sistem refrigerasi

MODUL 2. Sistem Refrigerasi dan Sistem Campuran Uap air - Udara

Modul Ajar - HVAC 12

2.1. Sub Kompetensi

Kemampuan yang akan dimiliki oleh mahasiswa setelah memahami isi modul ini

adalah sebagai berikut :

Mahasiswa mampu memahami konsep Proses termodinamika siklus

Refrigerasi dan Sifat-sifat campuran uap air-udara dan menerapkannya

perhitungannya untuk siklus refrigcrasi

2.2. Uraian Materi

Setelah mahasiswa menerima pengenalan HVAC mahasiswa melanjutkan

pemahamannya akan topik-topik:

Siklus carnot terbalik, mesin pendingin dan pompa kalor

Siklus ideal kompresi uap dan aktual kompressi uap

Sifat campuran uap air - udara

Mesin pendingin dan Pompa Kalor

Gambar 2. 1 (a) Sistem Refrigerasi (b) Sistem Pompa Kalor

Sumber: Yunus A Cengel, 1994, “Thermodynamic, an Engineering Approach”



Mesin pendingin didesain untuk memindahkan panas sebesar QL dari media

yang bersuhu rendah (TLow) menuju ke media yang bertemperatur lebih tinggi

THigh dengan memasukan kerja sebesar W.

Pompa kalor didesain untuk mensuplai panas sebesar QH dari media yang

bersuhu rendah (TLow) menuju ke media yang bertemperatur lebih tinggi THigh

dengan memasukan kerja sebesar W.

Performansi (unjuk kerja) mesin refrigerasi dan pompa kalo dapat didefinisikan

sebagai Coefficient of performance (COP) yang didefinisikan sbb :

Karena proses memindahkan panas dilakukan dalam per satuan waktu maka notasi

QL,QH dan Wnet,in harus diganti dalam bentuk per satuan waktu dan

Sehingga COPR dan COPHP nilainya akan bisa lebih besar daripada 1, dan persamaan

yang menghubungkan keduanya :

COPHP = COPR + 1

COP pada heat pump lebih dikenal sebagai Performance Factor (PF)

Siklus Carnot Terbalik

Gambar 2. 2 Skema Mesin Refrigerasi Carnot dan T-s Diagram Siklus Carnot Terbalik




Koefisien performansi mesin refrigerasi carnot dan pompa kalor dapat didefinisikan

sbb :

Siklus Ideal Refrigerasi Kompressi Uap

Gambar 8. 1 Siklus Ideal Refrigerasi Kompressi Uap


Proses thermodinamika pada Siklus Ideal Refrigerasi Kompressi Uap

1-2 kompressi isentropic pada unit compressor

2-3 Pembuangan panas pada tekanan konstan (isobaric) pada condenser

3-4 Penurunan tekanan pada katup ekspansi

4-1 Penyerapan panas pada tekanan konstan pada evaporator

Pada unit evaporator dan condenser tidak terdapat kerja yg dibutuhkan maupun yang

dihasilkan karena hanya ada proses penyerapan dan pembuangan panas, kerja yang

dibutuhkan hanya ada pada unit compressor, sehingga COP dari mesin refrigerasi

dan pompa kalor dari siklus ideal kompressi uap adalah :

dan

Catatan : Pada kondisi ideal dan



Di awal penemuan mesin pendingin digunakan 2 macam refrigerant yaitu :

1. Ammonia NH3

2. CO2

Namun 2 jenis refrigerant tersebut memiliki potensi masalah yang besar antara lain

NH3 adalah toxic dan CO2 membutuhkan tekanan sangat tinggi (30 sampai 200 atm)

untuk bisa dioperasikan pada sebuah siklus refrigerasi. Sehingga untuk mengatasi

masalah-masalah diatas dibuat penelitian lanjutan sehingga menemukan refrigerant

jenis baru yg disebut Freon 12 (dichloro-diflouro-methane) yang bisa mengatasi

kelemahan pada refrigerant NH3 dan CO2. Perkembangan teknologi menemukan

efek penggunaan Freon 12(R12) juga memberi dampak negatif terhadap lingkungan,

dimana akibat kebocoran Freon ke udara akan menyebabkan kerusakan lapisan

ozone (O3) dimana molekul chlorine(Cl) akan memecah O3 menjadi O2 bumi

sehingga bumi akan memiliki potensi terpapar bahaya radiasi sinar ultraviolet

sehingga sekarang penggunaan R12 sudah dilarang secara global. Penelitian lanjutan

menemukan refrigerant baru yang bebas Chlorine Cl yaitu R134a (tetraflouro-

ethane) yang menggantikan fungsi R12 karena memiliki karakteristik tidak merusak

Ozone. Contoh skema dan data operasi sebuah mesin refrigerasi :

Gambar 8. 2 Skema Mesin Pendingin

Diatas adalah data yang diambil secara aktual operasional sebuah mesin pendingin:

1. Berapa panas aktual yang diserap oleh evaporator (qevap) [kJ/kg]?

2. Berapa panas aktual yang dibuang oleh condenser (qcond) [kJ/kg]?

3. Berapa kerja kompressi aktual yg harus diberikan pada compressor (wcomp)

[kJ/kg]?

4. Berapa kerja kompressi ideal isentropic yang harus diberikan pada

compressor (wcomp) proses [kJ/kg]

http://www.wou.edu/~avorder/Refrigeration.htm

http://www.ent.ohiou.edu/~thermo/property_tables/R134a/index.html

http://www.ent.ohiou.edu/~thermo/property_tables/R134a/index.html



5. Berapa Coefficient of Performance (COP) dari sistem, pada saat sistem

difungsikan sebagai refrigerator dan Pompa kalor (heat pump).

Langkah 1 : Cari informasi Jenis refrigerant yang digunakan di desain !!!

Berdasarkan informasi didapatkan bahwa jenis refrigerant yang digunakan

adalah R-134a, sehingga harus dipersiapkan diagram P-h R134a sekaligus

table nya

Langkah 2: notasi angka titik acuan 1,2,3 dan 4 pada setiap titik skema desain

Hal ini untuk mempermudah plot data operasi desain pada diagram P-h

Langkah 3 : Plot semua data yang diketahui pada diagram P-h untuk R134a

Dari diagram P-h maka kita bisa mendapatkan data-data nilai enthalphi (h) tiap titik

acuan skema sehingga untuk mendapatkan nilai yg lebih tepat akurasinya maka bisa

digunakan table Refrigerant R134a

Proses 1-2: Proses kompressi secara isentropic pada compressor



Proses 2-3: Proses pembuangan panas secara isobaric di kondensor

Proses 3-4 Proses penurunan tekanan pada katub ekspansi secara adibatik.

Proses 4-1 Proses penyerapan panas pada evaporator dari lingkungan yang

mengubah fase refrigerant dari fase vapor mixture (titik 4) menjadi saturated vapor

(titik 1).



P-h diagram pada saat kerja kompressi pada compressor dilakukan secara proses

kompressi adiabatic?

Maka terlihat dari diagram p-h, maka dengan compressi isentropic maka temperatur

refrigerant keluar compressor akan turun dari 700C menjadi 50

0C dan penurunan

enthalphi refrigerant pada saat keluar compressor menjadi 280 kJ/kg. Sehingga

( )

( )



Performansi Aktual Sistem Performansi Ideal Sistem

COPR =

=

= 2.2

COPHP =

=

= 3.2

COPR =

=

= 3.15

COPHP =

=

= 4.05

Catatan : Pada sistem yang sama nilai COPHP = COPR + 1 dan COP biasanya selalu

lebih besar daripada 1 makanya untuk menunjukan performansi mesin pendingin

tidak menggunakan istilah Efficiency yg memiliki nilai maksimum 100%.

Gambar diagram P-h R134a

Gambar 8. 3 Diagram P-h R 134a

Sumber: www.ohio.edu/mechanical/thermo/property_tables/R134a/ph_r134a.html

http://www.ohio.edu/mechanical/thermo/property_tables/R134a/ph_r134a.html



Campuran Udara dan Uap Air

Air - Water Vapor Mixtures

Kelembaban dan Proses Adiabatic Saturation

Udara astmosfer terdiri campuran udara kering (dry air) dan uap air (water vapor).

Berdasarkan hukum Dalton tentang tekanan parsial tentang campuran udara kering

atau campuran air –uap air maka tekanan total udara dapat didefinisikan sebagai

berikut :

P = Pa + Pv Dimana notasi : a = mengacu pada air (udara) dan v = mengacu pada

vapor (uap)

Grafik Psikrometri dan Proses Pengkondisian Udara

Grafik psikrometri yang paling popular digunakan di aplikasi di industri adalah

grafik yang dibuat oleh ASHRAE (American Society of Heating, Refrigeration and

Air-Conditioning Engineers , yang ditampilkan dibawah ini.

Gambar 8. 4 Grafik Psikrometri (Sumber: "On the Psychrometric Chart" published in the ASHRAE Transactions (Paper #3736, Vol 100, Part 1, 1994)

http://www.ashrae.org/



Garis 100% relative humidity disebut sebagai garis jenuh (dew point curve) dimana

pada titik tersebut temperatur bola basah (wet bulb temperature) dan temperatur bola

kering (dry bulb temperature) akan memiliki nilai yang sama.

Contoh Soal

Apabila suhu udara luar adalah 32°C dengan kelembaban relatif = 60%. Dengan

menggunakan psychrometric chart tentukan parameter-parameter dibawah ini:

1. Specific humidity ?

2. Nilai enthalpy-nya?

3. Temperatur bola basah Twb?

4. Temperatur jenuh (the dew-point temperature) Tdp ?

5. Volume specific udara pada kondisi tersebut?

6. Gambar semua nilai diatas pada grafik !

[18 gram-moisture/kg-air], [78 kJ/kg-air], [25.5°C], [23°C], [0.89m3/kg].

Salah satu tujuan utama dari penggunaan Psychrometric Chart pada proses

pengkondisian udara adalah untuk menentukan kondisi udara paling nyaman bagi

manusia, dari hasil penelitian adalah 22°C - 27°C dengan kelembaban relatif

antara 40% and 60% yaitu daerah yang ditunjukan pada diagram dibawah ini.

Gambar 8. 5 Comfort zone Sumber: Israel Urieli (2011) “Engineering Thermodynamic”



Contoh Soal:

Kondisi udara luar 35°C dengan kelembaban relatif 60% akan dikondisikan untuk

mencapai daerah “comfort zone”. Dengan menggunakan grafik Psychrometric, Plot

kan proses pengkondisian udara dan estimasikan :

a) Jumlah uap air yang harus diambil dari udara tsb?

b) Jumlah panas yang harus dipindahkan?

c) Jumlah panas yang harus ditambahkan pada udara?

[11.5g-H20/kg-dry-air], [(1)-(2), qcool = 48kJ/kg-dry-air], [(2)-(3), qheat = 10kJ/kg-dry-air].



Contoh Soal

Kondisi udara kering pada suhu 40°C dan kelembaban relatif 10% mengalir melalui

pendingin evaporatif. Air ditambahkan pada udara yang mengalir filter basah (wick)

sehingga udara yang keluar dari instalasi pendingin evaporative diinginkan pada

suhu 27°C.

Dengan menggunakan grafik psikrometri tentukan:

(a) Kelembaban relatif udara keluar?

(b) Jumlah air yang ditambahkan pada udara?

(c) Temperatur terendah yang mampu dicapai dengan instalasi pendinginan ini?

[45%],[5.4 g-H20/kg-dry-airs], [18.5°C].

Instalasi pendingin type ini sangat popular untuk digunakan pada kondisi cuaca

panas dan kering yang mana instalasi ini disebut Swamp Cooler

http://www.consumerenergycenter.org/home/heating_cooling/evaporative.html



Menara Pendingin untuk Instalasi Pembangkit Daya Uap

Cooling Towers for Steam Power Plants

Aplikasi prinsif psikrometri pada instalasi di industry adalah penggunaanya pada

menara pendingin untuk mendinginkan air panas dari keluar condenser dari instalasi

steam power plant agar bisa digunakan kembali untuk proses pendingina condenser

Gambar 8. 6 Cooling Tower pada Steam Power Plant

Sumber: Israel Urieli (2011) “Engineering Thermodynamic”

Persamaan Kesetimbangan Massa:

Mengacu pada diagram diatas maka jumlah air yang ditambahkan ke unit (make up

water) dapat dihitung berdasarkan jumlah perbedaan kelembaban spesifik sisi

masuk terhadap sisi keluar dari aliran udara pada cooling tower.

Udara kering: dan Vapor (Uap air)

( )

Air pendingin condenser Liquid water (condenser cooling water)



Persamaan Kesetimbangan Energi :

Proses perpindahan panas yg terjadi di cooling tower yaitu pengurangan enthalpy

pada persamaan kesetimbangan enthalpy udara masuk dan keluar :

∑

Dimana e = exit (sisi keluar) dan i = inlet (sisi keluar)

( ) ( ) ( )

( )

( ) ( )

Catatan : a = air (udara) dan w = water (air) dimana massa air di titik 3 dan 4

didapatkan dari data operasional condenser dari steam power plant.

Contoh Soal : Cooling Tower yang digunakan pada Supercritical Steam Power

Plant di Athens, Ohio

Instalasi Supercritical Steam Power dengan menggunakan Reheater dan Open

Feedwater Heater/De-aerator untuk melayani kebutuhan listrik 10,000 rumah tangga

di Athens, Ohio. The City Council. Untuk menghindari polusi akibat air panas dari

condenser ke sungao Hocking maka dibutuhkan instalasi cooling tower untuk

menggantikan fungsi proses pendingin air condenser dengan air sungai :

Proses kalkulasi didapatkan panas yg harus dibuang di condenser 12.9 MW dengan

suhu air keluar condenser 400C pada titik 11 sampai menjadi temperatur 25

0C.



Penyelesaian :

Langkah 1 : Tentukan volume alir air pendingin condenser

Langkah 2 : Gambarkan proses di cooling tower antara titik (12)-(13) pada grafik

psikrometri !

Dari gambar grafik terlihat kenaikan kelembaban relatif pada 30 to 35 grams/kg-air.

Sehingga dari titik (12) dan (13) lokasi diatas bisa diambil nilai parameter tsb antara

lain enthalpy (h), relative humdity dan specific humidity .



Tentukan massa air yang dibutuhkan untuk make up water yang diperlukan :



2.3. Rangkuman

Coefficient of performance (COP)

Performance Factor (PF)

ASHRAE (American Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning

Engineers

Cooling tower

Dry bulb temperature

Dew point temperature

Wet bulb temperature

Relative humidity

Specific humidity

2.4. Referensi

1. Israel Urieli (2011) “Engineering Thermodynamic”, http://www.

Ohio.edu/mechanical/thermo/index.html

2. Yunus A Cengel, 1994, “Thermodynamic, an Engineering Approach”

3. ASHRAE Handbook of Fundamentals [1972]

4. Harrington RL., ‘Marine Engineering Hand Book’, SNAME, Jersey City,

1992

5. Stoecker WF., Jerrold W., Supratman H.,’ Teknik Pendingin dan

Pengkondisian Udara’, Edisi 2, Erlangga, Jakarta

6. William G., Neil RP. ‘Trane Air Conditioning Manual’

7. Wiranto AM., Heizo S.,’Penyegaran Udara’, Pradnya Paramita, Jakarta

1995



2.5. Latihan Soal

Tugas Terstruktur 2a

Gambar 2. 3

Sistem pendingin yang menggunakan R134A sebagai refrigerant-nya bekerja dengan

kondisi operasi tekanan (absoluts) di evaporator sebesar 200 kPa dan temperature

refrigerant keluar evaporator 00C. Kondisi Refrigerant setelah mengalami proses

kompressi di compressor maka tekanannya naik menjadi 1,2 Mpa dengan temperatur

650C dan kondisi refrigerant pada saat keluar kondensor pada tekanan sama 1,2 kPa

dengan temperatur 400C.

Berdasarkan pada data diatas lakukan perhitungan parameter-parameter dibawah ini :

1. Berapa panas aktual yang diserap oleh evaporator (qevap) [kJ/kg]?

2. Berapa panas aktual yang dibuang oleh condenser (qcond) [kJ/kg]?

3. Berapa kerja kompressi aktual yg harus diberikan pada compressor (wcomp)

[kJ/kg]?

4. Berapa kerja kompressi ideal isentropic yang harus diberikan pada

compressor (wcomp) proses [kJ/kg]

5. Berapa Coefficient of Performance (COP) dari sistem, pada saat sistem

difungsikan sebagai refrigerator dan Pompa kalor (heat pump).

Tugas Terstruktur 2b

Sebuah ruangan kapal penumpang membutuhkan udara segara dengan parameter

26oC dan RH 55%, apabila kondisi udara luar memiliki kondisi temperatur 30

oC

dengan RH 80%, Ada diminta untuk menghitung :

(a) Berapa Enthalpi (kJ/kg) udara yang harus dikeluarkan dari udara/atau

didinginkan oleh mesin pendingin?

(b) Berapa enthalpy (kg/kg) udara yg harus ditambahkan ke dalam

udara?



2.6. Lembar Kerja

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.................................................................................................................................. .......

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................



...................................................................................................................................... ...

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................



.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.................................................................................................................................. .......

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

...................................................................................................................................... ...

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................

sistem refrigerasi

Education