Prinsip Kerja Chiller Tipe Water Cooled
Sistem refrigerasi siklus kompresi uap merupakan jenis mesin refrigerasi yang paling banyak digunakan saat ini. Siklus kompresi uap mampu menyerap kalor pada ruangan atau beban melalui alat yang disebut evaporator dan membuang kalor ke atmosfer melalui alat penukar panas (heat exchanger) yang disebut kondensor melalui fluida yang disebut refrigeran. Mesin refrigerasi siklus kompresi uap terdiri dari empat komponen utama dan mempunyai komponen mekanik pendukung seperti halnya strainer, solenoid valve, dll, namun dalam hal ini lebih fokus membahas keempat komponen utama dari sistem refrigerasi siklus kompresi uap. Adapun ke empat komponen yang dimaksud adalah sebagai berikut: kompresor, kondensor, alat ekspansi dan evaporator. Adapun skematik kerja dari keempat komponen itu digambarkan pada Gambar dibawah:
Gambar skematik kerja sistem siklus kompresi uap
Proses sistem skematik kerja refrigerasi sistem siklus kompresi uap pada Gambar di atas dapat digambarkan pada diagram pressure-enthalpy (P-h diagram), seperti Gambar di bawah ini:
Gambar diagram Ph
Adapun cara kerja siklus kompresi uap adalah sebagai berikut:
a. Proses 1-2
Refrigeran meninggalkan evaporator dalam fase uap jenuh dengan temperatur dan tekanan rendah, kemudian oleh masuk ke kompresor melalui suction line, dikompresikan di dalam silinder kompresor sehingga temperatur dan tekanan uap refrigeran yang keluar dari kompresor melalui discharge line mengalami kenaikan. Proses ini terjadi dalam kompresor diasumsikan sebagai proses isentropik.
b. Proses 2-3
Setelah mengalami proses kompresi, refrigeran berada pada fase uap panas dengan tekanan dan temperatur tinggi. Untuk mengubah wujud menjadi cair (kondensasi), kalor harus dilepaskan ke lingkungan melalui alat yang disebut dengan kondensor. Refrigeran mengalir melalui kondensor dan pada sisi lain dialirkan fluida pendingin (udara atau air) dengan temperatur lebih rendah dari temperatur refrigeran. Oleh karena itu kalor akan berpindah dari refrigeran ke fluida pendingin dan refrigeran akan mengalami perubahan fasa dari uap menjadi cair dengan temperatur dan tekanan tetap tinggi. Proses kondensasi terjadi pada temperatur dan tekanan yang konstan atau secara termodinamika disebut dengan proses isobaris.
Gambar diagram proses isobaris
c. Proses 3-4
Setelah mengalami proses kondensasi refrigeran berubah fase menjadi cair namun masih tetap dengan keadaan termperatur dan tekanan tinggi kemudian masuk ke alat ekspansi untuk diturunkan tekanannya sehingga fase refrigeran menjadi fase campuran gas dan cair dan proses ini terjadi dalam keadaan enthalpy konstan.
d. Proses 4-1
Refrigeran fase campuran antara cair dan uap dengan tekanan dan temperatur rendah masuk evaporator menyerap kalor dari ruangan atau media yang akan didinginkan. Dengan adanya penyerapan kalor ini maka diharapkan refrigeran sepenuhnya berubah fase menjadi uap panas lanjut setelah keluar dari evaporator.
Refrigeran
Refrigeran adalah zat yang digunakan sebagai fluida kerja dalam mesin sistem pendingin yang bekerja dalam proses penyerapan panas. Ada beberapa jenis refrigeran yang sudah dikembangkan mulai dari yang tidak mudah terbakar namun mempunyai nilai GWP (Global Warming Potential) dan ODP (Ozon Depleting Potential) yang tinggi dan sebaliknya ada yang mudah terbakar namun mempunyai nilai GWP dan ODP yang rendah. Refrigeran merupakan fluida yang berfungsi untuk menyerap kalor pada lingkungan yang di kondisikan dengan proses evaporasi dan melepaskan kalor ke lignkungan luar dengan proses kondensasi. R123 adalah cairan sintetis dengan memiliki karakteristrik yang tidak mudah terbakar, mudah menguap yang digunakan sebagai zat pendingin dalam instalasi pendingin udara komersial dan industri. Potensi perusakan pada lapisan ozon hanya 2% dari CFC-11 (triklorofluorometana) yaitu sebesar 0,02 dan untuk potensi pemanasan global pada R123 yaitu 300 kali lipat selama 20 tahun dibandingkan dengan karbon dioksida yaitu GWP sebesar 77. Dengan demikian, HCFC-123 saat ini digunakan sebagai pengganti transisi untuk klorofluorokarbon dan bromofluorokarbon yang dihapus sesuai dengan Protokol Montreal 1987 tentang Zat yang merusak lapisan ozon.
Tabel Karakteristik R123
Prinsip Kerja Chiller Tipe Water Cooled
Chiller tipe water cooled merupakan jenis sistem refrigerasi dengan sistem indirect system atau sistem pendinginan secara tidak langsung. Chiler tipe water cooled menggunakan dua media refrigerant pendigin yaitu refrigerant primer (R123) dan refigeran sekunder (Air). Pada sistem ini pada sisi evaporator dan kondensor terjadi perpindahan panas antara refrigerant primer dengan refrigerant sekunder. Kemudian pada sisi evaporator air yang sudah di ambil kalornya distribusikan ke FCU ataupun AHU untuk di hembuskan ke ruangan, dan begitu juga sebaliknya pada sisi kondesor air yang sudah mengambil kalor dari refrigerant primer didistribusikan ke cooling tower untuk di lepaskan kalornya ke ruangan luar/terbuka. Berikut adalah skema diagram sistem chiller tipe water cooled.
Gambar prinsip kerja chiller tipe water cooled
Chiller tipe water cooled adalah sistem pendinginan ruangan yang dikontrol dari satu titik atau tempat dan didistribusikan secara terpusat ke seluruh isi gedung dengan kapasitas yang sesuai dengan ukuran ruangan dan didistribusikan dengan menggunakan saluran udara (ducting). AC jenis ini banyak digunakan di gedung-gedung besar seperti pusat perbelanjaan, perkantoran, hotel, restoran, serta rumah sakit. Chiller tipe water cooled memiliki beberapa komponen utama yaitu
kompresor, kondensor, alat ekspansi, evaporator, Air Handling Unit (AHU), Fan Coil Unit (FCU), Cooling Tower, pompa sirkulasi, sistem pemipaan, sistem saluran
udara atau ducting dan sistem kontrol kelistrikan.Chiller tipe water cooled merupakan AC dengan pendingin tidak langsung.Dimaksudkan demikian karena refrigeran sebagai media pendinginan di dalam sistem refrigerasi digunakan untuk mendinginkan air menjadi chilled water.
Kemudian chilled water ini disirkulasikan oleh pompa sirkulasi air dingin (chilled water pump) ke FCU atau AHU. Pada alat ini nantinya ruangan didinginkan oleh air tersebut. FCU digunakan untuk mendinginkan udara ruangan yang berukuran kecil sedangkan untuk ruangan yang besar digunakan AHU, dimana udara dingin di AHU disalurkan ke ruangan yang akan dikondisikan melalui saluran udara. Dan pada sistem kondensor, panas yang dihasilkan kondensor akan diserap oleh air dan panas yang dibawa oleh air tersebut selanjutnya akan dibuang dengan bantuan cooling tower.
Gambar Skema kerja chiller tipe water cooled
Komponen Chiller Tipe Water Cooled
Chiller tipe water cooled memiliki beberapa komponen utama dan pendukung sebagai berikut:
1. Kompresor
Kompresor adalah salah satu komponen mekanik yang sangat berperan penting atau 12awa dibilang sebagai jantung kerja dalam sistem refrigerasi siklus kompresi uap. Adapun fungsi dari kompresor adalah untuk mengkompresikan atau memanpatkan 12awasan1212ro fase uap bertekanan dan bertemperatur rendah keluaran dari evaporator yang masuk ke kompesor melalui suction line dan keluar kompresor pada sisi discharge line menjadi uap bertekanan dan bertemperatur tinggi. Menurut jenisnya kompresor dapat dibedakan dengan 5 jenis, yaitu:
a. Kompresor torak (Reciprocating)
b. Kompresor putar (rotary)
c. Kompresor helixs (screw)
d. Kompresor sentrifugal
e. Kompresor scroll
Selanjutnya kompresor dibedakan berdasarkan pengaturan motornya, yaitu:
a. Kompresor hermetik
Pada kompresor jenis hermetik, kontsruksinya hampir sama dengan kompresor semi hermetik. Perbedaannya hanya terletak pada cara penyambungan rumah kompresor dengan stator motor penggeraknya. Pada kompresor hermetik dipergunakan sambungan las sehingga rapat udara. Rumah kompresor dibuat dari
baja dengan pengerjaan las, sehingga baik kompresor maupun motor listrik tidak dapat diperiksa tanpa memotong rumah kompresor.
b. Semi hermetik
Pada kompresor jenis semi hermetik, antara motor penggerak dan
kompresornya dibuat menjadi satu. Jadi rotor motor listrik tersebut berada di dalam perpanjangan ruang engkol dari kompresor. Dengan cara demikian tidak diperlukan penyekat poros, sehingga dapat dicegah terjadinya kebocoran gas refrigeran. Di samping itu, konstruksinya menjadi lebih kompak dan bunyi mesin menjadi lebih halus. Rumah kompresor terbuat dari besi tuang, bagian penutup dan penyambungnya masih dapat dibuka, sehingga apabila terjadi kerusakan pada salah satu komponennya dapat dengan mudah diperbaiki.
Pada chiller tipe water cooled yang diinvestigasi menggunakan kompresor
sentrifugal, Kompresor sentrifugal adalah kompresor dengan prinsip kerja mengkonversikan energi kecepatan gas/udara yang dibangkitkan oleh aksi/gerakan impeller yang berputar dari energi mekanik unit penggerak menjadi energi potensial (tekanan) di dalam diffuser.
2. Kondensor
Kondensor adalah tempat berubahnya fase refrigeran dari gas bertekanan dan bertemperatur tinggi menjadi cair bertemperatur tinggi dengan cara melepas kalornya. Proses pelepasan panas pada kondensor dibantu dengan dua yaitu dengan media bantu hembusan dari fan yang disebut dengan Air cooled condenser dan dengan cara media bantu air yang disebut dengan Water cooled condenser.
Penggunaan kondensor pada AC central yang diinvestigasi ini adalah jenis water cooled condenser dengan tipe shell and tube, prinsip kerja kondensor dengan jenis
shell and tube ini adalah fluida yang satu mengalir dalam pipa-pipa (tube), sedangkan fluida yang lagi satu dialirkan pada selongsong (shell) melintasi luar tube. Kebanyakan jenis penukar kalor ini menggunakan lebih dari satu lintas pipa-pipa dan fluida yang mengalir di luar pipa-pipa yaitu pada selongsong (shell) diarahkan bolak balik dengan sekat-sekat. Kemampuan fluida pendingin untuk menerima kalor dipengaruhi oleh beberapa faktor, yaitu: koefisien perpindahan kalor keseluruhan, luar perpindahan kalor, dan selisih temperatur. Hubungan antara besaran ini adalah:
Q= U. A. ∆T
Dimana:
U = koefisien perpindahan kalor keseluruhan
A = luas perpindahan kalor
∆T = selisih temperatur
Besarnya koefisien perpindahan panas keseluruhan (U) adalah merupakan kebalikan dari tahanan termal keseluruhan. Tahanan kereluruhan terhadap perpindahan kalor itu adalah jumlah semua tahanan pada alat penukar kalor, yaitu tahanan konveksi fluida panas, konveksi lapisan atau kotoran pada sebelah fluida panas, tahanan konduksi karena tebal pipa (tube). Tahanan panas pada lapisan kotoran disebalah fluida dingin serta tahanan dari fluida itu sendiri. Hubungan antara besaran ini adalah sebagai berikut:
Dimana:
Uo = koefisien perpindahan panas berdasarkan seluruh tube
ho = koefisien perpindahan panas pada lapisan film bagian luar
hod = koefisien perpindahan panas kotoran pada luar tube (fouling factor)
hid = koefisien perpindahan panas kotoran pada bagian dalam
h1 = koefisien perpindahan panas film pada bagian dalam tube
do = diameter luar tube
di = diameter dalam tube
kondensor jenis shell and tube dapat dilihat pada gambar di bawah:
Gambar kondensor shell and tube
Alat ekspansi
Alat ekspansi adalah alat yang berfungsi khusus untuk menurunkan tekanan refigeran dan mengatur laju aliran refrigeran ke evaporator. Dalam hal ini karena tekanan dan temperatur berbanding lurus maka fase refrigran yang keluar dari alat ekspansi adalah campuran gas dengan cair bertekanan dan bertemperatur rendah.
Alat ekspansi dalam hal ini ada 2 tipe yaitu katup ekspansi dan pipa kapiler. Alat Ekspansi yang digunakan pada chiller yang diinvestigasi adalah tipe inlear fload chamber yang dimana sistem ekspansi ini menggunakan bandul sebagai pengontrolaliran refrigeran ke dalam evaporator. Pada dasarnya alat ekspansi ini adalah alat ekspansi yang terdapat sebuah bandul dan sebuah penampung refrigeran cair, jadi refrigeran cair keluar kondensor akan ditampung terlebih dahulu di dalam alat ekspansi, ketika refrigeran tersebut penuh maka bandul tersebut akan otomatis menutup keran dan refrigeran yg berada di penampungan akan sedikit demi sedikit mengalir ke keluaran alat ekspansi yang diameter nya kecil, karena diameter alat ekspansi tersebut kecil maka refrigeran tersebut akan mengalami penurunan tekanan dan di ikut dengan proses penguapan.
Gambar Alat ekspansi
Cooled water evaporator
Cooled water Evaporator adalah tempat berubah fase refrigeran cair ke gas dengan cara menyerap panas dari air yang melalui evaporator setelah panas air diserap kemudian air akan didistribusikan ke AHU atau FCU. Konstruksi evaporator jenis cooled water adalah shell and tube, sama seperti shell and tube kondensor, shell and tube evaporator memiliki konstruksi pipa air dingin di dalam sebuah shell atau selongsong, jadi refrigeran akan mengalir di dalam shell dan akan mendinginkan air yang bersirkulasi di dalam pipa, dan selanjutnya air dingin tersebut akan didistribusikan ke AHU & FCU.
Gambar evaporator shell and tube
Cooling tower
Cooling tower adalah mesin yang berfungsi untuk mendinginkan air yang dipakai pendinginan kondensor Chiller dengan cara melewati air panas pada fill didalam cooling tower dan dibantu dengan kipas yang dihembuskan ke air agar temperatur air turun. Atau prinsip kerja cooling tower bisa dilihat pada gambar berikut:
Gambar Cooling tower
Variasi temperatur dalam cooling tower berhubungan dengan jauhnya panjang pipa melalui cooling tower. Ketika temperatur air masuk cooling tower maka perpindahan panas akan terjadi antara air dengan udara. Dapat dilihat pada gambar grafik dibawah pada garis temperatur untuk air dan udara tidak berbanding lurus, maka selisih temperatur pada fluida air dan udara disebut temperatur approach.
Gambar variasi temperatur cooling tower
Air Handling Unit (AHU) dan Fan Coil Unit (FCU)
Prinsip kerja dari AHU dan FCU bisa dikatakan sama yaitu alat yang digunakan untuk mendinginkan ruangan. Unit ini menggunakan air sebagai media penukar kalor dan dipakai pada beban pendinginan yang besar. Air dingin diproduksi oleh mesin chiller. Pada AHU udara ruangan dihisap melalui saluran udara dan dicampur dengan udara luar pada ruang koil pendingin, kemudian udara didistribusikan ke ruangan melalui saluran udara. Namun pengaplikasiannya saja yang berbeda, AHU adalah coil pendingin dengan kapasitas sekala besar sedangkan FCU dengan sekala kecil
Gambar AHU dan FCU
Chilled Water Pump
Chilled water pump adalah pompa yang digunakan untuk mensirkulasikan air yang telah didingankan oleh evaporator untuk kemudian didistribusikan ke AHU dan FCU untuk megkondisikan ruangan ruangan.
Gambar Chilled water pump
Cooling Water Pump
Cooling water pump adalah pompa air dimana pompa air tersebut berfungsi untuk mensirkulasikan air pendingin dari kondensor ke cooling tower. Hal itu bertujuan agar air yang telah menyerap panas di kondensor dapat disirkulasikan ke cooling tower untuk didinginkan, dan nantinya air yang telah didinginkan disirkulasikan kembali menuju kondensor untuk mendinginkan kondensor.
Gambar Cooling water pump
Analisa Operasional dari Chiller Tipe Water Cooled Untuk mengetahui perfomansi operasional dari sistem chiller tipe water cooled dapat dilakukan dengan cara berikut:
1. Temperatur approach
Temperatur approach merupakan perbandingan temperatur antara fluida jenis refrigeran primer dengan refrigeran sekunder yang dipengaruhi oleh perpidahan panas pada alat penukar kalor baik itu kondensor maupun evaporator. Sistem chiller dengan tipe water cooled semakin kecil nilai refrigeran approach pada alat penukar kalor maka semakin bagus sistem itu bekerja.
Gambar Temperatur approach
a) Temperatur approach kondensor
Temperatur approach kondensor adalah selisih temperatur pada bagian refrigeran primer dan refrigeran sekunder yang menunjukan berapa temperatur yang berhasil diserap oleh air dari refrigeran untuk di buang panasnya. Untuk menentukan temperatur evaporasi yaitu dengan konversi tekanan pada sisi evaporator dengan digunakan software mobile refrigerant slider. Untuk temperatur pada evaporator dapat perhitungkan sebagai berikut:
tapp = Tkondensasi − TLW
Dimana
Tapp = Temperatur approach pada kondensor
Tkondensasi = Temperatur kondensasi
TLW = Temperatur Leaving Water
b) Temperatur approach evaporator
Temperatur approach pada sisi evaporator adalah selisis temperature yang berhasil diserap oleh air dari refrigeran untuk didistribusikan ke AHU atau FCU. Dimana temperatur approach pada sisi evaporator dapat ditentukan dengan sebagai berikut :
Tapp = TLW− Tevaporasi
Dimana;
Tapp = Temperatur approach pada evaporator
Tevaporasi = Temperatur evaporasi
TLW = Temperatur Leaving Water
2. Kerja Kompresi (Wk)
Besarnya kerja kompresi (Wk) sama dengan selisih enthalpy uap refrigeran yang keluar kompresor dengan enthalpy uap refrigeran yang masuk ke kompresor, atau secara matematis dapat diuraikan sebagai berikut:
Wk = ℎ2 − ℎ1
Keterangan :
Wk = kerja kompresi
h1 = enthalpy uap refrigeran pada sisi hisap kompresor (kj/kg)
h2 = enthalpy uap refrigran pada sisi buang kompresor (kJ/kg)
3. Efek Refrigerasi (ER)
Efek Refrigerasi (ER) adalah kalor yang diterima oleh sistem dari lingkungan melalui evaporator per satu massa laju refrigeran. Efek refrigerasi merupakan parameter penting, karena merupakan efek yang berguna dan diinginkan dari suatu sistem mesin pendingin. Besarnya efek refrigerasi tersebut adalah:
ER = ℎ1 − ℎ4
Keterangan :
ER = efek refrigerasi
h1 = enthalpi uap refrigeran yang keluar evaporator (kJ/kg)
h4 = enthalpi uap refrigeran yang masuk evaporator (kJ/kg)
4. Coefficient Of Perfomance (COP)
Unjuk kerja atau yang lebih dikenal dengan COP (coefficient of Performance) menurut perbandingan antara kapasitas refrigerasi (KR) dengan adanya (Pk) yang dibutuhkan untuk menggerakkan kompresor. Untuk satu satuan massa 23awasan2323ro maka unjuk kerja dapat didefinisikan sebagai perbandingan antara efek refrigerasi (ER) sistem dengan kerja kompresor (Wk) yang dibutuhkan untuk mengkompresikan 23awasan2323ro di kompresor. Unjuk kerja merupakan parameter yang sangat penting didalam sistem pendinginan, karena semakin besar harga unjuk kerja (COP) maka semakin baik kerja dari sistem pendinginan tersebut.
Kalau efisiensi biasanya nilainya lebih kecil dari 1 sedangkan unjuk kerja (COP) biasanya lebih besar dari 1.
0 Comments