A. Sejarah Sistem Pengkondisian Udara
Menurut catatan sejarah, orang-orang pada zaman batu telah mengenal es, tapi pada saat itu belum ada usaha menggunakan es untuk mengawetkan makanan. Beribu-ribu tahun kemudian, orang-orang Cina menggunakan es salju sebagai bahan pelejat minuman. Mereka memotong es dimusin dingin, membungkusnya dengan jerami dan sekam, kemudian menjualnya dimusin panas.
Orang-orang Mesir Kuno telah mempraktekkan bahwa untuk mendinginkan air, mereka lakukan dengan cara mengisi gentong-gentong air, kemudian mereka letakkan diatas genting pada saat matahari terbenam. Angin malam membantu mendinginkan air didalam gentong. Orang-orang Yunani dan Romawi mengangkut salju dari puncak gunung, kemudian mereka simpan dengan cara menutupinya dengan alang-alang.
Pada tahun 1823, Cagniar De La Tour (seorang berkebangsaan Prancis) melakukan penelitian tentang tingkat keadaan kritis dari gas eter. Setahun kemudian, Humphrey Davy dan asistennya M. Faraday (dari Inggris) berhasil menemukan cara mencairkan gas ammonia, mereka adalah orang yang pertama kali menemukan hal itu. Kemudian pada tahun 1824, prinsip dasar siklus refrigerasi dikembangkan oleh N.L.S.Carnot yang mempublikasikan tentang teori termodinamikanya. Beberapa tahun kemudian, yaitu pada tahun 1897 Joseph Mc. Creaty membuat dan memantapkan instalasi alat pendingin. Pada waktu itu, instalasi tersebut diberi nama mesin pencuci udara (air washer), yaitu suatu sistem pendingin yang mempergunakan percikan air. Sedangkan Dr. Willis Haviland Carrier (USA, 1906), merupakan orang pertama yang berhasil membuat alat temperatur dan kelembaban udara. Dia berhasil menyagarkan udara dari sebuah percatakan dengan menggunakan sistem pencuci udara dengan cara mendinginkan dan menjenuhkan udara sampai mencapai mencapai titik embunnya. Teori termodinamika yang dihasilkan olehnya itu dikemukakan pada pertemuan The American Society of Mechanichal Engineer pada tahun 1911.
Hingga beberapa tahun setelah perang dunia ke-II, instalasi penyegaran udara hanya dipergunakan untuk keperluan industri namun setelah itu penggunaannya dikembangkan untuk memenuhi kebutuhan akan kenyamanan dan kesegaran udara, seperti untuk gedung perkantoran, perhotelan, convention hall, gedung bioskop, rumah tangga, hingga transportasi.
B. Sistem Refrigrasi
Prinsip refrigerasi ada dua yaitu: refrigerasi kompresi uap / Vapour Compression Refrigeration (VCR) dan refrigerasi penyerap uap / Vapour Absorption Refrigeration (VAR). VCR menggunakan energi mekanis sebagai energi penggerak untuk refrigerasinya, sementara itu VAR menggunakan energi panas sebagai energi penggerak refrigerasinya.
Siklus refrigerasi kompresi mengambil keuntungan dari kenyataan bahwa temperatur yang bertekanan tinggi pada suhu tertentu cenderung berpindah pada temperatur bertekanan rendah.
Gambar.2.1 Prinsip perpindahan panas
Dalam system refrigerasi kompresi jika perubahan tekanan cukup tinggi, maka gas yang ditekan (dalam kompresor) akan menjadi jauh lebih panas daripada sumber dingin diluar (contoh udara diluar) dan gas yang mengembang akan menjadi lebih dingin daripada suhu dingin yang dikehendaki. Dalam kasus ini, fluida digunakan untuk mendinginkan lingkungan bersuhu rendah dan membuang panas ke lingkungan yang bersuhu tinggi.
Siklus refrigerasi kompresi uap memiliki dua keuntungan. Pertama, sejumlah besar energi panas diperlukan untuk merubah cairan menjadi uap, dan oleh karena itu banyak panas yang dapat dibuang dari ruangan yang dikondisikan. Kedua, sifat-sifat isothermal penguapan membolehkan pengambilan panas tanpa menaikan suhu fluida kerja ke suhu berapapun didinginkan. Hal ini berarti bahwa laju perpindahan panas menjadi tinggi, sebab semakin dekat suhu fluida kerja mendekati suhu sekitarnya akan semakin rendah laju perpindahan panasnya.
Siklus refrigerasi ditunjukkan dalam gambar dapat dibagi menjadi tahapan-tahapan berikut :
Gambar. 2.2 Siklus perpindahan panas
Langkah 1–2: Cairan refrigerant dalam evaporator menyerap panas dari sekitarnya.. Selama proses ini, cairan merubah bentuknya dari cair menjadi gas, dan pada keluaran evaporator gas ini diberi pemanasan berlebih/ superheated gas.
Langkah 2–3: Uap yang diberi panas berlebih masuk menuju kompresor dimana tekanannya dinaikkan. Suhu juga akan meningkat, sebab bagian energi yang menuju proses kompresi dipindahkan ke refrigerant.
Langkah 3–4: Superheated gas bertekanan tinggi lewat dari kompresor menuju kondenser. Bagian awal proses refrigerasi menurunkan panas superheated gas sebelum gas ini dikembalikan menjadi bentuk cairan. Refrigerasi untuk proses ini biasanya dicapai dengan menggunakan udara atau air. Penurunan suhu lebih lanjut terjadi pada pekerjaan pipa dan penerima cairan, sehingga cairan refrigerant didinginkan ke tingkat lebih rendah ketika cairan ini menuju alat ekspansi.
Langkah 4-1: Cairan yang sudah didinginkan dan bertekanan tinggi melintas melalui peralatan ekspansi, yang mana akan mengurangi tekanan dan mengendalikan aliran menuju evaporator.
C. Komponen Utama Sistem Refrigrasi Kompresi Uap
1. Kompresor
Kompresor merupakan salah satu komponen utama dalam mesin pendingin. Kompresor dirancang dan diproduksi untuk memberikan jangka waktu/umur yang panjang, karena kompresor merupakan jantung/komponen utama dari sebuah sistem refrigerasi, yang berfungsi untuk mengalirkan refrigerant keseluruh sistem.
Kompresor bekerja menurunkan tekanan di evaporator dapat menguap pada suhu yang lebih rendah dan menyerap lebih banyak kalor dari media yang akan didinginkan, serta untuk menghisap refrigerant gas dari evaporator (suction line), setelah itu kompresor akan menekan uap refrigerant yang berasal dari suction line sehingga akan menaikkan temperatur dan tekananan uap refrigerant tersebut yang untuk selanjutnya dialirkan ke kondensor melalui discharge line. Tujuan dari operasi tersebut adalah untuk memastikan bahwa temperatur dari uap refrigerant yang masuk ke kondensor adalah lebih tinggi dari temperatur media pendingin, sehingga panas akan dibuang keluar dari sistem.
a. Jenis Kompresor
1) Kompresor Torak (reciprocating)
Kompresor torak (reciprocating compressor) banyak digunakan dalam kapasitas pendinginan antara 1-60 ton refrijeran, tetapi kadang-kadang digunakan dalam kapasitas yang cukup besar yaitu antara 60-200 ton refrijeran. Kompresor torak pada saat ini merupakan jenis kompresor yang paling banyak digunakan dalam suatu unit refrigerasi dan tata udara. Biasanya dipakai dengan refrigerant yang memerlukan pergerakan torak (piston displacement) yang kecil dan mengembun pada tekanan yang tinggi serta sistem yang memerlukan tekanan evaporator diatas 1 atm. Refrigerant yang paling banyak digunakan pada kompresor torak adalah R-12, R-22, R-500, R-502, R-717. Sedangkan daya yang dimiliki oleh kompresor torak bervariasi, mulai dari ½ HP sampai dengan 100 HP.
Bahkan ada yang lebih besar yang biasa dgunakan untuk keperluan industri yang lebih besar. Kompresor torak bekerja seperti hanya motor dua langkah (two stroke). Pada kompresor ini juga terdapat silinder, dimana torak (piston) bergerak bolak-balik, gerakan bolak-balik ini diperoleh dari gerak putar poros engkol yang digerakan oleh motor listrik.
Pada waktu langkah hisap, torak bergerak kebawah dan terjadi penurunan tekanan atau vakum didalam silinder antara puncak torak dan tutup silinder. Sehingga katup hisap terbuka dan gas refrigerant dapat dihisap melalui katup hisap (suction valve) kedalam silinder. Pada langkah tekan (kompresi atau pemampatan) torak bergerak keatas memampatkan gas refrigerant dan mendorongnya keluar melalui katup tekan (discharge valve) ke kondensor, kemudian torak kebawah dan kembali lagi keatas.
2) Kompresor Putar (rotary)
Kompresor rotary merupakan kompresor dengan gerakan/ desakan positif seperti pada kompresor torak.. Kompresor putar dapat dibagi menjadi dua jenis, jenis pertama stationary blade/roller type (bilah/daun pisau tetap), kompresor jenis ini mempunyai roller besi baja yang berbentuk silinder yang berputar pada suatu poros eksentris, dimana antara roller tersebut dengan poros adalah tidak sepusat dan antara poros dengan dinding silinderadalah sepusat. Jenis kedua adalah rotary blade/vane type (bilah/daun pisau berputar), kompresor jenis ini mempunyai 2 sampai 4 bilah yang terdapat dalam alur roller seperti pada jenis bilah tetap, disini poros memutar roller didalam silinder sehingga ujung roller selalu akan menyinggung sekeliling dinding silinder bagian dalam. Pada saat poros berputar ujung bilah akan menempel pada didnding silinder bagian dalam karena adanya dorongan gaya sentrifugaldari perputaran poros. Gas masuk melalui saluran hisap, dimampatkan dan didorong oleh bilah-bilah yang berputar untuk keluar melalui saluran buang.
Adapun keuntungan dan kerugian menggunakan kompresor jenis rotary yaitu :
· Keuntungan
Ø Pemakaian daya listrik lebih hemat
Ø Bentuknya kompak, kecil dan sederhana
Ø Tekanannya rata
Ø Suaranya tenang, getarannya kecil
● Kerugian
Ø Jika terjadi kerusakan sukar diperbaiki
Ø Pembuatannya lebih sukar
Ø Harganya lebih mahal
c)Kompresor Sekrup/heliks (screw compressor)
Kompresor sekrup semula dirancang untuk memperoleh kompresor tanpa minyak pelumas. Kompresor ini memiliki dua buah rotor yang berpasangan berturut-turut dengan gigi jantan dan gigi betina. Kompresor jenis ini digunakan direfrigerasi-refrigerasi industri dan sistem tata udara yang mempunyai kapasitas lebih besar dari 175 Kw. Dalam beberapa tahun terakhir ini, komprsor sekrup dibuat juga untuk dipergunakan pada mesin refrigerasi dengan mekanisme pelumasan yang terpadu.
d) Kompresor sentrifugal (centrifugal compressor)
Kompresor sentrifugal digunakan untuk pendinginan yang berkapasitas besar. Pada jenis ini, impeller digerakkan secara cepat adanya gear untuk menaikkan rpm, dimana masing-masing impeller terdiri dari dua buah piringan, yaitu piringan poros (hub disc) dan piringan penutup(cover disc), serta jumlah bilah/pisau yang dipasang secara radial antara kedua piringan tersebut. Penghisapan dan penempatan refrigerant pada kompresor ini diperoleh karena adanya gaya sentrifugal dari gerakan impeller yang cepat. Uap refrigerant masuk melalui impeller dan dikeluarkan melalui sudu-sudu pada waktu berputar dengan gaya sentrifugal.
e) Kompresor Scroll
Kompresor scroll terdiri atas dua spiral scroll yan sama, yang dipasang dengan perbedaan phasa 180. Setiap scroll berputar dalam satu sisi flat plate, satu scroll tetap dan yang lain bergerak dalam sebuah orbit yang mengelilingi shaft center motor pada lebar ayunan yang sama ke radius orbit. Kedua scroll berhubungan pada beberapa titik. Kompresor scroll biasanya digunakan pada sistem heat pump, split duct dan package unit.
Selanjutnya baik kompresor torak, kompresor rotary, kompresor sekrup/heliks, maupun kompresor sentrifugal dapat dibedakan lagi menjadi tiga macam tergantung dari pengaturan motornya, yaitu :
Ø Kompresor Hermetik (welded compressor)
Digunakan untuk unit-unit domestik yaitu untuk kapasitas-kapasitas yang kecil, baik sistem refrigerasi domestik maupun tata udara domestik. Disebut domestik karena rakitan kompresor dan motor terletak pada suatu selubung baja yang dilas jadi satu. Karena rumah kompresor bersatu dengan rumah motor listriknya, selain itu rumah gabungan tadi berfungsi sebagai peredam getaran.
Dengan demikian tidak diperlukan lagi seal atau kopling, yang biasanya terdapat pada kompresor open type. Faktor lain yang menunjang pada kompresor hermetik ini adalah motor itu bekerja dalam wadah tertutup, sehingga tidak ada debu atau kotoran yang dapat mengganggu motor listrik, rumah dan minyak pelumas akan didinginkan oleh gas yang masuk dengan temperatur 50°F – 60°F. Jenis hermetik ini tidak dapat diperbaiki, jika terdapat kerusakan maka kompresor seluruhnya harus diganti dengan yang baru.
Ø Kompresor Semi Hermetik
Kata lain dari semi hermetik ini adalah bolted compressor atau accessible hermetic compressor. Digunakan untuk sistem yang lebih besar yaitu untuk unit-unit refrigerasi dan tata udara dengan kapasitas sampai dengan 5 TR. Disebut semi hermetik adalah bahwa rakitan kompresor dan motor semuanya berada pada satu selubung besi tuang, dimana pada beberapa bagiannya dapat dibuka dengan melepas baut-baut, seal/gasket, dan pelat-pelatnya. Keuntungan dari kompresor jenis ini yang terutama adalah dalam perawatan dan perbaikan bagian-bagian kompresor yang rusak dan perlu diganti (karena bersifat dapat dibuka = semi hermetik).
Ø Kompresor Open Type
Kompresor open type digunakan di industri-industri yaitu untuk kapasitas yang besar, dimana sistem harus fleksibel untuk memenuhi beberapa kondisi operasi tertentu. Dengan kompresor open type motor dapat diubah tegangannya dan kecepatan kompresor dapat diubah-ubah dengan merubah ukuran puli. Kerugiannya adalah bahwa sering terjadi kebocoran refrigerant pada seal/ gasket, poros engkol/crankshaft, dan selubung engkol/crankcase serta harganya yang relative mahal. Penggeraknya dapat berupa :
→ direct drive = berupa poros/shaft dan kopel/coupling
→ belt drive = berupa puli/pulley dan sabuk/belt
2. Kondensor
Kondensor adalah alat pemindahan panas dari system refrigerasi ke media pendinginnya yang dapat menyerap kalor dan membuangnya kelingkungan sekitar. Panas dari uap refrigerant yang bersuhu tinggi keluar melewati dinding-dinding kondensor ke media kondensasi. Sebagai akibatnya, uap refrigerant akan mendinginkan sampai kebatas jenuhnya dan kemudian akan dikondensasikan ke fasa cair.
Kondensor menurut cara pendinginannya ada tiga macam :
· Kondensor dengan pendingin udara (Air Cooled Condensor)
· Kondensor dengan pendingin air (Water Cooled Condensor)
· Kondensor dengan pendingin air dan udara (Evaporatif CooledCondensor)
a. Air Cooled Condensor
Air cooled condenser berpendingin udara terdiri dari koil pipa pendingin udara dank oil pipa pendingin bersirip pelat (pipa tembaga dengan siripaluminium, atau pipa tembaga dengan sirip tembaga). Udara mengalir dengna arah tegak lurus pada bidang pendingin. Konveksi udara pada kondensor jenis ini dapat berupa konveksi natural maupun konveksi paksa.
Ciri-ciri kondensor pendingin udara :
· Tidak memerlukan pipa air pendingin, pompa air dan penampang air karena tidak menggunakan air
· Dapat dipasang dimana saja, karena menggunakan udara bebas
· Tidak mudah terjadi korosi karena permukaan koil yang kering
· Memerlukan pipa refrigerant tekanan tinggi yang panjang, karena kondensor biasanya diletakkan diluar rumah
· Pada musim dingin, tekanan pengembunan perlu dikontrol untuk mengatasi gangguan yang dapat terjadi karena turunnya tekanan pengembunan yang terlalu besar, yang disebabkan oleh temperatur udara atmosfir yang rendah
b.Water Cooled Condensor
Water cooled condensor digunakan untuk kompresor dari 1 HP keatas. Water cooled condensor adalah yang paling ekonomis, jika terdpat cukup air yang bersih dan murah. Faktor yang harus diperhatikan dalam memilih water cooled condensor adalah pengontrolan permukaan pipa yang dialiri air yang disebabakan karena kerak-kerak atau pengendapan padatan mineral oleh air, sehingga akan mengurangi koofesien perpindahan panas dan menghambat laju aliran air serta meningkatkan tekanan kondensor.
c. Evaporative Cooled Condensor
Evaporative cooled condenser merupakan kombinasi dari sebuah menara pendingin dengan sebuah kondensor. Prinsip pendinginan dari kondensor evaporative ini adalah dengan menggunakan metoda pendingin evaporative (evaporative cooling), dimana panas yang berasal dari kondensor akan digunakan untuk menguapkan tetesan-tetesan air yang menempel pada pipa-piap kondensor. Disamping itu juga sebagian kecil pendinginan berasal dari sirkulasi udara.
Gambar.2.3 Evaporative cooled condenser
3. Matering Device
Matering device adalah perangkat yang berfungsi sebagai :
1. Untuk menurunkan tekanan refrigeran cair yang mengalir menjadi bertekanan dan bertemperatur rendah
2. Mengatur jumlah aliran refrigeran yang mengalir pada evaporator
Ada berbagai macam jenis dari katup ekspansi ini, diantaranya TXV, AXV, dan pipa kapiler.
a. Katup Ekspansi Termostatik (TXV)
Thermoststic Expansion Valve (TXV) merupakan katup ekspansi yang paling sering digunakan pada sistem peindinginan dan sistem tata udara. Katup ekspansi ini mempunyai alat peraba suhu atau sensing element berbentuk silinder yang disebut bulb. Bulb inilah yang ditempatkan diujung evaporator sebagai sensor untuk membuka dan menutup katup. Didalam bulb ini berisi cairan yang sejenis ddengan refrigerat yang digunakan dalm sistem.
Apabila bebean pendingin di evaporator bertambah, maka temperatur gas refrigerant akan naik dibagian ujung evaporator. Kenaikan temperatur ini akan mmpengaruhi isi refigeran didalam bulb, yaitu akan mengembang dan menekan bellow. Akibatnya, katup terbuka dan refrigerant cair dari kondensor akan bertambah banyak masuk evaporator.
 |
Gambar 2.4 Katup Ekspansi Otomatis (AXV)
Automatic Expansion Valve (AXV) adalah alat kontrol refrigerant yang bekerja berdasarkan sisi tekanan rendah didalam sistem. Katup ini akan memmbuka aliran refrigerant lebih besar bila penyerapan kalor dievaporator memerlukan banyak refrigerant.
b. Pipa Kapiler
Panjang dan lebar pipa kapiler dapat mengontrol jumlah aliran refrigerant yang mengalir ke evaporator. Panjang pipa gunanyan untuk :
· Menurunkan tekanan refrigerant cair yang berada didalamnya.
· Mengatur jumlah refrigerant yang mengalir melaluianya.
Dalam keadaan seimbang, kompresor dapat start kembali dengan mudah, tetapi kerugian pipa kapiler yaitu untuk mengatur refrigerant terhadap perubahan beban, ini terjadi karena lubang dan panjang pipa kapiler tidak dapat diubah kembali setelah dipasang pada sistem.
4. Evaporator
Evaporator adalah suatu alat dimana refrigerant menguap dari cair menjadi gas. Melalui perpindahan panas ini bertujuan untuk mengambil panas dari ruang sekitarnya atau bahan yang akan didinginkannya, panas tersebut akan dibawa ke kompresor dan akan dikeluarkan lagi oleh kondensor. Evaporator dibagi dalam dua kelas, tergantung pada cairan perpindahan panas dari refrigerantnya :
a. Dry Expansion atau Direct Expansion Evaporator
Pada tipe ini refrigerant mengalir dalam pipa di evaporator dan menguap seluruhnya, kemudian mengalami super heat beberapa derajat sebelum keluar dari evapaorator.
- Flooded Evaporator
Pada tipe ini permukaan sisi evaporator selalu dalam keadaan basah oleh cairan refrigerant yang akan mengakibatkan naiknya koefisien head transfernya sehingga menjadi lebih efisien.
Menurut konstruksinya evaporator kering ada tiga macam :
· Permukaan pelat (plate surface) evaporator, dibuat dari dua buah plat yang diletakkan menjadi satu dan diantaranya diberi saluran – saluran bahan pendingin, ada juga yang dililitkan pada plat.
· Pipa telanjang (bare tube) evaporator, dibuat dari pipa tembaga atau pipa aluminium. Disusun seri atau paralel dan diberi rangka penguat. Pada umumnya ditempatkan didalam bejana atau bak air.
· Evaporator bersirip (finned evaporator), dibuat dari evaporator pipa telanjang yangdiberi logam tipis atau sirip. Sirip-sirip memperluas permukaan evaporator hingga dapat menyerap kalor lebih banyak. Jumlah sirip tiap inch lebar evaporator tergantung dari suhu kerja evaporator. Pada suhu yang rendah terbentuknya bunga es pada evaporator tidak perlu dihindarkan. Bunga es yang terbentuk pada sirp-sirip tersebut dapat menghalangi aliran udara yang mengalir diantara sirip-sirip. Evaporator yang direncanakan untuk suhu yang rendah harus mempunyai jarak sirip yang lebar. Untuk memperluas kapasitas evaporator, pada sirip evaporator diberi fan motor untuk mendorong udara melalui sirip-sirip tersebut.
