dapat disimpulkan bahwa
nilai COPHP,Carnot selalu lebih besar daripada satu dengan catatan nilai COPR,Carnot
positif. Bagaimanapun juga, sebagian dari QH terbuang ke lingkungan melalui
pipa atau perangkat lain dari mesin pendingin dan COPHP dapat turun hingga
kurang dari satu saat temperatur lingkungan sangat rendah atau lebih rendah dari
titik beku refrigeran yang digunakan. Bila hal ini terjadi, maka pompa kalor akan
menjadi pemanas resistansi.
Dua proses perpindahan kalor pada kondisi isothermal dari siklus Carnot
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
14
dapat diterapkan pada mesin pendingin dengan siklus kompresi uap. Proses
penyerapan kalor yang berlangsung di evaporator (1-2) dan proses pelepasan kalor
yang berlangsung di kondensor (3-4) dapat dicapai di dalam aplikasi mesin
pendingin karena dengan mempertahankan tekanan refrigeran atau membuat
refrigeran pada tekanan konstan secara otomatis akan menghasilkan temperatur
konstan. Akan tetapi, proses yang berlangsung di dalam kompresor (2-3) dan
turbin (4-1) tidak dapat didekati dalam praktek nyata. Hal ini disebabkan proses
kompresi melibatkan kompresi campuran fase cair dan uap, sedangkan proses
ekspansi melibatkan refrigeran yang mengandung kelembaban tinggi.
Keterangan pada paragraf di atas menunjukan seolah-olah persoalan fase
campuran dapat dihindari dengan menerapkan siklus balik Carnot di luar wilayah
fase campuran jenuh. Akan tetapi, pada kenyataannya tetap sulit mempertahankan
temperatur pada nilai konstan selama proses penyerapan kalor dan pelepasan
kalor. Oleh karena itu, siklus balik Carnot ini pun tidak dapat didekati oleh
perangkat mesin pendingin sesungguhnya, tetapi dapat digunakan sebagai
standard maksimal siklus pendinginan.
Nilai COPR dari mesin pendingin yang bekerja pada kondisi reversible
maupun irreversible dapat ditentukan menggunakan persamaan (2.1), dengan QL
adalah jumlah kalor yang diserap dari medium bersuhu rendah dan QH adalah
jumlah kalor yang dilepaskan ke medium bersuhu tinggi. Nilai COPR dari mesin
pendingin reversible dapat ditentukan dengan cara mengganti rasio perpindahan
kalor pada persamaan (2.1) dengan rasio temperatur absolut dari reservoir bersuhu
tinggi (TH) dan reservoir bersuhu rendah (TL) yang ditunjukan pada Persamaan
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
15
(2.4). Kemudian, persamaan untuk menentukan nilai COPR reversible adalah
sebagai berikut
COP
,
=
⁄
(2.4)
Melalui persamaan di atas dapat diperoleh nilai COPR tertinggi yang dapat dicapai
oleh setiap mesin pendingin yang bekerja di antara dua reservoir dengan
temperatur TH dan TL, keduanya dalam satuan Kelvin (K). Nilai COPR,aktual selalu
lebih kecil daripada COPR,rev.
Gambar 2.4 Perbandingan COPR dari mesin pendingin reversible,
irreversible, dan imposible.
Sumber: Thermodynamics An Engineering Approach oleh Y. A. Çengel dan
M. A. Boles, 2006
Dari Gambar 2.4, dapat dideskripsikan hubungan antara nilai COPR,aktual
dan nilai COPR,rev sebagai berikut:
COP
,
< COP ,
= COP ,
> COP ,
→ mesin pendingin ir rever sible
→ mesin pendingin rever sible
→ mesin pendingin imaginer
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
16
2.1.2 Model Sistem Refrigerasi Gas: Siklus Balik Brayton
Siklus aktual refrigerasi atau pendinginan menggunakan kerja dari
substansi gas atau fluida gas tidak didasarkan pada Siklus Balik Carnot karena
sulit untuk mempraktekan proses-proses yang terjadi di dalam Siklus Balik
Carnot. Siklus ideal yang lebih mudah disimulasikan ke dalam kebutuhan seharihari adalah siklus balik Brayton atau siklus refrigerasi Brayton. Pada Gambar 2.5
ditunjukkan skema siklus balik Brayton dan Gambar 2.6 ditunjukkan diagram P-v
siklus balik Brayton dan diagram T-s siklus balik Brayton.
Gambar 2.5 Skema Siklus Balik Brayton
Sumber: Engineering Thermodynamics oleh J. B. Jones dan R. E. Dugan, 1996
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
a.
17
b.
Gambar 2.6 a. Diagram P-v dan b. T-s Siklus Balik Brayton
Sumber: Engineering Thermodynamics oleh J. B. Jones dan R. E. Dugan, 1996
Siklus Balik Brayton biasanya menggunakan udara sebagai refrigeran.
Refrigeran memasuki kompresor pada wilayah 1 di mana temperaturnya di bawah
temperatur TC dan dikompresi menuju wilayah 2. Refrigeran kemudian
didinginkan menuju wilayah 3 di mana temperaturnya mendekati temperatur
lingkungan panas (hot region) TH. Selanjutnya, refrigeran diekspansi menuju
wilayah 4 di mana temperatur T4 di bawah temperatur lingkungan dingin (cold
region). Proses pendinginan dicapai melalui perpindahan kalor dari lingkungan
dingin ke refrigeran yang mengalir melalui wilayah 4 ke wilayah 1.
Siklus refrigerasi Brayton ideal digambarkan pada diagram T-s yang
dilambangkan 1-2s-3-4s-1, dengan mengasumsikan semua proses yang terjadi di
dalam sistem adalah reversible dan proses di kompresor dan turbin adalah
adiabatic. Pada siklus 1-2-3-4-1 efek irreversible yang terjadi di kompresor dan
turbin dipertimbangkan, namun penurunan tekanan akibat gesekan diabaikan.
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
18
TH dan TL adalah temperatur lingkungan di mana sejumlah kalor dilepas
dan dari mana sejumlah kalor diserap. Fluida kerja yang digunakan biasanya
udara. Udara dikompresi secara isentropic hingga menuju temperatur di atas TH,
kemudian fluida kerja didinginkan secara reversible pada tekanan konstan.
Setelah itu, fluida kerja mengalami ekspansi secara isentropic melalui sebuah
mesin atau turbin untuk memenuhi kebutuhan energi yang diserap kompresor.
Temperatur fluida kerja setelah melalui turbin turun hingga lebih rendah dari TL,
kemudian kalor dapat diserap dari lingkungan pada suhu TL melalui perpindahan
kalor yang terjadi di penukar kalor (heat exchanger) pada tekanan konstan lalu
kembali ke wilayah 1 untuk menyelesaikan rangkaian siklus.
Kerja kompresor dan kerja turbin per aliran massa refrigeran dapat
didefinisikan dengan persamaan (2.5) dan (2.6).
̇
̇
= ℎ −ℎ
̇
= ℎ −ℎ
̇
(2.5)
(2.6)
Persamaan (2.5) dan (2.6) diperoleh dengan mengabaikan adanya perpindahan
panas dengan lingkungan dan perubahan energi kinetik dan energi potensial.
Berbeda dengan Siklus Kompresi Uap, pada Siklus Balik Brayton kerja yang
dihasilkan turbin nilainya relative dengan kerja yang diserap kompresor.
Perpindahan kalor dari ruang yang hendak didinginkan ke refrigeran
terjadi pada penukar kalor (heat exchanger) bertekanan rendah. Efek dari
refrigerasi dapat dituliskan dengan Persamaan (2.7).
̇
̇
= ℎ −ℎ
(2.7)
PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
19
Coefficient of Performance adalah rasio efek refrigerasi dengan input kerja bersih
yang dituliskan dengan Persamaan (2.8).
=
̇
⁄ ̇
̇ ⁄ ̇
̇ ⁄ ̇
=
(
(
)
) (
)
(2.8)
2.1.3 Skala Temperatur Termodinamika
Skala temperatur yang digunakan di dalam ilmu Termodinamika adalah
skala Kelvin (K). dasar dari pemakaian skala Kelvin secara singkat adalah skala
Kelvin bersifat independent terhadap properti semua substansi dan pada semua
siklus daya reversible (reversible power cycles) yang beroperasi di antara dua
reservoir selalu mempunyai efisiensi termal yang sama.
Persamaan untuk konversi temperatur dari temperatur dengan skala ˚C ke
skala K dapat dinyatakan dengan persamaan (2.9).
( )=
( ℃) + 273.15
(2.9)
2.1.4 Siklus Ideal Kompresi Uap
Mesin pendingin mengerjakan siklus pendinginan (refrigeration cycle).
Siklus pendinginan pada mesin pendingin biasa disebut sebagai siklus kompre