AC Central (Water Chiller)

Istilah AC (Air Conditioner) sudah tidak asing lagi bagi kita. Alat ini digunakan untuk mengkondisikan udara sehingga dapat mencapai temperatur dan kelembaban yang sesuai dengan yang dipersyaratkan terhadap kondisi udara dari suatu ruangan tertentu. Disamping mengatur temperatur dan kelembaban udara, maka faktor lain yang juga diatur adalah : ventilasi udara, gerakan aliran udara, kebersihan (bau dan debu), penyebaran dan distribusi yang merata keseluruh ruangan.

Berbagai bentuk dan jenis AC dapat kita jumpai seperti AC Window, AC Split, AC Paket, AC jenis Water Chiller dsb. Ketiga jenis AC yang disebutkan pertama di atas adalah merupakan AC dengan pendinginan secara langsung (direct contact). Dikatakan demikian karena refrigeran sebagai media pendingin langsung digunakan untuk mendinginkan udara ruangan yang dikondisikan. Sedangkan AC jenis Water Chiller merupakan AC dengan pendinginan tidak langsung (indirect contact). Dimaksudkan demikian karena refrigeran sebagai media pendingin di dalam sistim refrigerasi digunakan untuk mendinginkan air (disebut chilled water). Kemudian 'chilled water' ini disirkulasikan oleh pompa sirkulasi air dingin (chilled water pump) ke FCU (Fan Coil Unit) atau AH U (Air Handling Unit). Pada alat inilah nantinya udara ruangan didinginkan oleh air dingin tersebut. FCU digunakan untuk mendinginkan udara ruangan yang berukuran kecil sedangkan untuk ruangan-ruangan besar dapat dilayani dengan AHU, dimana udara dingin dari AHU disalurkan ke ruangan yang akan dikondisikan melalui saluran udara (air duet).

1 Prinsip kerja :

Uap refrigeran yang bersuhu dan bertekanan rendah dihisap oleh kompresor untuk dikompresikan sehingga menjadi uap yang bertekanan dan bersuhu tinggi. Keluar dari kompresor, uap ini dialirkan ke kondensor untuk dikondensasikan. Selama proses kondensasi ini refrigeran mengeluarkan/melepas sejumlah kalor ke media pendingin kondensor, dalam hal ini udara. Keluar dari kondensor, refrigeran sudah dalam fase cair tetapi tekanan dan suhunya masih tinggi. Melalui alat ekspansi (pipa kapiler atau katup ekspansi), cairan refrigeran ini diekspansikan menjadi cairan + uap dengan suhu dan tekanannya rendah. Cairan + uap refrigeran ini selanjutnya mengalir ke evaporator. Di evaporator refrigeran ini akan menyerap sejumlah kalor dari media yang ada disekitar evaporator, yaitu air. Kalor yang diserap ini akan digunakan untuk mengubah fase refrigeran dari fase cair + uap menjadi uap dengan tekanan dan suhunya masih rendah. Keluar dari evaporator, uap refrigeran ini dihisap kembali oleh kompresor. Siklus ini akan terjadi berulang-ulang selama kompresor bekerja. Disisi lain air dingin (chilled water) yang telah didinginkan di evaporator selanjutnya dipompakan menuju FCU (fan coil unit). Disini air dingin ini akan mendinginkan udara ruangan yang dilewatkan melalui coil pendingin. Dengan blower udara yang telah mengalami pendinginan itu disirkulasikan kembali ke ruangan. Sedangkan air yang telah digunakan untuk mendinginkan udara tadi selanjutnya dialirkan kembali ke evaporator.

2.  Performansi dari sistim refrigerasi

Istilah performansi di dalam sistim refrigerasi lebih dikenal dengan "koefisien prestasi" (Coefficient Of performance, disingkat dengan COP), identik dengan efisiensi di dalam mesin kalor. Kalau efisiensi harganya lebih kecil dari 1, maka koefisien prestasi harganya lebih besar dari 1. Makin besar harga koefisien presatsi ini maka dikatakan sistim tersebut makin baik prestasinya. Koefisien prestasi merupakan perbandingan antara efek refrigerasi dengan kerja kompresi yang terjadi di dalam kompresor. Besaran koefisien prestasi (COP) ini merupakan besaran tanpa dimensi (dimensionless).

Secara matematis, COP dinyatakan dengan :

1.  Efek Rferigerasi (Refrigerating Effect)

Efek refrigerasi menyatakan jumlah kalor yang diserap oleh refrigeran di dalam evaporator untuk setiap satu satuan massa refrigeran. Efek refrigerasi merupakan karakteristik yang penting dari refrigeran. Efek refrigerasi akan berpengaruh langsung terkadap kapasitas refrigerasi (refrigeration capasity) dari sistim.

Secara matematis, efek refrigerasi (ER) dinyatakan sbb. :

ER = h₁-h₄     (BTU/lbm)

Dimana :

                   h₁ = entalpi uap refrigeran meninggalkan evaporator (BTU/lbm)

                   h₄ = entalpi cairan + uap refrigeran masuk evaporator (BTU/lbm)

2. Kerja Kompresi (Wk)

Untuk mengkompresi uap refrigeran yang bertekanan rendah menjadi uap refrigeran yang bertekanan tinggi, kompresor memerlukan usaha/kerja. Besarnya usaha/kerja (disebut kerja kompresi, Wk) sama dengan selisih entalpi uap refrigeran yang keluar kompresor dengan entalpi uap refrigeran yang masuk kompresor.

Secara matematis, Wk dinyatakan dengan :

Wk = (h₂-h_l).   (BTU/lbm) = V.I.cosθ (Watt)

Dimana :

h₁ = entalpi uap refrigeran pada sisi isap kompresor (BTU/lbm)

h₂ = entalpi uap refrigeran pada sisi keluar kompresor (BTU/lbm)

3. Kalor Yang Dibuang Di Kondensor (qk)

Kalor yang dibuang oleh refrigeran di kondensor sama dengan kalor yang diserap oleh refrigeran di evaporator ditambah dengan kalor yang setara dengan kerja kompresi di kompresor. Hal ini merupakan keseimbangan kalor (heat balance) di dalam sistim refrigerasi.

q_k = (h₁-h₄) + (h₂-h₁)          (BTU/lbm)

= (h₂-h₃)

Dimana :

h₃ = h₄

h₂ = entalpi uap refrigeran masuk kondensor (BTU/lbm)

h₃ = entalpi cairan refrigeran keluar kondensor (BTU/lbm)

4. Diagram Mollier (Diagram P - h)

Diagram Mollier menunjukkan karakteristik dari gas refrigeran, sehingga dapat menyatakan hubungan antara Tekanan (P) pada ordinat dan Entalpi (h) pada absis dari siklus refrigerasi. Oleh karena itu diagram Mollier juga dinamai diagram P - h.

Seperti gambar di bawah, diagram Mollier dibagi menjadi 3 bagian untuk membedakan tingkat keadaan refrigeran yaitu tingkat keadaan cairan superdingin (sub-cooled); uap basah (saturated vapor) dan uap superpanas (superheated vapor). Ketiga tingkat keadaan ini dipisahkan oleh garis cairan jenuh (saturated liquid line) dan garis uap jenuh (saturated vapor line). Pada diagram Mollier ini akan digambarkan siklus aktual dari sistim refrigerasi alat praktikum AC jenis water chiller.

Diagram Mollier (diagram P - h) aktual dari sistim refrigerasi dapat dilihat seperti pada

 

Gambar Diagram P-h aktual Sistem Refrigerasi

Keterangan gambar:

1-2     : Proses kompresi uap refrigeran di dalam kompresor

2-3     : Proses kondensasi uap refrigeran di dalam kondensor

3-4     : Proses ekspansi cairan refrigeran di dalam pipa kapiler

4-1  : Proses penguapan refrigeran di dalam evaporator

5.  Keseimbangan Kalor (Heat Balance)

Kondensor, evaporator maupun koil pendingin di dalam FCU adalah merupakan alat penukar kalor (heat exchanger). Pada alat penukar kalor terjadi proses pertukaran/pemindahan kalor antara dua fluida (cair dengan cair atau cair dengan gas atau gas dengan gas) yang temperaturnya berbeda dan dipisahkan oleh suatu dinding padat. Aliran kedua fluida tersebut bisa paralel (paralel flow), bisa menyilang satu dengan yang lainnya (cross flow) atau kedua fluida tersebut mengalir secara berlawanan (counter flow).

Dengan asumsi efisiensi kondensor, evaporator dan koil pendingin di FCU adalah 100 % maka dapat ditentukan rumusan-rumusan keseimbangan kalor pada masing-masing alat tersebut.

a. Keseimbangan Kalor Di Kondensor

Kondensor yang digunakan pada alat praktikum ini adalah kondensor berpendinginan udara (air-cooled condensor). Maka fluida yang mengalir di kondensor adalah refrigeran di dalam pipa dan udara di luar pipa. Di dalam kondensor, refrigeran akan melepaskan sejumlah kalor dan kalor tersebut akan diserap oleh udara.

Secara matematis dapat dirumuskan sbb:

m_ref . (h₂ – h₃) = m_ud . Cp_ud . (t₂ – t₁)

dimana :

m _ref        = laju aliran massa refrigeran (Ibm/menit)

h₂&h₃  = masing-masing entalpi uap dan cairan refrigeran masuk dan keluar kondensor (BTU/lbm)

m_ud          = laju aliran massa udara (Ibm/menit)

Cp_ud        = kapasitas panas jenis udara pada tekanan tetap (BTU/lbm °R)

ti & t₂    = masing - masing   temperatur udara masuk dan   keluar kondensor(°F)

b. Keseimbangan Kalor Di Evaporator

Fluida yang mengalir di evaporator adalah refrigeran di dalam pipa dan air di luar pipa. Refrigeran akan menyerap kalor yang dilepaskan oleh air sehingga temperatur air keluar evaporator menjadi turun/rendah.

Keseimbangan kalor di evaporator dapat ditulis :

Dimana :

m _air            = laju aliran massa air (Ibm/menit)

Cp_air            = kapasitas panas jenis air (BTU/lbm °R)

t₁ & t₂         = temperatur air masuk dan keluar evaporator (°F )

m _ref            = laju aliran massa refrigeran (Ibm/menit)

h₁ & h₄       = entalpi refrigeran keluar dan masuk evaporator (BTU/lbm)

c. Keseimbangan kalor di cooling coil di FCU

FCU (fan coil unit) dipasang di dalam ruangan. Di dalam FCU ini terdapat komponen yang disebut dengan koil pendingin (cooling coil). Di dalam FCU ini, udara ruangan mengalir melalui koil pendingin yang berbentuk pipa bersirip yang di dalamnya mengalir air dingin (chilled water). Arah aliran udaranya menyilang terhadap aliran air dingin (disebut cross flow). Di FCU akan terjadi perpindahan kalor dari udara ke air dingin. Udara yang keluar FCU temperaturnya akan turun sedangkan air yang keluar FCU temperaturnya akan naik.

Keseimbangan kalornya dapat dituliskan sebagai berikut:

Dimana :

m_air         = laju aliran massa air dingin (Ibm/menit)

Cp_air       = kapasitas panas jenis air (BTU/lbm °R)

t_i & t₂     = temperatur air masuk dan keluar FCU (°F )

m_ud         = laju aliran massa udara (Ibm/menit)

h_i & h₀             = entalpi udara masuk dan keluar FCU (BTU/lbm)