DASAR TEORI SISTEM PENDINGIN

DASAR  TEORI 

SISTEM PENDINGIN

Perpindahan Panas

Perpindahan panas adalah peristiwa bertukarnya energi panas suatu benda ke benda lain yang memiliki beda temperatur. Perpindahan panas dapat dibedakan menjadi tiga jenis yaitu : perpindahan panas konduksi, konveksi, dan radiasi.

Perpindahan Panas Konduksi

Perpindahan panas konduksi adalah proses dengan mana panas mengalir dari daerah yang bersuhu lebih tinggi ke daerah yang yang bersuhu lebih rendah di dalam satu medium (padat, cair dan gas) atau antara medium-medium yang berlainan yang bersinggungan secara langsung.

Perpindahan Panas Konveksi

Jika benda bersuhu tinggi berada pada lingkungan fluida bersuhu rendah maka akan terjadi perpindahan panas secara konveksi dari benda ke lingkungan. Hal ini karena pengaruh gerakan partikel-pertikel fluida. Perpindahan panas secara konveksi dibagi dalam dua jenis, yaitu :

a.    Konveksi bebas

Terjadi karena perbedaan kerapatan yang disebabkan gradien suhu.

b.   Konveksi paksa

Konveksi paksa terjadi apabila gerakan pertukaran kalor karena pengaruh dari energi mekanik atau energi luar.

 

Perpindahan Panas Radiasi

Radiasi adalah proses dengan mana panas mengalir dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah bila benda-benda itu terpisah di dalam ruang baik oleh udara / gas atau hampa (vakum). Di dalam perpindahan panas radiasi dikenal penyinar ideal / benda hitam yang dapat memancar energi dengan laju sebanding dengan pangkat empat suhu absolut benda itu.

Siklus Kompresi Uap

Siklus kompresi uap merupakan salah satu siklus yang digunakan dalam proses pendinginan, siklus kompresi uap memerlukan beberapa komponen utama agar siklus ini dapat bekerja dengan baik seperti kompresor, kondensor, katup ekspansi, dan evaporator. Adapun proses ideal yang terjadi pada siklus kompresi uap adalah proses kompresi, kondensasi, proses ekspansi dan proses evaporasi, dan proses ini dapat digambarkan sebagai berikut :

 

 

  Siklus Kompresi Uap

 

1 - 2     Proses Kompresi

Tahap ini terjadi di kompresor dimana refrigerant yang berfasa uap dengan  temperatur dan tekanan rendah dikompresi secara isentropik sehingga temperatur dan tekanannya menjadi tinggi.

2 - 3     Proses Kondensasi

Tahap ini terjadi di dalam kondensor, dimana panas dari  refrigeran yang berfasa uap dari kompresor dibuang ke lingkungan sehingga refrigerant tersebut mengalami kondensasi. Pada tahap ini terjadi perubahan fasa dari dari fasa uap superheat menjadi fasa cair jenuh, pada fasa cair jenuh ini tekanan dan temperaturnya masih tinggi.

Tahap ini terjadi di katup ekspansi dimana refrigerant diturunkan tekanannya yang diikuti dengan turunnya temperatur isentalphi.

4 - 1     Proses Evaporasi

Pada tahap ini terjadi pertukaran kalor di evaporator, dimana kalor dari lingkungan atau media yang didinginkan diserap oleh refrigerant cair dalam evaporator sehingga refrigerant cair yang berasal dari katup ekspansi yang bertekanan dan bertemperatur  rendah berubah fasa dari fasa cair menjadi uap yang mempunyai tekanan dan  temperatur tinggi.  

Komponen Utama Sistem Pendingin

            Kompressor

Kompresor berfungsi untuk memberikan kompresi atau tekanan pada refrigerant yang berasal dari suction line sehingga temperatur dan tekanannya naik dan selanjutnya dialirkan ke discharge line. Kompresor mengambil uap panas pada temperatur rendah di dalam evaporator dan memompakannya ke tingkat temperatur yang lebih tinggi di dalam kondensor, oleh karena itu kompresor disebut juga ”Heat Pump” .

Jumlah jenis refrigerant yang ada pada saat ini mempengaruhi dari jenis-jenis kompresor, karena dengan adanya perbedaan sifat dari refrigerant maka memerlukan kompresor dengan sifat tertentu pula. Oleh karena itu saat ini kompresor dibagi dalam empat kriteria, yaitu :

1.      Penggolongan kompresor berdasarkan metode kompresi :

a.         Kompresi positif           :        Kompressor Torak, Kompressor Putar, Kompressor Sekrup

b.        Kompressi Sentrifugal  :       Kompressor Sentrifugal Satu Tingkat dan Kompressor Sentrifugal Tingkat Ganda

2.      Penggolongan kompresor menurut bentuk :

a.    Jenis Vertikal

b.    Jenis Horisontal

c.    Jenis Silinder Banyak (Jenis V, Jenis W, Jenis VV)

3.      Penggolongan kompresor menurut kecepatan putar :

a.    Jenis Kecepatan Rendah

b.    Jenis Kecepatan Tinggi

4.      Penggolongan kompresor menurut gas refrigerant :

a.    Kompresor Ammonia

b.    Kompresor Freon

            Kondensor

Pada proses pendinginan (cooling) baik secara langsung dengan menggunakan DX coil maupun secara tak langsung dengan menggunakan chiller water, maka liquid refrigerant yang menguap di dalam pipa-pipa cooling coil (evaporator) telah menyerap panas sehingga berubah wujudnya menjadi gas dingin dengan kondisi superheat pada saat meninggalkan cooling coil. Panas yang telah diserap oleh refrigerant ini harus dibuang atau dipindahkan ke suatu medium lain sebelum ia dapat kembali diubah wujubnya menjadi liquid untuk dapat mengulang siklusnya kembali.

Menurut hukum kedua thermodinamika, maka panas yang dikandung gas dingin tersebut tidak dapat dibuang ke medium lainnya (udara atau air) yang mempunyai suhu lebih tinggi. Oleh karena itu harus ada upaya yang harus dilakukan untuk menaikkan suhu gas tersebut hingga mencapai titik suhu tertentu yang lebih besar dari suhu medium yang digunakan untuk keperluan transfer panas tersebut. Pada mesin refrigerasi mekanik digunakan kompresor yang berfungsi menaikkan suhu gas tersebut hingga titik suhu tertentu dan kemudian menyalurkannya ke dalam pipa-pipa kondensor. Dalam hal ini desain kondensornya harus mampu membuang jumlah panas yang dikandung gas panas akibat kerja kompresi oleh kompresornya dan akibat kerja evaporasi di evaporator.

Fungsi kondensor di dalam sistem refrigerasi kompresi gas adalah untuk merubah wujud refrigerant dari gas yang bertekanan dan bersuhu tinggi dari discharge kompresor menjadi cairan refrigerant yang masih bersuhu dan bertekanan tinggi. Pada saat gas bergerak dari sisi discharge kompresor masuk ke dalam kondensor, ia mengandung beban kalor yang meliputi : kalor yang diserap oleh evaporator untuk penguapan liquid refrigerant, kalor yang diserap untuk menurunkan suhu liquid refrigerant dari suhu kondensing ke suhu evaporating, kalor yang dihisap oleh silinder chamber dan kalor yang dipakai untuk mengkompresi gas dari evaporator. Kondensor harus mampu membuang kalor tersebut ke cooling medium yang digunakan oleh kondensornya.

Menurut jenis cooling medium yang digunakan, maka kondensor dapat dikalasifikasikan menjadi 3 jenis, yaitu :

1. Air Cooled Condenser (menggunakan udara sebagai media pendinginan)
2. Water Cooled Condenser (menggunakan air sebagai media pendinginan)
3. Evaporative Condenser (menggunakan kombinasi udara dan air sebagai media pendinginan)

            Katup Ekspansi

Katup Ekspansi berfungsi untuk mengekspansikan secara adiabatik cairan refrigerant yang bertekanan dan bertemperatur tinggi sampai tingkat keadaan tekanan dan temperatur rendah. Ada dua jenis katup ekspansi, yaitu :

a.       Katup Ekspansi Otomatis (K.E.O)

Sistem pipa kapiler sesuai digunakan pada sistem-sistem dengan beban tetap (konstan) seperti pada lemari es atau freezer, tetapi dalam beberapa keadaan, untuk beban yang berubah-ubah dengan cepat harus digunakan katup ekspansi jenis lainnya. Beberapa katup ekspansi yang peka terhadap perubahan beban, antara lain adalah katup ekspansi otomatis (K.E.O) yang menjaga agar tekanan hisap atau tekanan evaporator besarnya tetap konstan.

Bila beban evaporator bertambah maka temperatur evaporator menjadi naik karena banyak cairan refrigerant yang menguap sehingga tekanan di dalam saluran hisap (di evaporator) akan menjadi naik pula. Akibatnya “bellow” akan bertekan ke atas hingga lubang aliran refrigerant akan menyempit dan ciran refrigerant yang masuk ke evaporator menjadi berkurang. Keadaan ini menyebabkan tekanan evaporator akan berkurang dan “bellow” akan tertekanan ke bawah sehingga katup membuka lebar dan cairan refrigerant akan masuk ke evaporator lebih banyak.

b.      Katup Ekspansi Thermostatic (K.E.T)

Jika K.E.O bekerja untuk mempertahankan tekanan konstan di evaporator, maka katup ekspansi termostatik (K.E.T) adalah satu katup ekspansi yang mempertahankan besarnya panas lanjut pada uap refrigerant di akhir evaporator tetap konstan, apapun kondisi beban di evaporator.

 Jika beban bertambah, maka cairan refrigrant di evaporator akan lebih banyak menguap, sehingga besarnya suhu panas lanjut dievaporator akan meningkat. Pada akhir evaporator diletakkan tabung sensor suhu (sensing bulb) dari K.E.T tersebut. Peningkatan suhu dari evaporator akan menyebabkan uap atau cairan yang terdapat ditabung sensor suhu tersebut akan menguap (terjadi pemuaian) sehingga tekanannya meningkat. Peningkatan tekanan tersebut akan menekan diafragma ke bawah dan membuka katup lebih lebar. Hal ini menyebabkan cairan refrigerant yang berasal dari kondensor akan lebih banyak masuk ke evaporator. Akibatnya suhu panas lanjut di evaporator kembali pada keadaan normal, dengan kata lain suhu panas lanjut di evaporator di jaga tetap konstan pada segala keadaan beban.

Evaporator

                        Evaporator berfungsi sebagai alat penyerap kalor dari lingkungan ke refrigerant sehingga refrigerant akan mengalami perubahan fasa dari cair menjadi uap.

Berdasarkan bentuk dan permukaan koilnya, evaporator dibagi menjadi 3 macam, yaitu :

a.       Evaporator Pipa Telanjang ( Bare Tube Evaporator ).

b.      Evaporator Pelat ( Plate Surface Evaporator ).

c.       Evaporator Bersirip ( Finned Evaporator ).

Dilihat dari cara kerjanya secara ekspansi langsung, evaporator dibagi menjadi 2 macam, yaitu :

a.       Flooded Expantion Evaporator

      Dalam evaporator jenis basah, sebagian dari jenis evaporator terisi oleh cairasn refrigerant. Proses penguapan terjadi seperti pada ketel uap. Gelembung refrigerant yang terjadi karena pemanasan akan naik, pecah pada permukaan cair atau terlepas dari permukaannya. Sebagian refrigerant kemudian masuk ke dalam akumulator yang memisahkan uap dari cairan maka refrigerant yang ada dalam bentuk uap sajalah yang masuk ke dalam kompresor. Bagian refrigerant cair yang dipisahkan di dalam akumulator akan masuk kembali ke dalam evaporator bersama – sama dengan refrigerant (cair) yang berasal dari kondensor.

       Jadi tabung evaporator terisi oleh cairan refrigerant. Cairan refrigerant menyerap kalor dari fluida yang hendak didinginkan yang mengalir di dalam pipa. Uap refrigerant yang terjadi dikumpulkan di bagian atas dari evaporator sebelum masuk ke kompresor.

       Tinggi permukaan cairan refrigerant yang ada di dalam evaporator diatur oleh katup pelampung (biasanya sedikit lebih dari setengah tinggi tabung). Jumlah refrigerant yang dimasukkan ke dalam tabung evaporator disesuaikan dengan beban pendinginan yang harus dilayani.

b.       Dry Expantion Evaporator

Dalam jenis ekspansi kering, cairan refrigerant yang diekspansikan melalui katup ekspansi, pada waktu masuk ke dalam evaporator sudah dalam keadaan campuran cair dan uap, sehingga keluar dari evaporator dalam keadaan uap kering.

Oleh karena sebagian besar dari evaporator terisi oleh uap refrigerant, maka perpindahan kalor yang terjadi tidak begitu besar jika dibandingkan dengan keadaan dimana evaporator terisi oleh refrigerant cair. Akan tetapi evaporator jenis kering tidak memerlukan refrigerant dalam jumlah yang besar. Disamping itu, jumlah minyak pelumas yang tertinggal di dalam evaporator sangat kecil. Jumlah refrigerant yang masuk ke dalam evaporator dapat diatur oleh katup ekspansi sehingga refrigerant meninggalkan evaporator dalam bentuk uap jenuh dan bahkan dalam keadaan super panas. 

     Tekanan cairan refrigerant yang diturunkan pada katup ekspansi, didistribusikan secara merata ke dalam pipa evaporator oleh distributor refrigerant, pada saat itu refrigerant 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 refrigerant dalam fasa cair dan gas. Suhu penguapan dan tekanan penguapan dalam keadaan konstan pada saat itu terjadi. Evaporator adalah penukar kalor yang memegang peranan paling penting di dalam siklus refrigerasi, yaitu mendinginkan media sekitarnya.

            Filter Drier

Filter drier berfungsi untuk menyaring kotoran dan menyerap uap air yang terkandung di dalam sistem. Saringan di dalam komponen ini berupa anyaman kawat yang halus, sedangkan bahan penyerapnya dari zat kimia desikan (Sillica Gel).

Selain dapat menyerap uap air zat kimia ini dapat pula  menyerap asam, hasil uraian minyak pelumas dll.

Pada alat pendingin udara sebaiknya dilengkapi filter drier ini karena jika tidak dapat menyebabkan :

a.       Membekunya uap air dalam sistem sehingga sistem dapat tersumbat.

b.      Terbentuknya asam yang disebabkan bereaksinya uap air dengan bahan pendingin dan minyak pelumas kompresor. Terbentuknya asam ini dapat menimbulkan korosi pada komponen sistem.

c.       Rusaknya kompresor dan tersumbatnya pipa kapiler karena terbentuknya endapan oleh air dan asam yang terkandung dalam sistem sehinggga merusak minyak pelumas kompresor .

 

            Refrigerant

Refrigerant merupakan suatu media pendingin yang dapat berfungsi untuk menyerap kalor dari lingkungan atau untuk melepaskan kalor ke lingkungan. Sifat-sifat fisik termodinamika refrigerant yang digunakan dalam sistem refrigerasi perlu diperhatikan agar sistem dapat bekerja dengan aman dan ekonomis, adapun sifat refrigerant yang baik adalah :

a.   Tekanan penguapannya harus cukup tinggi, untuk menghindari kemungkinan terjadinya vakum pada evaporator dan turunya effisiensi volumetrik karena naiknya perbandingan kompresi.

b.   Tekanan pengembunan yang rendah sehingga perbandingan kompresinya rendah dan penurunan prestasi kompresor dapat dihindari.

c.   Kalor laten penguapan harus tinggi agar panas yang diserap oleh evaporator lebih besar jumlahnya, sehingga untuk kapasitas yang sama, jumlah refrigerant yang dibutuhkan semakin sedikit.

d.   Koefisien prestasi harus tinggi, ini merupakan parameter yang penting untuk menentukan biaya operasi.

e.   Konduktifitas thermal yang tinggi untuk menentukan karakteristik perpindahan panas

f.    Viskositas yang rendah dalam fasa cair atau gas. Dengan turunnya tekanan aliran refrigerant dalam pipa kerugian tekanannya akan berkurang.

g.   Konstata dielektrik yang kecil, tahanan listrik yang besar serta tidak menyebabkan korosi pada material isolasi listrik.

h.   Refrigerant hendaknya stabil dan tidak bereaksi dengan material yang digunakan sehingga tidak menyebabkan korosi

i.    Refrigerant tidak boleh beracun dan berbau.

j.    Refrigerant tidak boleh mudah terbakar dan meledak.

k.   Dapat bercampur dengan minyak pelumas tetapi tidak merusak dan mempengaruhinya.

Tabel Daftar Refrigerant

Refrigerant	Titik didih ( 0 C )	Jenis Kompresor	Temperatur penguapan	Temperatur pengembunan	Penggunaan
R 11	23,8	Sentrifugal	Tinggi (pendinginan udara)	Biasa (pendinginan air, udara)	Pendinginan air sentrifugal
R 12	- 29,8	Torak, putar	Tinggi-rendah (pembekuan, pendinginan ruangan)	Biasa (pendinginan air, udara)	Penyegar udara, refrigerasi dan pendinginan
R 13	- 81,4	Torak, putar	Temperatur sangat rendah	Pendinginan biner	Refrigerasi temperatur sangat rendah
R 21	8,9	Torak, putar	Tinggi (pendinginan)	Tinggi (pendinginan udara)	Pendingin kabin alat pengangkat
R 22	- 40,8	Torak, putar	Tinggi-rendah (refrigerasi, pendinginan	Biasa (pandinginan air, pendinginan udara)	Penyegar udara, refrigerasi pada umumnya, pendinginan.
R 113	47,6	Sentrifugal	Tinggi (pendinginan)	Biasa (pandinginan air, pendinginan udara)	Pendingin air sentrifugal ukuran kecil
R 502	- 45,6	Torak, putar	Tinggi-rendah (refrigerasi, pendinginan)	Biasa (pandinginan air, pendinginan udara	Lemari pamer, unit temperatur rendah

              Thermostat

Thermostat berfungsi untuk mempertahankan temperatur di dalam media yang didinginkan agar tetap konstan dengan menjalankan dan menghentikan kompresor secara otomatis. Pada thermostat ini dilengkapi dengan bulb yang berfungsi sebagai sensor perubahan temperatur, jika temperatur yang diinginkan telah tercapai maka bulb terisi dengan fluida tersebut mengirimkan sinyal untuk memutuskan arus listrik sehingga kompresor berhenti bekerja.

Menara Pendingin (Cooling Tower)

Sistem yang saat beroperasi menghasilkan kalor dan kalor tersebut dibuang langsung ke alam. Kalor dari system dibuang ke lingkungan dengan menggunakan alat penukar kalor. Jenis penukar kalor ada bermacam – macam, tergantung pada jenis fluida kerja yang digunakan oleh sistem, media pendingin, jumlah kalor yang dibuang, space, konfigurasi aliran, dll.

Menara Pendingin (Cooling Tower) adalah suatu alat penukar kalor yang fluida kerja dan media pendinginannya kontak langsung. Pada Menara Pendingin (Cooling Tower), fluida kerja yang dipergunakan adalah air sedangkan fluida pendinginannya adalah udara. Karena air kontak langsung dengan udara, maka selain terjadi pertukaran panas dari air ke udara juga akan terjadi penguapan. Dengan demikian, kelebihan dari Menara Pendingin (Cooling Tower) adalah selain terjadi perpindahan panas juga terjadi perpindahan massa.

Kondensor membuang panas yang diserap refrigerant ke air pendingin dan kemudian panas yang diserap air pendingin dibuang ke udara sekitar dengan bantuan fan.

Skema Menara Pendingin (Cooling Tower)

Besarnya kemampuan transfer panas yang terjadi di dalam menara pendingin (cooling tower) tergantung pada faktor berikut ini :

a.       perbedaan suhu air masuk dan suhu wet bulb temperature udara saat itu.

b.      luas permukaan air yang kontak secara langsung dengan pergerakan udara.

c.       kecepatan relatif antara udara dan air.

d.      waktu terjadinya kontak antara air dan udara.

            Komponen Menara Pendingin

Komponen dasar sebuah menara pendingin meliputi rangka dan wadah, bahan pengisi, kolam air dingin, eliminator aliran, saluran masuk udara, louvers, nosel dan fan.

Rangka dan wadah. Hampir semua menara memiliki rangka berstruktur yang menunjang tutup luar (wadah/casing), motor, fan, dan komponen lainnya. Dengan rancangan yang lebih kecil, seperti unit fiber glass, wadahnya dapat menjadi rangka.

Bahan Pengisi. Hampir seluruh menara menggunakan bahan pengisi (terbuat dari plastik atau kayu) untuk memfasilitasi perpindahan panas dengan memaksimalkan kontak udara dan air. Terdapat dua jenis bahan pengisi:

a.    Bahan pengisi berbentuk percikan / Splash fill : air jatuh diatas lapisan yang berurut dari batang pemercik horisontal, secara terus menerus pecah menjadi tetesan yang lebih kecil, sambil membasahi permukaan bahan pengisi. Bahan pengisi percikan dari plastik memberikan perpindahan panas yang lebih baik daripada bahan pengisi percikan dari kayu.

b.    Bahan pengisi berbentuk film : terdiri dari permukaan plastik tipis dengan jarak yang berdekatan dimana di atasnya terdapat semprotan air, membentuk lapisan film yang tipis dan melakukan kontak dengan udara. Permukaannya dapat berbentuk datar, bergelombang, berlekuk, atau pola lainnya. Jenis bahan pengisi film lebih effisien dan memberi perpindahan panas yang sama dalam volume yang lebih kecil daripada bahan pengisi jenis splash.

Kolam air dingin. Kolam air dingin terletak pada atau dekat bagian bawah menara, dan menerima air dingin yang mengalir turun melalui menara dan bahan pengisi. Kolam biasanya memiliki sebuah lubang atau titik terendah untuk pengeluaran air dingin. Dalam beberapa desain, kolam air dingin berada di bagian bawah seluruh bahan pengisi. Pada beberapa desain aliran yang berlawanan arah pada forced draft, air di bagian bawah bahan pengisi disalurkan ke bak yang berbentuk lingkaran yang berfungsi sebagai kolam air dingin. Sudu - sudu fan dipasang di bawah bahan pengisi untuk meniup udara naik melalui menara. Dengan desain ini, menara dipasang pada landasannya, memberikan kemudahan akses bagi fan dan motornya.

Drift eliminators. Alat ini menangkap tetes-tetes air yang terjebak dalam aliran udara supaya tidak hilang ke atmosfir.

Saluran udara masuk. Ini merupakan titik masuk bagi udara menuju menara. Saluran masuk bisa berada pada seluruh sisi menara (desain aliran melintang) atau berada dibagian bawah menara (desain aliran berlawanan arah).

Louvers. Pada umumnya, menara dengan aliran silang memiliki saluran masuk louvers. Kegunaan louvers adalah untuk menyamakan aliran udara ke bahan pengisi dan menahan air dalam menara. Beberapa desain menara aliran berlawanan arah tidak memerlukan louver.

Nosel. Alat ini menyemprotkan air untuk membasahi bahan pengisi. Distribusi air yang seragam pada puncak bahan pengisi adalah penting untuk mendapatkan pembasahan yang benar dari seluruh permukaan bahan pengisi. Nosel dapat dipasang dan menyemprot dengan pola bundar atau segi empat, atau dapat menjadi bagian dari rakitan yang berputar seperti pada menara dengan beberapa potongan lintang yang memutar.

Fan. Fan axial (jenis baling-baling) dan sentrifugal keduanya digunakan dalam menara. Umumnya fan dengan baling-baling / propeller digunakan pada menara induced draft dan baik fan propeller dan sentrifugal dua - duanya ditemukan dalam menara forced draft. Tergantung pada ukurannya, jenis fan propeller yang digunakan sudah dipasang tetap atau dengan dapat dirubah-rubah / diatur. Sebuah fan dengan baling-baling yang dapat diatur tidak secara otomatis dapat digunakan diatas range yang cukup luas sebab fan dapat disesuaikan untuk mengirim aliran udara yang dikehendaki pada pemakaian tenaga terendah. Baling-baling yang dapat diatur secara otomatis dapat beragam aliran udaranya dalam rangka merespon perubahan kondisi beban.