BAB 3 - Siklus Refrigerasi Kompresi Uap

BAB III Siklus Refrigerasi Kompresi Uap

1

Masih Ingat ??? Hukum Hukum Termod Termodina inamik mika a 

Huku Hukum m 0 Termo Termodi dina nami mika ka : panas panas meng mengal alir  ir  dari dari temp temper erat atur ur ting tinggi gi ke temp temper erat atur  ur  rendah



Huku Hukum m I Term Termod odin inam amik ika a : Ener Energi gi tida tidak k dapa dapatt dici dicipt ptak akan an atau atau dimu dimusn snah ahka kan n

2

1

Hk. 0 Termodinamika

Laju Perpindaha Perpindahan n Panas Panas bergantung bergantung pada pada beda beda temper temperatu atur  r 

3

Mesin Kalor Siklus Carnot Energi Energi dilepa dilepaskan skan dari dari reservo reservoir ir panas panas sebesa sebesar  r  Q1, pada pada saat saat yang yang sama sama kerja kerja dilaku dilakukan kan sebe sebesa sarr W, sisa sisa pana panas s dibu dibuan ang g ke rese resevoi voir  r  dingin dingin sebesa sebesarr Q2.

Reservoir Panas T1 Q1 W

Maka Maka didapa didapatt efisie efisiensi nsi Mesin  Mesin Carnot (η) :

Q2 Reservoir Dingin T2

Q1 − Q2

= W 

η 

=

η 

=

Kerja yang dilakukan Kalor yang diberikan W  Q1

=

Q1 − Q2 Q1

= 1−

Q2 Q1 4

2

Hk. 0 Termodinamika

Laju Perpindaha Perpindahan n Panas Panas bergantung bergantung pada pada beda beda temper temperatu atur  r 

3

Mesin Kalor Siklus Carnot Energi Energi dilepa dilepaskan skan dari dari reservo reservoir ir panas panas sebesa sebesar  r  Q1, pada pada saat saat yang yang sama sama kerja kerja dilaku dilakukan kan sebe sebesa sarr W, sisa sisa pana panas s dibu dibuan ang g ke rese resevoi voir  r  dingin dingin sebesa sebesarr Q2.

Reservoir Panas T1 Q1 W

Maka Maka didapa didapatt efisie efisiensi nsi Mesin  Mesin Carnot (η) :

Q2 Reservoir Dingin T2

Q1 − Q2

= W 

η 

=

η 

=

Kerja yang dilakukan Kalor yang diberikan W  Q1

=

Q1 − Q2 Q1

= 1−

Q2 Q1 4

2

Mesin Kalor Siklus Carnot ? Pernya Pernyataa taan n Kelvin Kelvin-Pl -Plank ank Reservoir Panas T1 Q1 W

Pernyataan Pernyataan Kelvin-Pla Kelvin-Plank nk tentang tentang hukum termodinam termodinamika ika II : Tidaklah Tidaklah mungki mungkin n membua membuatt suatu suatu mesin mesin yang yang bekerj bekerja a dalam dalam suatu suatu siklus siklus dengan dengan hanya hanya reserv reservoir oir tungga tunggall 5

Kebalikan Mesin Kalor Carnot = Mesi Mesin n Refr Refrig iger eras asii Carn Carnot ot Tk 

Lingkungan Qk  W

R Qo Benda Dingin To

COP =

Energi Energi disera diserap p dari dari benda benda dingin dingin (tempe (temperat ratur  ur  To) sebesar sebesar Qo, dengan dengan menggunaka menggunakan n mesin refrig refrigera erasi si Carnot Carnot,, untuk untuk itu dibutu dibutuhka hkan n kerja kerja sebesa sebesarr W, kemudi kemudian an kalor kalor dilepa dilepaska skan n ke lingkungan lingkungan “panas” “panas” (temperatu (temperaturr Tk) sebesar  sebesar  Qk. Ukuran Ukuran kinerja kinerja Mesin Refrigerasi Carnot dinyatakan dinyatakan sebagai sebagai COP (Coefficie (Coefficient nt of Performan Performance), ce), yang didefinisik didefinisikan an sebagai sebagai :

Energi yang termanfaatkan Kerja yang dilakukan

=

Qo W  6

3

Kinerja Siklus Refrigerasi Carnot Tidak ada siklus yang mempunyai COP lebih besar dari COP siklus Refrigerasi Carnot pada Temperatur kerja yang sama. (Tk, To), sehingga untuk proses dengan temperatur konstan diperoleh : dQ = Tds Karena

T k 

COP =

2

3

W

Qo

To

W 

4

1

Maka :

Qo

COP =

T o

5

T k  − T o

6

s

Proses 1-2 : Kompresi isentropik, s1=s2 Proses 2-3 : Pembuangan kalor pada isotermal, T2 = T3 Proses 3-4 : Ekspansi isentropik, s3=s4 Proses 4-1 : Penyerapan kalor secara isotermal, T4 = T1

Buktikan !!!!

7

Perbedaan Mesin, Pompa Kalor  dan Mesin Refrigerasi Sumber kalor  T 1 Ruang yang dipanaskan

E

T k >Th

WE H T 2>T a Lingkungan, T a

WH

T k >Ta To T Lingkungan 3

4

Condenser

Refrigeran Cair 

Tk

Refrigeran Uap W

P/T

Compressor 1

Evaporator Refrigeran Cair

2

Te Refrigeran Uap

Te < T kabin

Qe 14

7

Siklus Refrigerasi Kompresi Uap Q Sederhana P/T c

Tk > T Lingkungan 3

4

Condenser

Refrigeran Cair 

Tk

Refrigeran Uap W

P/T

Compressor Throttling Device 1

Evaporator

2

Te

Refrigeran Cair

Refrigeran Uap Te < T kabin

Qe 15

Proses di Evaporator 

      e       r       u       s       s       e       r       p

A

evaporator 

B

enthalpy 16

8

Proses di Kompresor 

C       e       r       u       s       s       e       r       p

compressor  compressor  A

evaporator 

B

enthalpy 17

Proses di Kondensor 

D

condenser 

C

      e       r       u       s       s       e       r       p

compressor  A

evaporator 

B

enthalpy 18

9

Proses di Alat Ekspansi

D       e       r       u       s       s       e       r       p

 

condenser 

C

expansion device A

compressor 

evaporator 

B

enthalpy 19

Siklus pada diagram P-h  Asumsi : • Refrigeran keluar kondensor  adalah cair jenuh, • Refrigeran keluar Evaporator berfasa uap jenuh. • Proses ekspansi secara isentalpi • Kompresi secara isentropi 3 Condenser 

2

Expansion 1 Compressor 

Evaporator  4

20

10

Siklus pada Diagram P-h dan T-s

21

Contoh aplikasi Sistem Refrigerasi Temperatur akan naik condensation=Kalor dilepas

qout

qout  =q int  +q comp T↑P↑ T↓P↓

qin =evaporasi =Kalor diserap

Temperatur akan turun 22

11

Sistem AC Split

“Liquid Line”

Indoor Unit atau Cooling Unit

Outdoor Unit atau Condensing Unit

Suction Line 23

Sistem Pendingin • Air Cooled  • Water Cooled  • Evaporative Discharge line

Condenser Prime Mover • Motor  • Engine • Steam Turbin • Gas Turbin

Compressor • Scroll • Reciprocating • Screw • Rotary • Centrifugal

Liquid line

Throttling Device High Press. Side

Low Press. Side

• Capillary Tube • Orifice • TXV • Level Con. V. • Hand Ex.V

Evaporator Suction line • Air Cooled Coil • Shell and Tube HX (Liquid Chiller) • Special Configuration for specific Processes 24

12

Perhatikan sekali lagi siklus !! 3 Condenser 

2

Expansion 1 Compressor 

Evaporator  4

Bagaimana dengan kinerja sistem ??? 25

H. Kekekalan Energi pada siklus Qc

3

4

Refrigeran Cair 

Condenser

Tk

Refrigeran Uap W

Compressor

Throttling Device 1

Evaporator

Refrigeran Cair

2

Te

Refrigeran Uap

Q e

Energi yang keluar sistem = energi yang masuk s istem

Qk 

= Qe + W  26

13

Kompresor  W 1

Kerja spesifik dilakukan kompresor 

2

P

qw

Uap

P

= h2 − h1

Uap

Kompresor 

Kerja dilakukan kompresor 

•

Rasio kompresi, Perbandingan tekanan Discharge terhadap tekanan suction.

 Rc

= r c =

q k 

= m(h2 − h1 )

Pd 

qw = besarnya kerja kompresi yang dilakukan (kJ/kg)

Ps

h1 = entalpi refrigeran saat masuk kompresor (kJ/kg)

Laju aliran volume refrigeran yang mengalir di suction • kompresor :

V 1

W  = m q w

•

h2 = entalpi refrigeran saat keluar kompresor (kJ/kg) •

m = laju aliran refrigeran pada sistem. (kg/s)

= m υ 1

27

= h2 − h3

Kondensor 

Kalor dilepas di kondensor persatuan massa refrigeran :

q k  Kalor total dilepas di kondensor, (heat rejection) •

Qk 

= h2 − h3

•

= m q k  = m(h2 − h3 )

qc = besarnya panas dilepas di kondensor (kJ/kg) h2 = entalpi refrigeran saat masuk kondensor (kJ/kg) h3 = entalpi refrigeran saat keluar kondensor (kJ/kg) 28

14

Ekspansi Proses ekspansi terjadi secara adiabatik, artinya tidak ada energi yang keluar maupun masuk. Sehingga ekspansi terjadi pada entalpi konstan atau disebut isentalpi. Kualitas uap atau fraksi uap didefinisikan sebagai :

h3

= h4

 x g

=

Maka fraksi uap di titik 4 didapat :  x g 4

=

Kualitas uap =

massa uap refigeran massa campuran

Karena :

h4

 x g 4

=

Maka fraksi uap dapat ditentukan :

= h f  +  x g 4 h4 hg

− −

h  f 

hg

+ m f 

mg

mg 4 mg 4

+ m f  4

− h f  )

 x g 4

h  f 

mg

=

− h f  h1 − h f 

h4

29

Evaporator  =

qe

Kalor diserap persatuan massa refrigeran :

h1

− h4

Kalor total diserap di evaporator, (Kapasitas pendinginan) : •

Qe

•

= m qe = m(h1 − h4 )

Qe = kalor yang diserap di evaporator (kW) qe = efek pendinginan (efek refrigerasi) (kJ/kg) h1 = harga entalpi ke luar evaporator (kJ/kg) h4 = harga entalpi masuk evaporator (kJ/kg) 30

15

Kinerja sistem COP =

Energi termanfaatkan energi yang digunakan sebagai kerja

COP untuk sistem refrigerasi adalah : •

COP =

Qe

=

W 

m qe •

m qw

•

= m(h1 − h4 )

(h1 − h4 ) • = m(h2 − h1 ) (h2 − h1 ) =

COP untuk sistem heat pump disebt juga Performance Factor (PF) adalah : •

PF  =

Qk  W 

=

•

= m(h3 − h4 ) (h3 − h4 ) = • (h2 − h1 ) m qw = m(h2 − h1 ) m qk  •

31

Kinerja sistem Ukuran kinerja yang lain adalah efisiensi refrigerasi yang didefinisikan sebagai perbandingan COP aktual terhadap COP siklus Carnot pada temperatur kerja yang sama.

η  R

=

COPaktual COPCarnot  32

16

Contoh 1 Diketahui suatu sistem refrigerasi dengan temperatur  evaporasi -5 oC dan temperatur kondensasi sebesar 45 oC. Tentukanlah kinerja (COP) maksimum yang mungkin dicapai oleh sistem tersebut. Jawab : COP maksimum yang dapat dicapai oleh suatu mesin pendingin adalah COP Carnot, yaitu :

COP R ,Carnot 

= COP R ,C  =

Qo W 

=

T o T k  − T o

=

268 318 − 268

= 5,36

Jadi COP maksimumnya adalah 5,36

33

Contoh 2 Jika suatu sistem refrigerasi dengan menggunakan refrigeran R-12, bekerja pada temperatur penguapan (evaporasi) sebesar -10 oC, dan temperatur  pengembunan 45 oC. Bila jumlah kalor yang harus diserap di evaporator sebesar 3,5 kW, tentukanlah



a) b) c) d) e) f)

Gambar dari sistem dan besaran entalpi pada diagram P-h. Laju aliran refrigeran yang bersirkulasi dalam sistem. Laju aliran volume refrigeran saat masuk kompresor. Panas dibuang di kondensor  COP dan Efisiensi refrigerasi dari sistem Rasio kompresi dari kompresor 

34

17

Jawab (soal no 2) 45 oC

3

2

Pk =10,843 bar 

1

4 Ps =2,191 bar 

-10 oC

ν1 = 0,076659 m 3/kg

h2 = 375,545 kJ/kg

h3 = h4 = 243,652 kJ/kg

h1 = 347.141 kJ/kg 35

Jawab (soal no 2) b)

Laju aliran massa = 0,0338 kg/s

c)

Laju aliran volume refrigeran di suction kompresor adalah 2,5926 L/s

d)

Panas yang dibuang di kondensor adalah 4,461 kJ per detik (4,461 kW)

e)

COP-nya adalah 3,64 dan efisiensi refrigerasinya 76,15%

f)

rasio kompresi sebesar 4,949 36

18

Tugas (PR) 

Kumpulkan minggu depan.



Soal-soal Dossat Bab 6 dan 7, soal no : 61, 6-2, 6-3 dan 7-1.



Ditulis tangan pada kertas A4. (tidak dikerjakan dengan Coolpack)

37

Bacaan lebih lanjut : 



Dossat Roy J. Principles of Refrigeration 2nd Ed. John Wiley & Son. Chapter 6-78  Arora CP. Refrigeration And Air Conditioning 2nd Ed. McGraw-Hill. Chapter 2-3

38

19

Efek Sub Cooled 





Pembuangan kalor di kondensor yang berlanjut, menyebabkan refrigeran setelah mengembun berlanjut dengan penurunan temperatur. Hal ini disebut Subcooled. Subcooled menyebabkan efek refrigerasi yang lebih besar. Subcooled dapat terjadi karena antara lain lingkungan kondensor yang menjadi dingin (adanya hujan misalnya),

39

Subcooled di kondensor  P Subcooled 3a

4a

3

2

4

Temperatur Lingkungan

1 q e1 q e2

w e1

Temperatur kabin

w e2

h

40

20

Efek Super Heated 





Penarikan kalor yang berlebihan di evaporator atau sepanjang pipa menuju suction kompresor, menyebabkan refrigeran setelah menguap, kemudian berlanjut dengan kenaikan temperatur. Hal ini disebut Super heated. Subcooled refrigeran yang masuk kompresor lebih panas, akibatnya kompresor bekerja lebih panas. Sub cooled dapat terjadi karena antara laing : beban di evaporator yang berlebih, sistem kekurangan refrigeran atau pipa menuju suction tidak diisolasi.

41

Superheated di evaporator  P

3

2

4

Temperatur Lingkungan

1 q e1 q e2

2a

w e1

1a Temperatur kabin

w e2

Superheated

h

42

21

Sistem dengan Liquid to Suction Heat exchanger (HX)

Keuntungan sistem ini : Meningkatkan efek refrigerasi Fasa cair masuk alat ekspansi Fasa uap masuk suction kompresor 

Kerugian : Uap refrigeran masuk kompresor  lebih “panas”, sehingga kompresor   jadi lebih panas 43

Penurunan Temperatur Evaporasi P

3

2

2b Temperatur Lingkungan

4 4b

1

Temperatur kabin 1

1b q e1 q e2

Temperatur kabin 2

w e1 w e2 h

Penurunan temperatur evaporasi dapat terjadi karena: 1. Setting temperatur kabin yang lebih dingin 2. Kekurangan refrigeran 3. Terjadi penyumbatan di liquid line

Hal iniakan berakibat : 1. Efek pendinginan turun 2. Kerja kompresor meningkat 3. Kinerja (COP) mesin turun 44

22

Kenaikan Temperatur Kondensasi P 2a

3a 3

2

4

Temperatur Lingkungan 2

Temperatur Lingkungan 1

1 q e1 q e2

w e1

Temperatur kabin

w e2

h Kenaikan temperatur kondensasi dapat terjadi karena: 1. Lingkungan kondensor yang lebih panas 2. Kondensor kotor  3. Pedinginan kondensor tidak jalan 4. Terjadi penyumbatan di liquid line

Hal iniakan berakibat : 1. Efek pendinginan turun 2. Kerja kompresor meningkat 3. Kinerja (COP) mesin turun 45

Siklus Refrigerasi Sebenarnya 



 Adanya “ketidak idealan” pada mesin sebenarnya menyebabkan penggambaran siklus refigerasi sebenarnya pada diagram P-h berbeda dengan siklus refigerasi sederhana Hal tersebut disebabkan karena antara lain : 

Rugi-rugi gesek disepanjang pipa



Gesekan piston/silinder di kompresor 

 Adanya katup-katup di suction dan discharge



46

23

Siklus refrigerasi sebenarnya

2       e       r       u       s       s       e       r       p

3a 3b

4

2c

3

2a 2b

1d

1c 1a

enthalpy

1b

1

1d-1c : Superheat di evaporator  1c-1b : Rugi kalor di suction line 1b-1a : Drop tekanan di suction line 1a-1 : Drop tekanan krn katup suction 1 – 2 : Kompresi politropik  ≠ isentropik 2 – 2a : Drop tekanan di discharge valve 2a-2b : drop tekanan di discharge line 2b-2c : Rugi kalor di superheating di discharge line 2c-3 : Drop tekanan di kondensor  3-3a : Subcooling di kondensor atau di subcooler  3a-3b : Pelepasan kalor di liquid line 3b-4 : penurunan tekanan tidak adiabatik 4– 1d : Drop tekanan di evaporator. 47

Siklus refrigerasi sebenarnya

48

24

Sistem Refrigerasi Kompresi Uap Multi Stage (bertingkat), 2 tingkat Mixing point

intercooler 

Tekanan di Intercooler didisain sebesar :

Pi

=

Pd  Ps 49

Intercooler  

Di Inter coler terjadi 2 (dua) kali ekspansi.

Pencampuran 

Di titik Pencampuran (Mixing Point)

50

25

Kinerja sistem Multi Stage (2 tingkat) 

Kalor diserap di evaporator 



Kerja kompresor 



Coefficient of Performance



Laju aliran refrigeran



Dimana 51

Sistem Refrigerasi Kompresi Uap Multi Stage (bertingkat), tingkat

52

26

Sistem Refrigerasi Kompresi Uap Cascade

53

CoolPack 



 Adalah suatu perangkat lunak, yang dapat digunakanuntuk menganalisis suatu siklus refrigerasi kompresi uap. Software bersifat bebas (Freeware), dan dapat didownload di website http://www.et.dtu.dk/CoolPack

54

27

55

Contoh : 

Diketahui Sistem Refrigerasi dengan refrigeran R134a bertekanan kerja : Ps = 0,5 bar dan P d = 9 bar  Bila kapasitas pendinginan 1,5 kW, tentukan prestasi dari sistem, kalor dilepaskan di kondensor, kerja kompresor dan laju aliran massa refrigeran dalam sistem Catatan : Tekanan terukur biasanya berupa tekanan gauge.

56

28

57

Hasil perhitungan (dgn coolpack) Temperatur evaporasi [°C] = Temperatur kondensasi [°C] =

-17.17 39.39

Dari Gambar diperoleh : h1 = 387,0 kJ/kg h2 = 426,3 kJ/kg h3 = h4 = 255.3 kJ/kg

Dihitung qe [kJ/kg] qc [kJ/kg] w [kJ/kg] COP [-] Pressure ratio [-] =

= = = =

131.749 171.058 39.309 3.35

6.667

Dengan kapasitas pendinginan Qe = 1.500 kW, maka Kalor dilepaskan di Kondensor, Qc = 1.948 kW, Kerja dilakukan kompresor, W = 0.448 kW Laju aliran sirkulasi masa refrigeran dalam sistem m = 0.01138525 kg/s 58

29