1
BAB I PENDAHULUAN
LATAR BELAKANG Refrigerasi adalah proses di mana dilakukan usaha untuk memindahkan panas dari satu lokasi ke lokasi lain, dengan cara penarikan atau penyerapan panas dari lokasi yang menjadi tujuan pendinginan. Jika proses pendinginan menggunakan bantuan mesin atau alat, dinamakan refrigerasi mekanik. Refrigerasi memiliki banyak aplikasi, termasuk: kulkas rumah tangga, gudang beku, cryogenics, penyejuk udara. Refrigerasi memanfaatkan sifat-sifat panas (thermal) dari bahan refrigerasi sewaktu bahan itu berubah keadaan dari bentuk cairan menjadi bentuk gas atau uap dan sebaliknya dari gas kembali menjadi cairan. Refrigeran yang dikenal secara umum adalah ammonia dan freon. Perubahan bentuk ammonia dari keadaan cair menjadi uap dan sebaliknya, melibatkan sejumlah tertentu tenaga panas. Pada suatu sistem refrigerasi, bahan refrigerant ammonia itu berada dan bersirkulasi di dalam suatu rangkaian wadah yang terdiri atas beberapa komponen alat yang disambungkan oleh pipa-pipa logam yang secara keseluruhan merupakan suatu siklus tertutup. Komponen alat penyusun sistem refrigrasi yaitu kondensor, kompresor, evaporator dan katup ekspansi.
2
BAB II PEMBAHASAN
2.1 Pengertian Katup Expansi
Gambar 1. Katup ekspansi Katup ekspansi merupakan suatu alat yang berfungsi untuk menurunkan tekanan cairan refrigeran sebelum masuk ke evaporator, sehingga akan memudahkan refrigeran menguap di evaporator dan menyerap kalor (panas) dari media yang didinginkan. Pada pipa ekspansi ini terdapat 3 buah katup pengontrol, tujuan dilakukannya cara ini agar cairan refrigeran tersebut terkontrol, stabil dan mencegah terjadinya perubahan fase refrigeran pada tabung, kemudian cairan refrigeran akan masuk ke piranti ekspansi dan akan mengalami ekspansi sehingga terjadi perubahan fase uap cair yang menjadi campuran uap basah. Suhu dan tekanannya-pun akan menurun setelah proses ekspansi. Pipa kapiler digunakan untuk menurunkan tekanan dan mengatur jumlah cairan refrigeran yang mengalir. Diameter pipa kapiler tergantung dari kapasitas mesin pendinginnya. Pada umumnya pengontrol refrigerant pada domestic refrigerator adalah pipa kapiler, penggunaan pipa kapiler pada mesin pendingin akan mempermudah pada waktu start.
3
Karena dengan menggunakan pipa kapiler pada saat sistem tidak bekerja tekanan pada kondensor dan evaporator cendrung sama, hal ini dapat mempermudah tugas kompresor pada waktu start.
2.2 Jenis-Jenis Katup Expansi 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 refrigeran memasuki pipa kapiler tersebut dan mengalir sehingga tekanannya berkurang disebabkan oleh gesekan dan percepatan refrigeran. Sejumlah cairan berubah menjadi uap ketika refrigeran mengalir melalui pipa ini.
Gambar 2. Pipa kapiler
4
Hal-hal yang perlu diperhatikan : Pipa kapiler hendaknya tidak dipergunakan pada unit kondensor dengan pendinginan air. Karena jumlah refrigeran, temperatur air pendingin dapat berubah-ubah. Tekanan pengembunannya hendaknya tidak terlampau tinggi, karena dalam keadaan tersebut laju aliran refrigeran akan bertambah besar dan kondisi operasi cair kembali (liquid back) tak dapat dihindarkan. Jumlah refrigeran yang ada didalam mesin harus diusahakan sedikit saja untuk mencegah operasi berat untuk jangka waktu yang panjang. Jumlah refrigeran di dalam bagian tekanan rendah mencapai maximum pada waktu kompresor bekerja. Maka hendaknya dipergunakan pipa kapiler yang sesuai degan mesin refrigrasi. Jadi apabila tekanan pipa kapiler terlalu rendah (diameter dalam terlalu besar atau terlalu pendek), maka akan terjadi aliran refrigeran menjadi terlalu besar sehingga terjadi cair kembali (liquid back) dan kapasitas refrigrasinya berkurang. Sebaliknya apabila tahanan pipa kapilernya terlampau tinggi (diameter dalam terlampau kecil atau terlampau panjang), boleh dikatakan tidak mungkin mengalirkan refrigeran sesuai dengan yang diperlakukan sehingga kapasitas refrigrasi dari mesin akan berkurang. Oleh karena pipa kapiler merupakan pipa halus berdiameter kecil dan uniform hendaknya diperlukan hati hati jangan sampai rusak dan tersumbat kotoran.
2. Thermostatic Expansion Valve (Katup Ekspansi Termostatik)
Katup ekspansi termostatik digunakan pada sistem pendinginan majemuk. Dengan menggunakan sistem ini memungkinkan sistem majemuk untuk dapat memberikan suhu yang berbeda-beda pada beberapa kabinet. Katup sistem ini juga biasanya digunakan pada penyegaran udara. Terdiri atas elemen (sensor) bola kecil yang diisi cairan khusus dengan ukuran yang tepat, elemen tersebut dihubungkan ke bodi melakukan pipa kapiler, bodi dibuat dari kuningan, menjadi tempat pertemuan pipa cairan dan pipa evaporator. Jarum dan dudukannya (seat) terletak dalam bodi. Jarum di hubungkan dengan belon metal yang fleksibel atau diafragma. Belon tersebut pada gilirannya bergerak oleh batang yang dihubungkan pada belon yang di berikan seat atau diafragma (elemen power) yang di hubungkan dengan bola sensor melalui
5
pipa kapiler. Jika beban bertambah, maka cairan refrigerasi di evaporator akan banyak menguap sehingga besar suhu panas lanjut di evaporator akan menigkat. Pada akhir evaporator terletakkan tabung sensor suhu (sensing bulb) dari katup ekspansi termostatik tersebut. Peningkatam suhu dari evaporator akan menyebabkan uap cairan yang terdapat pada tabung sensor. Akibatnya suhu panas lanjut di evaporator kembali pada keadaan normal, dengan kata lain suhu panas lanjut di evaporator dijaga tetap konstan pada segala keadaan beban. Katup ini bekerja berdasarkan derajat superheated yang keluar dari evaporator. Katup ini mengatur laju refrigeran cair sebanding dengan laju penguapan di dalam evaporator, atau dengan kata lain akan membuka lebih besar bila beban bertambah atau sebaliknya.
Gambar 3. Rangkaian Thermostatic Ekspansion Valve
Gambar 4. Thermostatic Ekspansion Valve
6
Gambar 5. 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. Cara kerja katup ekspansi tekanan konstan adalah sebagai berikut : Pada waktu mesin refrigeran distart, katup dalam kondisi tertutup karena tekanan dalam evaporator lebih besar dari tekanan pegas yang ditetapkan. Setelah mesin refrigasi bekerja, uap refrigeran yang ada di dalam evaporator terhisap kedalam kompresor, sehingga tekanan di dalam evaporator lambat laun akan berkurang. Katup masih dalam keadaan sampai tekanan dalam evaporator mencapai tekanan yang sama dengan tekanan pegas. Selanjutnya apabila penguapan didalam evaporator lebih rendah daripada tekanan pegas, tekanan pada bagian bawah bola menjadi lebih rendah daripada tekanan pegas, sehingga pegas akan menekan ke bawah dan katup jarum akan membuka lubang salurannya.
7
Apabila penguapan refrigeran di dalam evaporator sudah terjadi dengan baik, maka pembukaan katup kira-kira konstan sesuai dengan tekanan penguapan yang ditetapkan. Jika tekanan evaporator naik, maka katup akan menutup sedikit untuk mengurangi jumlah aliran refrigeran masuk kedalam evaporator. Apabila tekanan evaporator turun katup akan membuka sedikit sehingga memperbesar aliran refrigeran masuk kedalam evaporator. Apabila mesin berhenti berkerja, tekanan akan naik maka katup akan menutup dengan sempurna.
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 evaporator 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.
Gambar 6. Automatic Expansion Valve
8
Cara kerja Automatic Expansion Valve Pada katup ini refrigeran mengalir masuk melalui lubang masuk(1) dan keluar melalui lubang keluar(3), melalui katup jarum(2). Ruang luar dari diafragma(5) dihubungkan dengan lubang keluar dari evaporator melalui pipa penyama tekanan(8) oleh paking internal(11), maka difragma(4) menerima gaya keluar dari evaporator. Oleh karena tabung sensor termal ditempelkan dekat saluran keluar evaporator, tekanan dari uap refrigeran jenuh yang ada didalamnya akan menjadi tekanan jenuh yang sesuai dengan temperatur (temperatur penguapan + derajat super panas) dari evaporator. Maka tekanan dari dalam ruangan dalam diafragma(6) dihubungkan dengan tabung sensor termal adalah sama dengan tekanan jenuh tersebut. Sehubungan dengan hal tersebut, pembukaan katup ekspansi tergantung dari perbedaan gaya (tekanan ruangan dalam dari diafragma(6) x luas efektif diafragma) dan (tekanan ruangan luar diafragma(5) x luas efektif diafragma). Oleh karena itu, perbedaan kedua gaya tersebut adalah sama dengan gaya pegas. Hal tersebut berarti bahwa jika perbedaan antara tekanan didalam tabung sensor termal dan tekanan didalam evaporator berubah, maka derajat super panas yang berkaitan dengan perbedaan tekanan tersebut akan berubah pula. Derajat super panas yang diinginkan dapat diatur dengan memutar sekrup pengatur(13). Apabila sekrup pengatur diputar ke kanan (searah putaran jarum jam), maka pegas(12) akan tertekan dan derajat super panas akan bertambah besar. Jadi, putarlah sekrup pengatur ke kanan untuk mengurangi jumlah refrigeran yang masuk kedalam evaporator. Apabila sekrup pengatur diputar ke kiri (berlawanan dengan arah jarum jam) maka pegas(12) akan mengendor, sehingga derajat super panas akan berkurang (jumlah aliran refrigeran yang masuk kedalam evaporator akan bertambah besar). Dengan cara penyetelan diatas derajat super panas harus dapat dipertahankan dalam batas terte ntu. Katup ekspansi bentuk siku dengan kontrol temperatur
9
Gambar 7. Katup expansi dengan kontrol temperatur
Tabung kontrol, pipa kapiler dan ruangan di atas membran diisi dengan cairan khusus yang sensitif terhadap perubahan temperatur, tabung kontrol dan pipa kapiler ini didempetkan dengan pipa keluar evaporator. Bila temperatur evaporator rendah, tekanan cairan di atas membran tidak mampu melawan tekanan pegas, katup jarum menutup saluran masuk ke evaporator, penguapan zat pendingin terhenti temperatur evaporator naik kembali. Sebaliknya pada saat temperatur evaporator naik, tekanan cairan di atas membran akan naik pula, sampai melebihi tekanan pegas, katup terdorong ke bawah, saluran terbuka. Suhu evaporator turun kembali, demikian seterusnya. 4. Katup ekspansi dengan kontrol tekan dan temperatur
Gambar 8. Katup expansi dengan kontrol tekan dan temperatur Keterangan: Pt = Tekanan cairan di atas membran (kontrol temperatur) Pp = Tekanan pegas Pe = Tekanan zat pendingin yang keluar dari evaporator
10
Supaya pengaturan menutup dan membuka disesuaikan dengan tekanan yang ada, maka dapat ditulis persamaan : Pt = Pp + Pe
Gambar 9. Cara kerja katup expansi dengan kontrol tekan dan temperatur
Kontrol temperatur tetap seperti sebelumnya, tekanan di atas membran tergantung dari suhu pipa keluar evaporator. Pada waktu tekanan pipa keluar evaporator turun, tekanan di atas membran akan mendorong batang dan katup sampai membuka saluran. Zat pendingin mengalir ke evaporator. Bila tekanan evaporator naik, Pe juga naik, Pt turun (lihat persamaan), Pp akan mendorong katup ke atas kembali sampai menutup saluran. Zat pendingin tidak mengalir ke evaporator. Suhu evaporator naik kembali dan tekanannya akan turun katup akan bekerja seperti semula, demikian seterusn ya. Kesimpulan : Katup membuka dan menutup sesuai/tergantung dari suhu dan tekanan pada pipa keluar evaporator. Katup akan selalu membuka karena tekanan diatas membran selalu lebih besar dari tekanan pegas. Pada waktu AC tidak dipakai katup juga akan tetap membuka. 5. Katup ekspansi bentuk orifice
Berbeda dengan katup ekspansi termostatik, katup ekspansi pipa orifice hanya berfungsi menurunkan tekanan refrigeran dan tidak mengatur jumlah aliran refrigeran ke evaporator. Oleh karena itu, pada sistem AC yang menggunakan katup jenis ini, di saluran sebelum
11
masuk evaporator di pasang akumulator yang berfungsi untuk menampung sementara refrigeran sebelum masuk evaporator. Pada katup ekspansi pipa orifice terdapat sebuah lubang kecil yang berdiameter tetap sebagai media untuk menurunkan tekanan refrigeran dan kasa penyaring (filter screen) di sisi masuk dan keluar untuk menyaring kontaminan yang terbawa oleh refrigeran. Namun, katup pipa orifice jarang sekali digunakan pada unit AC mobil di Indonesia. Biasanya digunakan pada mobil-mobil keluaran Eropa atau Amerika.
Gambar 11. Katup ekspansi bentuk orifice
2.3 Kerusakan pada Komponen Katup Ekspansi Dilihat dari fungsinya, katup ekspansi merupakan alat pengkabut cairan refrigeran dari kondensor. Dengan tekanan yang sangat tinggi refrigeran disemprotkan oleh katup ekspansi sehingga menurunkan tekanan dan temperatur refrigeran pun menjadi dingin. Banyaknya cairan refrigeran yang dikabutkan oleh katup ekspansi tergantung dari sensor (bulb) yang berada di dalam evaporator, sehingga cairan yang dikabutkan selalu dalam kondisi standar sesuai kebutuhan pendinginan evaporator. Adapun masalah-masalah yang sering terjadi pada katup ekspansi sebagai berikut: Sensor (bulb) terlepas dari dudukannya, sehingga kerja katup ekspansi tidak normal dan kemampuan pendinginan AC mobil berkurang. Lubang penyemprotan katup ekspansi terlalu renggang, sehingga cairan refrigeran yang dikabutkan terlalu banyak dan mengakibatkan tekanan refrigeran pada evaporator terlalu
12
tinggi. Akibatnya kemampuan pendinginan AC mobil menjadi berkurang. Untuk mengatasinya, sebaiknya ganti katup ekspansi. Gas pada pipa sensor (capillary bulb) katup ekspansi bocor, sehingga sensor tidak dapat bekerja. Hal ini dapat mengakibatkan refrigeran yang dikabutkan ke evaporator menjadi berkurang, tekanan refrigeran di evaporator menjadi sangat rendah, dan menyebabkan kemampuan pendinginan AC mobil berkurang. Agar kembali normal, sebaiknya ganti katup ekspansi. Lubang penyemprotan katup ekspansi yang berfungsi mengkabutkan refrigeran tersumbat, sehingga refrigeran tersumbat, sehingga refrigeran yang berhasil di kabutkan hanya sedikit. Ini akan berpengaruh terhadap kemampuan pendinginan. Selain itu, dapat menimbulkan bunga es (frozen) pada pipa cairan refrigeran sebelum masuk ke evaporator. Untuk mengatasinya, bersihkan katup ekspansi.
