Unit Pendingin Air (Water Chilling Unit)

                                        Unit Pendingin Air (Water Chilling Unit)

Sistem Pendingin Fluida (Liquid Chilling System) mendinginkan air atai Brine untuk Tata Udara arau refrigerasi. Tetapi pada kebanyakan pemakaiannya, unit Pendingin Air (Water Chiller Unit) digunakan untuk tujuan sistem tata udara.

Komponen-komponen dasar dari Water Chiller System antara lain Kompresor, Pendingin Air (Evaporator), Kondenser, Motor Penggerak Kokpresor, Alat Pengatur Aliran Refrigerant dan Penel Kontrol. Komponen-komponen penunjang lain diantaranya adalah Receiver, intercooler/subcooler, pendingin pelumas (oil cooler), oil separator, pompa oli dan alat-alat pengaman.

             Prinsip Kerja  

Siklus Refrigerasi dari Water Chiller system secara sederhana. Air masuk kedalam cooler (evaporator) dan didinginkan oleh cairan refrigerant yang menguap pada temperatur rendah. Uap refrigerant dihisap masuk ke kompresor dan tekanannya dinaikkan sehingga dapat mencair kembali pada temperatur tinggi di kondenser. Pada proses ini temperatur medium pendingin kondenser (air atau udara) mengalami kenaikan. Refrigerant cair tersebut kemudian mengalir ke evaporator melalui alat kontrol refrigerant (katup ekspansi) dan siklus terus berulang seperti semula.

Sebagai contoh suatu sistem Water chiller berpendingin air (water cooled), air masuk ke cooler pada 54^oF (12^oC) dan keluar pada 44^oF (7^oC) sedangkan air pendingin masuk kondenser pada 85^oF (30^oC) dan keluar kondenser pada 95^oF (35^oC). 

             Type Water Chiller System

Ditinjau dari medium pendingin kondenser, water chiller system digolongkan menjadi dua bagian, yaitu :

a.    Air cooled water chiller

b.    Water cooled water chiller

Ada dua tipe kompresor yang paling umum digunakan pada water chiller system yaitu :

a.    Reciprocating water chiller

b.    Centrifugal water chiller

             Sistem Kontrol

1.          Kontrol Kapasitas

Sensor temperatur air dingin mengirimkan sinyal berupa tekanan udara (sistem pengontrol pneumatik) atau elektrik (Sistem Kontrol Elektronik) ke bagian rangkaian pengontrol, yang selanjutnya akan mengatur kapasitas kompresor untuk mengantisipasi terhadap perubahan temperatur air dingin karena adanya perubahan beban pendinginan.

Sistem pengaturan kapasitas chiller tergantung pada tipe chiller :

o   Reciprocating Chiler menggunakan kombinasi cylender Unloading dan On-Off sikus kompresor dari satu atau lebih kompresor

o   Centrifugal Chiller menggunakan pengaturan inlet cuide vane untuk mengatur laju aliran refrigerant

o   Screw chiller menggunakan slide valve untuk mengatur panjang lintasan kompresi

Pada penerapannya kapasitas centrifugal dan Srew chiller pada umumnya dapat diatur dari 100% s/d 10% beban. Sedangkan Reciprocating Chiller, untuk chiller dengan kapsitas rendah pada umumnya menggunakan on-off siklus kompresor; untuk chiller dengan kapasitas sedang dan besar dengan multiple kompresor unit, menggunakan sistem unloading dan kapasitas chiller dapat diatur sampai 12,5% beban.

2.          Kontrol Pengaman

Sistem kontrol pengaman akan mematikan kompresor water chiller secara otomatis jika terjadi ketidakberesan didalam operasi sistem. Beberapa atau seluruh sistem pengaman berikut ini umum dijumpai pada Water Chiller system :

a.     High Conseder Pressure

Sakelar tekanan ini akan membuka apabila tekanan dis charge kondenser melampaui ambang batas yang ditetapkan

b.     Low Refrigerant Pressure (atau Temperatur)

Alat ini akan membuka jika tekanan (temperatur) evaporator mencapai ambang batas keamanan minimum

c.     High Oil Temperature

Alat ini akan mengamankan kompresor jika sistem pendingin pelumas tidak berfungsi atau ada kerusakan pada bearing sehingga menyebabkan pemanasan yang berlebihan.

          

d.     High Motor Temperature

Jika sistem pendingin motor tidak berfungsi atau overload yang disebabkan oleh terjadinya kerusakan pada sistem kontrolnya, alat ini akan mematikan mesin. Sensor alat ini umumnya diletakkan didalan starter winding atau pada bagian discharge gas keluar kompresor. Jenis sensor yang digunakan biasanya Thermostat  Bimetal atau thermistor

e.     Motor Overload

Kompresor jenis Hermetic Reciprocating tipe kecil umumnya memakai direct overload pada rangkaian daya ke motor. Pada motor kompresor jenis centrifugal dan screw umumnya menggunakan starter overload untuk mencegah timbulnya over current

f.      Low oil Sump temperatur

Switch ini bekerja untuk memproteksi jika terjadi kerusakan pada pemanas oli atau mencegah starving setelah mesin tidak beroperasi dalam waktu yang lama beberapa saat setelah pemanas oli bekerja dan belum seluruh refrigerant keluar dari capuran pelumas refrigerant

g.     Low Oil Pressure

Untk mencegah bila terjadi penyumbatan pada filter oli atau pemipaan oli, kekurangan oli, atau kerusakan pompa oli, switch ini akan membuka bila tekanan oli turun dibawah batas harga minimum yang aman atau bila tekanan oli tidak cukup segera setelah kompresor hidup.

h.     Low Chilled Liquid temperature

Sering disebut  freeze protection pada reciprocating chiller, alat ini akan bekerja dan mematikan mesin. Jika temperatur air yang keluar dari cooler mencapai harga terendah yang ditetapkan untuk mencegah terjadinya pembekuan dalam keadaan alat kontrol operasi mesin yang lain tidak bekerja sebagaimana mestinya.

             Reciprocating Water Chiller

Water chiller dengan kompresor jenis reciprocating (torak) sangat luas pemakaiannya, karena mempunyai rentang yang lebar dari 20 TR sampai dengan 400 TR.

Kompresor torak adalah resin dengan perpindahan positif, gas diisap masuk kedalam silinder dan langsung dikompresikan sehingga dapat mengalirkan volume refrigerant dengan laju yang konstan pada rentang tekanan yang lebar.

Ada tiga tipe kompresor torak yang umum digunakan pada water chiller yaitu:

a.    Fully Hermetic

b.    Semi Hermetic

c.    Direct-drive Open

Refrigerant yang umum dipakai adalah R-12 dan R-22

1.          Karakteristik Performansi

Hal yang khusus pada kompresor torak adalah karakteristik kenaikan tekanan versus kapasitas. Kenaikan tekanan kecil pengaruhnya terhadap kenaikan laju aliran volume dari kompresor dan dengan demikian Reciprocating Water Chiller tetap berada disekitar kapasitas pendinginan penuh walaupun bekerja diatas temperratur wet-bulb perencanaan. Reciprocating water chiller cocok untuk pemakaian kondensor berpendingin udara (Air Cooled Condenser) dan sistem refrigerasi temperatur rendah.

Metode pengontrolan kapasitas dari kompresir reciprocating dilakukan dengan cara sebagai berikut :

a.    Unloading of Compresor Cylinder

b.    On-off siklus kerja kompresor

c.    Hot-gas bypass

d.    Compresor speed control

e.    Kombinasi darisemua cara diatas.

2.          Bagian-bagian Reciprocating Water Chiller

Water Chiller ini terdiri dari :

o   Kompresor torak  (Reciprocating Compressor)

o   Cooler (Evaporator)

o   Water Coled Condenser

o   Thermostatic Expansion Valve

o   Control Box

Mekanisme kerja dari masing-masing komponen si dijelaskan sebagai berikut;

a.     Kompresor

Gas refrigerant dan evaporator dihisap masuk kedalam Kompresor dan mengalami proses kompresi sehingga tekanan dan temperaturnya naik, kemudian mengalir ke kondenser.

b.     Kondenser

Didalam kondenser terjadi proses pekepasan kalor dari gas refrigerant ke medium pendinging kondenser (air), sehingga refrigerant mengalami perubahan fasa dari fas agas ke fasa cair sedangkan temperatur air pendingin setelah keluar kondenser naik

c.     Cooler (evaporator)

Refrigerant cair dari kondenser mengalir masuk ke cooler (evaporator) setelah mengalami ekspansi di katup ekspansi. Pada waktu masuk cooler temperatur dan tekanan refrigerant turun dalam fasa campuran. Kemudian refrigerant menguap pada temperatur rendah sambil menyerap kalor dari air dingin, fasa refrigerant seluruhnya menjadi uap dan dihisap kembali kedalam kompresor.

d.     Katup Ekspansi

Refrigerant yang kelur dari kondenser dalam keadaan fasa cair dengan temperatur dan tekanan yang tinggi

Pada saat masuk kedalam katup ekspansi terjadi proses penurunan tekanan refrigerant sehingga refrigerant dapat menguap (sambil menyerap kalor) pada temperatur rendah didalam cooler.

e.     Pengontrol

·         Freeze Protection Thermostat

Sensor alat ini mendeteksi temperatur air dingin yan keluar dari cooler. Bila temperatur air dingin terlalu rendah, lebih  rendah dari set point thermostat, kontroler akan mematikan kompresor. Pada umumnya tempratur air dingin keluar dari cooler adalah pada rentang 4-10 ^oC

·         Oil Pressure Cut Off

Kontoler ini akan mematikan motor kompresor jika perbedaan antara Suction Kompresor dan Discharge Pompa Oli berada dibawah harga minimum yang aman. Pada umumnya switch kontroler akan membuka (open) jika harga differensialnya sekitar 10 psi dan kaan menutup kembal jika naik sekitar 15 psi.

·         High & Low Pressure Cut Off

High pressure switch akan mematikan motor kompresor sebelum tekanan Discharge kompresor mencapai harga setting relief valve. Sebagai contoh :  untuk sistem yang menggunakan R-12 membuka pada 175 psi dan menutup pada 125 psi. sedangkan sistem yang menggunakan R-22 membuka pada 275 psi dan menutup pada 225 psi.

Low Pressure Switch akan mematikan motor kompresor sebelum tekanan cooler (evaporator) mencapai harga yang bersesuaian dengan temperatur refrigerant 32^oF. sebagai contoh untuk sistem yang menggunakan R-12 akan menutup pada posisi 50 psi dan akan membuka pada 33 psi.

·         Capacity Control

Fungsi dari Kontrol kapasitas ssitem adalah untu mengatur kapasitas pemompaan refrigerant dari kompresor secara otomatis yang disesuaikan dengan beban peningin yang ada. Sensor dari alat ini mendeteksi temperatur air dingin yang masuk kecooler.

Sinyal darisensor masuk ke arangkaian Kontroler. Jika tempratur air dingin berada di bawah/atas setpoint thermostat, kontroler akan mengatur bukanan selenoid valve yang selanjutnya secara sekuensial akan mengatur pembebanan dari satu atau dua set slilinder kompresor

f.      Compresr Crankoase Chiller

Fungsi dari Cranckoase Oil Heater adalah untuk memepertahankan konsentrasi refrigerant didalam conckrase pada batas minimum yang disyarakan untuk kompresor. Cranckase Heater ini harus terus menerus hidup, baik kompresor dalam ekadaan operaso maupun dalam keadaan sedang tidak jalan.

             Centrifugal Water Chiller

Kompresor sentrifugal adalah tipe non-positive displacement, yaitu gas yang diisap masuk ke kompresor dipercepat alirannya oleh sebuah impeller yang kemudian mengubah energi kinetik untuk menaikkan tekanan. Kapasitasnya dapat diatur secara kontinyu pada rentang yang lebar untuk berbagai batas tentang rasio tekanan.

Karena Centrifugal Water Chiller dapat diatur kapsitasnya dalam rentang kondisi beban yang lebar dengan perubahan yang proporsional terhadap konsumsi daya, maka jenis ini dapat digunakan untuk pengendalian temperatur yang ketat dan konservasi energi.

Dibandingkan denga kompresor Torak pada kompresor sentrifugal sangat sedikit bantalan-bantalan poros dan bagian-bagian permukaan yang  saling bergesekan yang dapat menyebabkan keausan dan getaran.

Pada saat ini kapasitas dari Centrifugal Water Chiller yang ada berkisar antara 80-2400 TR pada kondisi air dingin keluar dari cooler  44^oF (6,7 ^oC) dan air pendingin keluar dari Kondenser 95 ^oF (35 ^oC). Refrigerant yang populer digunakan pada sistem adalah R-12 dan        R-22

1.          Bagian-bagian Centrifugal Water Chiller

Sistem pendingin kondenser dari  Water chiller tipe ini pada umumnya Water cooled  condeser (kondenser berpendingin air). Seperti halnya Reciprocating Water Chiller komponen-komponen dari sistem ini yaitu kompresor, kondenser, katup ekspansi, dan cooler (evaporator)

Mekanisme kerja siklus refrigerasi dan beberapa bagian alat kontrol pengaman pada umumnya sama dengan yang terdapat pada Reciprocating Water Chiller. Uap /gas refrigerant dari cooler  (Evaporator) masuk kedalam kompresor sentrifugal, alirannya dipercepat oleh impeller, kemudian masuk ke bagian diffuser. Dimana pada bagian ini  terjadi perubahan energi kinetik menjadi energi tekanan. Gas bertekanan dan bertemperatur tinggi tersebut masuk ke Kondenser dan mengalami kondensasi sambil melepas kalor ke air pendingin kondenser. Sebelum masuk ke cooler (Evaporator) refrigerant cair mengalami ekspansi di katup ekspansi.

Didalam cooler (Evaporator) refrigerant menyerap kalor dan air dingin sehingga pada waktu keluar dari cooler temperatur air dingin turun. Siklus refrigerant berulang seperti semula.

2.          Sistem Pengontrolan Kapasitas

Kapasitas pendinginan dari Water Chiller ini dapat diatur dari 10%-100% dari kapsitasnya dengan putaran berkisar antara 1800-1900 rpm.  Pengaturan kapasitas kompresor sentrifugal dapat dilakukan dengan empat metoda atau kombinasu diantaranya yaitu :

a.    Variabel kecepatan putaran

b.    Pengaturan bukan Inlet Guide Vane

c.    Throtting Suction Gas

d.    Variabel tekanan kondenser

Dari keempat metode pengaturan kapasitas tersebut pengaturan dengan bukaan vane yang umum digunakan karena yang paling efsien. Pengaturan kapasitas chiller didasarkan pada temperatur air dingin yang keluar dari cooler yang dideteksi oleh sebuah sensor (biasanya thermistor). Sinyal dari sensor masuk ke rangkaian kontroler yang akan membuka dan menutup relay diabagian modulator. Relay akan menggerakkan kedua katup selenoid sedemikian, sehingga oli mengalir dan menggerakkan piston hidrolis, dimana piston ini yang akan mengendalikan posisi dari inlet Guide Vanes. Jika temperatur air dingin yang keluar dari cooler naik, posisi IGV akan bergerak ke arah pembuka sebaliknya apabila temperatur air dingin turun, posisi IGV bergerak ke arah menutup.

3.          Sistem Pelumasan

Ada dua fungsi sistem pelumasan yaitu untuk memberi pelumasan pada bantalan-bantalan kompresor dan sebagai fluida kerja dari sistem pengontrolan kapasitas. Komponen utama sistem pelumasan ini antara lain adalah : pompa oli, filter oli, pendingin oli dan oil separator.

Minyak pelumas (oli) yang berasal dari kompresor masuk ke alam tangko oli. Di bagian separator, campuran refrigerant dan oli dipisahkan, refrigerant kembali ke bagian suction kompresor sedangkan oli dimasukkan ke bagian pendingim oli dan didinginkan kemudian masuk ke filter oli sebagian masuk ke kompresor dan sebagian masuk ke dalam sistem pengontrolan.