Tugas Akhir Cara Menentukan Komponen-komponen dalam merancang Freezer

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1. Rerfrigerasi

Refrigerasi adalah suatu sistem yang memungkinkan untuk mengatur suhu sampai mencapai suhu di bawah suhu lingkungan. Penggunaan refrigerasi sangat dikenal pada sistem pendingin udara pada bangunan, transportasi, dan pengawetan suatu bahan makanan dan minuman. Penggunaan refrigerasi juga dapat ditemukan pada pabrik skala besar, contohnya, proses dehidrasi gas, aplikasi pada industri petroleum seperti pemurnian minyak pelumas, reaksi suhu rendah, dan proses pemisahan hidrokarbon yang mudah menguap.

Refrigerasi dicapai dengan melakukan penyerapan panas pada suhu rendah secar a terus menerus, yang biasanya bisa dicapai dengan menguapkan suatu cairan secara kontinu. Uap yang terbentuk dapat kembali ke bentuk asalnya kembali, cairan, biasanya dengan dua cara. yang paling umum, uap itu hanya akan ditekan lalu diembunkan (memakai fin seperti pada kulkas). Cara lain, bisa diserap dengan cairan lain yang mudah menguap yang setelah itu diuapkan pada tekanan

Rancang bangun miniatur freezer ini berdasrkan siklus kompresi uap karena mesin refrigerasi jenis ini yang paling banyak digunakan baik dengan skala besarmaupun menengah.

2.2Frezeer

Freezeradalah suatu alat yang digunakan untuk pembekuan.Pada alat Freezer ini menggunakan system refrigerasi yang dimana suhunya mencapai –2 °C. Sistem refrigerasi didefinisikan sebagai suatu proses pengambilan panas dari sumber panas dengan temperatur yang relatif lebih rendah, produk atau media pendingin kemudian ditransfer kebagian sisi yang mempunyai terperatur lebih tinggi. Sistem refrigerasi adalah suatu gabungan atau perpaduan antara komponen dan peralatan yang dirangkai menjadi satu kesatuan untuk menghasilkan efek refrigerasi (pendinginan), sedangkan refrigeran adalah zat yang digunakan sebagai fluida kerja dalam proses penyerapan panas (proses refrigerasi). Pengaplikasiannya alat Freezerdigunakan untuk keperluan rumah tangga, dan industri peternakan dimana alat ini berfungsi untuk pengawetan daging unggas setelah pemotongan agar daging tersebut bias bertahan lebih lama.(..........................Literatur. 4 Hal.24)

2.3Prinsip Kerja Sistem Refrigerasi Pada Miniatur Freezer

Sistem refrigerasi miniature Freezer ini menggunakan siklus kompresi uap.Siklus kompresi uap berawal dari uap refrigeran yang dikompresikan oleh komprsor dari tekanan rendah ke tekanan tinggi, dan temperatur nya pun meningkat.Lalu uap refrigeran tersebut mengalir melalui saluran tekan, menuju kondensor untuk kemudian dibuang panasnya ke udara lingkungan.Di kondensor, refrigeran mengalami perubahan fase, dari fase uap menjadi cair setelah peristiwa kondensasi (pengembunan), namun tetap dalam tekanan tinggi.Selanjutnya, refrigeran cair yang mengalir dari kondensor, memasuki pipa kapiler (ekspansi) dan mengalami penurunan tekanan akibat diameter pipa yang berbeda.Setelah melewati ekspansi, refrigeran telah dalam fase campuran, temperatur dan tekanan menurun, refrigeran mengalir dalam evaporator untuk menyerap panas.Sehingga fase refrigeran kembali menguap dan seterusnya siklus kompresi uap terjadi.

Sistem refrigerasi yang dipakai pada Freezer ini merupakan sistem refrigerasi kompresi uap biasa, sama seperti hal nya pada lemari es dimana terdapat kompresor, kondensor, alat ekspansi, (pipa kapiler) dan evaporator serta komponen pendukung lainnya, yang membedakan hanya temperatur kerjanya saja.

Sistem kompresi uap sederhana terlihat pada gambar dibawah ini

Gambar. 2.1 Sistem refrigerasi kompresi uap (Stoecker, 1992)

Refrigerant yang bertekanan rendah akan menguap didalam pipa-pipa padaevaporator.   Penguapan   ini   membutuhkan   energi   kalor   yang   diserap darisekelilingnya,  sehingga  ruangan  menjadi  dingin  karena  temperaturnya  turunUaprefrigerant  yang  berasal  dari  evaporator  selanjutnya  akan  masuk  ke  jalur  hisap(suction  line)  menuju  kompresor.  Refrigerant  yang bertekanan  dan  bertemperaturrendah ini di dalam kompresor akan dikompresi sehingga menjadi refrigerant yangbertemperatur dan  tekanannya tinggi.  Kemudian  dari  kompresor, refrigerant  yangtelah berbentuk uap masuk ke dalam kondensor. Refrigerant yang berbentuk uap inidalam kondensor akan didinginkan oleh udara sehingga berkondensasi menjadi cairanrefrigerant.  Di  dalam  kondensor,  energi  kalor  yang  dibawa  oleh  uap  refrigerantdilepaskan dan diterima oleh medium pendinginnya (udara). Refrigerant cair darikondensor selanjutnya akan diterima oleh tangki (receiver tank) dan dialirkan lagimasuk ke evaporator melalui alat pengatur   refrigerant (refrigerant flow control).Pada alat ini tekanan refrigerant yang masuk ke evaporator diturunkan. Penurunantekanan  ini  disesuaikan  dengan  kondisi  yang  diinginkan,  sehingga            refrigerantersebut dapat menyerap cukup banyak kalor dari evaporator. Alat yang digunakanuntuk mengatur aliran ini dapat berupa katup ekspansi atau pipa kapiler. (..Literatur. 4 Hal.15)

2.4     Beban Pendingin

2.4.1 Data Jenis Material Miniatur Freezer

Pada miniatur Freezer terdapat 6 sisi yang terdiri dari:

1.        Sisi atas

2.        Sisi bawah

3.        Sisi depan

4.        Sisi belakang

5.        Sisi samping kanan

6.        Sisi samping kiri

Setiap sisi miniatur Freezer mempunyai dimensi ruangan yang sama yang terdiri dari 2 lapisan, yaitu:  seterofom 10 mm (0.090 dan playwood 6 mm (0.025)    ...........................Literatur. 8 Tabel Konduktivitas termal bahan.

2.4.1    Data Perhitungan Beban Pendingin

Perhitungan beban pendingin pada miniatur Freezer ini meliputi:

a.         Beban Produk

Jika suatu produk yang akan didinginkan memiliki temperatur diatastemperatur pendinginan yang dirancang, maka produk tersebut akanmengeluarkan kalor ke ruangan yang sedang didinginkan. Apabila suatu produk akan diturunkan tempeturnya hingga temperaturtertentu tetapi masih beradadiatas titik bekunya, maka jumlah kalor yang menjadi beban pendinginandapat dihitung dengan menggunakan persamaan sebagai berikut:

Q_P = m .C_p . T     ........................................Literatur. 1 Hal.206

Dimana :

Q    = kuantitas kalor (kJ/kg)

m    = massa produk (kg)

c      = kalor spesifik diatas titik beku (kJ/kg^oK)

ΔT   = perbedaan temperatur (^oK)

b.      Beban kalor transmisi

Q = U x A x ∆t         .....................................................Literatur. 1 Hal.182

Keterangan :

Q = laju aliran kalor (W)

U = koefesien perpindahan kalor (W/m².K)

A = luas permukaan benda (m²)

∆t = perbedaan temperatur (ºK)

Untuk mencari koefisien perpindahan kalor :

U = .............................................Literatur.1 Hal.185

Keterangan :

 k = konduktivitas thermal material (W/m.K)

h₁= koefisien konveksi permukaan dalam (W/m².K)

h₀= koefisien konveksi permukaan luar (W/m².K)

x = ketebalan bahan

U = koefisien perpindahan kalor (W/m².K)

Kalor transmisi yang dimaksud yaitu kalor yang dipengaruhi oleh sisi ruangan miniatur Ice Block Maker yang terdiri dari :

1.      Sisi atas

2.      Sisi bawah

3.      Sisi depan

4.      Sisi belakang

5.      Sisi samping kanan

6.      Sisi samping kiri

c.         Beban Infiltrasi

Beban infiltrasi terjadi akibat adanya aliran udara yng masuk ke dalam ruangan yang sedang didingkan (melalui pintu yang sengaja dibuka atau melalui celah pintu). Harga besarnya kalor infiltrasi sesungguhnya sulit dihitung dengan akurat, karena jumlah udara yang masuk sangat relatif kuantitasnya. Beban kalor yang dimaksud adalah jumlah kalor yang masuk ke dalam ruangan miniatur Freezer saat pintu miniatur freezer dibuka.

qt = q.Dt.Df.(1-E)  .......................................................Literatur. 2 Hal 13.4

Keterangan :

q_t     = jumlah panas rata-rata dalam 24 jam (kW)

q     = kalor sensible dan latent infiltrasi (kW)

Dt   = doorway open-time factor

Df   = doorway flow factor    .........................................Literatur.2 Hal 13.5

E     = effectiveness of doorway protective device       .....Literatur.2 Hal 13.6 

Dimana :

q = 0.577 WH [ ] [ ]       .............................................Literatur.2 Hal 13.5

Keterangan :

q     =    kalor sensible dan latent infiltrasi (kW)

     =   beban panas sensible infiltrasi udara (kW/m²).Literatur.2 Hal 13.5

W    =    lebar pintu dibuka (m)

Rs   =    panas rasio sensible infiltrasi...........................Literatur.2 Hal 13.5

H    =   tinggi pintu

Dimana :

Dt =         .........................................................Literatur.2 Hal 13.5

Keterangan :

Dt = doorway open-time factor

p   = jumlah pintu

𝝷p = lama waktu saat dibuka (detik)

𝝷0 = jumlah waktu saat dibuka (menit)

𝝷d = waktu dalam sehari (jam)

d. Safety Factor

Setelah melakukan penghitungan cooling load untuk masing-masing jenis beban pendinginan, selanjutnya dilakukan penjumlahan sehingga diperoleh nilai beban total (Q_t). Beberapa referensi (Dossat) menyarankan untuk menambahkan safety factor antara 5% hingga 10% dari total cooling load.

Safety factor = 10% x (Q_produk + Q_transmisi+Q_infiltrasi)........Literatur.1Hal 221

Total Cooling Load = Q_produk + Q_transmisi+Q_infiltrasi+Safety factor

d.   Menentukan Kompresor

Dalam konsep rancang bangun pembuatan miniatur Ice Block Maker, komponen yang dipilih tidak boleh lebih rendah dari kapasitas pendinginan yang direncanakan, karena komponen-komponen refrigerasi yang digunakan tidak boleh bekerja terlalu berat ataupun diluar batas spesifikasi. Maka dapat menggunakan persamaan sebagai berikut :

Wk  =                ………………………....................Literatur.4 Hal 165         Keterangan :

Qin = jumlah kalor yang diserap evaporator

e.    Menentukan Kondensor

Untuk menentukan jenis kondensor serta menentukan panjangnya pipa kondensor, maka dapat digunakan persamaan sebagai berikut :

Qout =ṁ (h2 – h3)        .........................................................Literatur.4 Hal 27

Keterangan : kondensor dibeli sehingga mengikuti spesifikasi pabrikan.

f. Menentukan Panjang Pipa Kapiler

Untuk merancang sebuah alat miniatur Ice Block ini menggunakan pipa kapiler sebagai alat ekspansinya, agar dapat mengetahui ukuran panjang pipa kapiler maka digunakan persamaan:

·         Δp   =P₂–P₁ ...........................................................Literatur.6 Hal 17

Keterangan :

Δp   = enthalpy tekanan, (Pa)

P₁     = tekanan 1, (bar)

P₂    = tekanan 2, (bar)

·         R_e    =D.V.ρ/μ.........................................................Literatur.6 Hal 17

Keterangan :

D    = diameter pipa kapiler, (m)

V    = kecepatan laju aliran massa refrigerant, (m/s)

ρ      = Massa jenis cairan, (kg/m³)

μ      = Viskositas cairan, (Pa.s)

·         Δp   =f.( ).( ) ....................................................Literatur.6 Hal 18

Keterangan :

Δp   = enthalpy tekanan, (Pa)

f      = didapatkan dari diagram Moody menggunakan nilai R_e

L     = panjang pipa kapiler, (m)

D    = diameter pipa kapiler, (m)

ρ      = Massa jenis cairan, (kg/m³)

V    = kecepatan laju aliran massa refrigerant, (m/s)

2.5Komponen UtamaMiniatur Freezer

1.        Kompresor

Kompresor yang digunakan pada alat MiniaturFreezer ini adalah kompresor hermetik, seperti hal nya pada lemari es.Komponen ini berfungsi untuk mensirkulasikanrefrigerantdalam sistem.Kompresor memiliki dua saluran utama, yaitu saluran hisap (suction line) dan saluran tekan/keluar (discharge line).Saluran hisap dihubungkan dengan pipa keluaran evaporator, sedangkan saluran tekan dihubungkan dengan pipa yang masuk ke kondensor.Untuk membedakan saluran hisap dan tekan bisa dilihat dari kondisi fisiknya.Saluran hisap diameternya lebih besar dari pipa saluran tekan. Melalui saluran hisap kompresor akanmenghisap uap refrigeran dari saluran keluaran evaporatorkemudianditekan sehingga saat keluar kompresor, melalui saluran tekan(discharge), memiliki tekanan yang tinggi.

Gambar 2.2kompresor hermetik

Kompresor pada sistem refrigerasi gunanya untuk menghisap refrigeran dalam wujud gas dari evaporator dengan suhu rendah dan tekanan rendah lalu memampatkan gas tersebut sehingga menjadi gas suhu tinggi dan tekanan tinggi.Kemudian mengalirkannya ke kondensor, sehingga gas tersebut dapat memberikan panasnya kepada media pendingin kondensor lalu mengembun.

2.        Kondensor

Kondensor adalah suatu komponen penukar kalor.Sesuai dengan namanya, komponen ini bertugas mengkondensasiyaitu dengan merubah wujud uap refrigeran bertekanan tinggi menjadi refrigeran berwujud cair, dengan melepas kalor ke udara sekitar.Kondensor hanya merubah wujud refrigeran menjadi cair, sedangkan tekanannya masih tetap tinggi.Kondensor dipasang setelah saluran keluar (discharge) kompresor.Komponen ini biasanya dibuat dari pipa tembaga atau pipa alumunium. Di sisi pipanya diberi sirip yang terbuat dari besi kecil atau plat alumunium tipis. Sirip-sirip tersebut berguna untuk memperluas permukaan perpindahan panas, sehingga panas yang dibuang lebih optimal.

Gambar 2.3 Kondensor

3.        Pipa Kapiler

Pipa kapiler adalah salah satu alat ekspansi. Alat ekspansi ini mempunyai dua kegunaan yaitu untuk menurunkan tekanan refrigeran sebelum masuk ke evaporator dan untuk mengatur aliran refrigeran ke evaporator. Cairan refrigeran memasuki pipa kapiler tersebut dan mengalir sehingga tekanannya berkurang akibat dari gesekan dan percepatan refrigeran. Pipa kapiler hampir melayani semua sistem refrigerasi yang berukuran kecil, dan penggunaannya meluas hingga pada kapasitas regrigerasi 10 kw. Pipa kapiler mempunyai ukuran panjang 1 hingga 6 meter, dengan diameter dalam 0,5 sampai 2 mm (Stoecker, 1996). Diameter dan panjang pipa kapiler ditetapkan berdasarkan kapasitas pendinginan, kondisi operasi dan jumlah refrigeran dari mesin refrigerasi yang bersangkutan.

Gambar 2.4 Pipa Kapiler

4.        Evaporator

Evaporator adalah alat yang berfungsi menyerap dan mengalirkan panas dari udara ke refrigeran. Akibat, Setelahmelewati pipa evaporator refrigeran berubah wujud menjadi gas, secara sederhana evaporator dikatakan sebagai alat penukar panas. Perbedaannya dengan kondensor, jika kondensor melepaskan kalor, sedangkan evaporator menyerap kalor.Dalam sistem pemipaan sistem pendingin, evaporator dipasang setelah pipa kapiler.komponen ini biasanya terbuat dari lempengan alumunium tipis dan di dalamnya dibuat alur (rongga) sebagai tempat mengalirnya refrigeran.

Gambar 2.5 Evaporator

2.6  Komponen TambahanMiniatur Freezer

Selain komponen refrigerasi kompresi uap, alat MiniaturFreezer juga memiliki beberapa komponen Tambahan, antara lain sebagai berikut :

1.      Refrigeran

Bahan refrigerant yang digunakan pada alaat pendingin banyak sekali jenisnya. Regrigerant yang banyak digunakan untuk miniature freezer adalah R-134a.

Refrigerant HFC 134a mempunyai sifat yaitu sebagai berikut :

·         Tidak mudah terbakar

·         Tidak mudah meledak

·         Tidak berbau

·         Tidak beracun

·         Tidak merusak pakaian

·         Tidak menyebabkan karat pada sistem pendingin

2.        Pipa Tembaga

Pipa yang paling sering digunakan untuk keperluan mesin pendingin yang menggunakan bahan refrigerant adalah pipa tembaga. Pipa tembaga yang dipergunakan pada mesin pendingin adalah pipa tembaga khusus yang disebut ACR TUBING (Air Conditioning and Refrigeration Tubing) yang telah dirancang dan memenuhi persyaratan / karakteristik khusus untuk mesin pendingin. Bagian dalam pipa untuk keperluan mesin pendingin harus dijaga agar tetap kering dan biasanya dibersihkan dengan menggunakan nitrogen. Ujung-ujung pipa jangan dibiarkan terbuka dan harus ditutup agar tidak terkontaminasi udara luar (uap air) atau kotoran lainnya dengan cara digepengkan ataupun ditutup dengan penutup khusus.

3.        Filter Dryer

Komponen ini berfungsi menyaring kotoran dan menghilangkan uap air yang kemungkinan masih tertinggal pada sistem refrigerasi.Filter  dryer dipasang pada liquid line, yakni saluran yang  menghubungkan antara keluaran kondenser dengan  alat ekspansi.

Gambar 2.6Filter Dryer

4.         Pressure gauge

Pressure gauge adalah alat untuk memantau keadaan tekanan pada refrigeran, terdapat dua jenis pressure gauge yaitu low pressure gauge dan high pressure gauge.

      

Gambar 2.7Pressure gauge

5.Thermostat

Eliktrik thermostat  adalah thermosat yang digunakan pada sitem kontrol elektirk, thermostat ini terdiri dari bimetal coil yang didesain sedemikian rupa sehingga bila ada perubahan suhu dapat menggerakkan bimetalnya melengkung dan kemudian gerakan bimetal ini digunakan untuk mengontrol mekanik membuka kontaknya bila suhu ruang naik, sedang coolingthermostat akan membuka kontaknya bila suhu ruang naik, sedang cooling thermostat  akan membuka kontak switch bila suhu ruang turun, kerja pengatur suhu (thermostat) dipengaruhi oleh perubahan suhu yang diterima oleh alat sensor suhu (bulb) gas akan sebanding sengan suhunya, perubahan suhu tersebut dapat menyebabkan gas, uap atau cairan didalam pipa atau bulb mengembang atau menyusut, sehingga dapat menimbulkan tekanan pada bellow (diafragma) yang berubah ubah perubahan tekanan di dalam bellow diubah menjadi linear untuk menggerakkan suatu kontak untuk membuka atau menutup (Literatur.3 Hal 27)

Gambar 2.8Thermostat

6.  Relay  

Relay adalah suatu peranti yang bekerja berdasarkan elekromagnetik untuk menggerakkan sejumlah kontaktor (saklar) yang tersusun. Kontaktor akan tertutup (on) tau terbuka (Off) karena efek induksi magnet yang dihasilkan kumparan (inductor) ketika dialiri arus listrik. Berbeda dengan saklar dimana pergerakkan kontaktor (on/off) dilakukan manual tanpa perlu arus llistrik. Sebagai komponen elektronika, relay mempunyai peran penting dalam sebuah sitem rangkaian elekronika dan rangkaian listrik untuk menggerakkan sebuah perangkat yang memerlukan arus besar tanpa terhubung langsung dengan perangkat pengendali yang mempunyai arus kecil. Dengan demikian Relay dapat berfungsi sebagai pengaman.

Gambar 2.9Relay

7.  Kabel

Fungsi utama dari kabel adalah menyalurkan energi listrik dari sumber kebeban.kabel yang digunakan dalam industry terbagi menadi dua yaitu kabel daya dan kabel kontrol. Kabel daya digunakan untuk menghantarkan daya ke beban, sedangkan kabel kontrol menghubungkan beban kesistem instrument. Pemilihan kabel yang digunakan menentukan besarnya rugi-rugi yang mungkin terjadi dalam penyaluran tenaga lis

Pemilihan kabel harus memperhatikan beberapa hal berikut ini .

a.       Kemampuan kabel menghantar arus listrik

b.      Batas susut tegangan (voltagedrop) yang diperbolehkan.

Gambar 2.10Kabel