KARAKTERISTIK MESIN PENDINGIN UNTUK MENDINGINKAN REFRIGERAN SEKUNDER

KARAKTERISTIK MESIN PENDINGIN UNTUK MENDINGINKAN REFRIGERAN SEKUNDER TUGAS AKHIR

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

JurusanTeknikMesin Diajukan oleh :

DOMINICUS RICO PUTRANTO NIM : 085214061 PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA 2013

COOLER ENGINE CHARACTERISTIC TO COOLING SECONDARY REFRIGERANT FINAL PROJECT

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

Mechanical Engineering Department by

DOMINICUS RICO PUTRANTO Student Number:085214061 MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM MECHANICAL ENGINEERING DEPATRMENT SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA 2013

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI

KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

Yang bertanda tangan dibawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma Yogyakarta : Nama : DOMINICUS RICO PUTRANTO

KARAKTERISTIK MESIN PENDINGIN UNTUK MENDINGINKAN

REFRIGERAN SEKUNDER

Dengan demikian saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma Yogyakarta hak untuk menyimpan, mengalihkan dalam bentuk media lain, mengelolanya dalam bentuk pangkalan data, mendistribusikan secara terbatas dan memublikasikan di internet atau media lain untuk kepentingan akademis tanpa perlu meminta ijin dari saya maupun memberikan royalti kepada saya selama tetap menyantumkan nama saya sebagai penulis.

Demikian pernyataan ini yang saya buat dengan sebenarnya. Dibuat di : Yogyakarta Pada tanggal : 5 September 2012 Yang menyatakan,

INTISARI

Saat ini mesin pendingin sangat penting dalam kehidupan sehari-hari terutama di daerah beriklim tropis khususnya Indonesia. Mesin pendingin dapat digunakan untuk pengkondisian udara ataupun mendinginkan bahan makanan dan minuman. Mengingat peran dan pentingnya mesin pendingin secara umum, maka diperlukan pengetahuan tentang pembuatan dan pengembangan mesin pendingin. Mesin pendingin yang digunakan dalam kehidupan sehari-hari menggunakan kompresor dan menggunakan listrik sebagai energi penggeraknya. Tujuan pembuatan mesin pendingin untuk melihat unjuk kerja mesin pendingin yang mendinginkan refrigeran sekunder.

Model mesin pendingin yang digunakan disini adalah mesin pendingin dengan pemanasan dan pendinginan lanjut yang melilitkan pipa kapiler keluar kondensor dengan bagian keluar evaporator. Mesin pendingin ini digunakan untuk mendinginkan refrigeran sekunder yang kemudian untuk mendinginkan air. Pengujian dilakukan di Laboratorium Konversi Energi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. Data yang diambil dalam pengujian mesin pendingin adalah tekanan kerja, suhu di tiap bagian keluar komponen mesin pendingin, suhu refrigeran sekunder dan suhu air.

Hasil perhitungan dari mesin pendingin berupa kerja kompresor, kerja evaporator, kerja kondensor, dan COP (Coefficient of Perfomance) dari mesin pendingin. Dari mesin pendingin dengan pemanasan lanjut dan pendinginan lanjut yang dibuat didapat hasil perhitungan pada waktu (t)=30 menit kerja kompresor 44,194 kJ/kg, kerja evaporator 167,472 kJ/kg, kerja kondensor 211,667 kJ/kg dan didapat nilai COP mesin pendingin dengan pemanasan lanjut dan pendinginan lanjut sebesar 3,79.

Kata Kunci : Kerja kompresor, COP , pemanasan lanju, 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. Ibu Paulina Heruningsih Prima Rosa, S.Si., M.Sc., selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

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

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

4. Bapak Y.M. Surono Putranto dan Ibu Maria H.B 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. Teman-teman Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma dan teman-teman lainnya yang tidak dapat disebutkan satu per satu, terima kasih atas segala bantuanya.

Penulis menyadari dalam penulisan Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna. Segala kritik dan saran yang membangun akan sangat penulis harapkan demi penyempurnaan dikemudian hari. Akhir kata seperti yang penulis harapkan semoga tugas akhir ini dapat memberikan manfaat bagi kita semua.

Yogyakarta, 5 September 2012 Penulis

DAFTAR ISI

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

ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS ……………............... vi

INTISARI ………………..…………………………………….. vii KATA PENGANTAR ………………..........………............………. viii DAFTAR ISI ………..........…..............………..…............……….. x DAFTAR GAMBAR ........................................................................ xi 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 ................................................. 4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA DASAR TEORI ...........…….…………. 5

2.1. Bahan Pendingin (Refrigeran) . . . . . . ………………………………... 5

2.2. Mesin Pendingin Siklus Kompresi Uap standar .....................……….... 8

2.3. Siklus Pendingin Kompresi Uap ………….................................. 10

2.4. Pendinginan Lanjut ………….……..................................................…. 12

2.5. Pemanasan Lanjut …………………….………………………………... 13

2.6. Penggunaan Refrigeran Kedua ................................................................ 15

2.7. Beban Pendingin .............................…………………………...... 16

2.8. Proses Perubahan Fase .............................…………………………...... 17

2.9. Perpindahan Kalor .............................…………………………..... 18

2.9.1. Perpindahan Kalor Konveks …………………………….................... 18

2.9.2. Perpindahan Kalor Konduksi ................................................................ 21

2.10. Isolator …………………....................................................................... 22

2.11. Rumus-Rumus Perhitungan .................................................................. 22

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ..........…………….…….....……. 26

3.1. Komponen-Komponen Mesin Pendingin ........…………………………. 26

3.2. Peralatan Pendukung Pembuatan Alat ...............…...………………….... 33

3.3. Pembuatan Mesin Pendingin ……………………………….................. 39

3.4. Cara Pengambilan Data . ………..................…………….....…..........…. 44

3.5. Cara Pengolahan Data ..........…….................……………………...….... 46

3.6. Cara Mendapatkan Kesimpulan .............................................................. 47

BAB IV HASIL PENGAMBILAN DATA DAN PERHITUNGAN..….......... 48

4.1 Data Hasil Percobaan ………............………...……...........…....…….. 48

4.2 Pengolahan Data Dan Perhitungan .......... ....………………………….... 49

4.3 Hasil Pembahasan . ……………..........................................…...……….. 54

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ..............………………………….... 58

5.1 Kesimpulan ……............…………………………........…………….. 58

5.2 Saran ……............……............……………................……………….. 59 DAFTAR PUSTAKA …………….………………...………....……….. 60 LAMPIRAN ………..…………………………………...………………......... 61

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Skema Siklus Kompresi Uap Standar ……...................…...... 10Gambar 2.2. Diagram T-s Sistem Standar ........................................…..... 11Gambar 2.3. Diagram P-h Sistem standar ………………………………… 11Gambar 2.4. Diagram P-h dan T-s Pemanasan Dan Pendinginan Lanjut ….. 14Gambar 2.5. Skema Mesin Pendingin Dan Pemanasan Lanjut …………….. 14Gambar 2.6. Rangkaian Mesin Pendingin Dengan Refrigeran Kedua ……... 15Gambar 2.7 Contoh Perpindahan Kalor Konveksi ......................................... 19Gambar 2.8 Contoh Perpindahan Kalor Konveksi …………………………. 19Gambar 2.9 Contoh Perpindahan Kalor Konduksi …………………………. 21Gambar 2.10 Diagram Tekanan-entalpi R-134a .....................................…… 25Gambar 3.1 Kompresor ......................................................................…... 26Gambar 3.2 Kondensor .....................................................….. 27Gambar 3.3 Pipa kapiler .....................................................….. 28

Gambar 3.4.a Pipa kapiler Dililitkan .....................................................….. 29 Gambar 3.4.b Pipa kapiler Diisolasi .....................................................….. 29

Gambar 3.5 Evaporator .....................................................….. 30Gambar 3.6 Filter .....................................................….. 30Gambar 3.7 Pompa .................................................................….. 31Gambar 3.8 Pipa Tembaga ................................................................….. 32Gambar 3.9 Tabung Air ..................................................................….. 32Gambar 3.10 Tuber Cutter …………………………………………….. 33Gambar 3.11 Pipa Pelebar ……………………………………………... 34Gambar 3.12 Tang ……………………………………………... 34Gambar 3.13 Pompa Vakum.......................................................................…... 35Gambar 3.14 Manifold Tekanan Tinggi.....................................................….. 36Gambar 3.15 Manifold Tekanan Rendah....................................................….. 36Gambar 3.16 Alat Las .......................................................................….. 37Gambar 3.17 Bahan Las ....................................................................….. 38Gambar 3.18 Diagram Alir Tahap Pembuatan Mesin Pendingin .......….. 38Gambar 3.19 Proses Pengelasan .......................................................….. 39Gambar 3.20 Proses Pemvakuman ...................................................….. 41Gambar 3.21 Proses Pengisian Refigeran .........................................….. 42Gambar 3.22 Skema Pengukuran ........................................................….. 43Gambar 3.23 Termometer Digital .....................................................….. 45Gambar 3.24 Clamp meter ………………………………………. 45Gambar 3.25 Proses Pengambilan Data .............................................….. 46Gambar 4.1 Skema Pengukuran …………………………………… 49Gambar 4.2 Titik Pencarian h

1 , h 2 , h 3 , dan h 4 ……………………..…….. 51

Gambar 4.3 Grafik Hubungan Kerja Kompresor Dengan Waktu ………….. 54Gambar 4.4 Grafik Hubungan Panas Yang Dilepas Kondensor Dengan

Waktu…………………………………………………………... 55

Gambar 4.5 Grafik Hubungan Panas Yang Diserap Evaporator Dengan

Waktu…………………………………………………………... 56

Gambar 4.6 Grafik Hubungan COP Dengan Waktu ………………………. 57

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1. Data Hasil Percobaan ...................................….…………….. 48Tabel 4.2. Data Nilai Entalpi (Btu/lb)...................................…………….….. 50Tabel 4.3. Data Nilai Entalpi (kJ/kg) ………………………………………... 50Tabel 4.4. Data Hasil Hitungan ……………………………………….... 53

BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang Masalah

Saat ini mesin pendingin sangat penting dalam kehidupan sehari-hari terutama di daerah beriklim tropis khususnya Indonesia. Mesin pendingin merupakan suatu peralatan yang banyak dijumpai pada setiap rumah tangga, rumah sakit, perindustrian, supermarket, penginapan, perkantoran, tempat-tempat hiburan dan bahkan di berbagai alat transportasi. Mesin pendingin dapat berfungsi sebagai : refrigerator, freezer, air conditioner (AC).

Refrigerator atau kulkas digunakan orang untuk mendinginkan sayur mayur,

daging, minuman, buah-buahan, telur, dan lain-lain. Kulkas juga dapat digunakan untuk membeku air dan daging karena tipe dan kapasitasnya bermacam-macam.

Biasanya banyak digunakan di rumah tangga karena sangat membantu para ibu rumah tangga untuk menyimpan persediaan makanan sehari-hari dan terhindar untuk pergi ke pasar tiap hari.

Freezer , jenis hampir mirip dengan kulkas, hanya saja kapasitasnya lebih

besar dan suhunya lebih rendah. Freezer biasanya digunakan untuk membekukan air, dan daging sehingga dapat bertahan selama berhari-hari. Selain itu, mesin pembeku juga bisa membantu dalam hal pengiriman suatu bahan makanan ataupun buah-buahan.

Air conditioner (AC) diigunakan untuk mendinginkan udara dalam suatu

ruangan agar lebih baik dan lebih nyaman. Kondisi udara yang nyaman meliputi suhu, kelembaban, distribusi dan kecepatan udara. AC juga bisa ditempatkan di dalam suatu alat transportasi (mobil, bus, pesawat, kereta api) agar orang yang berada di dalamnya dapat menikmati perjalanan dengan nyaman.

Selain itu, mesin pembeku juga dapat digunakan untuk membuat es dengan kapasitas produksi sesuai yang diinginkan. Apabila ingin memproduksi es dengan kapasitas kecil, dapat menggunakan ice maker.

Semakin majunya zaman, mesin pendingin juga dipakai untuk olah raga. Contohnya adalah ice skating, karena membutuhkan pembekuan air yang digunakan untuk lantai. Olah raga ice skating dapat dilakukan dimana saja dan kapan saja dan tidak harus dilakukan pada tempat yang bersuhu dingin dan bermusim salju. Mesin pendingin juga dapat digunakan untuk membuat tempat- tempat wisata dengan bernuwansa musim salju atau ice.

Mesin pendingin juga dapat digunakan di perindustrian yaitu sebagai pendingin mesin – mesin yang ada dalam suatu industri. Sehingga mesin-mesin tidak perlu berhenti beroprasi dikarenakan panasnya mesin akibat lamanya proses pengoperasian.

Mengingat peranan mesin pendingin yang sangat penting dikehidupan rumah tangga perkantoran, perindustrian, rumah sakit, olah raga dan hiburan, maka penulis berkeinginan untuk mengerti, memahami dan mengenal cara kerja beserta dengan karakteristik mesin pendingin.

1.2. Tujuan Penelitian

Adapun tujuan penelitian dari tugas akhir ini adalah :

1. Membuat mesin pendingin siklus kompresi uap dengan pemanasan dan pendinginan lanjut yang dipergunakan untuk mendinginkan refrigeran sekunder.

2. Mengetahui karakteristik mesin pendingin dengan menggunakan refrigeran primer dan refrigeran sekunder.

3. Menghitung kerja kompresor, panas yang dilepas kondensor dan panas yang dihisap evaporator dari mesin pendingin.

4. Mengetahui karakteristik COP dari mesin pendingin.

1.3. Batasan Masalah

Batasan permasalahan tersebut antara lain :

1. Dalam mesin pendingin terdapat komponen utama yaitu : kompresor, kondensor, pipa kapiler, filter, evaporator dan tempat untuk membekukan air.

2. Refrigeran yang dipergunakan dalam mesin pendingin adalah refrigeran primer (freon 134a) dan refrigeran sekunder ( aethylenglycol ).

3. Karakteristik mesin pendingin yang digunakan untuk menghitung COP didasarkan pada kondisi ideal kerja siklus kompresi uap dari mesin pendingin dengan proses kompresi yang berlangsung dengan entropi konstan dan proses penurunan tekanan yang berlangsung dengan nilai entalpi yang konstan.

1.4. Manfaat Penelitian

Manfaat pelaksanaan tugas akhir bagi penulis adalah :

1. Sebagai bekal pemahaman terhadap mesin pendingin bersiklus kompresi uap.

2. Mampu memahami karakteristik mesin pendingin dengan menggunakan refrigeran primer dan refrigeran sekunder.

3. Dapat dipergunakan sebagai referensi atau tolok ukur bagi orang lain yang ingin penelitian mesin pendingin dengan refrigeran primer dan refrigeran sekunder.

BAB II DASAR TEORI

2.1 Bahan Pendingin (Refrigeran)

Bahan pendingin (refrigeran) sangat diperlukan untuk proses pendinginan pada mesin pendingin. Refrigeran adalah zat pendingin atau fluida yang berperan penting pada mesin pendingin yang digunakan untuk penyerapan panas melalui perubahan fase dari cair ke gas (evaporasi) dan membuang panas melalui perubahan fase dari gas ke cair (kondensasi). Refrigeran juga sering disebut sebagai pemindah panas. Refrigeran akan mengalami perubahan fase dari cair ke gas dan setelah beberapa proses akan kembali lagi ke bentuk awalnya (cair). Secara umum refrigeran dapat dibagi menjadi dua kelompok besar yaitu : 1. Refrigeran primer.

Refrigeran primer adalah refrigeran yang dipergunakan sebagai fluida kerja mesin pendingin yang mempergunakan siklus kompresi uap.

Refrigeran yang digunakan dalam penelitian ini adalah : HFC 134a (CH3CH2F), merupakan alternatif pengganti freon-12 / R-12 karena tidak mudah meledak dan tingkat kandungan racun rendah, digunakan untuk pengkondisian udara, lemari es dan pendingin air. suhu pendinginan sampai – 96,6°C. Titik didihnya mencapai 217°C.

2. Refrigeran sekunder Refrigeran sekunder adalah fluida yang didinginkan oleh mesin pendingin langsung, yang kemudian refrigeran ini mendinginkan objek yang ingin didinginkan. Refrigeran sekunder tidak mengalami perubahan fase, tetapi dapat mengalami perubahan suhu bila menyerap kalor. Fluida yang

digunakan biasanya larutan dengan titik beku dibawah 0

C. Refrigeran sekunder yang digunakan adalah glikol etilen, glikol propilen, dan kalsium . Meskipun ada refrigeran kedua yang memiliki titik beku dibawah

klorida o

C seperti air yang dipergunakan untuk mendinginkan udara. Refrigeran skunder yang digunakan dalam penelitian ini adalah :

Aethylenglycol (CH2OHCH2OH), merupakan fluida yang cukup baik

untuk penelitian ini karena memiliki titik didih 198,1 ºC dan titik bekunya mencapai -10,8 ºC. Fluida ini digunakan untuk mendinginkan objek yang terdapat di wadah lain. Sedangkan saat ini refrigeran yang digunakan dalam masyarakat dapat digolongkan menjadi tiga bagian yaitu :

1. HFC (Hydro Fluoro Carbon), yang terdiri dari hidrogen, fluorin, dan

karbon. Bisa saja digunakan untuk menggantikan posisi freon karena tidak menggunakan atom chlor (Cl) yang dapat merusak lapisan ozon.

2. HCFC (Hydro Cloro Fluoro Carbon), merupakan refrigeran yang dapat

merusak lingkungan karena mengandung jumlah minimal klorin. HCFC terdiri dari hidrogen, klorin, fluorin, dan karbon.

3. CFC (Cloro Fluoro Carbon), merupanakan refrigeran yang paling berbaya

terhadap lapisan ozon karena jumlah kaporit tinggi. CFC mengandung klorin, fluorin dan karbon.

Syarat-syarat bahan pendingin (refrigeran) dalam suatu sistem refrigerasi : 1. Tidak beracun, berwarna dan berbau.

2. Bukan termasuk bahan yang mudah terbakar.

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. Memiliki tingkat penguapan yang rendah.

9. Memiliki kalor laten yang rendah.

10. Memiliki harga yang relatif murah dan mudah diperoleh Dari beberapa sifat diatas, refrigeran yang secara umum diusulkan dalam penggunaan sebuah sistem pendingin adalah refrigeran jenis HFC (hydro fluoro

carbon) atau R-134a. Secara khusus sifat dari refrigeran 134a adalah sebagai

berikut.

1. Tidak beracun, berwarna dan berbau.

2. Tidak mudah terbakar.

3. Tidak merusak lapisan ozon.

4. Memiliki kestabilan yang tinggi.

5. Mudah diperoleh.

2.2. Mesin Pendingin Siklus Kompresi Uap Standar

Mesin pendingin adalah suatu mesin yang didalamnya terjadi siklus perubahan panas dan tekanan. Salah satu mesin pendingin yaitu mesin pendingin dengan siklus kompresi uap standar. Mesin pendingin menggunakan refrigeran yang bersikulasi menyerap dan melepaskan panas, serta terjadi perubahan tekanan rendah menjadi tekanan tinggi, dan dari tekanan tinggi menjadi tekanan rendah. Sirkulasi tersebut berulang secara terus menerus.

Komponen utama mesin pendingin dengan sistem kompresi uap terdiri dari : evaporator, kompresor, kondenser, pipa kapiler dan peralatan tambahan yaitu filter.

1. Kompresor Kompresor berfungsi untuk menaikan tekanan freon dari tekanan rendah ke tekanan tinggi. Kompresor merupakan bagian terpenting pada mesin pendingin. Pergerakannya dengan menghisap sekaligus memompa freon sehingga terjadilah sirkulasi freon yang mengalir dari pipa‐pipa mesin pendingin. Kompresor yang sering digunakan pada mesin pendingin adalah jenis hermetik. Kontruksi dari kompresor jenis ini menempatkan motor listrik dengan komponen mekanik ada dalam satu rumah. Fase refrigeran ketika masuk dan keluar kompresor berupa gas. Kondisi gas keluar kompresor berupa uap panas lanjut.

2. Evaporator Evaporator adalah tempat terjadinya penguapan refrigeran dari cair menjadi gas. Pada saat proses memerlukan energi kalor. Energi kalor diambil dari lingkungan evaporator (benda atau cairan yang terdapat di dalam evaporator). Evaporator berbentuk pipa yang dikontruksikan sedemikian rupa. Proses penguapan freon di evaporartor berlangsung pada tekanan dan suhu tetap. Jenis evaporator yang dipakai pada mesin pendingin adalah tabung.

3. Kondensor Kondensor bekerja terbalik dengan evaporator yaitu merubah fase refrigeran dari gas menjadi cair. Pada kondensor berlangsung dua proses utama yaitu proses penurunan suhu refrigeran dari gas panas lanjut ke gas jenuh dan proses dari gas jenuh ke cair jenuh. Proses pengembunan refrigeran dari kondisi gas jenuh ke cair jenuh berlangsung pada suhu yang tetap. Kalor yang dilepaskan kondenser dibuang keluar melalui permukaan rusuk-rusuk dan diambil oleh udara sekitar. 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. Pipa kapiler Pipa kapiler adalah alat ekspansi yang berguna untuk menurunkan tekanan refrigeran cair dan untuk mengatur aliran refrigeran ke evaporator. Pipa kapiler merupakan pipa yang berdiameter paling kecil dibandingkan dengan pipa-pipa lainnya. Diameter untuk pipa kapiler yaitu 0,26 mm atau 0,28 mm. Pipa kapiler berfungsi untuk menurunkan tekanan refrigeran cair yang mengalir di dalamnya. Kerusakan mesin pendingin paling banyak dijumpai pada pipa kapiler yaitu kalau bocor dan tersumbat. Pemasangannya diantara kondensor dan evaporator.

5. Filter Filter adalah alat penyaring kotoran-kotoran yang melewati sebuah sistem pendingin, sehingga tidak menyumbat pipa kapiler yang akan dilewati.

Filter juga berfungsi untuk menangkap uap air yang akan masuk ke dalam system. Bentuk umum dari filter berupa tabung kecil dengan diameter antara 12 - 15 mm dan panjangnya kurang dari 14 - 15 cm.

2.3. Siklus Pendingin Kompresi Uap

Tahapan siklus pendingin kompresi uap terdiri dari kompresi, kondensasi, ekspansi, dan evaporasi. Berikut adalah skema alir siklus kompresi uap pada Gambar 2.1.

Gambar 2.1. Skema Siklus Kompresi Uap Proses dari skema alir siklus kompresi uap (Gambar 2.1.) adalah :

a) 1-2 ( proses kompresi) Proses kompresi adalah proses penekanan dan penghisapan media pendingin (refrigeran). Proses ini dilakukan oleh kompresor.

b) 2-3 ( proses kondensasi) Proses yang berlangsung di dalam kondensor. Prosesnya adalah dengan pengembunan media pendingin (refrigeran).

c) 3-4 ( proses ekspansi) Proses yang berlangsung di dalam katup ekspansi atau pipa kapiler.

Prosesnya adalah menurunan tekanan media pendingin (refrigeran).

d) 4-1 ( proses evaporasi) Proses yang terjadi di dalam evaporator. Prosesnya adalah penguapan media pendingin (refrigeran).

Siklus mesin pendingin dengan kompresi uap standar (ideal) dapat dilihat pada diagram T-s ( gambar 2.2.) dan diagram P-h ( gambar 2.3.).

Gambar 2.2. Diagram T-s Gambar 2.3. Diagram P-h Keterangan proses pada Gambar 2.2. dan Gambar 2.3.

Proses 1-2 : Kompresi adiabatik dan reversible dari uap jenuh menuju tekanan kondenser.

Proses adiabatik adalah proses perubahan dimana tidak ada pengaruh panas dengan sekitarnya. Reversible adalah proses yang dalam arah sebaliknya kembali suhunya. Proses 2-2’ : Penurunan suhu refrigeran. Proses 2’-3 : Kondensasi (pelepasan panas) reversible pada tekanan konstan dan pengembunan. Proses 3-4 : Ekspansi tidak reversible atau isentalpik pada entalpi konstan. Proses 4-1 : Evaporasi (penyerapan kalor) isothermis.

2.4. Pendinginan Lanjut

Pendinginan lanjut adalah proses untuk mengkondisikan agar freon (refrigeran) yang keluar dari kondenser benar-benar dalam kondisi cair. Proses Pengkondisian ini diperlukan agar ketika freon (refrigeran) masuk ke dalam pipa kapiler tidak bercampur dengan gas dan tidak menimbulkan masalah pada sistem pendingin. Jika freon dalam kondisi cair, maka akan memudahkan freon mengalir di dalam pipa kapiler. Secara teoritis, adanya pendinginan lanjut akan memperbesar nilai COP suatu mesin pendingin.

2.5. Pemanasan Lanjut

Proses pemanasan lanjut adalah proses untuk mengkondisikan agar freon yang keluar dari evaporator dalam kondisi benar-benar berbentuk gas. Dengan adanya proses pemanasan lanjut, maka freon tidak akan dalam kondisi campuran antara gas dan cair sehingga secara teoritis dapat menaikan nilai COP. Pemanasan lanjut dapat terjadi pada dua bagian yaitu evaporator (hal ini akan meningkatkan efek pendinginan) dan pipa isap di luar evaporator. Pada bagian luar pipa isap evaporator ada dua kemungkinan, yang pertama di dalam ruang yang didinginkan (akan membantu penyerapan kalor) dan yang kedua di luar ruang yang didinginkan (tidak menguntungkan). Jika terjadi pemanasan lanjut maka volume spesifik uap bertambah besar sehingga nilai Q (beban pendinginan) berkurang dan RE bertambah. Selain itu, dengan adanya pemanasan lanjut maka akan merubah nilai kerja kompresor atau Wk (dapat bertambah atau berkurang, tergantung pada To dan jenis refigeran yang digunakan). Berikut Gambar 2.4 menunjukkan diagram T-s dan P-h untuk sebuah sistem pendingin dengan pendinginan lanjut dan pemanasan lanjut : Gambar 2.4. Diagram T-s dan P-h Pemanasan Lanjut dan Pendinginan Lanjut.

Skema dari mesin pendingin dengan pendinginan lanjut dan pemanasan lanjut dapat dilihat pada Gambar 2.5. :

Gambar 2.5. Ske Skema Mesin Pendingin Dengan Pendinginan L n Lanjut Dan Pemanasan Lanjut.

Keterangan Gambar 2.5. r 2.5. : 1 : Kompresor 2 : Kondensor 3 : Filter 4 : Evaporator A : Pipa kapiler yang keluar dari konde kondensor kemudian dililitkan ke saluran masuk kompresor.

Dengan demiki ikian pemanasan lanjut pada skema mesin pendi pendingin ini dapat membuat refigeran y n yang masuk ke dalam kompresor benar-bena enar dalam wujud gas.

2.6. Penggunaan Refrigeran kedua

Refrigeran sekunder disini digunakan untuk mendinginkan objek yang ada di tabung. Refrigeran yang digunakan berupa aethylenglycol yang titik bekunya dibawah titik beku air. Refrigeran di pompa dan dialiri melalui pipa tembaga yang dililitkan kesebuah tabung yang berisi air. Rangkaiannya dapan dilihat lebih jelas pada gambar 2.6.

Gambar 2.6. Rangkaian Mesin Pendingin Dengan Refrigerant Kedua.

Keterangan Gambar 2.6. : 1 : Kompresor 2 : Kondensor 3 : Pipa kapiler 4 : Evaporator 5 : Pompa 6 : Pipa tembaga 7 : Tabung air

Panah hitam : Menunjukan jalannya laju aliran refrigeran primer. Panah hijau : Menunjukan jalannya laju aliran refrigeran sekunder.

2.7. Beban Pendinginan

Beban pendinginan adalah beban yang diterima suatu sistem untuk mendinginkan sesuatu. Tugas unit pendingin adalah menjaga kondisi suatu fluida agar berada pada suhu tertentu yang umumnya lebih rendah dari temperatur lingkungannya. Beban pendingin dapat dibagi menjadi dua bagian khusus yaitu :

1. Panas laten (latent heat) Panas laten adalah panas yang diterima atau dilepaskan suatu materi karena adanya perubahan wujud (fase). Sebagai contoh air yang sudah didinginkan sampai 0°C kemudian didinginkan lagi sampai menjadi es pada suhu 0°C, sehingga terjadi perubahan wujud (fase) dari cair menjadi padat.

2. Panas sensible (sensible heat) Panas sensible adalah panas yang diterima atau dilepaskan suatu materi akibat adanya perubahan suhu. Misalkan air dengan suhu 100°C didinginkan menjadi 0°C (masih dalam keadaan cair). Panas yang diterima untuk menurunkan suhu dari 100°C menjadi 0°C (masih bentuk air) disebut panas sensible.

2.8 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).

Proses pengembunan ( kondensasi ) adalah proses berubahnya fase dari zat gas (uap) menjadi wujud zat cair. Perpindahan kalor pengembuanan dipengaruhi oleh besarnya laju konsentrasi massa uap air yang berubah menjadi air (massa yang terkondensasi). Pengembunan juga terjadi akibat dari uap jenuh yang bersentuhan dengan permukaan yang dingin (suhu permukaan suatu plat lebih rendah dari suhu jenuh uap) akan terjadi kondensasi pada permukaan plat, hal ini berarti uap jenuh tersebut melepaskan kalor latennya, dan karena pengaruh gravitasi kondensat akan mengalir kebawah.

Proses penguapan (evaporasi) adalah proses berubahnya fase dari zat cair menjadi wujud gas (uap). Penguapan juga berarti perpindahan massa zat cair ke atas dengan adanya gradien temperatur antara permukaan zat cair dengan udara diatasnya. Hal ini merupakan peristiwa konveksi alami. Konveksi alami terjadi akibat adanya efek gaya apung yang bekerja pada fluida. Efek gaya apung merupakan mekanisme yang terjadi karena adanya gradien massa jenis. Massa jenis akan menurun jika temperatur fluida meningkat, begitu juga sebaliknya temperatur meningkat maka massa jenis fluida akan menurun. Fluida yang ringan (memiliki massa jenis yang rendah) akan menempati posisi yang lebih diatas. Sehingga jika terus menerus diberi panas maka temperatur fluida akan terus meningkat dan massa jenisnya akan terus menurun dan terjadilah penguapan.

2.9 Perpindahan Kalor

Perpindahan panas (heat transfer) adalah ilmu yang mempelajari perpindahan energi sebagai akibat dari adanya perbedaan temperatur diantara dua medium. Sebagai contoh perbedaan temperatur pada kedua medium plat padat, atau medium padat dengan fluida. Energi yang berpindah disebut dengan istilah kalor (heat). Kalor (heat) bergerak dari temperatur tinggi ke temperatur rendah. Proses ini akan berlangsung secara terus menerus sampai tidak ada perubahan temperatur diantara kedua medium tersebut. Perpindahan kalor dapat terjadi dengan berbagai cara seperti perpindahan kalor konveksi, perpindahan kalor konduksi dan radiasi.

2.9.1. Perpindahan Kalor Konveksi

Perpindahan kalor konveksi adalah perpindahan panas yang terjadi antara permukaan padat dengan fluida yang mengalir disekitarnya. Perpindahan kalor konveksi membutuhkan media (fluida atau gas) yang digunakan untuk mengalirkan kalor. Contoh perpindahan kalor secara konveksi dapat dilihat saat proses perebusan air. Gambar 2.7. dan gambar 2.8. menunjukkan contoh perpindahan kalor secara konveksi.

Gambar 2.7. Contoh Perpindahan Kalor Konveksi Gambar 2.8. Perpindahan Kalor Konveksi.

Persamaan perpindahan panas konveksi dikenal sebagai hukum newton untuk pendinginan, yang dirumuskan sebagai berikut: q = h .A (T s − T ∞ ) .....................................................(2.1) Ketereangan : q = laju perpindahan kalor (W) h = koefisien perpindahan panas konveksi W/(m².C) A = luas permukaan yang bersentuhan dengan fluida (m²)

T = temperatur plat (C)

T ∞ = temperatur fluida yang mengalir di permukaan (C) Perpindahan kalor secara konveksi terjadi pada udara atau fluida yang mengalir (zat cair dan gas) dan tidak dapat berlangsung pada benda padat. Perpindahan kalor secara konveksi ada dua macam yaitu konveksi paksa dan konveksi bebas.

1. Konveksi bebas / konveksi alamiah (free convection / natural convection) Perpindahan panas yang disebabkan oleh perbedaan masa jenis dan tidak adanya tenaga atau peralatan bantu dari luar yang mendorong.

Contoh: plat panas dibiarkan berada di udara sekitar tanpa ada sumber gerakan dari luar.

2. Konveksi paksa (forced convection) Konveksi paksa berlawanan dengan konveksi bebas. Pada konveksi paksa perpindahan panas aliran gas atau cairan disebabkan adanya tenaga atau peralatan bantu dari luar. Contoh: plat panas diberi aliran air atau udara dengan blower.

2.9.2. 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 pada dinding yang mempunyai permukaan dinding-dinding yang berbeda, seperti pada Gambar 2.9.

Gambar 2.9. Contoh Perpindahan Kalor Konduksi

Persamaan laju umum untuk perpindahan panas dengan cara konduksi dikenal dengan hukum Fourier yang dirumuskan sebagai berikut:

( ) ( )

q = -k.A. = - k.A. = k.A. ................................(2.2)

Δ △

Keterangan : q = laju perpindahan panas (W)

( )

= = gradien suhu perpindahan panas(-C/m)

△

k = konduktivitas thermal bahan (W/m.C) A = luas permukaan yang tegak lurus arah perpindahan kalor (m²)

Nilai minus (-) dalam persamaan 2.2 menunjukkan bahwa panas selalu berpindah ke temperatur yang lebih rendah.

2.10. Isolator

Isolator adalah bahan yang dipergunkan untuk mencegah keluarnya kalor dari pipa kapiler menuju evaporator. Isolator yang baik harus memiliki sifat tidak mudah menghantarkan termal atau memiliki nilai konduktivitas termal yang rendah. Isolator dalam kehidupan sehari-hari ada yang memiliki sifat tahan suhu panas dan ada juga isolator yang tahan terhadap suhu dingin. Pada persoalan mesin pendingin ini dipilih isolator gabus karena gabus tahan terhadap suhu dingin. Sifat-sifat gabus adalah sebagai berikut:

a. Memiliki massa jenis = 9 (kg/m )

b. Memiliki kalor jenis = 1,3 – 1,45 (kJ/kg

c. Memiliki nilai konduktivitas termal bahan = 0,033 (W/m

2.11. 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 : ..................................................................………..(2.3)

W in = h ^{2 – h} ¹ Dimana : W in = besarnya kerja kompresor (kJ/kg) h ^{1 = entalpi refrigeran saat masuk kompresor (kJ/kg)} h = entalpi refrigeran saat keluar kompresor (kJ/kg)

2) Kerja Kondensor Besarnya panas per satuan massa refrigeran yang dilepas kondensor dapat dihitung dengan persamaan :

Q out = h

2 – h 3 ........................................................................(2.4)

Dimana : Q = besarnya panas dilepas di kondensor (kJ/kg)

out

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

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

3) Kerja Evaporator Besarnya panas per satuan massa refrigeran yang diserap evaporator dapat dihitung dengan persamaan :

Q in = h

1 – h 4 ...................................................................……(2.5)

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

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

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

− h diserap evaporator (h – h ) dengan kerja spesifik kompresor (h )

dirumuskan sebagai berikut :

( )

COP = .............................................................................(2.6)

( )

Dimana : h = entalpi refrigeran saat masuk kompresor (kJ/kg)

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

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

Dengan bantuan diagram tekanan-entalpi, nilai-nilai entalpi disetiap proses dapat diketahui. Dengan diketahuinya h1, h2, h3, dan h4 maka kerja kompresor, laju aliran kalor yang dilepas kondensor, laju aliran yang dihisap evaporator dan COP dalam siklus kompresi uap standar di atas dapat dihitung. Dalam penggunaan diagram entalpi-tekanan tergantung jenis bahan pendingin (refrigeran) yang dipakai. Untuk diagram tekanan-entalpi pada jenis refrigeran 134a dapat dilihat pada Gambar 2.10.

Gambar 2.10. Diagram tekanan-entalpi R-134a

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

3.1. Komponen-Komponen Mesin Pendingin

a) Kompresor Alat mesin pendingin ini menggunakan kompresor merk Thecumseh dengan daya 1/8 PK. Gambar 3.1 menunjukkan kompresor yang digunakan dalam pembuatan alat mesin pendingin : Gambar 3.1 Kompresor.

b) Kondenser Kondenser yang digunakan dalam pembuatan mesin pendingin adalah jenis pipa dengan jari-jari penguat. Tinggi kondensor 70 cm, lebar 25 cm, diameter pipa

5 mm, jarak antara sirip 5 mm dan panjang kondensor 350 mm, lebih jelasnya di tunjukan pada Gambar 3.2 :

Gambar 3.2 Kondenser.

c) Pipa kapiler Panjang pipa kapiler yang digunakan 150 cm dengan diameter dalam pipa

1,7 mm dan bahan yang digunakan tembaga. Gambar 3.3 menunjukkan pipa kapiler yang digunakan :

KARAKTERISTIK MESIN PENDINGIN UNTUK MENDINGINKAN REFRIGERAN SEKUNDER