MESIN PENDINGIN SIKLUS KOMPRESI UAP
MATERI SISTEM PENDINGIN
Mesin Pendingin Siklus Kompresi Uap
Cara kerja dari mesin pendingin dengan siklus refrigerasi kompresi uap adalah sebagai
berikut :
“Fluida kerja dikompresikan di dalam kompresor dari tingkat keadaan 1 ke tingkat
keadaan 2, pada tekanan tinggi ini fluida kerja ini diembunkan di dalam kondensor ke
tingkat keadaan 3 dan kemudian diekspansikan dengan katup ekspansi ke tingkat
keadaan 4 dan berevaporasi di dalam evaporator kembali ke tingkat keadaan 1.”
Sistem pendinginan ini terdiri dari beberapa alat utama yang pokok untuk dapat
terjadinya proses kompresi uap, yaitu:
a. Kompresor, berfungsi untuk menaikkan tekanan refrigerant.
b. Kondensor berfungsi mendinginkan atau mengembunkan refrigerant berarti terjadi
panas yang dibuang di dalam kondensor.
c. Katup ekspansi, berfungsi untuk mengeskpansikan refrigerant secara entalpi konstan
dan tidak ada panas yang diserap maupun dibuang pada proses ekspansi untuk
menurunkan tekanan refrigerant.
d. Evaporator, berfungsi untuk memanaskan atau menguapkan refrigerant, berarti ada
panas yang diserap oleh refrigerant sehingga terjadi efek pendinginan pada lingkungan
sekitarnya.
Untuk mengetahui kemampuan mesin pendingin maka digunakan koefisien performansi
(Coefficient of Performance (COP)) yaitu perbandingan antara efek pendinginan dan
kerja yang dilakukan oleh kompresor.
A. Pengertian Mesin Pendingin
Mesin Pendingin adalah suatu peralatan yang digunakan untuk mendinginkan
air, atau peralatan yang berfungsi untuk memindahkan panas dari suatu tempat
yang temperaturnya lebih tinggi. Di dalam sistem pendinginan dalam menjaga
temperatur rendah memerlukan pembuangan kalor dari produk pada temperatur
rendah ke tempat pembuangan kalor yang lebih tinggi.
Siklus refrigerasi kompresi mengambil keuntungan dari kenyataan bahwa fluida
yang bertekanan tinggi pada suhu tertentu cenderung menjadi lebih dingin jika
dibiarkan mengembang. Jika perubahan tekanan cukup tinggi, maka gas yang
ditekan akan menjadi lebih panas daripada sumber dingin di luar (contoh udara
diluar) dan gas yang mengembang akan menjadi lebih dingin daripada suhu
Bagas Somporn - Teknik Permesinan Kapal
Page 1
MATERI SISTEM PENDINGIN
dingin yang dikehendaki. Dalam kasus ini, fluida digunakan untuk
mendinginkan lingkungan bersuhu rendah dan membuang panas ke
lingkungan yang bersuhu tinggi.
Siklus refrigerasi kompresi uap memiliki dua keuntungan. Pertama, sejumlah
besar energi panas diperlukan untuk merubah cairan menjadi uap, dan oleh
karena itu banyak panas yang dapat dibuang dari ruang yang disejukkan. Kedua,
sifat-sifat isothermal penguapan membolehkan pengambilan panas tanpa
menaikan suhu fluida kerja ke suhu berapapun didinginkan. Hal ini berarti bahwa
laju perpindahan panas menjadi tinggi, sebab semakin dekat suhu fluida kerja
mendekati suhu sekitarnya akan semakin rendah laju perpindahan panasnya.
Prinsip kerja mesin pendingin adalah jika motor penggerak berputar maka akan
memutar kompresor. Dengan berputar kompresor, refrigeran akan naik suhu
maupun tekanannya. Hal ini disebabkan molekul-molekul dari refrigeran
bergerak lebih cepat akibat proses kompresi. Gas dari refrigeran akan merambat
pada pipa–pipa kondensor dan media pendinginan.
Pada bagian kondensor diusahakan adanya media pendinginan yang baik,
sebab dengan adanya pendinginan yang baik pada bagian kondensor akan
membantu memperlancar terjadinya proses kondensasi. Temperatur dan
tekanan gas refrigeran akan naik sampai keseimbangan dicapai. Setelah terjadi
keseimbangan proses kondensasi (pengembunan) gas refrigeran mengalir
menerusi saluran cairan tekanan tinggi menuju refrigeran control setelah
melewati drier strainer (saringan).
Siklus (daur) kompresi uap merupakan daur yang terbanyak digunakan dalam
sistem refrigerasi. Pada daur ini ditekan dan kemudian diembunkan menjadi
cairan, lalu tekanannya diturunkan agar cairan tersebut dapat menguap kembali.
B. Siklus Pendinginan (Refrigeration Cycle)
Waktu kompresor sedang bekerja suhu dan tekanan refrigeran yang mengalir ke
kondensor, pipa kapiler, dryer, evaporator akan menjadi tinggi. Klep tekan
(discharge valve) menjadi terbuka dan klep hisap (sunction tube) menutup,
dengan terbukanya klep tekan uap yang dipompa oleh kompresor keluar melalui
celah-celah klep tersebut dan masuk kedalam saluran tekan. Refrigeran yang
masuk kedalam pipa kondensor panasnya akan diserap oleh udara yang
mengalir melalui sela-sela pipa. Kondensor akan melepaskan panas dan
mengubah refrigeran yang bersuhu tinggi menjadi cairan bertekanan tinggi. Uap
yang berada dalam kondensor akan turun suhunya dengan tekanan yang tinggi
Bagas Somporn - Teknik Permesinan Kapal
Page 2
MATERI SISTEM PENDINGIN
dan menjadi cairan. Cairan tersebut mengalir kedalam dryer dan capillary
tube yang mempunyai lubang diameter yang kecil sehingga tekanan
diturunkan menjadi rendah sesuai temperatur pada evaporator.
C. Bahan Pendingin (Refrigerant)
Bahan pendingin atau refrigerant adalah suatu zat yang mudah diubah wujudnya
dari gas menjadi cair atau sebaliknya. Untuk dapat terjadinya suatu proses
pendinginan diperlukan suatu bahan pendingin atau refrigerant yang digunakan
untuk mengambil panas dari evaporator dan membuangnya dalam kondensor.
Terdapat berbagai jenis refrigerant yang digunakan dalam sistim kompresi uap.
Suhu refrigerasi yang dibutuhkan sangat menentukan dalam pemilihan fluida.
Refrigerant yang umum digunakan adalah yang termasuk kedalam keluarga
chlorinated fluorocarbons.
Bahan pendingin (refrigerant) banyak sekali macamnya, tetapi tidak semua dapat
dipakai untuk semua keperluan pendinginan. Suatu bahan pendingin mempunyai
syarat–syarat untuk keperluan proses pendinginan antara lain :
1. Tidak beracun dan tidak berbau dalam semua keadaan.
2. Tidak dapat terbakar atau meledak bila bercampur dengan udara, minyak
pelumas dan sebagainya.
3. Tidak menyebabkan korosi terhadap bahan logam yang dipakai pada sistem
pendingin.
4. Bila terjadi kebocoran mudah diketahui dengan alat–alat yang sederhana
maupun dengan alat detector kobocoran.
5. Mempunyai titik didih dan tekanan kondensasi yang rendah.
6. Mempunyai kalor laten penguapan yang besar, agar panas yang diserap
evaporator sebesar–besarnya.
7. Viskositas dalam fase cair maupun fase gas rendah agar aliran refrigeran
dalam pipa sekecil mungkin.
8. Harganya tidak mahal dan mudah diperoleh.
9. Konduktifitas thermal yang tinggi.
10. Konstanta dieletrika dari refrigeran yang kecil, tahanan lisrtrik yang besar,
serta tidak menyebabkan korosi pada material isolator listrik.
11. Tidak merusak tubuh manusia.
D. Kompresor
Kompresor adalah unit mesin pendingin yang berfungsi untuk mengsirkulasi
Bagas Somporn - Teknik Permesinan Kapal
Page 3
MATERI SISTEM PENDINGIN
refrigeran yang mengalir dalam unit mesin pendingin. Jika dilihat dari cara
kerja mensirkulasikan refrigeran, maka kompresor dapat diklasifikasikan
menjadi :
1. Kompresor Open Unit (Open Type Cmpressor)
Jenis kompresor ini terpisah dari tenaga penggeraknya masing-masing bergerak
sendiri dalam keadaan terpisah. Tenaga penggerak kompresor umumnya motor
listrik. Salah satu ujung poros engkol dari kompresor menonjol keluar, sebuah
puli dari luar dipasang pada ujung poros tersebut. Melalui tali kipas puli
dihubungkan dengan tenaga penggeraknya. Puli pada kompresor berfungsi
sebagai roda gaya yang digunakan sebagai daun kipas untuk mendinginkan
kondensor dan kompresor sendiri. Karena ujung poros engkol keluar dari rumah
kompresor, maka harus diberi pelapis agar refigeran tidak bocor keluar.
2. Kompresor Sentrifugal
Prinsip dari kompresor sentrifugal adalah menggunakan gaya sentrifugal untuk
mendapatkan energi kinetik pada impeller sudu dan energi kinetik ini diubah
menjadi tekanan potensial. Tekanan dan kecepatan uap yang rendah dari
saluran sunction dihisap kedalam lubang masuk atau mata roda impeller oleh
aksi dari shaft rotor, dan kemudian diarahkan dari ujung-ujung pisau ke rumah
kompresor untuk diubah menjadi tekanan yang bertambah.
3. Kompresor Scroll
Prinsip kerja dari komprespr scroll adalah mengunakan dua buah scroll
(pusaran). Satu scroll dipasang tetap dan salah satu scroll lainnya berputar pada
orbit. Refrigeran dengan tekanan rendah dihisap dari saluran hisap oleh scroll
dan dikeluarkan melalui saluaran tekan yang letaknya pada pusat orbit dari scroll
tersebut.
4. Kompresor Sekrup
Uap refrigeran memasuki satu ujung kompresor dan meninggalkan kompresor
dari ujung yang lain. Pada posisi langkah hisap terbentuk ruang hampa sehingga
uap mengalir kedalamnya. Bila putaran terus berlanjut, refrigeran yang terkurung
digerakkan mengelilingi rumah kompresor. Pada putaran selanjutnya terjadi
penangkapan kuping rotor jantan oleh lekuk rotor betina, sehingga memperkecil
volume rongga dan menekan refrigeran tersebut keluar melalui saluran buang.
5. Kompresor Semi Hermetik
Pada konstruksi semi hermetik bagian kompresor dan elektro motor masingBagas Somporn - Teknik Permesinan Kapal
Page 4
MATERI SISTEM PENDINGIN
masing berdiri sendiri dalam keadaan terpisah. Untuk menggerakkan
kompresor poros motor listrik dihubungkan dengan poros kompresornya
langsung.
E. Kondensor
Kondensor mempunyai fungsi melepaskan panas yang diserap refrigeran di
evaporator dan panas yang terjadi selama proses kompresi. Dilihat dari sisi
media yang digunakan kondensor dapat dibedakan 2 macam :
1. Kondensor Berpendingin Udara (Air Cooled Condenser)
Yaitu kondensor yang menggunakan udara sebagai media pendinginnya. Air
cooled condenser mempunyai dua tipe diantaranya :
• Natural Draught Condenser
Dimana pelaksana perpindahan panasnya dilakukan dengan aliran udara secara
alami.
• Force Draught Condenser
Dimana pelaksanaan perpindahan panasnya dilakukan dengan aliran udara yang
dipaksakan biasanya dilakukan dengan kipas udara dan blower.
2. Kondensor Berpendingin Air (Water Cooled Condenser)
Water cooled condensor adalah kondensor yang menggunakan air sebagai
media pendinginnya. Menurut proses aliran yang ada pada kondensor ini terbagi
menjadi dua jenis yaitu :
• Wate Water System
Suatu sistem dimana air yang disuplai untuk kondensor diambil dari pusat–pusat
air kemudian dialirkan melewati kondensor setelah itu dibuang.
• Recirculating Water System
Suatu sistem dimana air yang telah meninggalkan kondensor disalurkan kedalam
cooling tower, untuk diturunkan temperaturnya pada temperatur yang
dikehendaki.
• Sistem Pipa Air Dari Menara Pendingin
Supaya mesin pendingin dapat bekerja dengan aman, maka harus dijamin
adanya aliran air pendingin sesuai dengan yang diperlukan. Apabila kondensor
terletak diatas permukaan air di dalam bak menara pendingin, atau apabila
kondensor terletak di bawah permukaan air dan pompa terletak diatas
Bagas Somporn - Teknik Permesinan Kapal
Page 5
MATERI SISTEM PENDINGIN
permukaan air dalam bak air, maka sebuah katup satu arah (check valve)
harus dipasang diantara sisi keluar air pendingin dan pompa.
F. Evaporator
Evaporator adalah penukar kalor yang memegang peranan yang paling penting
didalam siklus pendinginan, yaitu mendinginkan media sekitarnya. Evaporator
berfungsi untuk mendinginkan udara ruangan atau cairan. Selain itu fungsi
eavaporator pada sistem pendinginan adalah sebagai pipa penguapan. Dilihat
dari betuknya, evaporator memiliki konstruksi yang sama dengan bagian
kondensor yang hanya menggunakan diameter pipa lebih besar dibandingkan
pipa untuk kondensor. Didalam tabung dipasang plat–plat penyekat. Plat–plat
tersebut berfungsi sebagai penunjang pipa refrigeran dan mengalirkan cairan
yang hendak didinginkan, sehingga dapat mengalir tegak lurus pada pipa
dengan kecepatan tinggi.
Dengan demikian laju–laju perpindahan kalor semakin baik karena kontak antara
cairan yang hendak didinginkan dalam pipa refrigeran dapat dibuat lebih baik.
G. Pipa Kapiler (Capillary Tube)
Pipa kapiler adalah pengatur bahan pendingin atau refrigeran pada sistem
pendinginan yang ditempatkan pada antara sisi tekanan tinggi dan sisi tekanan
rendah. Refrigeran cairan yang mengalir melalui pipa kapiler terjadi pressure
drop yang berarti tekanan dan suhunya diturunkan sesuai dengan kebutuhan
evaporator.
Penggunaan pipa kapiler pada mesin pendingin akan mempermudah pada waktu
start, karena dengan mempergunakan pipa kapiler pada saat sistem tidak
bekerja tekanan pada kondensor dan evaporator selalu sama. Hal ini berarti
meringankan tugas kompresor pada waktu start.
H. Pengering (Dryer)
Pengering (dryer) dalam sistem pendinginan digunakan untuk untuk menyerap
uap air dan menyaring kotoran yang tidak diperlukan dalam sistem. Didalam
pengering diisikan bahan pengering dan kawat saringan. Pengering ditempatkan
pada sisi tekanan tinggi dari sistem pendinginan, yaitu pada saluran cairan
didekat pipa kapiler. Pengering tersebut sebaiknya dipasang pada posisi
kedudukan tegak dengan lubang masuk pada bagian bawah. Umumnya
pengering dipasang secara permanen, hanya ditukar apabila bahan pengering
Bagas Somporn - Teknik Permesinan Kapal
Page 6
MATERI SISTEM PENDINGIN
telah tidak dapat menyerap uap air lagi. Jika kompresor rusak atau
motornya terbakar, maka pengering harus ditukar dengan yang baru
karena saringan telah kotor bahan pengering juga tidak dapat menyerap uap air
lagi.
I. Katup Ekspansi Otomatik (Automatic Expansion Valve)
Katup ekspansi otomatik digunakan untuk mengatur jumlah refrigeran yang
masuk pada evaporator dalam batas yang sama dengan kapasitas isap
kompresor. Selama sistem sedang bekerja, katup tersebut dapat
mempertahankan tekanan evaporator dan tekanan saluran isap tetap konstan,
sehingga beban kompresor juga menjadi konstan.
Pada dasarnya katup tersebut terdiri dari : jarum dan dudukanya, diafragma,
sebuah pegas dengan baut pengatur, sebuah saringan pada bagian masuk.
Katup ekspansi otomatik bekerja berdasarkan tekanan yang seimbang pada
diafragma, dari dua tekanan yang berlawanan dan saling mengimbangi. Prinsip
kerja katup ekspansi otomatik adalah apabila tekanan evaporator menekan
diafragma keatas, membuat lubang saluran refrigeran menutup.
J. Katup Ekspansi Termostatik (Thermostatic Expansion Valve)
Katup ekspansi termostatik merupakan alat pengatur refrigeran yang paling
banyak dipakai untuk sistem pendinginan. Katup ekspansi tersebut dapat
mengatur jumlah refrigeran yang mengalir dalam evaporator sesuai dengan
beban evaporator yang maksimum pada setiap keadaan beban evaporator yang
berubah-ubah. Katup ekspansi termostatik dapat mempertahankan uap panas
lanjut yang konstan.
Katup ekspansi tersebut tidak mengatur tekanan dan temperatur dalam
evaporator, tetapi mengontrol jumlah refrigeran yang mengalir masuk dalam
evaporator. Refrigeran yang mengalir melalui katup ekspansi termostatik lalu
pada evaporator, selain dikontrol oleh tekanan rendah dalam evaporator, juga
oleh temperatur dan tekanan pada akhir evaporator.
K. Termometer bola kering dan termometer bola basah
• Dry Bulb temperature (Temperatur bola kering), yaitu suhu yang ditunjukkan
dengan thermometer bulb biasa dengan bulb dalam keadaan kering. Satuan
untuk suhu ini bias dalam celcius, Kelvin, fahrenheit. Seperti yang diketahui
bahwa thermometer menggunakan prinsip pemuaian zat cair dalam
Bagas Somporn - Teknik Permesinan Kapal
Page 7
MATERI SISTEM PENDINGIN
thermometer. Jika kita ingin mengukur suhu udara dengan thermometer
biasa maka terjadi perpindahan kalor dari udara ke bulb thermometer.
Karena mendapatkan kalor maka zat cair (misalkan: air raksa) yang ada di dalam
thermometer mengalami pemuaian sehingga tinggi air raksa tersebut naik.
Kenaikan ketinggian cairan ini yang di konversika dengan satuan suhu (celcius,
Fahrenheit, dll).
• Wet Bulb Temperature (Temperatur bola basah), yaitu suhu bola basah. Sesuai
dengan namanya “wet bulb”, suhu ini diukur dengan menggunakan thermometer
yang bulbnya (bagian bawah thermometer) dilapisi dengan kain yang telah
basah kemudian dialiri udara yang ingin diukur suhunya.
Perpindahan kalor terjadi dari udara ke kain basah tersebut. Kalor dari udara
akan digunakan untuk menguapkan air pada kain basah tersebut, setelah itu
baru digunakan untuk memuaikan cairan yang ada dalam thermometer.
Untuk menjelaskan apa itu wet bulb temperature, dapat kita gambarkan jika ada
suatu kolam dengan panjang tak hingga diatasnya ditutup. Kemudian udara
dialirka melalui permukaan air. Dengan adanya perpindahan kalor dari udara ke
permukaan air maka terjadilah penguapan. Udara menjadi jenuh diujung kolam
air tersebut. Suhu disinilah yang dinamakan Wet Bulb temperature.
Untuk mengukur dua sifat (Dry dan Wet bulb temperature) ini sekaligus biasanya
menggunkan alat yang namanya sling, yaitu dua buah thermometer yang di
satukan pada sebuah tempat yang kemudian tempat tersebut dapat diputar. Satu
thermometer biasa dan yang lainnya thermometer dengan bulb diselimuti kain
basah.
L. Istilah – istilah dalam Pengujian Mesin Pendingin Siklus Kompresi Uap
• Dew Point, yaitu suhu dimana udara telah mencapai saturasi (jenuh). Jika
udara tersebut mengalami pelepasan kalor sedikit saja, maka uap air dalam
udara akan mengembun.
• Humidity Ratio , yaitu ukuran massa uap air yang ada dalam satu satuan
udara kering (Satuan International: gram/kg).
• Relative Humidity (RH), Perbandingan antara fraksi mol uap dengan fraksi mol
udara basah pada suhu dan tekanan yang sama (satuannya biasanya dalam
persen (%)).
• Volume Spesifik (v), yaitu besarnya volume udara dalam satu satuan massa.
(SI: m3/kg)
• Enthalpy (h), yaitu banyaknya kalor (energy) yang ada dalam udara setiap satu
Bagas Somporn - Teknik Permesinan Kapal
Page 8
MATERI SISTEM PENDINGIN
satuan massa. Enthalpy ini merupakan jumlah total energi yang ada dalam
udara terebut, baik dari udara maupun uap air yang terkandung
didalamnya.
M. Macam – macam siklus kompresi uap
1. Daur Refrigerasi Carnot
Daur ini merupakan keblikan dari mesin kalor, dimana energi disalurkan dari
suhu rendah menuju suhu yang lebih tinggi. Dengan kata lain daur refrigerasi
membutuhkan kerja luar untuk dapat bekerja.
Proses – proses yang membentuk daur Carnot adalah :
1 – 2 kompresi adiabatik
2 – 3 pelepasan kalor isotermal
3 – 4 ekspansi adiabatik
4 – 1 pemasukan kalor isotermal
Seluruh proses pada daur Carnot secara termodinamik bersifat reversibel (dapat
dibalik). Oleh karenanya proses 1 – 2 dan 3 – 4 bersifat isentropik. Penyerapan
kalor dari sumber bersuhu rendah pada proses 4 – 1 merupakan tujuan utama
dari daur ini. Seluruh proses lainnya pada daur berfungsi sedemikian rupa
sehingga energi bersuhu rendah dapat dikeluarkan ke lingkungan yang bersuhu
lebih tinggi. Daur carnot ini terdiri dari proses – proses reversibel yang
menjadikan efisiensinya menjadi lebih tinggi dari yang dapat dicapai oleh daur
nyata. Hal yang penting dari daur Carnot adalah daur ini merupakan pembanding
yang standar dan dengan daur tersebut memberikan pedoman tentang suhu –
suhu yang harus dipertahankan sehingga diperoleh keefektifan yang maksimum.
2. Daur Kompresi Uap Standar (DKUS)
Proses – proses yang membentuk daur ini adalah :
1 – 2 kompresi adiabatik dan reversibel, dari uap jenuh menuju tekanan
kondensor.
2 – 3 pelepasan kalor reversibel pada tekanan konstan, menyebabkan
penurunan panas lanjut (desuperheating) dan pengembunan refrigeran.
3 – 4 ekspansi tidak reversibel pada entalpi konstan, dan cairan jenuh menuju
tekanan evaporator.
4 – 1 penambahan kalor reversibel pada tekanan tetap, yang menyebabkan
penguapan menuju uap jenuh
Bagas Somporn - Teknik Permesinan Kapal
Page 9
MATERI SISTEM PENDINGIN
Prestasi daur kompresi uap standar
Untuk mengetahui prestasi DKUS terlebih dahulu harus diketahui beberapa
besaran seperti : kerja kompresi, laju pengeluaran kalor, dampak refrigerasi,
koefisien prestasi, Coefficient of Performance (COP). Istilah prestasi di dalam
daur refrigerasi disebut dengan Koefisien Prestasi. Yang didefinisikan sebagai
perbandingan antara refrigerasi yang bermanfaat terhadap kerja bersih, yang
identik dengan jumlah hasil yang diinginkan tgerhadap jumlah pengeluaran.
3. Daur kompresi Uap Nyata
Daur ini mengalami pengurangan efisiensi dibanding dengan daur standar.
Perbedaan penting antara daur nyata dengan daur standar terletak pada
penurunan tekanan di dalam kondensor dan evaporator, dalam
pembawahdinginan cairan yang meninggalkan kondensor, dan dalam
pemanasan lanjut uap yang meninggalkan evaporator. Daur standar dianggap
tidak mengalami penurunan tekanan pada kondensor dan evaporator. Tetapi
pada daur nyata, terjadi penurunan tekanan karena adanya gesekan. Akibat dari
penurunan tekanan ini, kompresi pada titik 1 dan 2 memerlukan lebih banyak
kerja dibanding dengan daur standar.
Bagas Somporn - Teknik Permesinan Kapal
Page 10
Mesin Pendingin Siklus Kompresi Uap
Cara kerja dari mesin pendingin dengan siklus refrigerasi kompresi uap adalah sebagai
berikut :
“Fluida kerja dikompresikan di dalam kompresor dari tingkat keadaan 1 ke tingkat
keadaan 2, pada tekanan tinggi ini fluida kerja ini diembunkan di dalam kondensor ke
tingkat keadaan 3 dan kemudian diekspansikan dengan katup ekspansi ke tingkat
keadaan 4 dan berevaporasi di dalam evaporator kembali ke tingkat keadaan 1.”
Sistem pendinginan ini terdiri dari beberapa alat utama yang pokok untuk dapat
terjadinya proses kompresi uap, yaitu:
a. Kompresor, berfungsi untuk menaikkan tekanan refrigerant.
b. Kondensor berfungsi mendinginkan atau mengembunkan refrigerant berarti terjadi
panas yang dibuang di dalam kondensor.
c. Katup ekspansi, berfungsi untuk mengeskpansikan refrigerant secara entalpi konstan
dan tidak ada panas yang diserap maupun dibuang pada proses ekspansi untuk
menurunkan tekanan refrigerant.
d. Evaporator, berfungsi untuk memanaskan atau menguapkan refrigerant, berarti ada
panas yang diserap oleh refrigerant sehingga terjadi efek pendinginan pada lingkungan
sekitarnya.
Untuk mengetahui kemampuan mesin pendingin maka digunakan koefisien performansi
(Coefficient of Performance (COP)) yaitu perbandingan antara efek pendinginan dan
kerja yang dilakukan oleh kompresor.
A. Pengertian Mesin Pendingin
Mesin Pendingin adalah suatu peralatan yang digunakan untuk mendinginkan
air, atau peralatan yang berfungsi untuk memindahkan panas dari suatu tempat
yang temperaturnya lebih tinggi. Di dalam sistem pendinginan dalam menjaga
temperatur rendah memerlukan pembuangan kalor dari produk pada temperatur
rendah ke tempat pembuangan kalor yang lebih tinggi.
Siklus refrigerasi kompresi mengambil keuntungan dari kenyataan bahwa fluida
yang bertekanan tinggi pada suhu tertentu cenderung menjadi lebih dingin jika
dibiarkan mengembang. Jika perubahan tekanan cukup tinggi, maka gas yang
ditekan akan menjadi lebih panas daripada sumber dingin di luar (contoh udara
diluar) dan gas yang mengembang akan menjadi lebih dingin daripada suhu
Bagas Somporn - Teknik Permesinan Kapal
Page 1
MATERI SISTEM PENDINGIN
dingin yang dikehendaki. Dalam kasus ini, fluida digunakan untuk
mendinginkan lingkungan bersuhu rendah dan membuang panas ke
lingkungan yang bersuhu tinggi.
Siklus refrigerasi kompresi uap memiliki dua keuntungan. Pertama, sejumlah
besar energi panas diperlukan untuk merubah cairan menjadi uap, dan oleh
karena itu banyak panas yang dapat dibuang dari ruang yang disejukkan. Kedua,
sifat-sifat isothermal penguapan membolehkan pengambilan panas tanpa
menaikan suhu fluida kerja ke suhu berapapun didinginkan. Hal ini berarti bahwa
laju perpindahan panas menjadi tinggi, sebab semakin dekat suhu fluida kerja
mendekati suhu sekitarnya akan semakin rendah laju perpindahan panasnya.
Prinsip kerja mesin pendingin adalah jika motor penggerak berputar maka akan
memutar kompresor. Dengan berputar kompresor, refrigeran akan naik suhu
maupun tekanannya. Hal ini disebabkan molekul-molekul dari refrigeran
bergerak lebih cepat akibat proses kompresi. Gas dari refrigeran akan merambat
pada pipa–pipa kondensor dan media pendinginan.
Pada bagian kondensor diusahakan adanya media pendinginan yang baik,
sebab dengan adanya pendinginan yang baik pada bagian kondensor akan
membantu memperlancar terjadinya proses kondensasi. Temperatur dan
tekanan gas refrigeran akan naik sampai keseimbangan dicapai. Setelah terjadi
keseimbangan proses kondensasi (pengembunan) gas refrigeran mengalir
menerusi saluran cairan tekanan tinggi menuju refrigeran control setelah
melewati drier strainer (saringan).
Siklus (daur) kompresi uap merupakan daur yang terbanyak digunakan dalam
sistem refrigerasi. Pada daur ini ditekan dan kemudian diembunkan menjadi
cairan, lalu tekanannya diturunkan agar cairan tersebut dapat menguap kembali.
B. Siklus Pendinginan (Refrigeration Cycle)
Waktu kompresor sedang bekerja suhu dan tekanan refrigeran yang mengalir ke
kondensor, pipa kapiler, dryer, evaporator akan menjadi tinggi. Klep tekan
(discharge valve) menjadi terbuka dan klep hisap (sunction tube) menutup,
dengan terbukanya klep tekan uap yang dipompa oleh kompresor keluar melalui
celah-celah klep tersebut dan masuk kedalam saluran tekan. Refrigeran yang
masuk kedalam pipa kondensor panasnya akan diserap oleh udara yang
mengalir melalui sela-sela pipa. Kondensor akan melepaskan panas dan
mengubah refrigeran yang bersuhu tinggi menjadi cairan bertekanan tinggi. Uap
yang berada dalam kondensor akan turun suhunya dengan tekanan yang tinggi
Bagas Somporn - Teknik Permesinan Kapal
Page 2
MATERI SISTEM PENDINGIN
dan menjadi cairan. Cairan tersebut mengalir kedalam dryer dan capillary
tube yang mempunyai lubang diameter yang kecil sehingga tekanan
diturunkan menjadi rendah sesuai temperatur pada evaporator.
C. Bahan Pendingin (Refrigerant)
Bahan pendingin atau refrigerant adalah suatu zat yang mudah diubah wujudnya
dari gas menjadi cair atau sebaliknya. Untuk dapat terjadinya suatu proses
pendinginan diperlukan suatu bahan pendingin atau refrigerant yang digunakan
untuk mengambil panas dari evaporator dan membuangnya dalam kondensor.
Terdapat berbagai jenis refrigerant yang digunakan dalam sistim kompresi uap.
Suhu refrigerasi yang dibutuhkan sangat menentukan dalam pemilihan fluida.
Refrigerant yang umum digunakan adalah yang termasuk kedalam keluarga
chlorinated fluorocarbons.
Bahan pendingin (refrigerant) banyak sekali macamnya, tetapi tidak semua dapat
dipakai untuk semua keperluan pendinginan. Suatu bahan pendingin mempunyai
syarat–syarat untuk keperluan proses pendinginan antara lain :
1. Tidak beracun dan tidak berbau dalam semua keadaan.
2. Tidak dapat terbakar atau meledak bila bercampur dengan udara, minyak
pelumas dan sebagainya.
3. Tidak menyebabkan korosi terhadap bahan logam yang dipakai pada sistem
pendingin.
4. Bila terjadi kebocoran mudah diketahui dengan alat–alat yang sederhana
maupun dengan alat detector kobocoran.
5. Mempunyai titik didih dan tekanan kondensasi yang rendah.
6. Mempunyai kalor laten penguapan yang besar, agar panas yang diserap
evaporator sebesar–besarnya.
7. Viskositas dalam fase cair maupun fase gas rendah agar aliran refrigeran
dalam pipa sekecil mungkin.
8. Harganya tidak mahal dan mudah diperoleh.
9. Konduktifitas thermal yang tinggi.
10. Konstanta dieletrika dari refrigeran yang kecil, tahanan lisrtrik yang besar,
serta tidak menyebabkan korosi pada material isolator listrik.
11. Tidak merusak tubuh manusia.
D. Kompresor
Kompresor adalah unit mesin pendingin yang berfungsi untuk mengsirkulasi
Bagas Somporn - Teknik Permesinan Kapal
Page 3
MATERI SISTEM PENDINGIN
refrigeran yang mengalir dalam unit mesin pendingin. Jika dilihat dari cara
kerja mensirkulasikan refrigeran, maka kompresor dapat diklasifikasikan
menjadi :
1. Kompresor Open Unit (Open Type Cmpressor)
Jenis kompresor ini terpisah dari tenaga penggeraknya masing-masing bergerak
sendiri dalam keadaan terpisah. Tenaga penggerak kompresor umumnya motor
listrik. Salah satu ujung poros engkol dari kompresor menonjol keluar, sebuah
puli dari luar dipasang pada ujung poros tersebut. Melalui tali kipas puli
dihubungkan dengan tenaga penggeraknya. Puli pada kompresor berfungsi
sebagai roda gaya yang digunakan sebagai daun kipas untuk mendinginkan
kondensor dan kompresor sendiri. Karena ujung poros engkol keluar dari rumah
kompresor, maka harus diberi pelapis agar refigeran tidak bocor keluar.
2. Kompresor Sentrifugal
Prinsip dari kompresor sentrifugal adalah menggunakan gaya sentrifugal untuk
mendapatkan energi kinetik pada impeller sudu dan energi kinetik ini diubah
menjadi tekanan potensial. Tekanan dan kecepatan uap yang rendah dari
saluran sunction dihisap kedalam lubang masuk atau mata roda impeller oleh
aksi dari shaft rotor, dan kemudian diarahkan dari ujung-ujung pisau ke rumah
kompresor untuk diubah menjadi tekanan yang bertambah.
3. Kompresor Scroll
Prinsip kerja dari komprespr scroll adalah mengunakan dua buah scroll
(pusaran). Satu scroll dipasang tetap dan salah satu scroll lainnya berputar pada
orbit. Refrigeran dengan tekanan rendah dihisap dari saluran hisap oleh scroll
dan dikeluarkan melalui saluaran tekan yang letaknya pada pusat orbit dari scroll
tersebut.
4. Kompresor Sekrup
Uap refrigeran memasuki satu ujung kompresor dan meninggalkan kompresor
dari ujung yang lain. Pada posisi langkah hisap terbentuk ruang hampa sehingga
uap mengalir kedalamnya. Bila putaran terus berlanjut, refrigeran yang terkurung
digerakkan mengelilingi rumah kompresor. Pada putaran selanjutnya terjadi
penangkapan kuping rotor jantan oleh lekuk rotor betina, sehingga memperkecil
volume rongga dan menekan refrigeran tersebut keluar melalui saluran buang.
5. Kompresor Semi Hermetik
Pada konstruksi semi hermetik bagian kompresor dan elektro motor masingBagas Somporn - Teknik Permesinan Kapal
Page 4
MATERI SISTEM PENDINGIN
masing berdiri sendiri dalam keadaan terpisah. Untuk menggerakkan
kompresor poros motor listrik dihubungkan dengan poros kompresornya
langsung.
E. Kondensor
Kondensor mempunyai fungsi melepaskan panas yang diserap refrigeran di
evaporator dan panas yang terjadi selama proses kompresi. Dilihat dari sisi
media yang digunakan kondensor dapat dibedakan 2 macam :
1. Kondensor Berpendingin Udara (Air Cooled Condenser)
Yaitu kondensor yang menggunakan udara sebagai media pendinginnya. Air
cooled condenser mempunyai dua tipe diantaranya :
• Natural Draught Condenser
Dimana pelaksana perpindahan panasnya dilakukan dengan aliran udara secara
alami.
• Force Draught Condenser
Dimana pelaksanaan perpindahan panasnya dilakukan dengan aliran udara yang
dipaksakan biasanya dilakukan dengan kipas udara dan blower.
2. Kondensor Berpendingin Air (Water Cooled Condenser)
Water cooled condensor adalah kondensor yang menggunakan air sebagai
media pendinginnya. Menurut proses aliran yang ada pada kondensor ini terbagi
menjadi dua jenis yaitu :
• Wate Water System
Suatu sistem dimana air yang disuplai untuk kondensor diambil dari pusat–pusat
air kemudian dialirkan melewati kondensor setelah itu dibuang.
• Recirculating Water System
Suatu sistem dimana air yang telah meninggalkan kondensor disalurkan kedalam
cooling tower, untuk diturunkan temperaturnya pada temperatur yang
dikehendaki.
• Sistem Pipa Air Dari Menara Pendingin
Supaya mesin pendingin dapat bekerja dengan aman, maka harus dijamin
adanya aliran air pendingin sesuai dengan yang diperlukan. Apabila kondensor
terletak diatas permukaan air di dalam bak menara pendingin, atau apabila
kondensor terletak di bawah permukaan air dan pompa terletak diatas
Bagas Somporn - Teknik Permesinan Kapal
Page 5
MATERI SISTEM PENDINGIN
permukaan air dalam bak air, maka sebuah katup satu arah (check valve)
harus dipasang diantara sisi keluar air pendingin dan pompa.
F. Evaporator
Evaporator adalah penukar kalor yang memegang peranan yang paling penting
didalam siklus pendinginan, yaitu mendinginkan media sekitarnya. Evaporator
berfungsi untuk mendinginkan udara ruangan atau cairan. Selain itu fungsi
eavaporator pada sistem pendinginan adalah sebagai pipa penguapan. Dilihat
dari betuknya, evaporator memiliki konstruksi yang sama dengan bagian
kondensor yang hanya menggunakan diameter pipa lebih besar dibandingkan
pipa untuk kondensor. Didalam tabung dipasang plat–plat penyekat. Plat–plat
tersebut berfungsi sebagai penunjang pipa refrigeran dan mengalirkan cairan
yang hendak didinginkan, sehingga dapat mengalir tegak lurus pada pipa
dengan kecepatan tinggi.
Dengan demikian laju–laju perpindahan kalor semakin baik karena kontak antara
cairan yang hendak didinginkan dalam pipa refrigeran dapat dibuat lebih baik.
G. Pipa Kapiler (Capillary Tube)
Pipa kapiler adalah pengatur bahan pendingin atau refrigeran pada sistem
pendinginan yang ditempatkan pada antara sisi tekanan tinggi dan sisi tekanan
rendah. Refrigeran cairan yang mengalir melalui pipa kapiler terjadi pressure
drop yang berarti tekanan dan suhunya diturunkan sesuai dengan kebutuhan
evaporator.
Penggunaan pipa kapiler pada mesin pendingin akan mempermudah pada waktu
start, karena dengan mempergunakan pipa kapiler pada saat sistem tidak
bekerja tekanan pada kondensor dan evaporator selalu sama. Hal ini berarti
meringankan tugas kompresor pada waktu start.
H. Pengering (Dryer)
Pengering (dryer) dalam sistem pendinginan digunakan untuk untuk menyerap
uap air dan menyaring kotoran yang tidak diperlukan dalam sistem. Didalam
pengering diisikan bahan pengering dan kawat saringan. Pengering ditempatkan
pada sisi tekanan tinggi dari sistem pendinginan, yaitu pada saluran cairan
didekat pipa kapiler. Pengering tersebut sebaiknya dipasang pada posisi
kedudukan tegak dengan lubang masuk pada bagian bawah. Umumnya
pengering dipasang secara permanen, hanya ditukar apabila bahan pengering
Bagas Somporn - Teknik Permesinan Kapal
Page 6
MATERI SISTEM PENDINGIN
telah tidak dapat menyerap uap air lagi. Jika kompresor rusak atau
motornya terbakar, maka pengering harus ditukar dengan yang baru
karena saringan telah kotor bahan pengering juga tidak dapat menyerap uap air
lagi.
I. Katup Ekspansi Otomatik (Automatic Expansion Valve)
Katup ekspansi otomatik digunakan untuk mengatur jumlah refrigeran yang
masuk pada evaporator dalam batas yang sama dengan kapasitas isap
kompresor. Selama sistem sedang bekerja, katup tersebut dapat
mempertahankan tekanan evaporator dan tekanan saluran isap tetap konstan,
sehingga beban kompresor juga menjadi konstan.
Pada dasarnya katup tersebut terdiri dari : jarum dan dudukanya, diafragma,
sebuah pegas dengan baut pengatur, sebuah saringan pada bagian masuk.
Katup ekspansi otomatik bekerja berdasarkan tekanan yang seimbang pada
diafragma, dari dua tekanan yang berlawanan dan saling mengimbangi. Prinsip
kerja katup ekspansi otomatik adalah apabila tekanan evaporator menekan
diafragma keatas, membuat lubang saluran refrigeran menutup.
J. Katup Ekspansi Termostatik (Thermostatic Expansion Valve)
Katup ekspansi termostatik merupakan alat pengatur refrigeran yang paling
banyak dipakai untuk sistem pendinginan. Katup ekspansi tersebut dapat
mengatur jumlah refrigeran yang mengalir dalam evaporator sesuai dengan
beban evaporator yang maksimum pada setiap keadaan beban evaporator yang
berubah-ubah. Katup ekspansi termostatik dapat mempertahankan uap panas
lanjut yang konstan.
Katup ekspansi tersebut tidak mengatur tekanan dan temperatur dalam
evaporator, tetapi mengontrol jumlah refrigeran yang mengalir masuk dalam
evaporator. Refrigeran yang mengalir melalui katup ekspansi termostatik lalu
pada evaporator, selain dikontrol oleh tekanan rendah dalam evaporator, juga
oleh temperatur dan tekanan pada akhir evaporator.
K. Termometer bola kering dan termometer bola basah
• Dry Bulb temperature (Temperatur bola kering), yaitu suhu yang ditunjukkan
dengan thermometer bulb biasa dengan bulb dalam keadaan kering. Satuan
untuk suhu ini bias dalam celcius, Kelvin, fahrenheit. Seperti yang diketahui
bahwa thermometer menggunakan prinsip pemuaian zat cair dalam
Bagas Somporn - Teknik Permesinan Kapal
Page 7
MATERI SISTEM PENDINGIN
thermometer. Jika kita ingin mengukur suhu udara dengan thermometer
biasa maka terjadi perpindahan kalor dari udara ke bulb thermometer.
Karena mendapatkan kalor maka zat cair (misalkan: air raksa) yang ada di dalam
thermometer mengalami pemuaian sehingga tinggi air raksa tersebut naik.
Kenaikan ketinggian cairan ini yang di konversika dengan satuan suhu (celcius,
Fahrenheit, dll).
• Wet Bulb Temperature (Temperatur bola basah), yaitu suhu bola basah. Sesuai
dengan namanya “wet bulb”, suhu ini diukur dengan menggunakan thermometer
yang bulbnya (bagian bawah thermometer) dilapisi dengan kain yang telah
basah kemudian dialiri udara yang ingin diukur suhunya.
Perpindahan kalor terjadi dari udara ke kain basah tersebut. Kalor dari udara
akan digunakan untuk menguapkan air pada kain basah tersebut, setelah itu
baru digunakan untuk memuaikan cairan yang ada dalam thermometer.
Untuk menjelaskan apa itu wet bulb temperature, dapat kita gambarkan jika ada
suatu kolam dengan panjang tak hingga diatasnya ditutup. Kemudian udara
dialirka melalui permukaan air. Dengan adanya perpindahan kalor dari udara ke
permukaan air maka terjadilah penguapan. Udara menjadi jenuh diujung kolam
air tersebut. Suhu disinilah yang dinamakan Wet Bulb temperature.
Untuk mengukur dua sifat (Dry dan Wet bulb temperature) ini sekaligus biasanya
menggunkan alat yang namanya sling, yaitu dua buah thermometer yang di
satukan pada sebuah tempat yang kemudian tempat tersebut dapat diputar. Satu
thermometer biasa dan yang lainnya thermometer dengan bulb diselimuti kain
basah.
L. Istilah – istilah dalam Pengujian Mesin Pendingin Siklus Kompresi Uap
• Dew Point, yaitu suhu dimana udara telah mencapai saturasi (jenuh). Jika
udara tersebut mengalami pelepasan kalor sedikit saja, maka uap air dalam
udara akan mengembun.
• Humidity Ratio , yaitu ukuran massa uap air yang ada dalam satu satuan
udara kering (Satuan International: gram/kg).
• Relative Humidity (RH), Perbandingan antara fraksi mol uap dengan fraksi mol
udara basah pada suhu dan tekanan yang sama (satuannya biasanya dalam
persen (%)).
• Volume Spesifik (v), yaitu besarnya volume udara dalam satu satuan massa.
(SI: m3/kg)
• Enthalpy (h), yaitu banyaknya kalor (energy) yang ada dalam udara setiap satu
Bagas Somporn - Teknik Permesinan Kapal
Page 8
MATERI SISTEM PENDINGIN
satuan massa. Enthalpy ini merupakan jumlah total energi yang ada dalam
udara terebut, baik dari udara maupun uap air yang terkandung
didalamnya.
M. Macam – macam siklus kompresi uap
1. Daur Refrigerasi Carnot
Daur ini merupakan keblikan dari mesin kalor, dimana energi disalurkan dari
suhu rendah menuju suhu yang lebih tinggi. Dengan kata lain daur refrigerasi
membutuhkan kerja luar untuk dapat bekerja.
Proses – proses yang membentuk daur Carnot adalah :
1 – 2 kompresi adiabatik
2 – 3 pelepasan kalor isotermal
3 – 4 ekspansi adiabatik
4 – 1 pemasukan kalor isotermal
Seluruh proses pada daur Carnot secara termodinamik bersifat reversibel (dapat
dibalik). Oleh karenanya proses 1 – 2 dan 3 – 4 bersifat isentropik. Penyerapan
kalor dari sumber bersuhu rendah pada proses 4 – 1 merupakan tujuan utama
dari daur ini. Seluruh proses lainnya pada daur berfungsi sedemikian rupa
sehingga energi bersuhu rendah dapat dikeluarkan ke lingkungan yang bersuhu
lebih tinggi. Daur carnot ini terdiri dari proses – proses reversibel yang
menjadikan efisiensinya menjadi lebih tinggi dari yang dapat dicapai oleh daur
nyata. Hal yang penting dari daur Carnot adalah daur ini merupakan pembanding
yang standar dan dengan daur tersebut memberikan pedoman tentang suhu –
suhu yang harus dipertahankan sehingga diperoleh keefektifan yang maksimum.
2. Daur Kompresi Uap Standar (DKUS)
Proses – proses yang membentuk daur ini adalah :
1 – 2 kompresi adiabatik dan reversibel, dari uap jenuh menuju tekanan
kondensor.
2 – 3 pelepasan kalor reversibel pada tekanan konstan, menyebabkan
penurunan panas lanjut (desuperheating) dan pengembunan refrigeran.
3 – 4 ekspansi tidak reversibel pada entalpi konstan, dan cairan jenuh menuju
tekanan evaporator.
4 – 1 penambahan kalor reversibel pada tekanan tetap, yang menyebabkan
penguapan menuju uap jenuh
Bagas Somporn - Teknik Permesinan Kapal
Page 9
MATERI SISTEM PENDINGIN
Prestasi daur kompresi uap standar
Untuk mengetahui prestasi DKUS terlebih dahulu harus diketahui beberapa
besaran seperti : kerja kompresi, laju pengeluaran kalor, dampak refrigerasi,
koefisien prestasi, Coefficient of Performance (COP). Istilah prestasi di dalam
daur refrigerasi disebut dengan Koefisien Prestasi. Yang didefinisikan sebagai
perbandingan antara refrigerasi yang bermanfaat terhadap kerja bersih, yang
identik dengan jumlah hasil yang diinginkan tgerhadap jumlah pengeluaran.
3. Daur kompresi Uap Nyata
Daur ini mengalami pengurangan efisiensi dibanding dengan daur standar.
Perbedaan penting antara daur nyata dengan daur standar terletak pada
penurunan tekanan di dalam kondensor dan evaporator, dalam
pembawahdinginan cairan yang meninggalkan kondensor, dan dalam
pemanasan lanjut uap yang meninggalkan evaporator. Daur standar dianggap
tidak mengalami penurunan tekanan pada kondensor dan evaporator. Tetapi
pada daur nyata, terjadi penurunan tekanan karena adanya gesekan. Akibat dari
penurunan tekanan ini, kompresi pada titik 1 dan 2 memerlukan lebih banyak
kerja dibanding dengan daur standar.
Bagas Somporn - Teknik Permesinan Kapal
Page 10