Prinsip Kerja Mesin Pendingin
A. Sistem
Pendinginan Absorbsi Sejarah
mesin pendingin absorbsi dimulai pada abad ke-19 mendahului jenis kompresi uap
dan telah mengalami masa kejayaannya sendiri. Siklus pendinginan absorbsi
mirip dengan siklus pendinginan kompresi uap. Perbedaan utama kedua
siklus tersebut adalah gaya yang menyebabkan terjadinya perbedaan tekanan
antara tekanan penguapan dan tekanan kondensasi serta cara perpindahan uap dari
wilayah bertekanan rendah ke wilayah bertekanan tinggi.
Pada
sistem pendingin kompresi uap digunakan kompresor, sedangkan pada sistem
pendingin absorbsi digunakan absorber dan generator. Uap bertekanan
rendah diserap di absorber, tekanan ditingkatkan dengan pompa dan pemberian
panas di generator sehingga absorber dan generator dapat menggantikan fungsi
kompresor secara mutlak. Untuk melakukan proses kompresi tersebut, sistem
pendingin kompresi uap memerlukan masukan kerja mekanik sedangkan sistem
pendingin absorbsi memerlukan masukan energi panas. Oleh sebab itu,
siklus kompresi uap sering disebut sebagai siklus yang digerakkan dengan kerja
(work-operated) dan siklus absorbsi disebut
sebagai siklus yang digerakkan dengan panas (heat operated). Gambar 1 menunjukkan
persamaan dan perbedaan antara siklus kompresi uap dengan siklus absorbsi.
Salah satu keunggulan sistim absorbsi adalah karena menggunakan
panas sebagai energi penggerak. Panas sering disebut sebagai energi
tingkat rendah (low level energy) karena panas merupakan hasil akhir dari
perubahan energi dan sering kali tidak didaur ulang. Pemberian panas
dapat dilakukan dengan berbagai cara, seperti menggunakan kolektor surya,
biomassa, limbah, atau dengan boiler yang menggunakan energi komersial.
1. Prinsip Kerja Siklus Absorbsi
Dasar
siklus absorbsi disajikan pada gambar 2. Pada gambar ditunjukkan adanya
dua tingkat tekanan yang bekerja pada sistem, yaitu tekanan rendah yang
meliputi proses penguapan (di evaporator) dan penyerapan (di absorber), dan
tekanan tinggi yang meliputi proses pembentukan uap (di generator) dan
pengembunan (di kondensor).
Siklus absorbsi juga menggunakan dua jenis zat yang umumnya
berbeda, zat pertama disebut penyerap sedangkan yang kedua disebut
refrigeran. Selanjutnya, efek pendinginan yang terjadi merupakan akibat
dari kombinasi proses pengembunan dan penguapan kedua zat pada kedua tingkat
tekanan tersebut. Proses yang terjadi di evaporator dan kondensor sama
dengan pada siklus kompresi uap
Kerja siklus secara keseluruhan
adalah sebagai berikut :
Proses 1-2/1-3 : Larutan encer campuran
zat penyerap dengan refrigeran (konsentrasi zat penyerap rendah) masuk ke
generator pada tekanan tinggi. Di generator panas dari sumber bersuhu tinggi
ditambahkan untuk menguapkan dan memisahkan refrigeran dari zat penyerap,
sehingga terdapat uap refrigeran dan larutan pekat zat penyerap. Larutan
pekat campuran zat penyerap mengalir ke absorber dan uap refrigeran mengalir ke
kondensor.
Proses 2-7 : Larutan
pekat campuran zat penyerap dengan refrigeran (konsentrasi zat penyerap tinggi)
kembali ke absorber melalui katup cekik. Penggunaan katup cekik bertujuan
untuk mempertahankan perbedaan tekanan antara generator dan absorber.
Proses 3-4 : Di
kondensor, uap refrigeran bertekanan dan bersuhu tinggi diembunkan, panas
dilepas ke lingkungan, dan terjadi perubahan fase refrigeran dari uap ke
cair. Dari kondensor dihasilkan refrigeran cair bertekanan tinggi dan
bersuhu rendah.
Proses 4-5 : Tekanan
tinggi refrigeran cair diturunkan dengan menggunakan katup cekik (katup
ekspansi) dan dihasilkan refrigeran cair bertekanan dan bersuhu rendah yang
selanjutnya dialirkan ke evaporator.
Proses 5-6 : Di
evaporator, refrigeran cair mengambil panas dari lingkungan yang akan
didinginkan dan menguap sehingga terjadi uap refrigeran bertekanan rendah.
Proses 6-8/7-8 : Uap refrigeran dari
evaporator diserap oleh larutan pekat zat penyerap di absorber dan membentuk
larutan encer zat penyerap. Jika proses penyerapan tersebut terjadi
secara adiabatik, terjadi peningkatan suhu campuran larutan yang pada
gilirannya akan menyebabkan proses penyerapan uap terhenti. Agar proses
penyerapan berlangsung terus-menerus, absorber didinginkan dengan air yang mengambil
dan melepaskan panas tersebut ke lingkungan.
Proses 8-1 :
Pompa menerima larutan cair bertekanan rendah dari absorber, meningkatkan
tekanannya, dan mengalirkannya ke generator sehingga proses berulang secara
terus menerus
|
|
2. Kombinasi
Refrigeran – Absorber pada Sistem Pendinginan Absorbsi
Terdapat
beberapa kriteria yang harus dipenuhi oleh kombinasi refrigeran dengan zat
penyerap untuk layak digunakan pada mesin pendingin absorbsi. Diantaranya
adalah :
- Zat penyerap harus mempunyai nilai afinitas (pertalian) yang kuat dengan uap refrigeran, dan keduanya harus mempunyai daya larut yang baik pada kisaran suhu kerja yang diinginkan.
- Kedua cairan tersebut, baik masing-masing maupun hasil campurannya, harus aman, stabil, dan tidak korosif.
- Secara ideal, kemampuan penguapan zat penyerap harus lebih rendah dari refrigeran sehingga refrigeran yang meninggalkan generator tidak mengandung zat penyerap
- Refrigeran harus mempunyai panas laten penguapan yang cukup tinggi sehingga laju aliran refrigeran yang harus dicapai tidak terlalu tinggi
- Tekanan kerja kedua zat harus cukup rendah (mendekati tekanan atmosfir) untuk mengurangi berat alat dan menghindari kebocoran ke lingkungannya
Saat ini, terdapat dua kombinasi
refrigeran-zat penyerap yang umum digunakan, yaitu air-litium bromida
(H2O-LiBr) dan amonia-air (NH3-H2O). Pada kombinasi pertama, air
bertindak sebagai refrigeran dan litium bromida sebagai zat penyerap, sedang
pada kombinasi kedua, amonia bertindak sebagai refrigeran dan air sebagai zat
penyerap.
1)
Sistem Litium Bromida – air
Sistem litium bromida-air banyak digunakan untuk pengkondisian
udara dimana suhu evaporasi berada di atas 0 ºC. Litium Bromida (LiBr)
adalah suatu kristal garam padat, yang dapat menyerap uap air. Larutan cair
yang terjadi memberi tekanan uap yang merupakan fungsi suhu dan konsentrasi
larutan.
Hubungan antara entalpi dengan persentase Litium-Bromida dalam
larutan LiBr pada berbagai suhu larutan. Proses terjadi kristalisasi
larutan LiBr-H2O, yaitu pada keadaan yang mana larutan mengalami
pemadatan. Proses yang terjadi pada wilayah melewati batas kristalisasi
akan mengakibatkan pembentukan lumpur padat dan penyumbatan sehingga mengganggu
aliran di dalam pipa.
2)
Sistem Air – Amonia
Sistem amonia-air digunakan secara luas untuk mesin pendingin
berskala kecil (perumahan) maupun industri, yang mana suhu evaporasi yang
dibutuhkan mendekati atau di bawah 0 ºC. Sistem amonia-air
mempunyai hampir seluruh kriteria yang diperlukan di atas, kecuali bahwa
zat-zat tersebut dapat bersifat korosif terhadap tembaga dan alloynya, serta
sifat amonia yang sedikit beracun sehingga membatasi penggunaannya untuk
pengkondisian udara.
Kelemahan sistem amonia-air yang
paling utama adalah air yang juga mudah menguap sehingga amonia yang berfungsi
sebagai refrigeran masih mengandung uap air pada saat keluar dari generator dan
masuk ke evaporator melalui kondensor. Keadaan ini dapat menyebabkan uap
air meninggalkan panas di evaporator dan meningkatkan suhunya sehingga
menurunkan efek pendinginan. Untuk menghindari hal itu, mesin pendingin
absorbsi dengan sistem amonia-air umumnya dilengkapi dengan rectifier dan a
Amonia yang masih mengandung uap
air dari generator melalui rectifier, suatu mekanisma yang bekerja seperti kondenser akibat adanya
arus balik uap air dari analyzer. Di sini, uap air yang mempunyai suhu jenuh yang lebih
tinggi diembunkan dan dikembalikan ke generator. Selanjutnya amonia dan
sejumlah kecil uap air diteruskan ke analyzer, dimana uap air dan sebagian kecil amonia diembunkan dan
dikembalikan ke generator melalui rectifier, sedangkan amonia diteruskan ke kondensor. Analyzer pada prinsipnya adalah suatu kolom
distilasi, yang umumnya menggunakan air pendingin dari kondensor sebagai media
pendingin.
Untuk dapat menghitung penampilan panas di dalam siklus
pendinginan absorbsi maka diperlukan data entalpi tiap kombinasi refrigeran-zat
penyerap yang digunakan. Perlu diperhatikan bahwa pada diagram tersebut
konsentrasi yang ditunjukkan adalah konsentrasi NH3 di dalam larutan NH3-H2O,
meskipun dalam hal ini amonia berfungsi sebagai refrigeran dan air sebagai zat
penyerap.
3. SISTEM KERJA
Sistem absorbsi menyerap uap
tekanan rendah dari evaporator ke dalam zat cair penguap (absorbing liquid)
yang cocok pada absorber. Pada komponen ini terjadi perubahan fasa dari uap
menjadi cair, karena proses ini sama dengan kondensasi, maka selama proses
berlangsung terjadi pelepasan kalor. Tahap berikutnya adalah menaikan tekanan
zat cair tersebut dengan pompa dan membebaskan uap dari zat cair penyerap
dengan pemberian kalor.
Pada sistem kompresi uap, siklus yang terjadi dioperasikan oleh
kerja (work-operated cycle) karena kenaikan tekanan refrigeran pada
saluran discharge dilakukan oleh kompresor. Sedangkan pada sistem absorbsi,
siklusnya dioperasikan oleh kalor (heat-operated cycle) karena hampir
sebagian besar operasi berkaitan dengan pemberian kalor untuk melepaskan uap
refrigeran dari zat cair yang bertekanan tinggi pada generator. Sebenarnya pada
sistem ini juga membutuhkan kerja atau usaha untuk menggerakan pompa namun
relatif lebih kecil dibandingkan dengan sistem kompresi uap.
Generator menerima kalor dan
membuat uap refrigeran terpisah dari absorbentnya menuju ke kondensor,
sementara absorben akan kembali menuju absorber melalui katup trotel. Pada
kondensor terjadi pelepasan kalor ke lingkungan sehingga fasa refrigeran
berubah dari uap superheat menjadi cair. Selanjutnya refrigeran mengalami
penurunan tekanan dan temperatur secara adiabatis pada katup ekspansi sehingga
ketika memasuki evaporator temperaturnya akan berada di bawah temperatur
lingkungan. Pada komponen evaporator inilah terjadi proses pendinginan suatu
produk dimana kalornya diserap oleh refrigeran untuk selanjutnya menuju
absorber. Contoh pasangan refrigeran dengan absorbennya adalah air dan LiBr (Litium
Bromida) serta NH3 (amonia) dan air.
Sistem
ini hampir sama dalam beberapa hal dengan siklus kompresi uap seperti adanya
komponen kondensor, katup ekspansi dan evaporator. Perbedaannya adalah tidak
adanya kompresor pada sistem absorbsi digantikan dengan tiga komponen lain
diantaranya absorber, pompa dan generator.
B.
Sistem Pendingin Kompresi
Siklus pendingin kompresi uap merupakan system yang banyak digunakan dalam system refrigrasi, pada
sistem ini terjadi proses kompresi, pengembunan, ekspansi dan penguapan. Secara
skematik system ditunjukkan pada gambar 4 dibawah ini :
Kompresi mengisap
uap refrigerant dari sisi keluar evaporator ini, tekanan diusahakan tetap rendah agar refrigerant
senantiasa berada dalam fasa gas dan bertemperatur rendah. Didalam kompresor
uap refrigerant ditekan sehingga tekanan dan temperature tinggi untuk menghindarkan
terjadinya kondensasi dengan membuang energy kelingkungan. Energi yang
diperlukan untuk proses komporesi diberikana oloh motor listrik atau penggerak
mula lainnya. Jadi dalam proses kompresi energy diberikan kepada uap
refrigerant. Pada waktu uap refrigerant diisap masuk kedalam kompresor temperature masih tetap rendah akan tetapi
ketika selama proses kompresi berlangsung temperature dan tekanannya naik.
Setelah
mengalami proses komopresi, uap refrigerant berkerja (fluida kerja ) mengalami
proses kondensasi pada kondensor. Uap refrigerant yang bertekanan dan
bertemperatur tinggi pada akhirnya kompresi dapat dengan mudah dengan
mendinginkannya melalui fluida cair dan udara. Dengan kata lain uap refrigerant
memberikan panasnya kepada air pendingin atau udara pendingin melalui dinding
kondensor. Jadi dikarena air pendingin atau udara pendingin menyerap panas dari
refrigerant maka temperaturnya menjadi tinggi pada waktu keluar dari kondensor.
Selama refrigerant mengalami perubahan dari fasa uap ke fasa cair tekanan dan
temperature konstan.
Untuk
menurunkan tekanan refrigaran cair dari kondensor kita gunakan katup expansi
atau pipa kapiler, alat tersebut dirancang untuk suatu penurunan tekanan
tertentu. Melalui katup expansi refrigerant mengalami evaporasi yaitu proses
penguapan cairan refrigerant pada tekanan dan temperature rendah, proses ini
terjadi pada evaporator. Seelama proses evaporasi refrigerant memerlukan atau
mengambil bentuk energy panas dari lingkungan atau sekelilingnya sehingga
temperature sekeliling turun dan terjadi prose pendinginan.
Untuk memahami
proses – proses yang terjadi pada mesin
pendingin kompresi uap, diperlukan
pembahasan siklus termodinamika yang digunakan. Pembahasan diawali dengan daur
carnot yang merupakan daur ideal hingga daur kompresi uap nyata.
1.
Daur Carnot
Daur carnot adalah daur reversible yang didefinisikan oleh dua
proses isothermal dan dua proses isentropic. Karena proses reversible dan
adiabatic, maka perpindahan panas hanya terjadi selama proses isothermal. Dari
kajian thermodinamika, daur carnot di kenal dengan sebagai mesin kalor carnot
yang menerima energy kalor pada suhu tinggi, sebagian diubah menjadi kerja dan
sisanya dikeluarkan sebagai kalor pada suhu rendah.
Apabila daur mesin kalor carnor dibalik, yaitu proses pengembalian
panas dari daerah yang bersuhu rendah ke daerah yang bersuhu tinggi. Skematis
peralatan dan diagram T – S daur refrigerasi carnot :
Keteranagan proses :
1 – 2 : kompresi adiabatic
2 – 3 : pelepasan panas
isothermal
3 – 4 : ekspansi adiabatic
4 -1 :
pemasukan panas isothermal
2.
Daur Kompresi
Uap Ideal
Apabila
daur carnot diterapakan pada kompresi uap, maka seluruh proses akan terjadi
dalam fasa campuran. Untuk itu fluida kerja yang masuk kompresor diusahakan
tidak berupa campuran, yang tujuannya mencegah kerusakan.
Pada
daur carnot ekspansi isentropic terjadi pada turbin, daya yang dihasilkan
digunakan untuk mengerakkan kompresor. Dalam hal ini mengalami suatu kesulitan
teknis, maka untuk memperbaikinya digunakan katup ekspansi atau pipa kapiler
dengan demikian proses berlangsung pada entalpi konstan.
Gambar daur kompresi uap ideal
Dimana
:
1 –
2 : kompresi adiabatic dan
reversible, dari uap jenuh menuju
tekana konstan
2 - 3 :
pelepasan kalor reverseibel pada tekanan konstan, menyebabkan penurunan panas
lanjut dan pengembunan refrigerant.
3 –
4 : ekspansi irreversible pada
entalpi konstan,dari cairan jenuh menuju tekanan evaporator.
4 –
1 : penambahan kalor reversible pada
tekanan tetap yang menyebabkan penguapan menuju uap jenuh.
3.
Daur Kompresi
Uap Nyata
Daur kompresi uap nyata mengalami pengurangan efisiensi
dibandingkan dengan daur uap standart. Pada daur kompresi uap nyata proses
kompresi berlangsung tidak isentropic, selam fluida berkerja melewati
evaporator dan kondensor akan mengalami penurunan tekanan. Fluida kerja
mendinginkan kondensor dalam keadaan sub dingin dan meninggalkan evaporator
dalam keadaan panas lanjut. Penyimpangan daur kompresi uap nyata dari daur uap
ideal dapat diperhatikan gambar dibawah ini :
Gambar perbandingan antara siklus
kompresi uap standart dan nyata.
Pada daur kompresi uap nyata preses kompresi berlangsung tidak
isentropic, hal ini disebabakan adanya kerugian mekanis dan pengaruh suhu
lingkungan selama prose kompresi. Gesekan dan belokan pipa menyebebkan
penurunan tekanan di dalam alat penukar panas sebagai akibatnya kompresi pada
titik 1 menuju titik 2 memerlukan lebih banyak kerja dibandingkan dengan daur
ideal (standart). Untuk menjamin seluruh refrigerant dalam keadaan cair dalam
sewaktu memasuki alat ekspansi diusahakan refrigerant meniggalkan kondensor
dalam keadaan sub dingin. Kondisi panas lanjut yang meninggalkan evaporator
disarankan untuk mencegah kerusakan kompresor akibat terisap cairan.
4.
BAGIAN-BAGIAN
PENTING MESIN PENDINGIN
a.
KOMPRESOR
Kompresor memompa bahan pendingin ke seluruh sistem. Gunanya adalah
untuk menghisap gas tekanan rendah dan suhu terendah dari evaporator dan
kemudian menekan/ memampatkan gas tersebut, sehingga menjadi gas dengan tekanan
dan suhu tinggi, lalu dialirkan ke kondensor. Jadi kerja kompresor adalah untuk
1)
Menurunkan
tekanan di evaporator, sehingga bahan pendingin cair di evaporator dapat
menguap pada suhu yang lebih rendah dan menyerap lebih banyak panas dari
sekitarnya.
2)
Menghisap gas
bahan pendingin dari evaporator, lalu menaikkan tekanan dan suhu gas bahan
pendingin tersebut, dan mengalirkannya ke kondensor sehingga gas tersebut dapat
mengembun dan memberikan panasnya pada medium yang mendinginkan kondensor.
Ada tiga macam kompresor yang banyak dipakai pada mesin-mesin
pendingin yaitu :
1.
Kompresor
Torak, kompresinya dikerjakan oleh torak.
2.
Kompresor
Rotasi, kompresinya dikerjakan oleh blade atau vane dan roller
3.
Kompresor
Centrifugal, kompresor centrifugal tidak mempunyai alat-alat tersebut, kompresi
timbul akibat gaya centrifugal yang terjadi karena gas diputar oleh putaran
yang tinggi kecepatannya dan impeller.
Ketiga macam kompresor mempunyai keunggulan masing-masing.
Pemakaiannya ditentukan oleh besarnya kapasitas, penggunaannya, instalasinya
dan jenis bahan pendingin yang dipakai.
b.
KONDENSOR
Kondensor adalah suatu alat untuk merubah bahan pendingin dari
bentuk gas menjadi cair. Bahan pendingin 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.
c.
EVAPORATOR
Evaporator adalah suatu alat dimana bahan pendingin menguap dari
cair menjadi gas. Melalui perpindahan panas dari dinding – dindingnya,
mengambil panas dari ruangan di sekitarnya ke dalam sistem, panas tersebut lalu
di bawa ke kompresor dan dikeluarkan lagi oleh kondensor.
d.
SARINGAN
Saringan untuk AC dibuat dari pipa tembaga berguna untuk menyaring
kotoran-kotoran di dalam sistem, seperti : potongan timah, lumpur, karat, dan
kotoran lainnya agar tidak masuk ke dalam pipa kapiler atau keran ekspansi.
Saringan harus menyaring semua kotoran di dalam sistem, tetapi tidak boleh
menyebabkan penurunan tekanan atau membuat sistem menjadi buntu.
e.
PIPA KAPILER
Pipa kapiler gunanya adalah untuk :
1)
Menurunkan
tekanan bahan pendingin cair yang mengalir di dalam pipa tersebut.
2)
Mengontrol atau
mengatur jumlah bahan pendingin cair yang mengalir dari sisi tekanan tinggi ke
sisi tekanan rendah.
f.
KERAN EKSPANSI
Keran ekspansi ada 2 macam
1)
Automatic
Expasion Valve
2)
Thermostatic
Expansion Valve
Thermostatic Exspansion Valve lebih baik dan lebih banyak dipakai,
tetapi pada AC hanya dipakai automatic expansion valve, maka disini kita hanya
akan membicarakan automatic expansion valve saja. Gunanya untuk menurunkan
cairan dan tekanan tekanan evaporator dalam batas-batas yang telah di tentukan
dengan mengalirkan cairan bahan pendingin dalam jumlah yang tertentu ke dalam
evaporator.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar