Studi Eksperimental Evaporator Bertingkat yang Disusun Secara Paralel Terhadap Kinerja Mesin Refrigerasi Fokus 802

Abstrak –  Penelitian ini bertujuan mengetahui efek pembebanan pada evaporator yang disusun secara paralel terhadap kondisi refrigeran setiap komponen pada mesin pendingin, mengetahui efek pembebanan pada evaporator yang disusun secara paralel terhadap prestasi mesin refrigerasi fokus 802, membandingkan prestasi mesin evaporator tunggal dengan evaporator yang disusun secara paralel. Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Teknik pendingin Universitas Tadulako. Metode pengujian yang digunakan adalah pengujian secara eksperimen. Pengambilan data dilakukan dengan mengambil sejumlah data pengujian langsung pada alat uji.  Data dianalisis secara teoritis berdasarkan data pengujian eksperimen dengan membandingkan evaporator tunggal dan paralel. Hasil penelitian menunjukkan bahwa pengaruh  evaporator paralel yang dihasilkan dari pemotongan evaporator tunggal  menjadi dua bagian yang sama yaitu menyebabkan temperatur ruangan mengalami penurunan temperatur sebesar 1,50C atau 8%. Daya kompressor mengalami kenaikan sebesar 0,031 kW atau 12,35%. Kapasitas refrigerasi mengalami kenaikan sebesar 0,074 kW atau 7,6%. Kalor yang dilepaskan kondensor mengalami kenaikan  sebesar 0,1 kW atau 8% dan COP mengalami penurunan  sebesar 0,147 atau 3,6%.

A.     Pendahuluan

Pada saat ini, mesin pendingin dapat dijumpai pada hampir setiap pertokoan, gedung – gedung kantor dan rumah tangga. Mesin pendingin dapat berupa refrigerator, freezer, chiller serta air conditioning. Penggunaan mesin pendingin yang paling umum yaitu untuk pengkondisian ruangan dan pengawetan bahan makanan atau minuman. Selain itu, mesin pendingin dapat juga dipakai untuk pembuatan es, menjaga kesterilan obat-obatan, dan lain-lain. Sedangkan penerapannya di industri, mesin pendingin banyak dipakai untuk instalasi yang memerlukan temperatur rendah dalam operasinya seperti pemisahan gas-gas, pemadatan suatu zat didalam campuran untuk memisahkan dari zat lain, penghilangan kalor reaksi dan lain sebagainya.

Kebanyakan mesin pendingin bekerja berdasarkan siklus pendingin kompresi uap (vapor compression refrigeration cycle). Pada siklus pendingin ini terdapat 4 komponen utama yaitu: evaporator, kompresor, kondensor dan alat ekspansi. Pada komponen evaporator berguna untuk menghisap panas dari sekelilingnya oleh penguapan bahan pendingin cair yang sudah ditakar  didalamnya, jadi cairan tersebut dipindahkan dalam bentuk gas.

Tekanan cairan refrigeran yang diturunkan pada katup ekspansi, didistribusikan secara merata ke dalam pipa evaporator oleh distributor refrigeran, pada saat itu refrigeran akan menguap dan menyerap kalor dari udara ruangan yang dialirkan melalui permukaan luar dari pipa evaporator. Cairan refrigerant diuapkan secara berangsur-angsur karena menerima kalor sebanyak kalor laten penguapan, selama proses penguapan itu, di dalam pipa akan  terdapat campuran refrigeran dalam fase cair dan gas. Pada saat itu, suhu penguapan dan tekanan penguapan dalam keadaan konstan terjadi. Evaporator adalah alat penukar kalor yang memegang peranan paling penting di dalam siklus refrigerasi, yaitu mendinginkan media sekitarnya. Untuk lebih meningkatkan efek refrigerasi biasanya dilakukan penambahan evaporator, khususnya untuk ruangan yang lebih besar.Penelitian yang terkait dengan dua evaporator yaitu [4] D.W.

Gerlach T.A. Newell (2001) meneliti performa refrigerator dua evaporator secara eksperimen dan simulasi numerik,kesimpulan yang didapat adalah peningkatan ukuran evaporator tidak signifikan dengan peningkatan COP tetapi signifikan dengan peningkatan kapasitas.Hasil penelitian di atas mengungkapkan bahwa penambahan ukuran  evaporator  tidak terlalu mempengaruhi peningkatan COP. Untuk itu penulis ingin meneliti lebih jauh bagaimana jika evaporator  dengan ukuran yang besar dibandingkan dengan dua evaporator kecil yang disusun paralel dalam hal ini ukurannya sama,  apakah  mempengaruhi prestasi mesin.

B.     Landasan Teori

1)     Mesin Pendingin

Mesin pendingin merupakan salah satu mesin yang mempunyai fungsi utama untuk mendinginkan zat sehingga temperaturnya lebih rendah dari temperatur lingkungan. Pendinginan dilakukan sesuai dengan tujuan masing-masing orang yang akan melakukan proses pendinginan tersebut.

Komponen utama dari mesin pendingin yaitu kompresor, kondensor, alat ekspansi dan evaporator, serta refrigeran sebagai fluida kerja yang bersirkulasi pada bagian-bagian tersebut. Pada gambar 1 dibawah ini memperlihatkan skema sederhana dari mesin pendingin.

Sistim kerja pada mesin pendingin adalah sebagai berikut  :

Saat refrigeran mengalir melalui evaporator, perpindahan panas dari ruangan yang didinginkan menyebabkan refrigeran menguap. Dengan mengambil refrigeran pada evaporator sebagai volume atur yaitu entalpi spesifik yang meninggalkan evaporator (h1) dan entalpi yang masuk evaporator (h4), sehingga keseimbangan massa dan Hukum Termodinamika I didapat perpindahan panas (Q) sebesar[7] :

Q = m(h1 – h4) kW……………………..(1)

 

Komponen utama dari mesin pendingin dan diagram P-h

Komponen utama dari mesin pendingin dan diagram P-h

Gambar 1. Komponen utama dari mesin pendingin dan diagram P-h

Refrigeran meninggalkan evaporator kemudian masuk ke kompressor (h1). Selanjutnya refrigeran dikompresi hingga tekanan dan temperaturnya bertambah tinggi (h2). Diasumsikan ada perpindahan panas dari dan ke kompresor.  Dengan menerapkan keseimbangan massa dan laju energi (Hukum Termodinamika I) pada volume atur yang melingkupi kompresor, didapat  kerja kompressor (W)  sebesar :

W = m(h2 – h1) …………………………..(2)

Kemudian, refrigeran mengalir melalui kondensor (h3), dimana refrigeran mengembun dan memberikan panas ke udara sekitar yang lebih rendah temperaturnya. Untuk volume atur melingkupi refrigeran di kondensor, laju perpindahan panas (Q) dari refrigeran  adalah :

Q = m(h2 – h3) kW  ……………………..(3)

Akhirnya, refrigeran pada state 3 (h3) masuk alat ekspansi dan berekspansi ke tekanan evaporator.  Tekanan refrigeran turun dalam ekspansi yang ireversibel dan dibarengi dengan adanya kenaikan entropy jenis.  Refrigeran keluar katup ekspansi pada state 4 (h4) yang berupa fase campuran uap-cair (hfg4). Maka  kualitas uap (X1) yang terkandung pada titik 4 dapat dicari dengan persamaan  :

X1 = h4 – hf4 / h fg4 ……………………..(4)

Secara thermodinamika besarnya perpindahan panas (Q) yang terjadi pada pipa kapiler di mesin pendingin, yaitu :

Q = m(h3 – h4) kW  ……………………..(5)

2)     Kompressor

Kompressor merupakan salah satu komponen yang sangat vital  karena fungsinya sebagai alat kompresi dalam sistem kompresi uap. Berdasarkan metode kompresi, kompressor dibagi atas 2 tipe, yaitu [2]:

a.      Kompressor positif

Pada kompressor positif, gas refrigeran diisap masuk kedalam silinder dan dikompresikan. Misalnya, kompressor torak, kompressor putar dan kompressor sekrup.

b.      Kompressor non positif    

Pada kompressor non-positif, gas refrigeran yang diisap masuk dipercepat alirannya oleh sebuah impeller yang kemudian mengubah energi kinetik untuk menaikkan tekanan. Misalnya ; kompressor sentrifugal.

Untuk daya kompressor (Pk) dihasilkan dari daya motor penggerak kompressor (Ps) melalui input listrik dikali dengan efisiensi kompresi (µc) dan efisiensi mekanik (µm). Sehingga daya kompressor dinyatakan dalam persamaan [1]:

Pk = Ps. µc. µm  ……………………………(6)

Harga dari efisiensi kompresi untuk kompresssor putaran tinggi dapat ditentukan melalui kurva hubungan antara rasio kompresi dengan efisiensi kompresi pada gambar 2 berikut ini[1] :

Efisiensi kompresi dari kompressor

Efisiensi kompresi dari kompressor

Gambar 2. Efisiensi kompresi dari kompressor

Dimana Efisiensi kompresi putaran tinggi µc dan Efisiensi kompresi putaran rendah dan sedang µ’c

Efisiensi mekanik dari kompressor

Efisiensi mekanik dari kompressor

Gambar 3. Efisiensi mekanik dari kompressor

Dimana Efisiensi mekanik kompressor putaran tinggi  µ’m  dan Efisiensi mekanik kompressor putaran  rendah dan sedang µm

Daya motor penggerak kompressor Ps dari input listrik dapat ditentukan dengan persamaan [8]:

Ps = V.I.Cosθ  …………………………(7)

Dimana tegangan listrik V (Volt), Kuat arus listrik I  (Amp)

faktor daya,  Cos θ  dengan nilai (0.7 – 1.0 , untuk motor single phase)[8]. Sehingga laju aliran massa uap refrigeran yang mengalir (yaitu [5]:

m = Pk / (h2 – h1)…………………………(8)

Dimana laju aliran massa refrigeran (kg/s),  entalpi pada titik keluar kompressor h2 (kj/kg) dan entalpi pada titik masuk kompressor h1  (kj/kg).

3)     Kondensor

Kondensor merupakan salah satu alat penukar kalor  yang berfungsi sebagai tempat kondensasi. Uap yang bertekanan dan bertemperatur tinggi pada akhir kompresi dapat dengan mudah dicairkan dengan cara mendinginkannya dengan media pendingin.

Didalam pipa kondensor terjadi perpindahan kalor dari uap refrigeran ke fluida pendingin. Besarnya laju perpindahan kalor yang terjadi didalam kondensor dipengaruhi oleh bebrapa faktor antara lain; koefisien perpindahan panas, faktor kotoran, kecepatan aliran pendingin, jenis refrigeran dan kerugian tekanan yang terjadi sepanjang pipa.

4)     Alat  Ekspansi

Alat ekspansi dipergunakan untuk mengekspansikan secara adiabatik cairan refrigeran yang bertekanan dan bertemperatur tinggi sampai mencapai tingkat keadaan tekanan dan temperatur rendah; jadi melaksanakan proses trotel atau proses ekspansi enthalpi konstan. Selain itu, katup ekspansi mengatur pemasukan refrigeran sesuai dengan beban pendinginan yang harus dilayani oleh evaporator[3].

 

C.     Evaporator

Evaporator  adalah penukar kalor yang memegang peranan penting didalam siklus refrigerasi, yaitu mendinginkan media sekitarnya. Ada beberapa macam evaporator, sesuai dengan tujuan penggunaannya bentuknyapun dapat berbeda-beda. Hal tersebut disebabkan karena media yang hendak didinginkan dapat berupa gas, cairan atau padat. Maka evaporator dapat dibagi dalam beberapa golongan, sesuai dengan keadaan refrigeran yang ada didalamnya, yaitu: jenis ekspansi kering, jenis setengah basah, dan sistem cairan.

1)     Dengan alat penukar kalor

Cairan jenuh pada titik 3 yang berasal dan kondensor didinginkan hingga titik 4 dengan cara bertukar kalor dengan uap pada titik 6 (h6) yang dipanaskan hingga mencapai titik 1. Dan keseimbangan kalor yaitu [7]:

h3 – h4 = h1 – h6   ……………………………(9)

Dampak pendinginnya dapat berbentuk yaitu [7]:

Q = m(h6 – h5)   ………………………..(10)

Koefisien prestasi (COP)[3]yaitu :

COP= h6 – h5 / h2 – h1 ………………..(11)

 

 

 

 

This entry was posted in Teknik Mesin and tagged , , , . Bookmark the permalink.

One Response to Studi Eksperimental Evaporator Bertingkat yang Disusun Secara Paralel Terhadap Kinerja Mesin Refrigerasi Fokus 802

  1. Pingback: Karburasi pada logam dan pendinginan (Quenching) | Muh. Nabil Blog

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s