DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA

5

BAB II DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Dasar Teori 2.1.1. Freezer Pada saat ini, dibanyak tempat banyak ditemui mesin pendingin, seperti : di dalam rumah tangga, di dalam tokomall, di rumah sakit, di kantor kantor, di industri, di tempat hiburan, di berbagai alat transportasi, dan lain lain. Ada mesin pendingin yang berfungsi untuk mendinginkan, membekukan dan ada juga yang dipergunakan untuk sistem pengkondisian udara. Beberapa contoh mesin yang berfungsi mendinginkan dan membekukan adalah : kulkas, freezer, ice maker, cold storage, show chase, dispenser, AC Air Conditioner, dan lain-lain. Pada dasarnya prinsip kerja dari freezer adalah memanfaatkan sifat dari gas freon yang suhunya akan menjadi rendah bila tekanannya juga rendah. Kompresor memompakan gas freon dengan tekanan yang tinggi dan temperatur yang tinggi. Lalu gas freon dikirim ke kondenser untuk dibuang kalornya agar freon dapat berubah bentuk menjadi cair akan tetapi tekanannya masih tinggi. Freon cair ini terus masuk ke pipa kapiler dengan terlebih dahulu disaring dari kemungkinan kotoran yang ikut terbawa. Dari pipa kapiler ini freon cair diuapkan oleh evaporator. Didalam evaporator tekanan dan temperature freon rendah sekali sehingga freon kembali ke dalam bentuk gas. Freon yang telah berbentuk gas ini akan masuk ke saluran hisap untuk disirkulasikan ulang oleh kompresor. 6 Gambar 2.1 Freezer 2.1.2. Komponen-komponen utama dari freezer. Dibawah ini akan dijelaskan secara rinci komponen-komponen utama dari freezer : a. Kompresor Kompresor merupakan suatu alat yang digunakan sebagai penekan gas freon sehingga tekanannya menjadi tinggi. Kompresor hermetic welded compressor merupakan jenis kompresor dimana antara kompresor dan motor listriknya menjadi satu kesatuan. Kompresor hermetic banyak diaplikasikan pada mesin pendingin berskala kecil Kulkas, Freezer, AC Split dan AC Windows. Kompresor hermetic digerakkan menggunakan motor listrik, motor listrik terdiri dari kumparan elemen tembaga yang disusun sedemikian rupa mengelilingi magnet. Apabila kumparan tersebut dialiri listrik maka akan menyebabkan magnet berputar. 7 Dudukan pada Kompresor hermetic terbuat dari karet yang diharapkan dapat meredam getaran yang ditimbulkan dari putaran motor listrik maupun kompresornya. Oli sebagai pelumas maupun pendingin dimasukkan pada sisi dalam kompresor, pada bagian tersebut terjadi pencampuran antara oli dengan refrigeran, dan sebagian oli ikut bersirkulasi dalam sistem refrigerasi kompresi uap. Gambar 2.2 Kompresor Hermetic Bila kumparan motor listrik dialiri tegangan listrik maka akan timbul medan magnet yang menyebabkan poros magnet berputar, gerak rotasi putaran poros tersebut akan dirubah menjadi gerak translasi pada torak kompresor. Akibat adanya gerak translasi piston akan menghisap refrigeran dan melakukan proses kompresi pada saat piston melakukan gerak hisap maka katup hisap akan 8 membuka dan katup buang akan menutup, demikan juga sebaliknya saat piston melakukan gerak kompresi maka katup hisap akan tertutup dan katup buang akan membuaka. b. Kondenser Kondenser adalah alat untuk membuat kondensasi bahan pendingin gas dari kompresor dengan suhu tinggi dan tekanan tinggi atau alat penukar kalor Heat Exchanger untuk mengkondisi gas menjadi zat cair. Untuk penempatanya sendiri, kondenser ditempatkan diluar ruangan yang sedang didinginkan, agar dapat membuang panasnya keluar. Kondenser merupakan jaringan pipa yang berfungsi sebagai pengembunan. Refrigeran yang yang dipompakan dari kompresor akan mengalami penekanan sehingga mengalir ke pipa kondenser, kemudian mengalami pengembunan. Dari sini refrigeran yang sudah mengembun dan menjadi zat cair akan mengalir menuju pipa evaporator. Gambar 2.3 Kondenser c. Filter Filter saringan berguna menyaring kotoran yang mungkin terbawa aliran bahan pendingin yang keluar setelah melakukan sirkulasi agar tidak masuk 9 kedalam pipa kapiler dan kompresor. Selain itu, bahan pendingan yang akan disalurkan pada proses berikutnya lebih bersih sehingga dapat menyerap kalor lebih maksimal. Gambar 2.4 Filter d. Pipa kapiler Pipa kapiler adalah salah satu alat ekspansi. Alat ekspansi ini mempunyai dua kegunaan yaitu untuk menurunkan tekanan refrigeran cair dan untuk mengatur aliran refrigeran ke evaporator. Cairan refrigeran memasuki pipa kapiler tersebut dan mengalir sehingga tekanannya berkurang akibat dari gesekan dan percepatan refrigeran. Diameter dan panjang pipa kapiler ditetapkan berdasarkan kapasitas pendinginan, kondisi operasi dan jumlah refrigeran dari mesin refrigerasi yang bersangkutan. Gambar 2.5 Pipa Kapiler 10 e. Evaporator Plat Plate-Surface Evaporator Evaporator plat adalah sebuah alat yang berfungsi mengubah sebagian atau keseluruhan sebuah larutan dari bentuk cair menjadi uap. Evaporator mempunyai dua prinsip dasar, untuk menukar panas dan untuk memisahkan uap yang terbentuk dari cairan. Evaporator umumnya terdiri dari tiga bagian, yaitu penukar panas, bagian evaporasi tempat di mana cairan mendidih lalu menguap, dan pemisah untuk memisahkan uap dari cairan lalu dimasukkan ke dalam kondenser untuk diembunkankondensasi atau ke peralatan lainnya. Gambar 2.6 Evaporator plat 2.1.3. Perpindahan Kalor Konduksi dan Konveksi a. Perpindahan Kalor Konduksi Perpindahan kalor konduksi dapat berlangsung pada benda padat, cair dan gas. Untuk perpindahan kalor konduksi pada zat cair dan gas, syaratnya adalah dalam keadaan yang diam. 11 Gambar 2.7 Perpindahan kalor konduksi b. Perpindahan Kalor Konveksi Perpindahan kalor konveksi terjadi pada fluida yang mengalir zat cair dan gas. Perpindahan kalor konveksi tidak dapat berlangsung pada benda padat. Perpindahan kalor konveksi ada 2 macam : konveksi paksa dan konveksi bebas. Konveksi paksa terjadi jika aliran fluida yang mengalir dikarenakan ada peralatan bantu yang memaksa fluida mengalir, sedangkan konveksi bebas, tidak ada peralatan bantu yang mengalirkan fluida. Aliran fluida pada konveksi bebas terjadi karena ada perbedaan kerapatan. Gambar 2.8 Perpindahan kalor konveksi 12 2.1.4. Refrigeran Refrigeran merupakan bahan pendingin atau fluida yang digunakan untuk menyerap panas melalui perubahan fase dari cair ke gas evaporasi dan membuang panas melalui perubahan fase dari gas ke cair kondensasi, sehingga refrigeran dapat dikatakan sebagai pemindah panas dalam sistem pendingin. Adapun pengertian lainnya adalah Refrigerasi atau pendinginan merupakan proses pengambilan atau pengeluaran kalor dari suatu materi atau ruangan dan mempertahankan keadaannya sedemikian rupa sehingga temperaturnya lebih rendah dari pada lingkungan sekitarnya. Pada refrigerator, refrigerant yang ideal sekurang-kurangnya mengikuto sifat-sifat sebagai berikut : 1. Tidak beracun, berwarna dan berbau. 2. Bukan termasuk bahan yang mudah terbakar. 3. Bukan penyebab korosif. 4. Dapat bercampur dengan minyak pelumas kompresor. 5. Memiliki struktur kimia yang stabil. 6. Memiliki titik didih yang rendah. 7. Memiliki tingkat penguapan yang rendah. 8. Memiliki harga yang relatif murah. Sifat-sifat di atas jarang sekali di jumpai pada refrigeran yang mempunyai sifat secara mutlak memuaskan untuk semua sistem pendingin. R134a sebagai salah satu alternatif memiliki beberapa properti yang baik, tidak beracun, tidak mudah terbakar dan relatif stabil. 13 2.1.5. Beban Pendinginan dan Proses Perubahan fase Beban pendinginan adalah besarnya kalor total yang dihisap evaporator dari lingkungannya ketika mesin pendingin bekerja merupakan besar beban pendingin. Perhitungan beban pendingan sebagai berikut : Beban pendinginan dibedakan atas beban laten dan beban sensibel. Berikut akan di jelaskan mengenai beban laten, dan juga beban sensibel : a. Beban laten Beban laten adalah besarnya energi yang dihisap evaporator yang berasal dari perubahan fase media yang didinginkan proses pembekuan. Persamaan yang dipergunakan : Q laten = m x c …………………………………...……………………………2.1 Pada persamaan 2.1 : m : masa zat. c : kalor laten zat. b. Beban sensibel Beban sensibel adalah besarnya energi yang dihisap evaporator yang berasal dari penurunan suhu media yang didinginkan. Q sensibel = m x c x ∆T……………………………..…….…………..………….2.2 Q sensibel = m x c x T awal – T suhu yang dituju 14 Pada persamaan 2.2 : m : masa zat. c : kalor jenis zat. 2.1.6. Siklus kompresi uap standar a. Rangkaian utama mesin pendingin serta diagram siklus kompresi uap. Komponen utama mesin pendingin dengan sistem kompresi uap terdiri dari: a Evaporator. b Kompresor. c Kondenser. d Pipa kapiler. e Filter Strainer, Seperti yang terlihat pada Gambar 2.9 pada halaman selanjutnya. Gambar 2.9 Skematik mesin pendingin siklus kompresi uap 15 Gambar 2.10 Diagram P-h b. Siklus diagram kompresi uap diagram P-h. 1. Tampilan diagram P-h siklus kompresi uap :  Proses 1-2, merupakan proses kompresi menyebabkan kenaikan tekanan dari tekanan rendah ke tekanan tinggi disepanjang garis entropi konstan. Proses ini berlangsung secara isentropic. Garis 1-2 mengikuti garis isentropic pada diagram P-h. Karena berlangsung secara isentropic maka entropi pada titik 1 dan titik 2 adalah sama. Kondisi pada titik 1 berupa saturasi gas dan titik 2 dalam keadaan super heated. Enthalpinya naik dari h 1 ke h 2 . Refrigeran pun mengalami kenaikan suhu.  Proses 2-3, merupakan proses kondensasi pengembunan ini terjadi pada tekanan yang sama Isobarik. Dalam proses ini terjadi pelepasan kalor sehingga terjadi penurunan suhu dan enthalpi refrigeran sampai dengan 16 saturasi gas 2a. Kemudian refrigeran terus melepaskan kalor dan mulai berubah menjadi cair. Dari titk 2a ke titik 3 tidak terjadi penurunan suhu tetapi terjadi perubahan fase. Karena terjadi pelepasan kalor maka refrigeran mengalami penurunan enthalpi dari h 2 ke h 3 .  Proses 3-4, berlangsung pada enthalpi tetap sehingga enthalpi di titik 3 dan titik 4 adalah sama. Tekanan pada titik 3 masih tekanan tinggi kemudian turun hingga titik 4 di tekanan rendah . Penurunan tekanan ini disertai dengan penurunan suhu. Kondisi refrigeran yang tadinya saturasi cair titik 3 menjadi campuran gas dan cair.  Proses 4-1, merupakan proses evaporasi ini terjadi pada tekanan yang sama isobarik. Dalam proses ini terjadi penarikan kalor sehingga terjadi kenaikan enthalpi. Suhu tidak mengalami kenaikan karena kalor yang diambil digunakan untuk mengubah fasa dari yang tadinya campuran titik4 menjadi gas jenuh titik 1. Dalam proses inilah terjadi pendinginan terhadap objek karena kalor pada objek ditarik oleh refrigeran dalam evaporator. Kapasitas pendinginan ditentukan pada proses ini yaitu besarnya penarikan kalor. 2. Evaporator  Tempat terjadinya perubahan fase refrigeran dari cair menjadi gas.  Pada saat proses perubahan fase, diperlukan energi kalor. Energi kalor diambil dari lingkungan evaporator, dalam hal ini benda benda padat atupun cair yang ada di dalam evaporator mesin pendingin. 17  Pada proses perubahan fase terjadi peningkatan entalpi refrigeran yang besarnya ∆h = h 1 -h 4 .  Proses penguapan freon di evaporator berlangsung pada tekanan tetap.  Proses penguapan freon di evaporator berlangsung pada suhu tetap. 3. Kompresor  Kompresor berfungsi untuk menaikkan tekanan freon, dari tekanan rendah ke tekanan tinggi.  Fase refrigeran ketika masuk dan keluar kompresor berupa gas. Kondisi gas keluar kompresor berupa uap panas lanjut.  Suhu gas refrigeran yang keluar dari kompresor suhunya tinggi, lebih tinggi dari suhu kerja kondenser demikian pula dengan nilai tekanannya.  Proses berlangsung secara isentropic adiabatis.  Pada proses ini entalpi refrigeran mengalami kenaikan, sebesar : ∆h = h 2 -h 1 . 4. Kondenser  Kondenser berfungsi sebagai tempat kondensasi atau pengembunan freon. 5. Proses yang berlangsung pada kondenser terdiri atas 2 proses :  proses penurunan suhu refrigeran dari gas panas lanjut ke gas jenuh dan proses dari gas jenuh ke cair jenuh.  Pada proses penurunan suhu refrigeran dari gas panas lanjut ke gas jenuh dan proses dari gas jenuh ke cair jenuh, berlangsung pada tekanan yang tetap. 18  Proses pengembunan refrigeran dari kondisi gas jenuh ke cair jenuh berlangsung pada suhu yang tetap.  Pada proses yang terjadi pada kondenser, kondenser mengeluarkan kalor.  Kalor yang dilepaskan kondenser dibuang keluar dan diambil oleh udara sekitar. 6. Filter  Filter berfungsi untuk menyaring kotoran-kotoran yang melewati filter, sehingga kotoran tidak dapat melewatinya. Selain itu filter juga berfungsi untuk menangkap uap air serta oli pada kompresor yang secara bersamaan melewati pipa yang melewatinya.  Jika tidak ada filter, kotoran akan dapat masuk ke pipa kapiler dan bisa membuat pipa kapiler menjadi buntu dan menyebabkan sistem menjadi tidak dapat bekerja dengan baik. Demikian juga dengan uap air, air akan dapat beku di pipa kapiler yang menyebabkan saluran menjadi tertutup. 7. Pipa Kapiler  Pipa Kapiler berfungsi untuk menurunkan tekanan freon.Pipa kapiler dipasang diantara kondenser dan evaporator. Pada sisi masuk pipa kapiler dipasang filter. Ketika freon mengalir di dalam pipa kapiler, freon mengalami penurunan tekanan karena adanya gesekan dengan dengan permukaan bagian dalam pipa kapiler. Diameter pipa kapiler yang umum dipergunakan pada mesin pendingin adalah 0,102 inch atau 0,110 inch. Proses penurunan tekanan di dalam pipa kapiler diasumsikan berlangsung 19 pada entalpi konstan proses yang ideal. Pada saat masuk pipa kapiler, fase freon cair penuh, tetapi ketika masuk evaporator fase freon berupa campuran yaitu, fase cair dan gas. 2.1.7. Perhitungan untuk karakteristik mesin pendingin a. Kerja kompresor persatuan masa. Kerja kompresor persatuan masa refrigeran yang diperlukan agar mesin pendingin dapat bekerja dapat dihitung dengan persamaan 2.3 : W in = h 2 -h 1 , kJkg …………………………………………………...………2.3 Pada persamaan 2.3 : W in : kerja yang dilakukan kompresor, kJkg h 2 : nilai enthalpi refrigeran keluar dari kompresor, kJkg h 1 : nilai enthalpi refrigeran masuk ke kompresor, kJkg b. Kalor yang dilepas oleh kondenser persatuan masa. Besar kalor yang dilepas kondenser persatuan masa refrigeran dapat dihitung dengan persamaan 2.4 : Q out = h 2 -h 3 , kJkg ………………………………..………………………….2.4 Pada persamaan 2.4 : h 2 : nilai enthalpi refrigeran masuk ke kondenser, kJkg h 3 : nilai enthalpi refrigeran keluar dari kondenser, kJkg 20 c. Kalor yang diserap evaporator per satuan masa. Besar kalor yang diserap evaporator per satuan masa refrigeran dapat dihitung dengan persamaan 2.5 : Q in = h 1 -h 4 = h 1 -h 3 , kJkg …………………..………………..………………2.5 Pada persamaan 2.5 : h 1 : nilai enthalpi refrigeran keluarvaporator dari , kJkg h 4 : nilai enthalpi refrigeran keluar dari katup ekspansi, kJkg d. COP mesin pendingin. COP Coefficient Of Performance mesin pendingin adalah perbandingan antara kalor yang diserap evaporator dengan energi listrik yang diperlukan untuk menggerakkan kompresor. Nilai COP mesin pendingin dapat dihitung dengan persamaan 2.6 : COP = Q in W in = h 1 -h 4 h 2 -h 1 ………..………………………...………….2.6 2.1.8. Isolator Isolator adalah bahan yang dipergunakan untuk mencegah keluarnya kalor dari pipa kapiler menuju evaporator. Sifat dari isolator adalah mempunyai nila konduktivitas termal yang rendah. Ada isolator yang tahan terhadap suhu dingin dan ada isolator yang tahan terhadap suhu panas. Pada persoalan ini dipilih yang tahan terhadap suhu dingin, yaitu styrofoam dengan memiliki sifat-siat tahan benturan, ringan, tahan air, mudah dipotong, dan ekonomis. 21 2.2. Tinjaun pustaka Willis,G.R 2013 melakukan penelitian dengan variasi refrigeran. Refrigeran yang digunakan adalah R22 dan R134a. Penelitian dilakukan agar dapat mengetahui perbandingan antara kedua refrigerant ini mana yang lebih baik. Hasil penelitian berupa nilai koefisien prestasi COP dan efek refrigerasi. Diperoleh kesimpulan bahwa prestasi kerja R22 lebih lebih baik dari R134a. Tetapi telah diketahui bahwa dari segi ramah lingkungan R134a jauh lebih ramah lingkungan dari R22. Witjahjo,S 2009 melakukan penelitian terhadap penggunaan LPG liquefied petroleum gas sebagai fluida kerja pada sistem kompresi uap. Penelitian ini dilakukan mengingat LPG memiliki sifat termodinamika yang mendekati sifat termodinamika R12. Kesimpulan dari penelitian ini adalah LPG dapat digunakan sebagai refrigerant pengganti R12 dengan beban pendinginan sedang. Helmi,R 2008 melakukan penelitian terhadap perbandingan COP pada refrigerator dengan refrigerant R12 dan R134a variasi panjang pipa kapiler : 1,75 m, 2 m, 2,25 m. Penelitian dilakukan agar dapat mengetahui COP yang terbaik dari penggunaan kedua refrigerant R12 dan R134a. Diperoleh hasil penelitian nilai COP tertinggi adalah 4,06 dihasilkan dengan mempergunakan refrigerant R134a. Suhu terendah yang dihasilkan sebesar -16 ⁰C. 22

BAB III PEMBUATAN ALAT DAN METODELOGI PENELITIAN