MAKALAH
CHILLER
DISUSUN OLEH : M. SATRIYO WICAKSONO 41311010066
TEKNIK MESIN
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Definisi Pengkondisian Udara
Sistem pengkondisian udara adalah suatu proses mendinginkan atau memanaskan udara sehingga dapat mencapai temperatur dan kelembaban yang sesuai dengan kondisi yang dipersyaratkan dari suatu ruangan tertentu. Pengkondisian udara secara lengkap meliputi pemanasan ( heating), pendinginan (cooling), pengaturan kelembaban ( humidifying dan dehumidifying), dan pertukaran udara ( ventilating). Sedangkan pengkondisian udara skala kecil umumnya dilakukan tanpa mengikutsertakan pengaturan kelembaban. Pengkondisian udara saat ini telah menjadi standard bangunan, public ataupun privat dalam berbagai skala, diberbagai penjuru dunia. Untuk daerah yang mengalami empat musim, terjadi perubahan fungsi pengkondisian udara dari pemanasan (heating) pada saat musim dingin dan menjadi pendinginan ( cooling) pada saat musim panas. Sedangkan pada daerah khatulistiwa seperti Indonesia, pada umumnya fungsi pengkondisian udara adalah pada mode pendinginan saja. Mesin pengkondisian udara yang bekerja sebagai pendingin biasanya disebut sebagai AC ( Air Conditioning), sedangkan pada saat bekerja sebagai pemanas disebut sebagai pompa kalor ( heat pump). Sistem tata udara pada umumnya dibagi menjadi tiga, di antaranya: 1. Sistem tata udara untuk kenyamanan Mengkondisikan udara dari ruangan untuk memberikan kenyamanan bagi orang yang melakukan kegiatan. 2. Sistem tata udara untuk industri Mengkondisikan udara dari ruangan karena diperlukan oleh proses bahan, peralatan dan barang yang ada di dalamnya. 3. Sistem tata udara untuk penggunaan khusus Mengkondisikan udara dari ruangan karena diperlukan untuk kondisi khusus, seperti ruang bedah, ruang optik, ruang ICU, ruang bersih, ruang komputer dan lain - lain. Sasaran dari pengkondisian udara adalah agar temperatur, kelembaban, kebersihan dan distribusi udara dalam ruangan dapat dipertahankan pada tingkat keadaan yang diinginkan. Untuk mencapai hal tersebut, dapat dirancang dan digunakan beberapa macam sistem pendinginan, pemanasan, dan ventilasi yang sesuai. Untuk mengkondisikan udara gedung-gedung besar AC biasa mungkin sudah tidak efisien lagi. Dapat dibayangkan jika menggunakan AC biasa sangat banyak refrigerant yang harus digunakan. Begitu pula dengan kerja kompresornya. Oleh karena itu sering kali sistem yang digunakan adalah sistem Chiller.
BAB II DASAR TEORI
2.1
Siklus Refrigerasi
Siklus refrigerasi adalah siklus kerja yang mentransfer kalor dari media bertemperatur rendah ke media bertemperatur tinggi dengan menggunakan kerja dari luar sistem. Secara prinsip merupakan kebalikan dari siklus mesin kalor ( heat engine). Dilihat dari tujuannya maka alat dengan siklus refrigerasi dibagi menjadi dua yaitu refrigerator yang berfungsi untuk mendinginkan media dan heat pump yang berfungsi
untuk memanaskan media. Ilustrasi tentang refrigerator dan heat pump dapat dilihat pada gambar di bawah.
Siklus refrigerasi dapat diklasifikasikan sebagai berikut, 1. Siklus kompresi uap ( vapor compression refrigeration cycle ) dimana refrigeran mengalami proses penguapan dan kondensasi, dan dikompresi dalam fasa uap. 2. Siklus gas ( gas refrigeration cycle), dimana refrigeran tetap dalam kondisi gas. 3. Siklus bertingkat ( cascade refrigeration cycle), dimana merupakan gabungan lebih dari satu siklus refrigerasi.
4. Siklus absorpsi ( absorption refrigeration cylce ), dimana refrigeran dilarutkan dalam sebuah cairan sebelum dikompresi. 5. Siklus termoelektrik ( thermoelectric refrigeration cycle ), dimana proses refrigerasi dihasilkan dari mengalirkan arus listrik melalui 2 buah material yang berbeda. 6. Kinerja suatu refrigerator dan heat pump dinilai dari besarnya koefisien kinerja (coefficient of performance COP) yang didefinisikan sebagai berikut,
COPR COPHP
output tujuan kerja yang dibutuhkan output tujuan kerja yang dibutuhkan
efek pendingina n
efek pemanasan
input kerja input kerja
QL W net,in QH
W net,in
Harga COPR dan COP HP umumnya lebih besar dari satu dimana COP HP = COP R + 1 untuk suatu rentang tekanan kerja yang sama.
1.1 Siklus Refrigerasi Kompresi Uap Ideal
Gambar di bawah-kiri menunjukkan siklus refrigerasi kompresi uap ideal secara skematis. Di sini refrigeran dalam kondisi uap jenuh masuk ke kompresor dan keluar sebagai uap panas lanjut. Refrigeran kemudian masuk ke kondenser untuk melepas kalor sehingga terjadi kondensasi sampai ke kondisi cairan jenuh. Keluar kondenser refrigeran masuk ke katup ekspansi untuk menjalani proses pencekikan ( throttling) sehingga mengalami penurunan tekanan dan berubah menjadi campuran jenuh. Proses terakhir ini bisa juga diganti dengan sebuah turbin isentropis untuk menaikkan kapasitas pendinginan dan menurunkan kerja input (dengan kompensasi kompleksnya sistem). Selanjutnya refrigeran masuk ke evaporator untuk menyerap kalor sehingga terjadi proses evaporasi dan siap untuk di lakukan langkah kompresi berikutnya.
Siklus refrigerasi kompresi uap ideal dapat digambarkan dalam diagram T-s seperti gambar di atas-kanan. Proses-proses yang terjadi adalah, 1-2
: Kompresi isentropis dalam kompresor
2-3
: Pembuangan kalor secara isobaris dalam kondenser
3-4
: Throttling dalam katup ekspansi atau tabung kapiler
4-1
: Penyerapan kalor secara isobaris dalam evaporator
Persamaan energi untuk komponen-komponen refrigerator bisa dituliskan sebagai berikut:
q w he hi dimana diasumsikan perubahan energi kinetik dan potensial bisa diabaikan.
Dari notasi-notasi pada gambar di atas maka COPs dapat dituliskan sebagai berikut: COPR COPHP
qL wnet,in qH wnet,in
h1
h4
h2
h1
h2
h3
h2
h1
di mana h1 hg @p1 dan h3 hf @p3 .
2.2
Prinsip Dasar Pendingin Udara
Pada dasarnya prinsip kerja pendingin air atau air-cooled chiller sama seperti sistem pendingin yang lain seperti AC dimana terdiri dari beberapa komponen utama
yaitu evaporator, kondensor, kompresor serta alat ekspansi. Pada evaporator dan kondensor terjadi pertukaran kalor. Pada air-cooled chiller terdapat air sebagai refrigeran sekunder untuk mengambil kalor dari bahan yang sedang didinginkan ke evaporator. Air ini akan mengalami perubahan suhu bila menyerap kalor dan membebaskannya di evaporator. Secara umum prinsip kerjanya adalah sebagai berikut. Refrigeran didalam kompresor dikompresikan kemudian dialirkan ke kondensor. Refrigeran yang mengalir ke kondensor mempunyai tekanan dan temperatur yang tinggi. Di kondensor refrigerant didinginkan oleh udara luar disekitar kondensor sehingga terjadi perubahan fase dari uap menjadi cair. Kemudian refrigeran mengalir menuju pipa kapiler dan terjadi penurunan tekanan. Setelah keluar dari pipa kapiler, refrigerant masuk ke dalam evaporator. Di dalam evaporator refrigeran mulai menguap, hal ini disebabkan karena terjadi penurunan tekanan yang mengakibatkan titik didih refrigeran menjadi lebih rendah sehingga refrigeran menguap. Dalam evaporator terjadi perubahan fase refrigeran dari cair menjadi uap. Pada evaporator ini terjadi perpindahan kalor yang bersuhu rendah, dimana air didinginkan oleh refrigeran. Kemudian refrigeran dalam bentuk uap tersebut dialirkan ke kompresor kembali. Di dalam evaporator, air sebagai bahan pendingin sekunder yang telah didinginkan sampai temperatur tertentu kemudian dialirkan oleh sebuah pompa menuju koil-koil pendingin dalam ruangan. Air ini akan bersirkulasi terus menerus selama sistem pendingin bekerja. • 1 – 2 Merupakan proses kompresi adiabatik dan reversibel, dari
uap jenuh menuju ke
tekanan kondensor. • 2 – 3 Merupakan proses pelepasan kalor reversible pada tekanan konstan, menyebabkan penurunan panas lanjut (desuperheating) dan pengembunan refrigerasi. • 3 – 4 Merupakan proses ekspansi unreversibel pada entalpi konstan, dari fase cair jenuh menuju tekanan evaporasi. • 4 – 1 Merupakan proses penambahan kalor reversible pada tekanan konstan yang menyebabkan terjadinya penguapan menuju uap jenuh.
Daur Kompresi Uap Aktual
Daur kompresi uap yang sebenarnya (aktual) berbeda dari siklus standard (teoritis). Perbedaan ini muncul karena asumsi – asumsi yang ditetapkan dalam siklus standar. Pada siklus aktual terjadi superheat atau pemanasan lanjut uap refrigeran yang meninggalkan evaporator sebelum masuk ke kondensor. Pemanasan lanjut ini terjadi akibat tipe peralatan ekspansi yang digunakan atau dapat juga karena penyerapan panas dijalur masuk (suction line) antara evaporator dan kompresor. Pemanasan lanjut yang terjadi pada evaporator juga merupakan sesuatu yang menguntungkan karena peristiwa ini dapat mencegah refrigeran yang masih dalam fase cair memasuki kompresor. Begitu juga dengan refrigeran cair mengalami subcooling pendinginan lanjut atau bawah dingin sebelum masuk katup ekspansi atau pipa kapiler. Pendinginan lanjut yang terjadi pada kondensor merupakan peristiwa yang normal dan menguntungkan karena dengan adanya proses ini maka refrigeran y ang memasuki katup ekspansi seluruhnya dalam keadaan cair, sehingga menjamin efektifitas alat ini.
Perbedaan yang penting antara daur nyata (aktual) dan standar terletak pada penurunan tekanan didalam kondensor dan evaporator. Daur standar dianggap tidak mengalami penurunan tekanan pada kondensor dan evaporator, tetapi pada daur nyata terjadi penurunan tekanan karena adanya gesekan antara refrigeran dengan dinding pipa. Akibat dari penurunan tekanan ini, kompresi pada titik 1 dan 2 memerlukan lebih banyak kerja dibandingkan dengan daur standar.
2.3 Refrigeran
Dalam sistem refrigerasi, refrigeran yang ideal minimal mengikuti sifat- sifat : 1. Tekanan Penguapan positif Tekanan penguapan positif mencegah kemungkinan terjadinya kebocoran udara kedalam sistim selama selama operasi. 2. Tekanan pembekuan yang cukup rendah. 3. Suhu pembekuan harus cukup rendah, agar pemadatan refrigerant tidak terjadi selama operasi normal. 4. Daya larut minyak pelumas Minyak yang digunakan sebagai pelumas dalam refrigerator, terutama pada sistim, harus mudah larut, karena bersentuhan langsung dengan refrigeran. 5. Refrigeran yang murah. 6. Tidak mudah terbakar. Uap refrigeran tidak boleh terbakar atau mengakibatkan kebakaran pada setiap konsentrasi dengan udara. 7. Mempunyai tekanan kondensasi yang tidak terlalu tinggi, karena dengan tekanan kondensasi yang tinggi memerlukan kompresor yang besar dan kuat, juga pipa-pipa harus kuat dan kemungkinan terjadinya kebocoran sangat besar. 8. Kekuatan dielektrik yang tinggi. Sifat ini penting untuk kompresor hermetik, karena uap refrigeran berhubungan langsung dengan motor. 9. Mempunyai struktur kimia yang stabil, tidak boleh terurai setiap kali dimampatkan, diembunkan, dan diuapkan.
BAB III PEMBAHASAN
3.1
Chiller
Fungsi Chiller dalam sistem tata udara adalah mendinginkan media air,dimana a i r d i s i ng g u n gk a n p a d a b a g ia n e v a p o r at o r c h i l l er . A i r k e m u d i an dialirkan ke AHU (Air HandlingUnit) untuk diambil dinginnya dan dihembuskan ke ruangan. Pada Chiller terdapat beberapa parameter yang menunjukkan unjuk kerjanya, antara lain; suhu air masuk (inlet) ke evaporator dan suhu air keluar (outlet) dari evaporator, tekanan discharge, serta tekanan suction. Dengan pembacaan suhu inlet dan outlet maka dapat ketahui kapasitas atau kemampuan chiller untuk mendinginkan air. Pembacaan tekanan discharge dan tekanan suction untuk mengetahui konsumsi refrigerator pada chiller tersebut dan juga untuk mengetahui apabila terjadi kekurangan atau kelebihan tekanan akibat adanya anomali tertentu. 1. CHILLER (unit pendingin). Chiller adalah mesin refrigerasi yang berfungsi untuk mendinginkan air pada sisi evaporatornya. Air dingin yang dihasilkan selanjutnya didistribusikan ke mesin penukar kalor ( FCU/Fan Coil Unit ). Jenis chiller didasarkan pada jenis kompressornya: a . R e c i p r o c a t i n g b . S c r e w c . C e n t r i f u g a l Jenis chiller didasarkan pada jenis cara pendinginan kondensornya : a. Air Cooled Chiller, yaitu chiller yang menggunakan udara sebagai media pendingin kondensernya.
Contoh gambar Air cooled Chiller :
b. Water Cooled chiller, yaitu chiller yang menggunakan air sebagai media pendingin kondensernya Contoh gambar Water cooled Chiller :
Prinsip kerja dari mesin Water chiller ini adalah mendinginkan suatu media yang menghasilkan panas dengan cara di aliri air yang dingin, sehingga melalui air ini panas bisa di redam sesuai dengan kemampuan mesin & temperature yang diharapkan. Air dingin dari mesin Water chiller ini di pompa menuju media yang di dinginkan, seperti Matras M e s i n m o u l d i n g , T r a n s f o r m a t o r , S C R T i g W e l d i n g D l l . s e t e l a h m e l e w a t i M e d i a y a n g d i k eh en da ki , a ir k em bal i menuju ke bak pendinginan untuk di dinginkan oleh evaporator. Setelah didinginkan dalam bak oleh evaporator, air kembali di pompa menuju media yang dikehendaki, begitulah singkat proses dari kerja water chiller ini. Water chiller mulai dengan cairan dijalankan melalui kompresor, yang menyebabkan cairan u n t u k b e p e r g i a n b e r s a m a s i s t e m perpipaan dan menyerap panas dari sumber y a n g d i k e he n d a ki . H a l i ni k e m ud i a n pe r g i k e ev a p o ra t o r, d i m a n a i a b e r u b a h m e n j a d i g a s d a n menyebarkan panas ke atmosfer. Kemudian berjalan melalui kondensor, yang mengubah kembali menjadi cair dan mengirimkannya kembali ke kompresor. Perangkat metering digunakan untuk mengatur aliran air dan suhu kontrol. Siklus kompresi uap dapat menangani sampai dua ratus ton cairan pada satu waktu, dan dapat mendinginkan mes in besa r atau kond isio ner ruma h t angg a tunggal udara.
3.2
Chilled Water dan Cooling Water
3.2.1 Chilled Water
Untuk mendinginkan udara dalam gedung, chiller tidak langsung mendinginkan udara melainkan mendinginkan fluida lain (biasanya air) terlebih dahulu. Setelah air tersebut dingin kemudian air dialirkan melaui AHU (Air Handling Unit). Di sinilah terjadi pendinginan udara. Untuk lebih jelasnya lihat gambar 1.
Gambar 1. Skema Chiller
Chiller dapat dibuat dengan prinsip siklus refrigerasi kompresi uap atau sistem absorbsi. Dalam tulisan ini yang dibahas adalah chiller yang menggunakan sistem refrigerasi kompresi uap. Sistem refrigerasi yang digunakan dalam chiller tidak jauh berbeda dengan AC biasa, namun perbedaannya adalah pertukaran kalor pada sistem chiller tidak langsung mendinginkan udara.
Pada evaporator terjadi penarikan kalor. Heat Exchanger disini mungkin berupa pipa yang didalamnya terdapat pipa. Di pipa yang lebih besar mengalir air sedangkan pipa yang lebih kecil mengalir refrigeran (bagian evaporator siklus refrigerasi). Untuk lebih jelasnya dapat dilihat Gambar 2.
Gambar 2. Penampang Heat Exchanger Chiller
Di Heat Exchanger tersebut terjadi pertukaran kalor antara refrigeran yang dengan air. Kalor dari air ditarik ke refrigeran sehingga setelah melewati Heat exchanger air menjadi lebih dingin. Air dingin ini kemudian dialirkan ke AHU (Air Handling Unit) untuk mendinginkan udara. AHU terdiri dari Heat exchanger yang berupa pipa dengan kisi-kisi di mana terjadi pertukaran kalor antara air dingin dengan udara. Air dingin yang telah melewati AHU suhunya menjadi naik karena mendapatkan kalor dari udara. Setelah melewati AHU air akan mengalir kembali ke Chiller (Bagian Evaporator) untuk didinginkan kembali.
3.2.2 Cooling Water
Seperti dijelaskan sebelumnya dalam chiller juga terdapat perangkat refrigerasi yang sistemnya terdapat bagian yang menarik kalor dan membuang kalor. Dalam hal pembuangan kalor sering kali chiller menggunakan perantara air untuk media pembuangan kalornya. Untuk lebih jelasnya lihat gambar 3.
Gambar 3. Skema Cooling water dengan Cooling Tower
Hampir sama dengan Chilled water, pertukaran kalor chiller pada kondensernya juga melalui perantara air. Air dialirkan melalui kondenser. Kondenser ini juga merupakan Heat exchanger berupa pipa yang didalamnya terdapat pipa. Pipa yang lebih besar untuk aliran air dan pipa yang lebih kecil untuk aliran refrigeran. Di Heat exchanger ini terjadi pertukaran kalor dimana kalor yang dibuang kondenser diambil oleh air. Akibatnya air yang telah melewati kondenser akan menjadi lebih hangat. Kemudian air ini dialirkan ke cooling tower untuk didinginkan dengan udara luar.
Setelah air ini menjadi lebih dingin, kemudian dialirkan kembali ke kondenser untuk mengambil kalor yang dibuang kondenser. Jadi di dalam sistem Chiller yang dijelaskan diatas dapat dijadikan satu ke satuan sistem yang terdiri dari tiga buah siklus, yaitu: siklus refrigerasi (Chiller), Siklus Chilled Water, dan siklus Cooling Water. Untuk menjelaskan hal ini dapat dilihat gambar 4.
Gambar 4. Skema Chiller, Chilled Water dan Cooling Water
3.2.3 Contoh Soal
Refrigerator menggunakan refrigeran R-12 dan beroperasi dengan siklus kompresi uap ideal antara 0,14 dan 0,8MPa. Apabila laju massa refrigeran 0,05kg/s, tentukan (a) laju kalor dari ruangan yang didinginkan dan kerja kompresor, (b) laju kalor yang dibuang ke lingkungan, (c) COP Solusi
Dari tabel Refrigeran-12 (Tabel A-11 A13)
Kondisi 1 (uap jenuh) :
h1 h g @ 0,14 MPa 177,87 kJ/kg p1 0,14MPa s1 s g @ 0,14 MPa 0,7102 kJ/kg Kondisi 2 (uap panas lanjut) :
p 2 0,8MPa
h2 208,65 kJ/kg
s 2 s1
Kondisi 3 (cairan jenuh) : p3 0,8MPa h3 h f @ 0,8 MP a 67,3 kJ/kg Kondisi 4 (campuran jenuh) :
h4 h3 67 ,3 kJ/kg (a) Laju kalor yang diserap dari media yang didinginkan:
(h1 h4 ) Q L m
0,05 (117,87 67,3) 5,53 kW Kerja kompresor:
m (h h ) W in 2 1
0,05 (208,65 177,87) 1,54 kW (b) Kalor yang dibuang ke lingkungan:
(h2 h3 ) Q H m 0,05 (208,65 67,3) 7,07 kW (c) Coefficient of Performance:
COPR
qL wnet,in
5,53 1,53
3,59
BAB 1V KESIMPULAN 1. Chiller adalah alat refrigerasi yang berfungsi untuk mendinginkan suatu bangunan, biasanya bangunan yang besar , seperti mall, hotel, rumah sakit dll. Chiller dan AC (air conditioner) berbeda, meskipun memiliki fungsi yang sama sebagai pendingin ruangan. Perbedaannya terletak pada media yang didinginkan, AC akan langsung mendinginkan udara didalam ruangan yang akan dikehendaki. Sedangkan chiller mendinginkan air, yang kemudian air dingin ini digunakan untuk mendinginkan ruangan. 2. Berdasarkan jenisnya, chiller dapat dibagi menjadi 2, yaitu: A.Chiller berpendingin udara (Air-cooled) b. Chiller berpendingin air (water-cooled). 3. Perbedaan mendasar dari keduanya terletak pada media pendingin yang digunakan untuk mendinginkan condenser. Pada air-cooled chiller media pendingin berupa udara langsung yang dibantu dengan induced draft fan atau hisap penghisap. Sedangkan pada water-cooled chiller media pendingin condenser berupa air yang disirkulasikan menuju tower pendingin (cooling tower). Untuk beban pendinginanyang lebih besar, seperti gedung bertingkat, pemakaian water-cooled chiller lebih disarankan. Sedangkan untuk beban yang lebih kecil, air-cooled dapat digunakan. Tetapi semua terkandung kondisi lapangan, water-cooled chiller selain membutuhkan banyak pompa dan ssuplai air yang cukup, juga membutuhkan ruang yang lebih luas untuk membangun tower pendingin.
