modul ajar 2 Sistem Refrigerasi .pdf

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

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”

Modul Ajar - HVAC

12


 Mesin pendingin didesain untuk memindahkan panas sebesar Q L 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 Q H dari media yang

bersuhu rendah (TLow) menuju ke media yang bertemperatur lebih tinggi T High 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 Sumber: Yunus A Cengel, 1994, “Thermodynamic, an Engineering Approach”

Modul Ajar - HVAC

13


Koefisien performansi mesin refrigerasi carnot dan pompa kalor dapat didefinisikan sbb :  

Siklus Ideal Refrigerasi Kompressi Uap

Gambar 8. 1 Siklus Ideal Refrigerasi Kompressi Uap Sumber: Yunus A Cengel, 1994, “Thermodynamic, an Engineering Approach”

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 Modul Ajar - HVAC

dan 14


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 (tetraflouroethane) 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]

Modul Ajar - HVAC

15


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

Modul Ajar - HVAC

16


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).

Modul Ajar - HVAC

17


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 500C dan penurunan enthalphi refrigerant pada saat keluar compressor menjadi 280 kJ/kg. Sehingga

(

)

(

Modul Ajar - HVAC

)

18


Performansi Aktual Sistem COPR =

=

COPHP =

= 2.2 =

= 3.2

Performansi Ideal Sistem COPR = COPHP =

=

= 3.15 =

= 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

Modul Ajar - HVAC

19


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)

Modul Ajar - HVAC

20


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”

Modul Ajar - HVAC

21


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].

Modul Ajar - HVAC

22


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

Modul Ajar - HVAC

23


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 masuk terhadap Udara kering: ̇

sisi

sisi keluar dari aliran udara pada cooling tower. dan Vapor (Uap air) ̇

̇ ̇

̇

̇

̇ (

)

Air pendingin condenser Liquid water (condenser cooling water)

Modul Ajar - HVAC

̇

̇

̇

24


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 250C. Modul Ajar - HVAC

25


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

Modul Ajar - HVAC

dan specific humidity .

26


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

Modul Ajar - HVAC

27


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

Modul Ajar - HVAC

28


Modul Ajar - HVAC

15


Modul Ajar - HVAC

16


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?

Modul Ajar - HVAC

15


2.6. Lembar Kerja ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... .........................................................................................................................................

Modul Ajar - HVAC

16


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

Modul Ajar - HVAC

17


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

Modul Ajar - HVAC

18

modul ajar 2 Sistem Refrigerasi .pdf

Recommend Documents