MESIN PENDINGIN DENGAN PEMANASAN LANJUT DAN PENDINGINAN LANJUT PADA SIKLUS KOMPRESI UAP

  

MESIN PENDINGIN DENGAN PEMANASAN LANJUT DAN

PENDINGINAN LANJUT PADA SIKLUS KOMPRESI UAP

TUGAS AKHIR

  Untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat sarjana S-1 Program Studi Teknik Mesin

  Jurusan Teknik Mesin Diajukan oleh :

  

DANIEL FEBRIANTO SULISTYO PUTRA

NIM : 085214037

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

  

2013

  

COOLING MACHINE WITH SUPER HEATING

AND SUB-COOLING THE VAPOR COMPRESSION CYCLE

FINAL PROJECT

  As partial fulfillment of the requirement to obtain the SarjanaTeknik degree Mechanical Engineering Study Program

  Mechanical Engineering Department by

  

DANIEL FEBRIANTO SULISTYO PUTRA

Student Number:085214037

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

MECHANICAL ENGINEERING DEPARTEMENT

SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

  

2013

  

INTISARI

  Seiring dengan kemajuan teknologi dan meningkatnya taraf hidup, mesin pendingin semakin banyak dimanfaatkan. Mesin pendingin dapat berfungsi sebagai : refrigerator, freezer, air conditioner (AC). Mengingat peranan dan pentingnya mesin pendingin secara umum, maka diperlukan pengetahuan tentang pembuatan dan pengembangan mesin pendingin dengan pemanasan lanjut dan pendinginan lanjut. Tujuan dari pembuatanan mesin pendingin dengan pemanasan lanjut dan pendinginan lanjut yaitu dapat membuat mesin pendingin skala rumah tangga dengan mempergunakan siklus kompresi uap, menghitung kerja kompresor, laju aliran kalor yang diserap evaporator, laju aliran kalor yang dilepas kondensor serta mengetahui COP mesin pendingin.

  Mesin pendingin dengan pemanasan lanjut dan pendinginan lanjut pada siklus kompresi uap memiliki komponen utama yaitu kompresor, kondensor, pipa kapiler, evaporator dan filter. Model mesin pendingin dengan pemanasan lanjut dan pendinginan lanjut ini yaitu dengan cara melilitkan pipa kapiler keluar kondensor dengan bagian evaporator. Data yang diambil dalam pengujian mesin pendingin adalah tekanan kerja, suhu di setiap bagian pipa keluar komponen mesin pendingin dan suhu air.

  Dari mesin pendingin dengan pemanasan lanjut dan pendinginan lanjut dapat diperoleh hasil berupa kerja kompresor (W in ), panas yang diserap evaporator (Q in ), panas yang dilepas kondensor (Q out ), dan COP (Coefficient of

  

Perfomance ) dari mesin pendingin. Mesin pendingin yang telah dibuat mampu

  mendinginkan air sebanyak 3 liter dalam waktu 220 menit dengan suhu air awal sebesar 25,1°C menjadi sebesar 2 °C. Kerja kompresor terendah yang didapat sebesar 26,75 kJ/kg dan tertinggi sebesar 39,54 kJ/kg sedangkan rata-ratanya sebesar 33,145 kJ/kg. Panas yang dilepas kondensor terendah sebesar 167,47 kJ/kg dan tertinggi sebesar 193,06 kJ/kg sedangkan rata-ratanya sebesar 186,661 kJ/kg. Panas yang dihisap evaporator terendah sebesar 194,22 kJ/kg dan tertinggi sebesar 200,04 kJ/kg sedangkan rata-ratanya sebesar 198,57 kJ/kg. COP terendah sebesar 4,571 dan COP terendah sebesar 5,00 dan COP tertinggi sebesar 7,26 sedangkan COP rata-rata dari mesin pendingin sebesar 6,06.

  

Kata Kunci : Mesin pendingin, siklus kompresi uap, COP , pemanasan lanjut,

pendinginan lanjut.

KATA PENGANTAR

  Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa karena rahmat yang diberikan dalam penyusunan Tugas Akhir ini sehingga semuanya dapat berjalan dengan lancar dan baik.

  Tugas Akhir ini merupakan sebagai salah satu syarat yang wajib untuk setiap mahasiswa Jurusan Teknik Mesin sebagai syarat untuk mendapatkan gelar sarjana S-1 pada Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

  Berkat bimbingan dan dukungan dari berbagai pihak, akhirnya Tugas Akhir ini dapat terselesaikan dengan baik. Pada kesempatan ini dengan segenap kerendahan hati penulis menyampaikan rasa terimakasih yang sebesar-besarnya kepada :

  1. Paulina Heruningsih Prima Rosa, S.Si., M.Sc., selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

  2. Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T., selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta, sebagai Dosen Pembimbing Tugas Akhir dan Dosen pembimbing akademik.

  3. Kepala Laboratorium Konversi Energi, Doddy Purwadianto, S.T., untuk dukungan dan saran yang penulis dapatkan.

  4. Marihot Susianto dan Ibu Sulistyani Mulatsih selaku orang tua penulis dan keluarga penulis yang tidak dapat disebutkan satu persatu yang telah mendukung dan memberi semangat penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir.

  5. Meyka Ulandari AM.Keb. yang dengan kebaikan dan kerendahan hati selalu memberikan nasihat dan dukungan moral pada penulis.

  6. Leo Landung Panggalih, Wedha Aji Laksana, dan Herman Perdana yang telah membantu dalam proses pengambilan data.

  7. Teman-teman Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma dan teman-teman lainnya yang tidak dapat disebutkan satu per satu, terima kasih atas segala bantuanya.

  

DAFTAR ISI

  HALAMAN JUDUL ……………...……………………..................... i TITLE PAGE …………….......…………….........……........................ ii HALAMAN PENGESAHAN ……….....…....………………………... iii DAFTAR DEWAN PENGUJI ……….……............…………………... iv PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR ........................................ v

  INTISARI ………………..……………………………………...... vi LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS ..................................................... vii KATA PENGANTAR ………..........………............………...... viii DAFTAR ISI ………..........…..............………..…............………...... x

  ISTILAH PENTING ………………..……………………………...... xii DAFTAR GAMBAR ............................................................................ xiii DAFTAR TABEL ........................................................................................ xv

  BAB I PENDAHULUAN ……...………………………………………....... 1

  1.1 Latar Belakang .………………....……………………..... 1

  1.2 Tujuan ........................………………………………………...... 2

  1.3 Batasan Masalah ..……………………………………………........ 3

  1.4 Manfaat Pelaksanaan Tugas Akhir ...................................................... 3

  BAB II TINJAUAN PUSTAKA DASAR TEORI ...........…….…………...... 4

  2.1 Definisi Mesin Pendingin ..................………………………............ 4

  2.2 Bahan Pendingin (Refrigeran) ..........................…….................... 7

  2.3 Sistem Refrigerasi ............................................................................. 12

  2.4 Siklus Kompresi Uap .............................…………………………........ 13

  2.5 Perpindahan Panas .....……....…........................................................ 16

  2.5.1 Perpindahan Panas Konduksi ..................................................... 17

  2.5.2 Perpindahan Panas Konveksi ..................................................... 18

  2.5.3 Perpindahan Kalor Radiasi ..................................................... 20

  2.6 Beban Pendinginan .............…………............…................................ 22

  2.7 Proses Perubahan Fase ................................................................ 23

  2.7.1 Proses Pengembunan (Kondensasi) ........................................ 23

  2.7.2 Proses Penguapan (Evaporasi) ........................................ 24

  2.8 Rumus Perhitungan ............................................................................ 24

  2.9 Isolator ............................................................................ 28

  2.10 Pendinginan Lanjut ................................................................ 28

  2.11 Pemanasan lanjut ................................................................ 29

  BAB III PEMBUATAN ALAT ..........…………….…….....…… 31

  3.1 Komponen-Komponen Mesin Pendingin ..................…….......…... 31

  3.2 Peralatan Pendukung Pembuatan Alat .....................…...…........ 36

  3.3 Pembuatan Mesin Pendingin ………………………………................ 42

  3.4 Cara Pengambilan Data ...………..................….……….....…............. 47

  3.5 Cara Pengolahan Data ..........…….................……………………...….. 49

  3.6 Cara Mendapatkan Kesimpulan .................................................... 50

  BAB IV HASIL PENGAMBILAN DATA DAN PERHITUNGAN .... 51

  4.1 Data Hasil Percobaan ………............………...…….......…….. 51

  4.2 Pengolahan Data Dan Perhitungan ………................…...………..... 52

  4.3 Pembahasan ………........................…...………..................... 57

  BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ..………............................…….. 62

  5.1 Kesimpulan ……............…………………………........………….... 62

  5.2 Saran ……............……............……................……………................ 63 DAFTAR PUSTAKA ............................................................................ 64 LAMPIRAN ........................................................................................ 65

ISTILAH PENTING

  Simbol Keterangan

  Q laju perpindahan panas (W) gradien suhu perpindahan panas(-K/m) k konduktifitas thermal bahan (W/m.K) A luas bidang penampang benda (m²) T ^s temperatur permukaan (K) T

  ∞

  temperatur fluida yang mengalir dekat permukaan (K) h Entalpi (kJ/kg) Wk Kerja kompresor (kJ/kg) Qc Panas yang dilepas kondenser (kJ/kg) Qe Panas yang diserap evaporator (kJ/kg) COP Koefisien prestasi

  

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Skema Siklus Kompresi Uap .............……….................…...… 14Gambar 2.2 Diagram P-h Siklus Kompresi Uap ...............................…..… 15Gambar 2.3 Diagram T-s Siklus Kompresi Uap ..............................…...… 16Gambar 2.4 Perpindahan Panas Konduksi .............….…............................... 17Gambar 2.5 Perpindahan Panas Konveksi .........................................….…... 18Gambar 2.6 Perpindahan Kalor Radiasi ..................................................... 20Gambar 2.7 Perpindahan Kalor Radiasi ..................................................... 21Gambar 2.8 Grafik P-h Untuk Refigeran 134a ......................…... 27Gambar 2.9 Diagram P-h Pemanasan Lanjut ......................….. 29Gambar 2.10 Skema Mesin Pendingin Dengan Proses Pendinginan Lanjut

  Pemanasan Lnjut ............................. 30

Gambar 3.1 Kompresor ........................................................... 31Gambar 3.2 Kondensor .....................................................….. 32Gambar 3.3 Pipa kapiler .....................................................….. 33

  Gambar 3.4.a Pipa kapiler Dililitkan .....................................................….. 34 Gambar 3.4.b Pipa kapiler Diisolasi .....................................................….. 34

Gambar 3.5 Evaporator .....................................................….. 35Gambar 3.6 Filter .....................................................….. 35Gambar 3.7 Tube Cutter............................................................................….. 36Gambar 3.8 Pelebar Pipa...........................................................................….. 37Gambar 3.9 Tang.......................................................................................….. 37Gambar 3.10 Pompa Vakum.......................................................................….. 38Gambar 3.11 Manifold Tekanan Tinggi......................................................….. 39Gambar 3.12 Manifold Tekanan Rendah....................................................….. 39Gambar 3.13 Alat Las .......................................................................….. 40Gambar 3.14 Bahan Las ....................................................................….. 41Gambar 3.15 Diagram Alir Tahap Pembuatan Mesin Pendingin .......….. 42Gambar 3.16 Proses Pengelasan .......................................................….. 44Gambar 3.17 Proses Pemvakuman ...................................................….. 45Gambar 3.18 Proses Pengisian Refigeran .........................................….. 46Gambar 3.19 Posisi Pengukuran .........................................................….. 47Gambar 3.20 Termometer Digital .....................................................….. 48Gambar 3.21 Proses Pengambilan Data .............................................….. 49Gambar 4.1 Posisi Pengukuran .......................................................... 52Gambar 4.2 Proses Siklus Kompresi Uap .................................................... 53Gambar 4.3 Grafik Hubungan Kerja Kompresor Dengan Waktu ................ 58Gambar 4.4 Grafik Hubungan Panas Dilepas Kondensor Dengan Waktu .... 59Gambar 4.5 Grafik Hubungan Panas Diserap Evaporator Dengan Waktu .... 60Gambar 4.6 Grafik Hubungan COP Dengan Waktu ............................ 61

  

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1. Data Hasil Percobaan ...................................….…..................... 51Tabel 4.2. Data Nilai h Dalam Satuan Btu/lb ...................................….…......... 53Tabel 4.3. Nilai h dalam satuan kJ/kg ................................................................. 54

  Tabel 4.4.Nilai kerja komppresor, laju aliran kalor yang dilepas kondensor, laju aliran yang diterima evaporator dan COP ......................................... 57

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

  Seiring dengan kemajuan teknologi dan meningkatnya taraf hidup, mesin pendingin semakin banyak dimanfaatkan. Hampir di setiap tempat, banyak di temui mesin-mesin pendingin. Seperti yang sering kita jumpai di dalam rumah tangga, di tempat-tempat hiburan, di mall, di berbagai alat transportasi, dan lain sebagainya. Beberapa jenis mesin pendingin dapat dilihat dari fungsinya. Ada mesin pendingin yang berfungsi untuk mendinginkan udara, membekukan, dan ada juga mesin pendingin yang dipergunakan untuk sistem pengkondisian udara. Contoh mesin pendingin yang berfungsi untuk mendinginkan dan membekukan adalah : freezer, kulkas, ice maker, showcase, dispenser, cold storage dan lain- lain. Dan contoh mesin pendingin yang digunakan untuk pengkondisian udara seperti AC, water chiller dan lain sebagainya. Semua contoh mesin pendingin tersebut hampir sebagian besar menggunakan mesin pendingin siklus kompresi uap.

  Mesin Pembeku ( freezer, ice maker, cold storage) digunakan untuk membekukan bahan-bahan yang ada di dalamnya. Dalam keadaan beku, bahan- bahan makanan ataupun buah-buahan akan lebih awet dalam waktu yang relatif lama, bahkan hingga hitungan bulan. Jarak yang jauh dan waktu tempuh yang lama bukan lagi menjadi halangan dalam pengiriman bahan-bahan makanan untuk mencukupi kebutuhan manusia. Dengan demikian, mesin pembeku dapat sangat membantu dalam hal pengiriman suatu bahan makanan ataupun buah-buahan dari suatu tempat ke tempat lain.

  Mesin pendingin memiliki peran yang cukup penting dalam kehidupan rumah tangga, industri, sarana transportasi, sarana olahraga, dan hiburan.

  Mengingat pentingnya peranan mesin pendingin bagi masyarakat di saat sekarang ini, maka penulis berkeinginan untuk mempelajari, memahami, dan mengenal kerja mesin pendingin, Dengan cara membuat mesin pendingin dan mengetahui karakteristiknya diharapkan penulis dapat memahami sistem suatu mesin pendingin tersebut, meskipun dengan kapasitas ukuran skala rumah tangga.

1.2 Tujuan

  : Adapun tujuan pembuatan alat dari tugas akhir ini adalah

  a. Dapat membuat mesin pendingin skala rumah tangga dengan mempergunakan siklus kompresi uap yang di sertai pemanasan lanjut dan pendinginan lanjut.

  b. Menghitung kerja kompresor, laju aliran kalor yang diserap evaporator dan laju aliran kalor yang di lepas kondensor dari mesin pendingin.

  c. Mengetahui COP dari mesin pendingin.

  1.3 Batasan Masalah

  Batasan penulisan tugas akhir ini hanya pada masalah mesin pendingin siklus kompresi uap. Batasan permasalahan tersebut antara lain : a. Refrigeran yang digunakan dalam mesin pendingin adalah R134a

  b. Komponen mesin pendingin terdiri dari komponen utama seperti: kompresor, kondensor, pipa kapiler, filter, evaporator, dan tempat untuk membekukan air (berbentuk tabung).

  c. Karakteristik mesin pendingin yang digunakan untuk menghitung COP didasarkan pada kondisi ideal kerja siklus kompresi uap dan siklus mesin pendingin dengan pendinginan lanjut dan pemanasan lanjut dari mesin pendingin yang dibuat.

  1.4 Manfaat Pelaksanaan

  Manfaat pelaksanaan tugas akhir bagi penulis adalah:

  a. Mampu memahami karaktristik mesin pendingin dengan siklus kompresi uap.

  b. Mampu mempunyai pengalaman dalam pembuatan mesin pendingin dengan siklus kompresi uap untuk ukuran rumah tangga.

  c. Dapat dipergunakan sebagai referensi atau tolok ukur bagi orang lain yang ingin membuat mesin pendingin.

BAB II DASAR TEORI

2.1. Definisi Mesin Pendingin

  Mesin pendingin atau yang disebut juga dengan refrigerator adalah suatu mesin yang di dalamnya terjadi siklus dari bahan pendingin sehingga terjadi perubahan panas dan tekanan. Perubahan panas dan tekanan terjadi pada siklus dari kerja mesin pendingin. Mesin pendingin menggunakan bahan pendingin (refrigeran) yang bersirkulasi menyerap panas dan melepaskan panas, serta terjadi perubahan tekanan rendah menjadi tekanan tinggi. Sirkulasi tersebut berulang secara terus menerus. Dalam sistem mesin pendingin jumlah refrrigeran yang digunakan adalah tetap, yang berubah adalah bentuknya. Komponen utama mesin pendingin merupakan bagian yang dialiri bahan pendingin, terdiri dari :

  1. Kompresor Kompresor adalah suatu alat dalam mesin pendingin yang cara kerjanya dinamis atau bergerak. Kompresor merupakan bagian terpenting didalam mesin pendingin. Kompresor bekerja menghisap sekaligus memompa bahan pendingin sehingga terjadi sirkulasi (perputaran) yang mengalir ke pipa

  ‐pipa mesin pendingin. Kompresor yang sering dipakai pada mesin pendingin adalah jenis hermetik. Kontruksi dari kompresor jenis ini menempatkan motor listrik dengan komponen mekanik ada dalam satu rumah.

  2. Evaporator Evaporator adalah suatu tempat dimana bahan pendingin menguap dari cair menjadi gas. Proses penguapanya memerlukan panas, panas diambil dari lingkungan sekitar evaporator (air di sekitar evaporator). Evaporator berbentuk jaringan atau pipa yang dikonstruksi sedemikian rupa. Pipa evaporator ada yang terbuat dari bahan tembaga, besi, alumanium atau kuningan. Namun kebanyakan terbuat dari alumanium dan besi. Kerusakan yang sering dijumpai pada evaporator adalah kebocoran pipa. Hampir semua kerusakan terjadi karena kebocoran sehingga mesin pendingin tidak mampu mendinginkan (ruang pendingin).

  Jenis evaporator yang banyak digunakan pada mesin pendingin adalah jenis permukaan datar, pipa-pipa dan pipa dengan sirip-sirip.

  3. Kondensor Kondensor adalah suatu alat untuk merubah fase bahan pendingin dari bentuk gas menjadi cair, pada saat terjadinya perubahan fase tersebut panas dikeluarkan oleh kondensor. Bahan pendingin saat keluar kompresor mempunyai suhu dan tekanan tinggi. Panasnya dikeluarkan melalui permukaan rusuk-rusuk kondensor ke udara. Sebagai akibat dari kehilangan panas, bahan pendingin didinginkan awalnya menjadi gas jenuh kemudian mengembun berubah menjadi cair. Kondensor yang sering dipakai pada mesin pendingin kapasitas kecil adalah jenis pipa dengan jari-jari penguat, pipa dengan pelat besi dan pipa-pipa dengan sirip-sirip.

  4. Filter Filter (saringan) berguna menyaring kotoran yang mungkin terbawa aliran bahan pendingin selama melakukan sirkulasi. Sehingga tidak masuk ke dalam kompresor dan pipa kapiler. Selain itu, bahan pendingan yang akan disalurkan pada proses berikutnya lebih bersih sehingga dapat menyerap kalor lebih maksimal. Bentuk dari alat ini ialah berupa tabung kecil dengan diameter antara 10 - 20 mm, sedangkan panjangnya tak kurang dari 8 - 15 cm.

  5. 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. Pipa kapiler merupakan suatu pipa pada mesin pendingin yang mempunyai diameter yang paling kecil jika dibandingkan dengan pipa

  ‐pipa lainnya. Jika pada evaporator pipanya mempunyai diameter 8 mm, maka untuk pipa kapiler berdiameter 1,7 mm. Fungsi pipa kapiler yaitu menurunkan tekanan bahan pendingin cair yang mengalir di dalam pipa. Kerusakan mesin pendingin paling banyak dijumpai pada pipa kapiler yaitu terjadi bocor dan tersumbat.

2.2. Bahan Pendingin (Refrigeran)

  Untuk terjadinya suatu proses pendinginan diperlukan suatu bahan yang mudah dirubah bentuknya dari gas menjadi cair atau sebaliknya, bahan tersebut adalah bahan pendingi (refrigeran). Refrigeran yaitu fluida atau zat pendingin yang memegang peranan penting dalam sistem pendingin. Refrigeran digunakan untuk menyerap panas melalui perubahan fase dari cair ke gas (evaporasi) dan membuang panas melalui perubahan fase dari gas ke cair (kondensasi). Refrigeran dapat dikatakan sebagai pemindah panas dalam sistem pendingin. Refrigeran mengalami beberapa proses atau perubahan fase (cair dan uap), yaitu refrigeran yang mula-mula pada keadaan awal (cair) setelah melalui beberapa proses akan kembali ke keadaan awalnya.

  Secara umum Refrigeran dapat dibagi menjadi dua kelompok yaitu:

  1. Refrigeran primer Refrigeran primer adalah refrigeran yang digunakan dalam sistem kompresi uap dan mengalami perubahan fase selama proses refrigerasinya.

  Refrigeran primer meliputi beberapa macam diantaranya yaitu :

  a. Udara Penggunaan udara sebagai refrigeran umumnya dipergunakan untuk pesawat terbang. Sistem pendingin dengan refrigeran udara menghasilkan COP yang rendah, tetapi aman. b. Amoniak (NH )

3 Amonia adalah satu-satunya refrigeran selain kelompok

  fluorocarbon yang masih digunakan sampai saat ini. Walaupun

  amuniak beracun dan kadang-kadang mudah terbakar atau meledak pada kondisi tertentu, namun amuniak biasa digunakan pada instalasi-instalasi suhu rendah pada industri besar.

  c. Karbondioksida (CO )

2 Karbondioksida merupakan refrigeran pertama dipakai seperti

  halnya amoniak. Refrigeran ini kadang-kadang digunakan untuk pembekuan dengan cara sentuhan langsung dengan bahan makanan. Tekanan pengembunannya yang tinggi membatasi penggunaannya hanya pada bagian suhu rendah, untuk suhu tinggi digunakan refrigeran lain.

  d. Hidrokarbon Hidrokarbon merupakan refrigeran paling banyak dipakai pada industri karena harganya murah dan termasuk refrigeran ramah lingkungan. Jenisnya butana, iso butana, propana, propylana, etana dan etylana. Semuanya termasuk bahan yang mudah terbakar dan meledak. Hidrokarbon dapat terbakar bila berada di dalam daerah segitiga api yaitu tersedianya hidrokarbon, udara dan sumber api.

  Jika salah satu ketiga faktor tersebut tidak terpenuhi maka proses kebakaran tidak akan terjadi. e. Refrigeran-12 Refrigeran ini biasa dilambangkan R-12 dan mempunyai rumus kimia CCl F (Dichloro Difluoro Methane). Refrigeran ini

  2

  2

  merupakan yang paling sering digunakan pada saat ini, terutama digunakan untuk kompresor torak. R-12 mempunyai titik didih

  o o

• 21,6 F (-29,8 C) pada tekanan 1 atm.

  f. Refrigeran-22 Refrigeran ini biasa dilambangkan R-22 dan mempunyai rumus

  o o

  kimia CHClF . R-22 mempunyai titik didih -41,4 F (-40,8 C).

2 Refrigeran ini telah banyak digunakan untuk menggantikan R-12 .

  g. Refrigeran-134a Refrigeran ini biasanya dilambangkan R-134a dan mempunyai rumus kimia CH CH

  F. R-134a mempunyai titik didih-15°F

  3

  2 (-26,2°C). Refrigeran ini merupakan alternatif pengganti R-22.

  R-134a sebagai salah satu alternatif memiliki beberapa properti yang baik, tidak beracun, tidak mudah terbakar dan relatif stabil.

  R-134a juga memiliki kelemahan di antaranya, tidak bisa dijadikan pengganti R-12 secara langsung tanpa melakukan modifikasi sistem refrigerasi (drop in subtitute), relatif mahal, dan masih memiliki potensi sebagai zat yang dapat menyebabkan efek pemanasan global karena memiliki Global Warming Potential (GWP) yang signifikan. Disamping itu R-134a tidak mengandung senyawaflor atau chlor sehingga tidak merusak lapisan ozon meskipun terlepas ke atmosfir. Secara khusus sifat dari refrigeran 134a adalah sebagai berikut.

  1. Tidak mudah terbakar.

  2. Tidak merusak lapisan ozon.

  3. Tidak beracun, berwarna dan berbau.

  4. Relatif mudah diperoleh.

  5. Memiliki kestabilan yang tinggi.

  2. Refrigeran sekunder Refrigeran sekunder adalah fluida yang membawa panas dari bahan yang sedang didinginkan ke evaporator pada sistem refrigerasi. Refrigeran sekunder mengalami perubahan suhu bila menyerap panas dan membebaskannya pada evaporator, tetapi tidak mengalami perubahan fase.

  Secara teknis air dapat digunakan sebagai refrigeran sekunder, namun yang paling sering digunakan adalah larutan garam (brine) dan larutan anti beku (antifreezes) yang merupakan larutan dengan suhu beku dibawah

  o

  C. larutan anti beku yang sering digunakan adalah larutan air dan glikol

  etilen , glikol propilen, atau kalsium klorida. Glikol propilen mempunyai keistimewaan tidak berbahaya bila terkena bahan makanan.

  Jenis refrigeran yang digunakan pada saat ini terdiri dari tiga susunan yaitu:

  1. Hydro fluoro carbon (HFC), merupakan refrigeran baru sebagai alternatif

  untuk menggantikan posisi freon. Hal ini disebabkan karena refrigeran freon mengandung zat chlor (Cl) yang dapat merusak lapisan ozon.

  Sedangkan HFC terdiri dari atom-atom hidrogen, fluorine dan karbon tanpa adanya zat chlor (Cl).

  2. Hydro cloro fluoro carbon (HCFC), merupakan refrigeran yang terdiri dari

  hidrogen, klorin, fluorin, dan karbon. Refrigeran ini terkandung jumlah minimal klorin, yang merusak lingkungan karena penipisan lapisan ozon.

  3. Cloro fluoro carbon (CFC), merupakan refrigeran yang mengandung

  klorin, fluorin dan karbon. Refrigerant ini membawa jumlah kaporit yang tinggi sehingga dikenal sebagai refrigeran yang paling berbahaya untuk kerusak lapisan ozon.

  Ditinjau dari berbagai segi pada saat ini pemakaian refrigeran yang umum diusulkan adalah hydro fluoro carbon (HFC) karena beberapa sifat positif yang dimilikinya antara lain sebagai berikut: 1. Tidak beracun, berwarna dan berbau.

  2. Bukan termasuk bahan yang mudah terbakar dan meledak.

  3. Tidak menyebabkan korosi pada material.

  4. Dapat bercampur dengan minyak pelumas kompresor.

  5. Memiliki stuktur kimia yang stabil.

  6. Memiliki titik didih yang rendah.

  7. Memiliki tekanan kondensasi yang rendah.

  8. Tekanan pengembunan yang tidak terlampau tinggi.

  9. Memiliki tingkat penguapan yang tinggi.

  10. Memiliki kalor laten penguapan yang tinggi.

  11. Memiliki harga yang relatif murah dan mudah diperoleh.

2.3. Sistem Refrigerasi

  Siklus sistem refrigerasi adalah sebuah kombinasi dari komponen-komponen peralatan dan pemipaan yang disambung dalam urutan yang berurutan untuk menghasilkan efek dingin. Sistem refrigerasi merupakan suatu proses penarikan panas dari suatu benda/ruangan ke lingkungan sehingga temperatur benda/ruangan tersebut lebih rendah dari temperatur lingkungannya. Pada dasarnya sistem refrigerasi dibagi menjadi dua, yaitu:

  1. Sistem refrigerasi mekanik Sistem refrigerasi ini menggunakan mesin-mesin penggerak dan alat mekanik lain dalam menjalankan siklusnya. Yang termasuk dalam sistem refrigerasi mekanik di antaranya adalah:

  a. Siklus Kompresi Uap

  b. Refrigerasi siklus pengkondisian udara c. Kriogenik/refrigerasi temperatur ultra rendah

  d. Siklus stirling

  2. Sistem refrigerasi non mekanik Sistem refrigerasi ini tidak memerlukan mesin-mesin penggerak seperti kompresor dalam menjalankan siklusnya. Yang termasuk dalam sistem refrigerasi non mekanik di antaranya :

  a. Refrigerasi termoelektrik

  b. Refrigerasi siklus absorbsi c. Refrigerasi steam jet .

  d. Refrigerasi magnetic

  e. Heat pipe

2.4. Siklus Kompresi Uap

  

Dari sekian banyak jenis-jenis sistem refigerasi, namun yang paling umum

  digunakan adalah refrigerasi dengan siklus kompresi uap. Komponen utama dari sebuah siklus kompresi uap adalah kompresor, evaporator, kondensor dan katup ekspansi. Berikut adalah skema alir siklus kompresi uap pada Gambar 2.1.

Gambar 2.1. Skema Siklus Kompresi Uap (sumber : http://4.bp.blogspot.com).

  Proses dari skema alir siklus kompresi uap (Gambar 2.1.) adalah :

  a) 1-2 (Proses kompresi) Proses ini dilakukan oleh kompresor. Kondisi awal refrigeran pada saat masuk ke dalam kompresor adalah uap jenuh bertekanan rendah, setelah mengalami kompresi refrigeran akan menjadi uap bertekanan tinggi. Karena proses ini berlangsung secara isentropik, maka temperatur ke luar kompresor pun meningkat.

  b) 2-3 (Proses kondensasi) Proses ini berlangsung di dalam kondensor. Refrigeran yang bertekanan tinggi dan bertemperatur tinggi yang berasal dari kompresor akan membuang panas sehingga fasanya berubah menjadi cair. Hal ini berarti bahwa di dalam kondensor terjadi pertukaran panas antara refrigeran dengan lingkungannya (udara), sehingga panas berpindah dari refrigeran ke udara pendingin yang menyebabkan uap refrigeran mengembun menjadi cair. c) 3-4 (Proses ekspansi) Proses ekspansi ini berlangsung di dalam katup ekspansi. Hal ini berarti tidak terjadi perubahan entalpi tetapi terjadi penurunan tekanan dan temperatur. Proses penurunan tekanan terjadi pada katup ekspansi yang berbentuk pipa kapiler yang berfungsi untuk mengatur laju aliran refrigeran dan menurunkan tekanan.

  d) 4-1 (Proses evaporasi) Proses ini berlangsung di dalam evaporator. Panas dari dalam ruangan akan diserap oleh cairan refrigeran yang bertekanan rendah sehingga refrigeran berubah fasa menjadi uap bertekanan rendah. Kondisi refrigeran saat masuk evaporator sebenarnya adalah campuran cair dan uap. Selanjutnya, refrigeran kembali masuk ke dalam kompresor dan bersirkulasi lagi. Begitu seterusnya sampai kondisi yang diinginkan tercapai. Sedangkan untuk diagram dari siklus kompresi uap terdapat dua diagram, yaitu : Diagram P-h (Gambar 2.2.) dan Diagram T-s (Gambar 2.3.)

Gambar 2.2. Diagram P-h Siklus Kompresi Uap (sumber : http://4.bp.blogspot.com).

  Siklus kompresi uap pada diagram P-h dan diagram T-s dapat digambarkan seperti pada gambar 2.2 dan 2.3 : a. 1 – 2 : proses kompresi refrigeran didalam kompresor.

  b. 2 – 3 : proses kondensasi refrigeran di dalam kondenser.

  c. 3 – 4 : proses ekspansi refrigeran di dalam katub ekspansi.

  d. 4 – 1 : proses evaporasi refrigeran di dalam evaporator.

Gambar 2.3. Diagram T-s Siklus Kompresi Uap (sumber : Skripsi Wedha Adji Laksana).

2.5. Perpindahan Panas

  

Perpindahan panas atau heat transfer adalah ilmu yang mempelajari

  perpindahan energi sebagai akibat dari adanya perbedaan temperatur diantara dua medium. Misalnya, sesama medium padat atau medium padat dengan fluida.

  Energi yang berpindah tersebut dinamakan kalor atau panas (heat). Panas akan berpindah dari medium yang bertemperatur lebih tinggi ke medium dengan temperatur yang lebih rendah. Perpindahan ini berlangsung terus sampai terjadi kesetimbangan temperatur di antara kedua medium tersebut. Perpindahan panas dapat terjadi melalui beberapa mekanisme yaitu : perpindahan secara konduksi, konveksi dan radiasi.

2.5.1. Perpindahan Panas Konduksi

  Perpindahan panas konduksi adalah perpindahan panas jika panas mengalir dari tempat yang suhunya tinggi ke tempat yang suhunya rendah, dengan media pengantar panas tetap. Perpindahan panas konduksi dapat berlangsung pada benda padat,cair dan gas. Contoh perpindahan panas konduksi adalah besi atau logam yang dipanaskan pada salah satu ujungnya maka ujung lainnya akan terasa panas, seperti pada Gambar 2.4.

Gambar 2.4. Perpindahan Panas Konduksi

  Persamaan laju umum untuk perpindahan panas dengan cara konduksi dikenal dengan hukum fourier yang dirumuskan sebagai berikut: q = - k.A. ............................................................................(2.1) Pada persamaan (2.1): q = laju perpindahan panas (W) = gradien suhu perpindahan panas (K/m) k = konduktifitas thermal bahan (W/m.K)

  A = luas bidang penampang benda, tegak lurus aliran kalor (m²) Nilai minus (-) dalam persamaan menunjukan bahwa panas selalu berpindah ke temperatur yang lebih rendah.

2.5.2. Perpindahan Panas Konveksi

  Perpindahan panas konveksi adalah perpindahan panas yang terjadi antara permukaan padat dengan fluida yang mengalir disekitarnya, dengan menggunakan penghantar berupa fluida (cairan atau gas). Contoh perpindahan panas konveksi adalah air yang dipanaskan di panci, air di bagian bawah naik karena massa jenisnya berkurang dan digantikan oleh air yang lebih dingin di atasnya.

Gambar 2.5. Perpindahan Panas Konveksi Persamaan perpindahan panas konveksi dikenal sebagai hukum newton untuk pendinginan, yang dirumuskan sebagai berikut: q = h.A(Ts

  − T∞) .....................................................................(2.2) Pada persamaan (2.2) : q = laju perpindahan panas (W) h = koefisien perpindahan panas konveksi W/(m².K) A = luas permukaan yang bersentuhan dengan fluida (m²) Ts = temperatur permukaan (K) T

  ∞ = temperatur fluida yang mengalir dekat permukaan (K) Macam-macam konveksi yaitu:

  1. Konveksi bebas/konveksi alamiah (free convection/natural convection) Perpindahan panas dimana aliran fluida yang terjadi disebabkan karena adanya perbedaan massa jenis, tanpa adanya alat bantu penggerak aliran fluida.

  Contoh: plat panas dibiarkan berada diudara sekitar tanpa ada sumber gerakan dari luar yang menggerakan udara.

  2. Konveksi paksa (forced convection) Perpindahan panas dimana aliran fluida yang terjadi disebabkan karena adanya alat bantu penggerak aliran fluida.

  Contoh: plat panas dihembus udara dengan kipas atau blower.

2.5.3. Perpindahan Kalor Radiasi

  Selain kalor dapat berpindah secara konduksi dan konveksi, kalor juga dapat berpindah dengan cara radiasi. Berbeda dengan perpindahan kalor secara konduksi dan konveksi, perpindahan kalor seccara radiasi tidak memerlukan media perantara. Jadi perpindahan kalor radiasi adalah perpindahan panas yang terjadi karena pancaran atau sinar gelombang elektro maknetik tanpa memerlukan medium atau media perantara. Contoh perpindahan kalor secara radiasi dapat dilihat pada Gambar 2.6 dan Gambar 2.7 .

Gambar 2.6 Contoh Perpindahan Kalor RadiasiGambar 2.7 Perpindahan Kalor Radiasi.Gambar 2.6 menunjukkan saat ada sebuah nyala lilin dan telapak tangan didekatkan maka telapak tangan akan terasa panas. Perpindahan kalor yang terjadi

  antara telapak tangan dan nyala lilin terjadi secara radiasi karena tidak memerlukan medium perantara. Contoh perpindahan kalor secara radiasi lainya dapat dilihat pada Gambar 2.7. Saat seseorang duduk di sebelah api unggun maka perbedaan temperatur antara nyala api, temperatur sekitar dan temperatur tubuh membuat kalor dapat berpindah secara radiasi atau tanpa perantara. Laju perpindahan kalor secara radiasi dapat dirumuskan sebagai berikut.

  Q = ε . A . σ ( Ts⁴ - Tsur⁴ ) ......................................(2.3)

  Keterangan : Q = laju perpindahan kalor (W/m.K)

  ε = emisivitas ; sifat radiasi pada permukaan A = luas permukaan (m²)

  σ = konstanta Stefan-Boltzman (5,67.108 W/m2.K⁴) Ts⁴ = temperatur absolute permukaan (K⁴) Tsur⁴ = temperatur sekitar (K⁴) Panas matahari dapat sampai ke bumi juga tanpa adanya perantara atau medium.

  Jadi proses perpindahan panasnya berlangsung secara radiasi.

2.6. Beban Pendinginan

  Beban pendinginan adalah aliran energi dalam bentuk panas yang dihisap evaporator. Kalor yang dihisap evaporator berasal dari benda-benda yang ada di sekitar evaporator. Jenis beban pendingin dibagi menjadi dua, yaitu:

  1. Panas sensible (sensible heat) Panas sensibel adalah panas yang diterima atau dilepaskan suatu materi sebagai akibat perubahan suhunya. Untuk lebih jelasnya, misalkan mendinginkan air dari 100°C sampai mejadi es 0°C. Panas yang diserap dari air mulai dari 100°C menjadi 0°C (masih tetap air) disebut beban sensible.

  2. Panas laten (latent heat) Panas laten adalah panas yang diterima atau dilepaskan suatu materi karena adanya perubahan fase. Misalkan Jika air yang suhunya sudah 0°C didinginkan lagi hingga akhirnya menjadi es, pada saat suhu 0°C tidak terjadi perubahan suhu tetapi perubahan fase. Panas yang diserap di sini disebut panas laten.

2.7. Proses Perubahan Fase

  

Secara umum proses perubahan fase dapat berlangsung karena adanya

pengaruh temperatur. Perubahan fase banyak terjadi dalam kehidupan sehari-hari.

  Misalnya perubahan cair ke padat, gas ke cair, padat ke gas dan lain sebagainya. Namun dalam suatu sistem mesin pendingin hanya berlangsung dua perubahan fase yaitu pengembunan ( gas ke cair) dan penguapan (cair ke gas).

2.7.1. Proses Pengembunan (kondensasi) Pengembunan adalah proses berubahnya fase zat dari uap menjadi cair.

  Pada mesin pendingin proses pengembunan berlangsung di kondensor. Uap panas lanjut diubah menjadi cair jenuh. Pada saat proses pengembunan, terjadi pelepasan panas. Panas refrigeran dibuang keluar dari kondensor ke lingkungan sekitar (udara luar).

2.7.2. Proses Penguapan (evaporasi)

  Penguapan berarti berubahnya fase zat dari cair menjadi uap. Pada mesin pendingin proses penguapan terjadi di evaporator. Pada saat mengalir di pipa evaporator, refrigeran berubah fase dari cair menjadi gas. Pada proses penguapan diperlukan panas. Panas diambil dari lingkungan di sekitar evaporator (media yang didinginkan berupa air). Karena air diambil panasnya maka air berubah wujudnya menjadi es.

2.8. Rumus –Rumus Perhitungan

  Dalam analisa unjuk kerja mesin pendingin diperlukan beberapa rumusan perhitungan, antara lain sebagai berikut : 1) Kerja Kompresor

  Besarnya kerja kompresor per satuan massa refrigeran dapat dihitung dengan menggunakan persamaan : W = h – h ..................................................................………..(2.4)

  in

  2

1 Pada persamaan (2.4):

  W in = besarnya kerja kompresor (kJ/kg) h

  1 = entalpi refrigeran saat masuk kompresor (kJ/kg)

  h

  2 = entalpi refrigeran saat keluar kompresor (kJ/kg)

  2) Laju Aliran Kalor Yang Dilepas Kondensor Besarnya panas per satuan massa refrigeran yang dilepas kondensor dapat dihitung dengan persamaan :

  Q out = h

  2 – h 3 ........................................................................(2.5)

  Pada persamaan (2.5): Q out = besarnya panas dilepas di kondensor (kJ/kg) h

  1 = entalpi refrigeran saat keluar kondensor (kJ/kg)

  h

  3 = entalpi refrigeran saat masuk kondensor (kJ/kg)

  3) Laju Aliran Yang Diserap Evaporator Besarnya panas per satuan massa refrigeran yang diserap evaporator dapat dihitung dengan persamaan :

  Q in = h

  1 – h

4 ...................................................................……(2.6)

  Pada persamaan (2.6): Q in = besarnya panas yang diserap di evaporator (kJ/kg) h

  1

  = entalpi refrigeran saat keluar evaporator (kJ/kg) h

  4 = entalpi refrigeran saat masuk evaporator (kJ/kg)

  4) COP (Coefficient Of Performance) COP dipergunakan untuk menyatakan perfoma (unjuk kerja) dari siklus refrigerasi. Semakin tinggi COP yang dimiliki oleh suatu mesin refrigerasi maka akan semakin baik mesin refrigerasi tersebut. COP tidak mempunyai satuan karena merupakan perbandingan antara besarnya panas yang diserap evaporator (h

  1 – h 4 ) dengan kerja spesifik kompresor (h 2 – h 1 )

  .............……...............................................................(2.7) Pada persamaan (2.7): h

  1 = entalpi refrigeran saat masuk kompresor (kJ/kg)

  h