MESIN KULKAS DENGAN PANJANG PIPA KAPILER 162,5 CENTIMETER DAN DIAMETER 0,028 INCH TUGAS AKHIR - Mesin kulkas dengan panjang pipa kapiler 162,5 centimeter dan diameter 0,028 inch - USD Repository

  

MESIN KULKAS DENGAN PANJANG PIPA KAPILER 162,5

CENTIMETER DAN DIAMETER 0,028 INCH

TUGAS AKHIR

  Untuk memenuhi sebagian syarat mencapai derajat Sarjana Teknik Mesin

  

Disusun oleh :

YOHANES DWIARI NUGROHOJATI

NIM : 095214040

  

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

2013

REFRIGERATOR USING 162,5 CENTIMETER AND 0,028

  As partial fulfillment of the requirement to obtain

  

Sarjana Teknik degree in Mechanical Engineering

By :

  

YOHANES DWIARI NUGROHOJATI

Student Number : 095214040

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA

  

ABSTRAK

  Pada saat ini mesin pendingin telah berkembang dan dimanfaatkan sesuai dengan kemajuan teknologi. Kebutuhan manusia akan mesin pendingin akhir- akhir ini terus meningkat. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui (1) kerja kompresor persatuan masa refrigeran, (2) energi kalor yang diserap evaporator persatuan masa refrigeran, (3) energi kalor yang dilepas kondensor persatuan masa refrigeran, (4) karakteristik COP dari mesin pendingin, (5) efisiensi mesin pendingin.

  Pada penelitian menggunakan daya kompresor sebesar PK, panjang pipa kapiler 162,5 cm dengan diameter pipa 0,028 inch dan refrigeran yang digunakan R134a. kondensor dan evaporator yang digunakan merupakan standar mesin pendingin dengan menggunakan kompresor PK. Bahan uji yang digunakan pada saat pengujian menggunakan air 1,5 liter selama 485 menit.

  Dari penelitian dapat diketahui kerja kompresor persatuan massa refrigeran mulai stabil pada t = 185 menit sebesar 55 kJ/kg. Energi kalor yang diserap evaporator persatuan massa refrigeran mulai stabil pada t = 305 menit sebesar 111 kJ/kg. Energi kalor yang dilepas kondensor persatuan massa refrigeran mulai stabil pada t = 245 menit sebesar 171 kJ/kg. COP actual stabil pada t = 305 menit sebesar 1,88 dan COP ideal stabil pada t = 45 menit sebesar 3,49. Nilai efisiensi mesin pendingin stabil pada t = 395 menit sebesar 52,11 %.

  Kata kunci : Mesin pendingin, karakteristik mesin pendingin, efisiensi.

KATA PENGANTAR

  Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala berkat dan kasih-Nya yang diberikan dalam penyusunan Tugas Akhir ini sehingga semuanya dapat berjalan dengan lancar dan baik.

  Tugas Akhir ini disusun sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

  Dalam penelitian dan penyusunan Tugas Akhir ini tentunya tidak terlepas dari bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, dalam kesempatan ini penulis ingin menyampaikan terima kasih 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. P.K. Purwadi, M.T., selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta dan selaku pembimbing Tugas Akhir.

  3. Wibowo Kusbandono S.T., M.T., selaku Dosen Pembimbing Akademik 2009.

  Kepala Laboratorium Konversi Energi, Doddy Purwadianto, S.T.,M.T., yang 4. telah memberikan ijin dalam penggunaan fasilitas yang diperlukan dalam penelitian ini.

  5. Dosen-dosen program studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma, atas ilmu pengetahuan dan bimbingannya kepada penulis semasa kuliah.

  6. Teman-teman yang telah ikut serta membantu menyelesaikan Tugas Akhir ini,

  

DAFTAR ISI

  HALAMAN JUDUL ........................................................................................ i TITLE PAGE ................................................................................................... ii HALAMAN PENGESAHAN .......................................................................... iii DAFTAR DEWAN PENGUJI ......................................................................... iv PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR .............................................. v ABSTRAK ....................................................................................................... vi LEMBAR PERNYATAAN PUBLIKASI ....................................................... vii KATA PENGATAR ........................................................................................ viii DAFTAR ISI ..................................................................................................... x DAFTAR GAMBAR ....................................................................................... xiii DAFTAR TABEL ............................................................................................. xv

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

  1.1. Latar belakang .......................................................................................... 1

  1.2. Rumusan masalah..................................................................................... 2

  1.3. Tujuan ...................................................................................................... 2 1.4.

  Batasan batasan ......................................................................................... 3

  1.5. Manfaat penelitian .................................................................................... 4

  BAB II DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA ............................... 5 2.1.

  5 Dasar teori ..............................................................................................

  2.1.1. Mesin Kulkas ......................................................................................... 5 2.1.2.

  Komponen mesin kulkas ....................................................................... 6

  2.1.3. Perpindahan kalor................................................................................... 12

  2.1.4. Refrigeran ............................................................................................... 15

  2.1.5. Beban pendinginan ................................................................................. 18

  2.1.6. Perhitungan beban pendinginan (kapasitas pendinginan) ...................... 19 2.1.7.

  Proses Perubahan Fase........................................................................... 19 2.1.8. Siklus kompresi uap standar .................................................................. 21 2.1.9. Isolator.................................................................................................. 26 2.2. Tinjauan pustaka .................................................................................... 26

  BAB III PEMBUATAN ALAT DAN METODOLOGI PENELITIAN ......... 28

  3.1. Pembuatan alat ....................................................................................... 28

  3.1.1. Komponen mesin kulkas ........................................................................ 28

  3.1.2. Peralatan pendukung .............................................................................. 32

  3.1.3. Pembuatan kulkas dan pemasangan alat ukur ........................................ 34

  3.2. Metodologi penelitian ............................................................................ 34

  3.2.1. Objek penelitian ..................................................................................... 34

  3.2.2. Beban pendingin..................................................................................... 34

  3.2.3. Cara pengambilan data ........................................................................... 34

  3.2.4. Cara pengolahan data ............................................................................. 36

  3.3. Cara mendapatkan kesimpulan .............................................................. 36

  BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ................................. 37

  4.1. Data hasil penelitian .................................................................................. 37

  4.2. Pengolahan data ........................................................................................ 38

  4.4. Pembahasan ............................................................................................... 45

  BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ........................................................... 51

  5.1. Kesimpulan ............................................................................................... 51

  5.2. Saran .......................................................................................................... 52 DAFTAR PUSTAKA ...................................................................................... 53 LAMPIRAN

  

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Kulkas........................................................................................... 5Gambar 2.2 Evaporator jenis plat..................................................................... 7Gambar 2.3 Kompresor hermetik ..................................................................... 7Gambar 2.4 Kondensor .................................................................................... 9Gambar 2.5 Pipa kapiler ................................................................................... 10Gambar 2.6 Filter ............................................................................................. 11Gambar 2.7 Perpindahan kalor konduksi ......................................................... 13Gambar 2.8 Pada perpindahan kalor konveksi ................................................. 14Gambar 2.9 Perpindahan kalor konveksi ......................................................... 14Gambar 2.10 Skema Siklus Kompresi Uap...................................................... 21Gambar 2.11 Siklus kompresi uap pada diagram T-s ...................................... 22Gambar 2.12 Siklus kompresi uap pada diagram P-h ....................................... 22Gambar 2.13 Diagram tekanan-entalpi R-134a ................................................ 26Gambar 3.1 Kompresor hermetic ...................................................................... 28Gambar 3.2 Kondenser...................................................................................... 29Gambar 3.3 Filter .............................................................................................. 30Gambar 3.4 Pipa kapiler .................................................................................... 31Gambar 3.5 Evaporator jenis plat...................................................................... 31Gambar 3.6 Spring type tube bender................................................................. 32Gambar 3.7 Tube cutter.................................................................................... 32Gambar 3.8 Manifold gauge ............................................................................ 33Gambar 3.9 Tang amper ................................................................................... 33Gambar 3.10 Posisi termokopel ....................................................................... 35Gambar 3.11 Posisi manifold gauge ................................................................ 35Gambar 3.11 Contoh penggunaan P-h diagram untuk mencari entalpi ........... 36Gambar 4.1 Kerja kompresor persatuan massa refrigeran ............................... 46Gambar 4.12 Energi kalor yang diserap evaporator persatuan massa refrigeran ..................................................................................... 47Gambar 4.3 Energi kalor yang dilepas kondensor persatuan massa refrigeran ..................................................................................... 48Gambar 4.4 Nilai karakteristik COP actual...................................................... 48Gambar 4.5 Nilai Koefisien prestasi ideal (COP ideal) ................................... 49Gambar 4.6 Nilai efisiensi mesin pendingin .................................................... 50

  

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Data hasil percobaan. ....................................................................... 37Tabel 4.2 Nilai entalpi h ................................................................................... 38Tabel 4.3 Energi kalor yang diserap evaporator persatuan massa ................... 39Tabel 4.4 Energi kalor yang dilepas kondensor persatuan massa .................... 40Tabel 4.5 Kerja kompresor persatuan masa ..................................................... 42Tabel 4.6 COP actual .......................................................................................... 43Tabel 4.7 COP ideal ............................................................................................ 44Tabel 4.8 Efisiensi ............................................................................................ 45

BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar belakang Mesin pendingin pada saat ini bukan merupakan barang yang mewah.

  Kebutuhan manusia akan mesin pendingin akhir-akhir ini terus meningkat. Mesin pendingin yang ada saat ini mempunyai spesifikasi yang beraneka ragam. Oleh karena itu penting untuk mempelajari sistem kerja mesin pendingin dan sekaligus mengenal komponen

• – komponen sistem mesin pendingin. Mesin pendingin dapat
• – berupa lemari es (kulkas), mesin pembeku (freezer), pendingin sayur dan buah buahan, show case pada supermarket dan sebagainya. Mesin pendingin dapat dijumpai mulai dari skala kecil pada rumah tangga hingga skala besar pada aplikasi di industri. Mesin pendingin siklus kompressi uap juga digunakan pada aplikasi tata udara (air condition). Aplikasi tata udara ditunjukkan untuk manusia. Mesin yang digunakan dapat ditemui mulai dari skala kecil seperti AC window dan AC split hingga skala besar seperti water chiller.

  Water chiller digunakan pada industri besar maupun bangunan gedung-

  gedung besar untuk sistem pengkondisian udara sentral. Water chiller mempunyai kapasitas yang besar untuk mengkondisikan udara di dalam ruangan yang luas.

  Penggunaan sistem pengkondisian udara secara sentral dengan menggunakan

  

water chiller mampu menghemat biaya yang cukup besar dibandingkan dengan

menggunakan sistem AC split ataupun AC window.

  Kulkas merupakan alat yang digunakan untuk menjaga makanan agar tidak sistem kompresi uap. Penggunaan kulkas diharapkan dapat menjaga kesegaran makanan. Kestabilan suhu yang rendah diharapkan mikro bakteri tidak dapat berkembang. Walaupun dalam keadaan udara yang panas setiap orang akan tetap bisa menikmati minuman dingin dan segar.

  Kulkas tidak hanya berbentuk kotak dan mempunyai pintu seperti lemari pakaian , tetapi saat ini banyak alat transportasi mengaplikasikan kulkas sebagai alat pendingin di truck box untuk membawa makanan. Truck box berpendingin adalah alat transportasi angkutan barang yang mempunyai peralatan pendingin.

  Peralatan pendingin tersebut digunakan untuk menjaga suhu. Sehingga barang yang diantar dalam keadaan segar dan utuh saat sampai pada tujuan. Truck box berpendingin ini memudahkan kita dalam memindahkan bahan makan seperti es krim, ikan segar, coklat dan daging.

  1.2. Rumusan masalah

  Mengingat pentingnya peranan mesin pendingin sekarang ini, maka penulis berkeinginan untuk mengerti, memahami dan mengenal kerja mesin pendingin beserta dengan karakteristik mesin pendingin. Caranya adalah dengan membuat mesin pendingin dan mendapatkan karakteristik dari mesin pendingin tersebut, meskipun dengan kapasitas ukuran mesin pendingin untuk rumah tangga. Pada penelitian ini, mesin pendingin yang dipilih adalah kulkas.

  1.3. Tujuan

  Tujuan pembuatan mesin pendingin adalah : 1. Membuat mesin pendingin siklus kompresi uap standar yang digunakan untuk

  2. Mengetahui kerja kompresor persatuan masa refrigeran.

  3. Mengetahui energi kalor yang diserap evaporator persatuan masa refrigeran.

  4. Mengetahui energi kalor yang dilepas kondenser persatuan masa refrigeran.

  5. Mengetahui karakteristik COP aktual dari mesin pendingin.

  6. Mengetahui karakteristik COP dari mesin pendingin. ideal 7.

  Mengetahui efisiensi mesin pendingin.

1.4. Batasan batasan

  Batasan masalah yang diambil dalam pembuatan mesin pendingin : 1. Komponen mesin pendingin terdiri dari komponen utama : kompresor, kondenser, pipa kapiler, filter, evaporator dan tempat untuk membekukan air.

  2. Karakteristik mesin pendingin yang digunakan untuk menghitung COP

  didasarkan pada kondisi ideal kerja siklus kompresi uap dari mesin pendingin tersebut.

  3. Refrigeran yang digunakan dalam mesin pendingin R134a.

  4. Pipa kapiler yang digunakan memiliki panjang 162,5 cm dan diameter pipa 0,028 inch.

  5. Daya kompresor yang digunakan sebesar PK.

  6. Kondensor yang digunakan merupakan kondensor standar mesin pendingin yang bekerja dengan menggunakan kompresor PK.

  7. Evaporator yang digunakan merupakan evaporator standar dari mesin pendingin yang bekerja dengan menggunakan kompresor PK.

1.5. Manfaat penelitian Manfaat dari penelitian ini adalah : 1.

  Mempunyai pengalaman dalam pembuatan mesin pendingin dengan siklus kompresi uap untuk ukuran rumah tangga.

  2. Mampu memahami karakteristik mesin pendingin dengan siklus kompresi uap refrigeran 134a.

  3. Sebagai bekal untuk memahami mesin pendingin, pembeku dan mesin pengkondisian udara yang mempergunakan siklus kompresi uap.

  4. Hasil penelitian dapat digunakan sebagai referensi untuk penelitian lainnya yang ingin melakukan penelitian terkait mesin pendingin.

  

BAB II

DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Dasar teori 2.1.1. Mesin Kulkas Gambar 2.1 Kulkas Kulkas atau lemari es adalah sebuah alat rumah tangga listrik yang dalam

  sistem kerjanya menggunakan siklus kompresi uap. Siklus kompresi uap tersusun atas beberapa proses : proses kompresi, proses pengembunan, proses penurunan tekanan dan proses penguapan. Proses penguapan yang terjadi di evaporator memerlukan kalor yang diambil dari lingkungan. Kalor mengalir dari luar evaporator ke dalam evaporator. Fluida kerja yang digunakan disiklus kompresi uap biasanya adalah refrigeran. Karena lingkungan di sekitar evaporator diambil kalornya, maka lingkungan di sekitar evaporator menjadi lebih dingin. Kalor yang diambil evaporator nantinya akan dibuang oleh mesin pendingin di kondensor.

  Mesin pendingin menggunakan refrigeran yang bersirkulasi 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. Mesin pendingin memiliki komponen utama yaitu : kompresor, kondensor, katup ekpansi atau pipa kapiler dan evaporator.

2.1.2. Komponen mesin kulkas

  Komponen penting yang terdapat pada mesin kulkas (1) evaporator (2) kompresor (3) kondensor (4) pipa kapiler (5) filter (6) thermostat (7) over load

  protector.

1. Evaporator

  Evaporator adalah sebuah alat yang berfungsi untuk merubah refrigeran (Freon) dari fase cair menjadi fase uap. Pada saat berubah fase, evaporator menyerap kalor dari lingkungan sekitar evaporator. Evaporator merupakan tempat penguapan refrigeran. Evaporator jenis plat mempunyai luas permukaan yang besar, plat biasanya tidak rata karena ada saluran refrigeran pada plat. Bahan yang digunakan untuk membuat evaporator jenis plat adalah logam yang tidak mudah berkarat yaitu alumunium. Freon mengalir melalui saluran refrigeran pada plat tersebut yang berbentuk pipa-pipa pipih yang berfungsi untuk mendinginkan plat dan benda-benda yang bersentuhan dengan plat tersebut, atau benda-benda yang berada di dalam ruangan di mana evaporator berada.

Gambar 2.2 Evaporator jenis plat 2.

  Kompresor Kompresor mempunyai fungsi untuk menaikkan tekanan refrigeran dari tekanan kerja evaporator ke tekanan kerja kondensor.

Gambar 2.3 Kompresor hermetik

  Berdasarkan konstruksinya, ada tiga jenis kompresor yang biasa digunakan pada sistem refrigerasi kompresi uap yaitu: a.

  Kompresor hermetik Kompresor dimana motor penggeraknya berada dalam satu tempat atau rumah yang tertutup, menjadi satu dengan kompresor. Kompresor hermetik yang digunakan adalah jenis torak yaitu terdiri dari serangkaian penggerak mekanis seperti dalam rangkaian mekanis motor bakar. Komponen-komponen utama yang terdapat pada kompresor torak dengan motor bakar diantaranya piston, batang penggerak, silinder piston, crank shaft. Pada kompresor jenis ini motor penggerak yang berada di dalam langsung memutar poros kompresor. Prinsip kerja kompresor ini adalah sesuai dengan prinsip kerja motor bakar, dimana pada saat piston ditarik katub hisap membuka sehingga refrigeran memasuki ruang silinder. Refrigeran dapat memasuki ruang silinder karena perbedaan tekanan. Pada sistem refrigeran memiliki tekanan lebih tinggi dari pada di ruang silinder. Katup hanya berlaku satu arah, karena itu katup juga berfungsi untuk mencegah refrigeran mengalir kembali ke ruang silinder atau sistem.

  b.

   Kompresor open type

  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 kompresor itu sendiri c.

  Kompresor semi hermetik Pada konstruksi kompresor semi hermetik bagian kompresor dan motor masing-masing berdiri sendiri dalam keadaan terpisah. Tetapi kompresor tipe ini tidak seperti kompresor open type untuk menggerakkan kompresor poros motor listrik dihubungkan dengan poros kompresornya langsung.

  3. Kondensor Kondensor adalah alat penukar kalor untuk mengubah wujud refrigeran pada suhu dan tekanan tinggi menjadi wujud cair. Refrigeran dari kompresor dengan suhu dan tekanan tinggi, panasnya keluar melalui permukaan rusuk-rusuk kondensor ke udara. Sebagai akibat dari kehilangan panas, bahan pendingin gas mula-mula didinginkan menjadi gas jenuh, kemudian mengembun berubah menjadi cair. Jenis kondensor yang digunakan pada teknologi kulkas saat ini adalah kondensor dengan pendingin udara yang digunakan pada sistem refrigrasi kulkas kecil maupun sedang. Jenis kondensor sendiri yang ada di pasaran berbentuk U.

Gambar 2.4 Kondensor

4. Pipa kapiler

  Peralatan paling sederhana yang digunakan untuk merubah tekanan adalah pipa kapiler. Seperti namanya pipa kapiler merupakan pipa panjang dengan diameter yang sangat kecil. Diameter pipa kapiler antara 0,026 inci sampai 0,04 inci. Pada ukuran panjang dan diameter tertentu, pipa kapiler memiliki tekanan gesek yang cukup tinggi sehingga dapat menurunkan tekanan kondensasi yang tinggi ke tekanan evaporasi yang rendah.

Gambar 2.5 Pipa kapiler 5.

  Filter Sesuai dengan namanya Filter ( strainer ) berguna untuk menyaring kotoran yang mungkin terbawa aliran bahan pendingin setelah melakukan sirkulasi agar tidak masuk kedalam pipa kapiler. Jika ada kotoran yang lolos dari filter dan masuk ke pipa kapiler maka pipa kapiler akan menjadi buntu, sehingga mesin pendingin tidak bekerja secara maksimal.

Gambar 2.6 Filter 6.

  Termostat Termostat adalah komponen dari sistem kontrol suhu yang digunakan untuk mempertahankan suhu evaporator mendekati setpoint yang diinginkan. Sistem dari termostat adalah pengatur agar suhu tidak melebihi atau kurang. Thermostat memiliki banyak sebutan antara lain temperatur kontrol dan cool control.

  Thermostat berfungsi mengatur kerja kompresor secara otomatis bedasarkan batasan suhu pada setiap bagian kulkas. Thermostat biasanya disebut saklar otomatis yang bekerja berdasarkan pengaturan suhu. Jika suhu evaporator sesuai dengan pengatur suhu thermostat, secara otomatis thermostat akan memutuskan listrik ke kompresor.

  7. Overload motor protector

Overload motor protector merupakan komponen pengaman yang letaknya

  menyatu dengan terminal kompresor. Cara kerjanya serupa dengan saklar yang dapat menyambung dan memutus arus listrik. Alat ini dapat melindungi komponen kelistrikan dari kerusakan akibat arus yang dihasilkan kompresor melebihi arus acuan normal.

2.1.3. Perpindahan kalor

  Perpindahan panas (heat transfer) adalah ilmu yang mempelajari perpindahan energi akibat adanya perbedaan temperatur diantara dua medium (benda/matrial). 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 (cara kalor berpindah tergantung pada medium yang dilewati) seperti perpindahan kalor konveksi dan perpindahan kalor konduksi.

1. Perpindahan kalor konduksi

  Perpindahan kalor konduksi adalah proses perpindahan kalor melalui suatu media tanpa diikuti perpindahan bagian-bagian media itu. Misalnya, salah satu ujung batang besi dipanaskan menggunakan api. Akibatnya ujung besi yang lain akan terasa panas tanpa api mengenai tangan pemegang. Perpindahan kalor terjadi dari ujung besi yang panas ke bagian besi yang suhunya lebih rendah. Perpindahan panas konduksi dapat berlangsung pada benda padat, cair dan gas. Untuk perpindahan kalor konduksi pada zat cair dan gas, syaratnya adalah dalam keadaan yang diam.

Gambar 2.7 Perpindahan kalor konduksi

  Persamaan umum untuk perpindahan panas dengan cara konduksi dikenal dengan hukum Fourier yang dirumuskan seperti persamaan (2.1) : q = -k.A. = k.A.

  …………………………………..…(2.1) = - k.A. Pada persamaan (2.1). : q = Laju perpindahan panas (W). k = Konduktivitas thermal bahan (W/m. ºC). A = Luas permukaan yang tegak lurus arah perpindahan kalor (m²).

  = = Gradien suhu perpindahan panas (ºC/m). T = Temperatur permukaan dinding 1 (ºC).

1 T 2 = Temperatur permukaan dinding 2 (ºC).

  = Tebal dinding (m). Δx

  Nilai minus (-) dalam persamaan (2.1) menunjukkan bahwa panas selalu berpindah ke temperatur yang lebih rendah.

2. Perpindahan kalor konveksi

  Perpindahan kalor konveksi adalah perpindahan kalor melalui suatu media yang disertai dengan perpindahan bagian-bagian yang dilalui kalor yang mengalir di sekitarnya. Perpindahan kalor konveksi membutuhkan media (fluida atau gas) yang digunakan untuk mengalirkan kalor dan tidak dapat berlangsung pada benda padat. Contoh perpindahan kalor secara konveksi dapat dilihat saat proses perebusan air.

Gambar 2.8 Pada perpindahan kalor konveksiGambar 2.9 Perpindahan kalor konveksi

  Persamaan perpindahan panas konveksi dikenal sebagai hukum Newton untuk pendinginan, yang dirumuskan seperti pada persamaan (2.2) : q = h .A (T s

  − T )……………………………….……………………………(2.2)

  ∞

  pada persamaan (2.2) : q = Laju perpindahan kalor (W). h = Koefisien perpindahan panas konveksi W/(m².ºC). A = Luas permukaan yang bersentuhan dengan fluida (m²). T s = Temperatur permukaan plat (ºC). T = Temperatur fluida yang mengalir di permukaan (ºC).

  ∞

  Perpindahan kalor konveksi ada 2 macam : (a) konveksi paksa dan (b) konveksi bebas.

  a.

  Konveksi paksa Konveksi paksa terjadi jika aliran fluida yang mengalir karena ada peralatan bantu yang memaksa fluida mengalir, contoh : pendinginan radiator mobil yang dibantu dengan kipas dan aliran fluida panas yang dialirkan dengan pompa.

  b.

  Konveksi bebas Perpindahan panas yang disebabkan oleh adanya perbedaan temperatur atau perpindahan panas secara alami, tidak ada peralatan bantu yang mengalirkan fluida. Contoh : plat panas dibiarkan berada di udara sekitar tanpa ada sumber gerakan dari luar.

2.1.4. Refrigeran

  Refrigeran merupakan bahan pendingin atau fluida yang digunakan untuk menyerap panas melalui perubahan fase dari cair ke gas (evaporasi) dan membuang panas melalui perubahan fase dari gas ke cair (kondensasi), sehingga refrigeran dapat dikatakan sebagai media pemindah panas dalam sistem pendingin. Refrigeran akan mengalami perubahan fase dari cair ke gas dan setelah Secara umum refrigeran dapat dibagi menjadi dua kelompok besar yaitu : 1.

  Refrigeran primer Refrigeran primer adalah refrigeran yang digunakan sebagai fluida kerja mesin pendingin yang menggunakan dalam 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 tidak langsung digunakan pada sistem, fluida ini 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 yang mempunyai titik beku

  o

  dibawah 0

  C. Refrigeran sekunder yang digunakan adalah glikol etilen, glikol propilen , dan kalsium klorida.

  Sedangkan refrigeran yang digunakan masyarakat pada saat ini dapat di golongkan 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 berbahaya 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 di atas, refrigeran yang secara umum diusulkan dalam penggunaan sebuah sistem pendingin adalah refrigeran jenis HFC (hydro fluoro atau R-134a.

  carbon)

  Secara khusus sifat dari refrigeran 134a adalah sebagai berikut : 1.

  Tidak beracun, berwarna dan berbau.

  2. Tidak mudah terbakar.

  3. Mempunyai dampak terkecil terhadap perusakan lapisan ozon.

  4. Memiliki kestabilan yang tinggi.

  5. Mudah diperoleh.

  6. Dapat bercampur dengan minyak pelumas kompresor.

2.1.5. Beban pendinginan

  Beban pendinginan adalah beban yang diterima suatu sistem untuk mendinginkan media. Sistem pendingin digunakan untuk menjaga kondisi suatu fluida agar berada pada suhu tertentu yang stabil dan umumnya suhu yang dihasilkan dari sistem pendingin lebih rendah dari temperatur lingkungannya.

  Beban pendingin dapat dibagi menjadi dua bagian khusus yaitu : 1.

  Panas laten Panas laten adalah panas yang diperlukan untuk merubah phasa (wujud) benda yang berlangsung pada temperatur yang tetap. Sebagai contoh air yang sudah dipanaskan sampai 100°C kemudian dipanaskan lagi sampai menjadi uap pada suhu 100°C, sehingga terjadi perubahan wujud (fase) dari cair menjadi uap.

  2. Panas sensibel Panas sensibel adalah adalah panas yang menyebabkan terjadinya kenaikan/penurunan temperatur, tetapi phasa (wujud) tidak berubah. 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.

2.1.6. Perhitungan beban pendinginan (kapasitas pendinginan)

  Besarnya kalor total yang dihisap evaporator dari lingkungannya ketika mesin pendingin bekerja merupakan besar beban pendinginan. Beban pendinginan dibedakan atas beban laten dan beban sensibel.

  3. Beban Laten Besarnya energi yang dihisap evaporator yang berasal dari perubahan phase media yang didinginkan (proses pembekuan). Persamaan yang dipergunakan :

  Q laten = m . C………………………………………………………………….(2.3)

  Pada persamaan (2.3) : m = Massa zat (kg).

  C = Kalor laten zat (kJ/kg).

  4. Beban Sensibel Besarnya energi yang dihisap evaporator yang berasal dari penurunan suhu media yang didinginkan, dinamakan beban sensibel. Dapat dihitung dengan persamaan (2.4). Q sensibel awal suhu yang dituju

  = m . c . ΔT = m . c . (T –T )………..…………………(2.4) Pada persamaan (2.4) : m = Massa zat (kg).

  C = K alor jenis zat .

  ( ) 2.1.7.

   Proses Perubahan Fase

  Perubahan fase adalah perubahan wujud zat dari suatu bentuk zat ke keadaan wujud zat yang lainnya. Secara umum proses perubahan fase dapat berlangsung karena adanya pengaruh temperatur, pelepasan dan penyerapan kalor. Didalam sistem mesin pendingin terjadi dua proses perubahan phasa pengembunan dan penguapan.

  Pengembunan (kondensasi) merupakan proses perubahan bentuk fase dari zat gas (uap) menjadi wujud zat cair. Kondensasi terjadi ketika uap didinginkan dan menjadi cairan, perpindahan kalor pengembunan dipengaruhi oleh besarnya laju 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. Cairan yang telah terkondensasi dari uap disebut kondensat. Kondensasi uap menjadi cairan adalah lawan darievaporasi).

  Penguapan atau evaporasi adalah proses perubahan molekul di dalam keadaan cair (contohnyamenjadi gas (contohnya uap air). 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.

2.1.8. Siklus kompresi uap standar

  Tahapan siklus pendingin kompresi uap terdiri dari kompresi, kondensasi, ekspansi, dan evaporasi. Skema alir siklus kompresi uap ditampilkan pada Gambar 2.13.

Gambar 2.10 Skema Siklus Kompresi Uap

  Komponen utama mesin pendingin dengan sistem kompresi uap terdiri dari : (1) kompresor, (2) kondenser, (3) pipa kapiler dan (4) evaporator.

  Proses dari skema alir diatas sebagai berikut : 1.

  1-2 ( proses kompresi) Proses kompresi adalah proses penekanan dan penghisapan media pendingin (refrigeran). Proses ini dilakukan oleh kompresor secara ideal berlangsung pada nilai entropi yang konstan.

  2.

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

  3.

  3-4 ( proses ekspansi) Proses yang berlangsung di dalam katup ekspansi atau pipa kapiler. Prosesnya adalah penurunan tekanan media pendingin (refrigeran).

  4.

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

  Siklus kompresi uap mesin pendingin yang digambarkan pada diagram P-h dan diagram T-s ditampilkan pada Gambar 2.14 dan Gambar 2.15.

Gambar 2.11 Siklus kompresi uap pada diagram T-sGambar 2.12 Siklus kompresi uap pada diagram P-h Keterangan proses pada Gambar 2.14. dan Gambar 2.15. 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, dari keadaan gas panas lanjut ke keadaan gas jenuh.

  Pr oses 2’-3 : Kondensasi pada tekanan konstan dan suhu konstan. Karena suhu kondensor lebih tinggi dari suhu lingkungan, maka terjadi pelepasan panas dari kondensor ke lingkungan.

  Proses 3-4 : Ekspansi yang berlangsung pada entalpi konstan.

  Proses 4-1 : Evaporasi refrigeran pada tekanan dan suhu tetap.

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

  Kerja kompresor Besarnya kerja kompresor persatuan massa refrigeran dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :

  W kompresor = h

  2

  1

• – h …………………………………………………………..(2.5) Pada persamaan (2.5) : W kompresor = Besarnya kerja kompresor (kJ/kg). h = Entalpi refrigeran saat masuk kompresor (kJ/kg).

  1

  h 2 = Entalpi refrigeran saat keluar kompresor (kJ/kg).

  2) Kerja kondensor

  Besarnya panas persatuan massa refrigeran yang dilepas kondensor dapat dihitung dengan persamaan : Q kondensor = h

  2

  3

• – h …………………….…..…………………………………(2.6) Pada persamaan (2.6) : Q = Besarnya panas dilepas di kondensor (kJ/kg).

  kondensor

  h 2 = Entalpi refrigeran saat keluar kompresor (kJ/kg). h 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 evaporator = h

  1

  4

• – h ……………………………………………………………(2.7) Pada persamaan (2.7) : Q evaporaotr = Besarnya panas yang diserap di evaporator (kJ/kg) h

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

  h = Entalpi refrigeran saat masuk evaporator (kJ/kg)

  4

  4) aktual (Coefficient of Performance) COP

  COP digunakan untuk menyatakan performa (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 4 ) dengan kerja spesifik kompresor (h

  2 1 ) dirumuskan seperti pada

• – h

  − h persamaan (2.8) : COP aktual ………………………………………………….(2.8)

  Pada persamaan (2.8) : h = Entalpi refrigeran saat masuk kompresor (kJ/kg).

  1

  h 2 = Entalpi refrigeran saat keluar kompresor (kJ/kg). h 4 = Entalpi refrigeran saat masuk evaporator (kJ/kg). 5) COP

  ideal

  COP ideal mesin pendingin adalah COP maksimum yang dapat dicapai oleh mesin pendingin yang bekerja pada temperatur kerja evaporator sebesar Te dan temperatur kerja kondenser sebesar Tc . Besarnya COP ideal dapat dihitung dengan persamaan (2.9): COP = (273,15 + Te) / (Tc

  ideal – Te)….………………..……...….....................(2.9)

  Pada persamaan (2.9) :

  o C).

  = Suhu evaporator (

  o C).

  = Suhu condenser ( 6) Efisiensi

  Efisiensi adalah perbandingan anatara COP aktual dan COP ideal yang dapat dinyatakan dengan persamaan (2.10).

  Efisiensi ......................

  ………………………..............…………..(2.10) 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

  (refrigeran) yang dipakai. Diagram tekanan-entalpi pada jenis refrigeran 134a ditampilkan pada Gambar 2.16.

Gambar 2.13 Diagram tekanan-entalpi R-134a 2.1.9.

   Isolator

  Isolator adalah bahan yang digunakan untuk mencegah masuknya kalor dari luar 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.

2.2. Tinjauan pustaka

  Willis (2013) melakukan penelitian yang membandingkan prestasi kerja refrigeran R22 dengan R134a pada mesin pendingin. Penelitian ini membahas mengenai perbandingan antara refrigeran R22 da R134a untuk menentukan refrigeran mana yang lebih baik digunakan, baik dari efek refrijerasi, koefisien prestasi (COP) dan ramah lingkungan. Dari hasil penelitian yang dilakukan pada kedua jenis refrigeran, diketahui bahwa karakteristik dari kedua refrigeran berbeda yang berpengaruh pada perstasi kerjanya. R22 dari segi prestasi kerjanya lebih baik dari R134a, Tetapi R22 tidak ramah lingkungan sebaliknya R134a lebih ramah lingkungan tetapi prestasi kerjanya lebih rendah dari R22.