BAB V
SIKLUS KOMPRESI-UAP

5.1 Siklus Kompresi Uap Ideal
Dalam siklus ini dianggap bahwa refrigerant meninggalkan evaporator atau masuk kompresor dalam keadaan uap jenuh pada tekanan dan temperatur penguapan. Sedangkan refrigerant meniggalkan kondensor atau masuk ke katup ekspansi dalam keadaan cair jenuh pada tekanan dan temperatur kondensasi. Efisiensi isentripok kompesor 100 %. Sehingga analisis nilai entalphinya menjadi lebih mudah.
Siklus kompresi uap standart terdiri atas empat komponen utama, yaitu : kompresor, kondensor, katup ekspansi, dan evaporator yang secara sederhana digambarkan pada diagram ( 5.1 ). Selain itu untuk mempermudah pemahaman tentang proses sistem pendingin pada gambar ( 5.2 ) dijelaskan mengenai proses kerja sistem pendingin yang telah diplotkan pada diagram tekanan dan entalpi, dan juga suhu dan entropi. Untuk lebih jelasnya akan dijelaskan pada sub bab siklus kompresi uap ideal setelah penjelasan dari gambar diagram blok sistem pendingin berikut ini :

Gambar 5.1 Blok diagram siklus kompresi uap standar

Gambar 5.2 Diagram T-s Siklus Kompresi Uap

Gambar 5.3 Diagram h-s Siklus Kompresi Uap

 Proses 1-2 : Proses Kompresi Dalam Kompresor
Pada Proses kompresi ideal (1 – 2s) dianggap tidak ada perpindahan panas yang terjadi antara refrigeran dan sekelilingnya (Proses Adiabatik),
juga dianggap tidak ada kerugian gesekan antara refrigeran dengan komponen-komponen kompresor. Proses ini juga disebut dengan proses isentropik, yaitu suatu proses dimana nilai dari entropinya adalah konstan. Proses ini merubah dari kondisi uap jenuh pada tekanan P1 (Low Side Pressure) menjadi uap kering pada tekanan P2 (High Side Pressure).
Pada proses kompresi aktual (1 – 2a) terjadi perpindahan panas dan gesekan antara refrigeran dengan sekelilingnya, sehingga proses yang terjadi bukan adiabatik maupun isentropik.
 Proses 2-3 : Proses pembuangan energi kalor pada kondensor
Pada proses ini dianggap tidak terjadi penurunan tekanan (Drop Pressure) sehingga proses disebut isobarik, yaitu suatu proses dimana tekanannya konstan. Proses ini merubah refrigeran dari kondisi uap lanjut (titik 2) menjadi cair jenuh (titik 3) dilakukan dengan jalan mengalirkan udara melalui kondensor, sehingga disini terjadi perpindahan panas antara refrigeran dengan udara.
 Proses 3-4 : Proses Iso enthalpi pada ekspansion device
Dalam ekspansion device terjadi penurunan tekanan tanpa terjadi perubahan enthalpi dari kondisi cair jenuh (titik 3) menjadi kondisi campuran (titik 4). Dengan turunnya tekanan menyebabkan temperatur refrigeran menjadi turun. Refrigeran dengan suhu yang sangat dingin ini dialirkan ke evaporator.
 Proses 4-1 : Proses pemasukan energi kalor pada evaporator
Pada proses ini dianggap tidak terjadi penurunan tekanan seperti halnya pada kondensor, proses ini merubah kondisi refrigeran dari kondisi campuran (titik 4) menjadi uap jenuh (titik 1) dengan jalan melewatkan udara melalui evaporator. Disini terjadi perpindahan panas antara refrigeran dengan udara. Temperatur refrigeran naik sampai menjadi uap jenuh, sedangkan udara keluar evaporator menjadi dingin. Udara dingin inilah yang dimanfaatkan sebagai pengkondisian udara atau untuk pendinginan lainnya.

Secara termodinamika prinsip kerja siklus pendingin kompresi uap tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut :
Proses : 1 – 2s : Proses kompresi isentropik (Ideal) pada kompresor
cs = ( h2s – h1 )
1 – 2a : Proses kompresi aktual pada kompresor
ca = ( h2a – h1 )
2 – 3 : Proses pembuangan kalor pada kondensor secara isobarik
c = ( h2 – h3 )
3 – 4 : Proses ekspansi pada katup ekspansi secara iso – enthalpi h3 = h4
4 – 1 : Proses pemasukan kalor pada evaporator secara isobarik
e = ( h1 – h4 )

Diagram P – h diatas menunjukkan siklus yang banyak dipraktekkan dilapangan. Refrigeran sebagai fluida kerja dikompresikan dari titik 1 (uap jenuh) hingga mencapai tekanan dan temperatur tertentu (biasanya lebih besar dari tekanan dan temperatur lingkungan). Pada proses kondensasi dalam kondensor (masuk kondensor) harus lebih tinggi dari temperatur coolant yang digunakan. Selanjutnya proses kondensasi berlangsung hingga refrigerant menjadi cair jenuh (titik 3 ). Agar refrigeran dapat disirkulasikan kembali kedalam evaporator maka refrigeran cair tersebut harus diturunkan temperaturnya hingga mencapai temperatur kerja evaporator (biasanya lebih rendah dari temperatur lingkungan), hal ini harus dipenuhi agar objek / ruangan yang didinginkan dapat melepaskan kalornya secara alamiah menguapkan refrigerant di dalam evaporator (titik 4) menjadi refrigeran uap jenuh pada titik 1. Selanjutnya proses akan berlangsung secara terus-menerus seperti semula.
Dengan bantuan diagram P-h, besaran yang penting dalam siklus kompresi uap dapat diketahui. Besaran-besaran ini adalah kerja kompresi, laju pengeluaran kalor, dampak refrigerasi, koefisien prestasi ( COP ), laju aliran massa untuk setiap kilowatt refrigerasi, dan daya per kilowatt refrigerant.
5.2 Siklus Kompresi Uap Aktual
Siklus kompresi uap sebenarnya hampir tidak ada yang ideal atau sempurna. Hal ini disebabkan karena adanya gesekan antara refrigerant dan pipa, dan kerugian-kerugian lainnya. Siklus kompresi uap nyata mengalami pengurangan efisiensi dibandingkan siklus standar. Perbandingan dapat dilihat pada diagram siklus nyata (aktual) P-h di bawah ini. Perbedaan penting antara siklus nyata dan standar terletak pada penurunan tekanan dalam kondensor dan evaporator, dalam pembawahdinginan (subcooling) cairan yang meninggalkan kondensor, dan dalam pemanasan lanjut uap yang meninggalkan evaporator. Siklus standar dianggap tidak mengalami penurunan tekanan pada kondensor dan evaporator. Tetapi pada daur nyata, terjadi penurunan tekanan karena adanya gesekan. Akibat dari penurunan tekanan ini, kompresi pada titik 1 dan 2 memerlukan lebih banyak kerja dibandingkan dengan siklus standar. Membawahdinginkan (subcooling) cairan di dalam kondensor adalah peristiwa yang normal dan melakukan fungsi yang didinginkan untuk menjamin bahwa seluruh refrigerant yang memasuki alat ekspansi dalam keadaan 100 cair. Pemanasan lanjut uap biasanya terjadi di dalam evaporator, dan disarankan sebagai pencegah cairan agar tidak memasuki kompresor. Perbedaan terakhir pada siklus nyata adalah kompresi yang tidak lagi isentropis, yang disebabkan oleh gesekan dan kerugian-kerugian yang lain.

Gambar 5.4 Diagram h-s Siklus Kompresi Uap Ideal dan Aktual

Gambar 5.5 Diagram T-s Siklus Kompresi Uap Ideal dan Aktual

5.3. Efisensi Isentropis Kompresor dan COP
5.3.1. Efisiensi Isentropik Kompresor.
Efisiensi isentropis kompresor merupakan suatu perbandingan antara kerja kompresi secara isentropis konstan dengan kerja kompresi aktual. Setinggi-tingginya efiensi tidak akan sampai mencapai 100. Efiensi isentropis merupakan petunjuk bagi baik buruknya performa dan ekonomi dari sebuah kompresor.
Efisiensi isentropis kompresor dapat dirumuskan sebagai berikut :

ic =

5.3.2. Coeffisien of Performance (COP)
COP atau koefisien prestasi digunakan untuk menyatakan efisiensi dari siklus refrigerasi. Pada umumnya, efisiensi mesin kalor selalu lebih kecil dari satu. Dengan kata lain, energi yang dimasukkan ke dalam sistem tidak semuanya dapat diubah menjadi kerja berguna, selalu terjadi kerugian.
Berbeda dengan mesin kalor, mesin refrigerasi bekerja sebagai pompa untuk memindahkan kalor. Oleh karena itu, jika kerja yang dilakukan (dalam satuan kalor) untuk menggerakkan kompresor dibandingkan dengan kapasitas refrigerasi, akan terlihat bahwa kapasitas refrigerasi lebih besar dari besaran yang pertama, maka COP dapat dirumuskan sebagai berikut :

COP =

COP =

Harga COP dijadikan tolak ukur dalam penilaian sebuah sisitem pendingin. Semakin besar harga COP maka semakin bagus sistem pendingin tersebut

5.4. Komponen Mesin Pendingin
Komponen utama mesin pendingin dispenser terdiri dari empat komponen penting, yaitu: Kompresor, Kondensor, Katup Expansi dan Evaporator. Keempat komponen tersebut mempunyai prinsip kerja yang berbeda, tapi saling berhubungan dan membentuk mesin refrigerasi yang sederhana. Sedangkan komponen tambahan untuk mendukung kerja mesin pendingin tersebut yaitu : Pengatur suhu (Thermostat) dan Saringan (Strainer)

5.4.1 Kompresor
Kompresor adalah bagian terpenting dari sistem pendingin, yang menekan bahan pendingin (freon) ke semua bagian dari sistem. Kompresor bekerja membuat perbedaan tekanan, sehingga bahan pendingin dapat mengalir dari satu bagian ke lain bagian dari sistem. Kerja kompresi merupakan perubahan entalpi pada proses 1 – 2 atau h1 – h2 yang terjadi pada kompresor. Kerja dari kompresor itu sendiri berdasarkan persamaan sebagai berikut :

.h1 + = .h2

= . ( h2 – h1 )

Gambar 5.6. Bagan skema kompresor

Gambar 5.7 Foto kompresor

Kompresor pada sistem refrigerasi berguna untuk :
a. Menurunkan tekanan di dalam evaporator, sehingga bahan pendingin cair di evaporator dapat mendidih/menguap pada suhu yang lebih rendah dan menyerap energi dari udara yang melewatinya.
b. Menghisap bahan pendingin gas dari evaporator dengan suhu dan tekanan rendah lalu memampatkan gas tersebut sehingga menjadi gas dengan tekanan dan suhu tinggi. Kemudian mengalirkan ke kondensor, sehingga gas tersebut dapat melepaskan panasnya ke udara yang melewatinya.

5.4.2 Kondensor
Kondensor dan evaporator adalah alat penukar kalor. Kondensor berfungsi untuk membuang kalor dan mengubah wujud refrigeran dari gas menjadi cair. Kondensor seperti namanya adalah alat untuk membuat kondensasi refrigeran gas dari kompresor dengan suhu tinggi dan tekanan tinggi. Refrigeran di dalam kondensor dapat mengeluarkan kalor yang diserap dari evaporator dan panas yang ditambahkan oleh kompresor. Kondensor ditempatkan antara kompresor dan alat ekspansi, jadi pada sisi tekanan tinggi.
Untuk mencairkan refrigeran diperlukan usaha melepaskan kalor yang harganya sama dengan selisih enthalpi pada saat masuk dan keluar kondensor. Hal tersebut dapat dinyatakan sebagai berikut :

Gambar 5.8. Bagan skema kondensor

Kesetimbangan energinya dapat dinyatakan :
h3 + c = h2
Energi panas per satuan waktu yang keluar kondensor
= h2 – h3
= ( h2 – h3 )
Kondensor dapat dibagi tiga jenis, tergantung dari zat yang mendinginkannya :
1. Kondensor berpendingin udara ( air cooled )
2. Kondensor berpendingin air ( water cooled )
3. Kondensor berpendingin campuran udara dan air ( evaporative )

5.4.3 Katup Ekspansi
Katup ekspansi digunakan untuk menurunkan atau mengekspansi secara adiabatik refrigerant yang bertekanan dan bertemperatur tinggi sampai mencapai tingkat keadaan tekanan dan temperatur rendah. Proses trottling (pencekikkan) dengan energi tetap bersifat arreversible (tidak dapat dibalik), selama proses berlangsung terjadi kenaikan entropi. Analisa refrigerant di dalam katup ekspansi keadaan steady state steady flow.

Gambar 5.9 Bagan Skema Katup Ekspansi

.h3= .h4 +
Diasumsikan tidak ada kalor yang amsuk dan yang keluar pada katup ekspansi, maka q = 0 dan juga tidak melakukan kerja, makaW = 0 dan persamaan diatas menjadi :
h3 = h4

Macam-macam katup ekspansi dari jenis umum, antara lain :
1. Pipa Kapiler
Pipa kapiler melayani hampir semua sistem refrigerasi yang berukuran kecil, dan penggunaannya meluas hingga pada kapasitas refrigerasi 10 kW. Pipa kapiler umumnya mempunyai ukuran panjang 1 hingga 6 m, dengan diameter dalam 0,5 hingga 2 mm. Cairan refrigerant memasuki pipa kapiler tersebut dan mengalir sehingga tekanannya berkurang disebabkan oleh gesekan dan percepatan refrigerant. Sejumlah cairan berubah menjadi uap ketika refrigeran mengalir melalui pipa ini.

Gambar 5.10 Foto Pipa Kapiler

2. Thermostatic Expansion Valve (Katup Ekspansi Tekanan Konstan)
Katup ini bekerja berdasarkan derajat superheated yang keluar dari evaporator. Katup ini mengatur laju refrigerant cair sebanding dengan laju penguapan di dalam evaporator, atau dengan kata lain akan membuka lebih besar bila beban bertambah atau sebaliknya.

Gambar 5.11 Thermostatic Ekspansion Valve

Gambar 5.12 FotoThermostatic Ekspansion Valve

Gambar 5.13 Prinsip kerja Thermostatic Ekspansion Valve
Alat ekspansi ini menggunakan bola perasa yang ditempelkan pada saluran keluaran evaporator, sehingga suhu bola dan fluida yang ada di dalam bola (fluida power) sangat dekat dengan suhu gas hisap (suction gas). Tekanan dari fluida ini memberikan dorongan kesisi atas diafragma, sedangkan tekanan evaporator menekan dari bawah, disamping itu juga terdapat sebuah pegas yang memberikan gaya ke atas. Untuk dapat membuka katup, maka tekanan diatas diafragma harus lebih besar dari jumlah tekanan pegas dan tekanan evaporator

3. Automatic Expansion Valve
Automatic expansion valve (AXV) adalah katup ekspansi yang dapat mempertahankan tekanan evaporator tetap konstan, walaupun beban pendinginan berubah-ubah, katup ini mengindera tekanan evaporator. Bila tekanan evaporator turun akibat adanya penurunan beban, maka katup akan membuka lebih besar sampai tekanan evapotaor sama dengan tekanan kendali AXV. Sebaliknya bila tekanan evaporator naik, maka katup akan menutup sebagian. Pengaturan pembukaan katup ini dilakukan oleh suatu control pengatur tekanan.

5.4.4. Evaporator
Evaporator disebut juga boiler, freezer, froster, cooling coil, chilling unit dan sebagainya. Evaporator adalah penukar panas yang memegang peranan paling penting dalam siklus refrigerasi, yaitu mendinginkan media sekitarnya, dan menguapkan refrigeran dari fase campuran sampai menjadi uap jenuh dengan menyerap kalor dari sekeliling yang berlangsung secara isobarik.
Selisih antara entalpi masuk dan entalpi keluar pada evaporator disebut juga efek refrigerant (Qe). Secara skematik dapat digambarkan sebagai berikut :

Gambar 5.14 Bagan Skema Evaporator
Dengan asumsi kondensor tidak dikenai dan tidak melakukan kerja, W = 0
h4 + h1
. ( h1-h4 )

Gambar 5.15 Bagan Skema Evaporator dan kondensor pada AC-mobil

Evaporator dapat dibuat dari bermacam-macam logam, bergantung pada jenis refrigeran yang dipakai dan fungsi dari evaporator itu sendiri. Logam yang banyak dipakai : besi, baja, tembaga, kuningan dan aluminium.
Berdasarkan prinsip kerjanya evaporator dapat dibagi dua macam :
1. Evaporator banjir (Flooded Evaporator)
2. Evaporator kering (Dry or Direct-expancion evaporator)

5.4.5. Saringan (Strainer)
Saringan disebut juga strainer atau filter, gunanya untuk menyaring kotoran di dalam sistem, agar tidak masuk kedalam pipa kapiler dan kompresor. Saringan harus menyaring semua kotoran pada system, tetapi tidak boleh menyebabkan tekanan atau membuat sistem menjadi buntu.
Saringan dibuat dari sepotong pipa tembaga dengan diameter 5/8 atau 3/4 inci. Didalamnya diberi kawat saringan yang sangat halus dari tembaga, monel atau phosphor/bronze dengan diameter kawat 0,004 – 0,005 inci. Ukurannya 100-150 mesh, artinya pada tiap inci panjang terdapat 100-150 kawat, jadi dalam 1 inci persegi ada 10.000 – 22.500 lubang.

Gambar 5.16 Saringan dengan 1,2 dan 3 lubang pipa kapiler

5.4.6 Pengatur Suhu (Thermostat)
Pengatur suhu juga disebut : Temperatur control, Cooling control, Cool control, Refrigerator control, Unit control, Control termo.
Kegunaan dari Pengatur suhu yaitu untuk :
1. Mengatur batas-batas suhu dalam sistem pendingin.
2. Menghentikan dan menjalankan kembali kompresor secara otomatis.
3. Mengatur lamanya kompresor berhenti.
Pengatur suhu direncanakan agar dalam waktu 24 jam, kompresor hanya bekerja selama 10-14 jam atau 50%. Pada pemakaiaan yang normal kompresor bekerja selama 10-15 menit dan berhenti selama 10-20 menit. Kompresor akan bekerja lebih lama, pada waktu beban pendinginan besar atau udara ruang sangat panas.

Gambar 5.17 Pengatur Suhu (Thermostat)

Keterangan : 1. Bulb 2. Pipa Kapiler 3. Bellow
4. Pegas 5. Kontak Listrik 6. Knop

Gambar 5.18 Prinsip Kerja Thermostat

Prinsip kerja thermostat yaitu apabila suhu di dalam ruangan pendingin sangat rendah, maka cairan dan gas didalam pipa kapiler dan bulb akan menyusut dan tekanannya menurun. Tekanan pada membram atau bellow juga turun. Bellow menyusut sehingga kontak hubungan listrik terlepas. Kompresor akan berhenti karena tidak mendapat arus listrik lagi. Apabila suhu ruangan naik, cairan dan gas akan mengembang dan tekanannya bertambah, sehingga membram atau bellow dapat mendorong kontak listrik sampai berhubungan kembali dan kompresor dapat bekerja lagi.
5.5. Aplikasi Siklus Kompresi Uap
Siklus Kompresi uap diaplikasikan untuk mesin pendingin dan AC (Air Conditioning), seperti :
1. AC-Window

Gambar 5.19 Aliran udara pada AC-Window

Gambar 5.20 Komponen-komponen AC-Window

2. AC-Split

Gambar 5.21 Instalasi AC-Split

Gambar 5.21 Indoor dan Outdoor AC-Split

3. AC-Mobil

Gambar 5.22 Skema AC-Mobil

Gambar 5.23 AC-Mobil

Gambar 5.24 Komponen-komponen AC-Mobil

Gambar 5.25 Instalasi AC-Mobil
4. Kulkas

Gambar 5.26 Komponen-komponen Kulkas

Gambar 5.27 Kulkas
5. Dispenser

Gambar 2.8 Skema Dispenser Standart

Soal-soal
1. Jelaskan secara singkat tentang Prinsip kerja Siklus Kompresi Uap ideal dan aktual.
2. Gambarkan diagram blok Siklus Kompresi Uap, dan beri keterangan masing-masing komponen utamanya.
3. Gambarkan diagram T-s dan P-h untuk Siklus Kompresi Uap, baik ideal maupun aktual.
4. Tuliskan rumus untuk : daya kompresor, laju aliran energi panas pada kondensor dan evaporator.
5. Jelaskan secara singkat prinsip kerja dari : AC-Window, AC-Split, AC-mobil, Kulkas dan Despenser
6. Berapa nilai : v . h dan s pada tekanan 8 bar uap jenuh
7. Berapa nilai : v; h dan s pada tekanan 5 bar, temperatur 5 oC
8. Sebuah siklus kompresi uap, beroperasi dengan data-data sbb. : Tekanan kondensor 10 bar, tekanan evaporator 1,25 bar. Masuk kompresor kondisi uap jenuh. Keluar kondensor cair jenuh. Keluar kompresor 10 bar 70 oC. Bila laju aliran massa 0.02 kg/s, Efisiensi isentrpik kompresor 100%, maka hitunglah :
a. Efek refrigerasi.
b. Daya kompresor.
c. Energi panas per satuan waktu pada Kondnsor dan pada Evaporator
d. COP

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *