Siklus kompresi uap dan diagram p-h: keadaan refrigeran, neraca komponen, superpanas, subdingin, kapasitas, dan COP nyata

Mesin es berkondensor udara di dapur sebuah hotel menghasilkan es jauh lebih sedikit sejak musim kemarau. Mesin itu terpasang di lorong sempit di samping oven, dan sirip kondensornya tertutup debu dan serat. Teknisi memasang manifold pengukur tekanan dan termometer jepit. Tekanan buang terbaca jauh lebih tinggi daripada catatan komisioning, sedangkan tekanan isap hampir normal. Teknisi lain menyarankan menambah refrigeran "karena tekanannya kurang", dan pengelola dapur menanyakan apakah lebih murah mengganti mesinnya.

Untuk menjawab dengan benar, angka di manometer perlu diterjemahkan menjadi keadaan refrigeran di setiap titik siklus, lalu menjadi kalor dan kerja per kilogram. Bab hukum kedua sudah menjelaskan secara ringkas cara kerja siklus kompresi uap dan batas COP Carnot. Bab ini memberikan alat kuantitatifnya, yaitu diagram tekanan-entalpi, dan memakainya untuk membaca kinerja mesin nyata.

Batas pembahasan

Bab ini membahas komponen siklus kompresi uap, keadaan refrigeran, diagram p-h, siklus ideal dan neraca energi komponen, kapasitas dan ton refrigerasi, siklus nyata, pengaruh suhu evaporasi dan kondensasi, rasio tekanan mutlak, pengukuran superpanas dan subdingin, serta pompa kalor dan mesin es. Narasi disiplin Fisika Teknik tipis untuk topik ini, sehingga sumber utamanya narasi Fluida & Termal, yang memuat siklus kompresi uap pada diagram p-h, kapasitas dalam ton refrigerasi, dan contoh kompresor R-22 dari buku pendinginan dan tata udara, perbedaan COP teoretis dan nyata, kompresi isentropik, pipa kapiler yang menghubungkan kondensor ke evaporator melalui saringan, dan katup pelampung sebagai alat ekspansi dari buku teknik pendinginan, definisi uap superpanas dan pengaruh suhu ruang pada suhu kondensasi dari buku termodinamika rekayasa, uap jenuh kering di keluaran evaporator dari buku termodinamika untuk insinyur, serta neraca energi evaporator dan aliran minimum untuk membawa oli dari buku teknologi pendinginan.

Hukum pertama dan neraca aliran tunak diambil dari bab hukum pertama, COP dan batas Carnot dari bab hukum kedua, kalor laten dan tekanan uap dari bab pemuaian dan perubahan fase, tekanan mutlak dan tekanan ukur dari bab fluida statis, dan perpindahan panas di kondensor dari bab perpindahan panas kuantitatif. Sifat refrigeran di bab ini adalah nilai tabel pendekatan untuk R-134a; pekerjaan nyata memakai tabel atau diagram dari pemasok refrigeran untuk refrigeran yang dipakai. Muatan refrigeran, setelan alat ekspansi, dan tekanan kerja sebuah mesin diambil dari pabriknya. Penanganan refrigeran memerlukan teknisi yang berwenang dan alat pemulihan; refrigeran tidak boleh dilepas ke udara.

Empat komponen siklus kompresi uap

Siklus kompresi uap memindahkan kalor dari tempat dingin ke tempat panas dengan memanfaatkan penguapan dan pengembunan refrigeran. Empat komponennya dihubungkan berurutan:

1. Evaporator: refrigeran cair bertekanan rendah menguap pada suhu rendah dan menyerap kalor dari udara, air, atau es yang didinginkan.
2. Kompresor: menghisap uap dari evaporator dan memampatkannya ke tekanan tinggi; suhunya naik. Inilah satu-satunya bagian yang menerima kerja.
3. Kondensor: uap panas bertekanan tinggi melepaskan kalor ke udara atau air pendingin dan mengembun menjadi cair.
4. Alat ekspansi: menurunkan tekanan cairan kembali ke tekanan evaporator. Buku teknik pendinginan dalam sumber mencatat bahwa kondensor dihubungkan ke evaporator oleh pipa kapiler melalui saringan, dan bahwa katup pelampung dapat dipakai sebagai alat ekspansi yang menjaga ketinggian cairan di evaporator. Mesin yang lebih besar memakai katup ekspansi termostatik atau elektronik.

Satu hal penting: suhu penguapan dan pengembunan ditentukan oleh tekanan, seperti titik didih air yang bergantung tekanan di bab perubahan fase. Evaporator dibuat bertekanan rendah agar refrigeran mendidih di bawah suhu ruang dingin, dan kondensor dibuat bertekanan tinggi agar refrigeran mengembun di atas suhu udara luar. Kompresor dan alat ekspansi menjaga dua tingkat tekanan itu.

Keadaan refrigeran: cair jenuh, uap jenuh, superpanas, dan cair subdingin

Pada tekanan tertentu, refrigeran murni mendidih pada satu suhu, yaitu suhu jenuh. Di sepanjang garis jenuh ada beberapa keadaan:

1. Cair subdingin: cairan pada suhu di bawah suhu jenuhnya. Selisihnya disebut subdingin.
2. Cair jenuh: cairan tepat pada suhu jenuh, siap mendidih.
3. Campuran jenuh: sebagian cair dan sebagian uap pada suhu jenuh yang sama. Fraksi massa uapnya disebut kualitas $x$.
4. Uap jenuh kering: seluruhnya uap, tepat pada suhu jenuh.
5. Uap superpanas: buku termodinamika rekayasa dalam sumber menyebut uap superpanas sebagai uap yang suhunya lebih tinggi daripada suhu jenuh pada tekanan itu. Selisihnya disebut superpanas.

Selama refrigeran berada dalam campuran jenuh, menambah kalor tidak menaikkan suhu, hanya mengubah cair menjadi uap. Karena itu suhu di sepanjang sebagian besar evaporator dan kondensor hampir tetap, dan tekanan menentukan suhunya. Teknisi membaca suhu jenuh dari tekanan dengan tabel tekanan-suhu refrigeran. Superpanas dan subdingin adalah satu-satunya keadaan ketika suhu terukur berbeda dari suhu jenuh, dan karena itu keduanya menjadi alat diagnosis utama.

Diagram p-h

Diagram tekanan-entalpi menggambar tekanan mutlak pada sumbu tegak, biasanya berskala logaritmik, dan entalpi spesifik pada sumbu datar. Buku pendinginan dan tata udara dalam sumber menggambar siklus kompresi uap pada diagram p-h, dan diagram ini menjadi bahasa umum teknisi pendingin karena tiga alasan:

1. Kubah jenuh: garis cair jenuh di kiri dan garis uap jenuh di kanan bertemu di titik kritis. Di dalam kubah ada campuran jenuh; di kirinya cair subdingin; di kanannya uap superpanas.
2. Garis datar adalah proses tekanan tetap: evaporator dan kondensor, bila rugi tekannya diabaikan, digambar sebagai garis mendatar.
3. Jarak datar adalah energi: perbedaan entalpi antara dua titik langsung memberi kalor atau kerja per kilogram refrigeran, dalam kJ/kg, sesuai neraca aliran tunak di bab hukum pertama.

Di dalam kubah, garis suhu tetap berimpit dengan garis tekanan tetap, sedangkan di daerah uap superpanas garis suhu menurun tajam ke kanan. Diagram juga memuat garis entropi tetap, yang dipakai untuk menggambar kompresi ideal, dan garis kualitas tetap di dalam kubah.

Satu peringatan: tabel dan diagram dari penerbit berbeda dapat memakai titik nol entalpi yang berbeda. Nilai entalpi mutlak dari dua tabel tidak boleh dicampur, tetapi selisih entalpi antara dua keadaan tetap sama. Selalu pakai satu tabel atau diagram untuk seluruh perhitungan.

Siklus ideal di diagram p-h dan neraca energi tiap komponen

Siklus kompresi uap ideal terdiri atas empat proses yang membentuk segi empat di diagram p-h:

1. 1 ke 2, kompresi isentropik: uap jenuh kering dari evaporator dimampatkan sepanjang garis entropi tetap ke tekanan kondensor. Buku teknik pendinginan dalam sumber merumuskannya sebagai entropi sebelum kompresi sama dengan entropi sesudah kompresi.
2. 2 ke 3, pelepasan kalor tekanan tetap: uap superpanas didinginkan sampai jenuh, lalu mengembun sampai cair jenuh.
3. 3 ke 4, ekspansi: cairan melewati alat ekspansi tanpa kerja dan tanpa kalor, sehingga entalpinya tetap, $h_4 = h_3$. Di diagram, proses ini adalah garis tegak lurus ke bawah. Sebagian cairan langsung menguap ketika tekanannya turun, dan uap itu disebut uap kilat.
4. 4 ke 1, penyerapan kalor tekanan tetap: campuran menguap di evaporator sampai menjadi uap jenuh kering. Buku termodinamika untuk insinyur dalam sumber memakai anggapan yang sama, yaitu uap yang meninggalkan evaporator jenuh kering.

Neraca energi aliran tunak setiap komponen, dengan energi kinetik dan potensial diabaikan:

$q_L = h_1 - h_4 \qquad w = h_2 - h_1 \qquad q_H = h_2 - h_3$

$\text{COP}_\text{R} = \frac{q_L}{w} = \frac{h_1 - h_4}{h_2 - h_1} \qquad \text{COP}_\text{PK} = \frac{q_H}{w}$

Buku teknologi pendinginan dalam sumber menyebut neraca energi di evaporator sebagai bentuk neraca yang umum. Neraca seluruh siklus selalu memenuhi $q_H = q_L + w$, sehingga kondensor harus membuang lebih banyak kalor daripada yang diambil evaporator.

Kapasitas, laju massa, dan ton refrigerasi

Kapasitas pendinginan adalah laju kalor yang diambil evaporator, $\dot Q_L = \dot m\,q_L$, dengan $\dot m$ laju massa refrigeran. Buku pendinginan dan tata udara dalam sumber mencatat bahwa kapasitas sistem pendingin dinyatakan dalam ton refrigerasi (TR), satuan lama yang berasal dari laju pembekuan satu ton pendek air dalam satu hari. Bab hukum kedua memakai 1 TR = 3,517 kW (nilai baku) dan memuat hubungan kW per TR dengan COP.

Laju massa yang dibutuhkan bergantung pada efek refrigerasi $q_L$. Refrigeran dengan $q_L$ besar memerlukan laju massa kecil untuk kapasitas yang sama. Kompresor torak atau rotari pada putaran tetap memindahkan volume uap yang hampir tetap per menit, sehingga laju massanya bergantung pada massa jenis uap yang dihisap. Bila tekanan isap turun, uap yang dihisap makin renggang, laju massa turun, dan kapasitas ikut turun. Itulah sebab kapasitas mesin pendingin selalu dinyatakan bersama suhu evaporasi dan kondensasinya.

Siklus nyata: superpanas, subdingin, rugi tekan, dan efisiensi kompresor

Buku teknik pendinginan dalam sumber membedakan COP teoretis dan COP nyata sebuah mesin pendingin. Siklus nyata berbeda dari siklus ideal dalam beberapa hal:

1. Superpanas di keluaran evaporator: alat ekspansi termostatik diatur agar uap keluar evaporator sedikit lebih panas daripada suhu jenuh. Tujuannya melindungi kompresor dari cairan, karena cairan tidak dapat dimampatkan dan dapat merusak katup dan torak. Superpanas yang berguna di dalam evaporator menambah efek refrigerasi, tetapi superpanas di pipa isap di luar ruang dingin hanya menambah beban kompresor.
2. Subdingin di keluaran kondensor: cairan yang didinginkan di bawah suhu jenuh memiliki entalpi lebih rendah, sehingga $h_4$ lebih rendah dan $q_L$ lebih besar. Subdingin juga memastikan alat ekspansi menerima cairan penuh, bukan campuran yang mengandung gelembung.
3. Rugi tekan: refrigeran kehilangan tekanan di pipa, saringan, dan katup. Rugi tekan di pipa isap paling merugikan karena kompresor harus memampatkan dari tekanan yang lebih rendah. Buku teknologi pendinginan dalam sumber mencatat bahwa rugi tekan minimum tetap diperlukan agar oli kembali, dan bahwa pengangkutan oli di pipa gas panas yang naik hanya terjamin bila aliran refrigeran cukup. Ukuran pipa adalah kompromi antara rugi tekan dan kecepatan untuk membawa oli.
4. Efisiensi isentropik kompresor: kompresor nyata memerlukan kerja lebih besar daripada kompresi ideal karena gesekan, kebocoran, dan pemanasan uap isap. Efisiensi isentropik didefinisikan:

$\eta_s = \frac{h_{2s} - h_1}{h_2 - h_1}$

Kerja tambahan itu muncul sebagai suhu buang yang lebih tinggi dan kalor yang lebih besar di kondensor. Contoh 5 menghitung pengaruh gabungan keempat faktor itu secara pendekatan.

Pengaruh suhu evaporasi dan kondensasi

COP Carnot di bab hukum kedua, $T_L/(T_H - T_L)$, menunjukkan bahwa kinerja turun ketika jarak suhu evaporasi dan kondensasi melebar. Siklus nyata mengikuti arah yang sama. Buku termodinamika rekayasa dalam sumber mencatat bahwa perubahan suhu ruang memengaruhi suhu kondensasi, dan inilah inti kasus pembuka.

Kondensor berpendingin udara harus membuang kalor ke udara sekitarnya. Bila udara itu panas, misalnya di lorong samping oven, atau bila debu menghambat aliran udara dan perpindahan panas, suhu kondensasi naik sampai kondensor mampu membuang kalor yang diperlukan. Tekanan buang naik, rasio tekanan naik, kerja per kilogram naik, efek refrigerasi turun karena $h_3$ naik, dan laju massa kompresor turun. Hasilnya kapasitas turun dan listrik per satuan kapasitas naik. Mesin es memproduksi lebih sedikit es walaupun kompresornya bekerja lebih lama dan lebih panas.

Suhu evaporasi yang terlalu rendah juga merugikan. Termostat yang disetel jauh di bawah keperluan, evaporator yang tertutup bunga es, atau kipas evaporator yang mati menurunkan tekanan isap, menurunkan massa jenis uap isap, dan mengurangi kapasitas. Bunga es bekerja sebagai lapisan isolasi; narasi Fluida & Termal memuat kajian pengaruh kecepatan udara pada suhu permukaan bunga es.

Rasio tekanan dan tekanan mutlak

Rasio tekanan kompresor adalah tekanan buang mutlak dibagi tekanan isap mutlak. Rasio ini menentukan suhu buang, efisiensi volumetrik, dan beban kompresor. Pengukur tekanan pada manifold umumnya menunjukkan tekanan ukur, yaitu tekanan di atas tekanan atmosfer, seperti dibahas di bab fluida statis. Untuk menghitung rasio tekanan, tekanan atmosfer, sekitar 101 kPa, harus ditambahkan lebih dulu. Pada tekanan isap rendah, kesalahan ini sangat besar (Contoh 6).

Rasio tekanan yang tinggi menaikkan suhu buang kompresor. Suhu buang yang terlalu tinggi menguraikan oli dan merusak katup buang, sehingga pabrik kompresor menetapkan batas suhu buang dan rasio tekanan untuk setiap model. Angka batas itu tidak disalin di sini.

Pengukuran lapangan: superpanas dan subdingin dari tekanan dan suhu

Diagnosis lapangan menggabungkan tekanan dan suhu:

1. Superpanas: ukur tekanan isap, ubah ke tekanan mutlak bila tabelnya memakai tekanan mutlak, baca suhu jenuh dari tabel tekanan-suhu, lalu kurangkan dari suhu pipa isap yang diukur di dekat bola sensor katup ekspansi atau di dekat kompresor.
2. Subdingin: ukur tekanan pipa cair, baca suhu jenuhnya, lalu kurangkan suhu pipa cair yang diukur.

Pola gabungan membantu diagnosis. Superpanas tinggi dengan subdingin rendah mengarah pada kekurangan refrigeran atau hambatan di jalur cair. Superpanas rendah dengan tekanan isap tinggi mengarah pada alat ekspansi yang terlalu terbuka. Tekanan buang tinggi dengan subdingin normal atau tinggi, seperti di kasus pembuka, mengarah pada kondensor yang kotor, udara sekitar panas, atau kipas kondensor yang lemah. Pada kasus itu, menambah refrigeran justru memperburuk keadaan karena menaikkan tekanan buang lebih tinggi lagi. Pola ini adalah pegangan, bukan kepastian; nilai superpanas dan subdingin yang benar untuk sebuah mesin diambil dari pabriknya.

Pompa kalor dan siklus mesin es

Pompa kalor memakai siklus yang sama, tetapi yang dimanfaatkan adalah kalor kondensor $q_H$. Karena $q_H = q_L + w$, COP pompa kalor selalu lebih besar satu daripada COP pendinginan pada siklus yang sama. Pompa kalor pemanas air dan pengering pakaian berpompa kalor bekerja dengan prinsip ini. Seperti mesin pendingin, kinerjanya turun ketika beda suhu sumber dan tujuan melebar, sehingga pompa kalor yang memanaskan air sampai suhu tinggi bekerja dengan COP lebih rendah.

Mesin es membekukan air di evaporator berbentuk cetakan atau pelat. Setelah es terbentuk, mesin melepas es dengan siklus panen: katup gas panas membelokkan uap panas dari kompresor langsung ke evaporator untuk melelehkan permukaan es yang menempel. Energi pembuatan es terdiri atas tiga bagian: mendinginkan air ke 0 °C, membekukannya dengan kalor laten 334 kJ/kg, dan mendinginkan es di bawah 0 °C (Contoh 9). Kalor laten paling besar, sehingga suhu air masuk yang tinggi hanya menambah sebagian beban, sedangkan suhu kondensasi yang tinggi menurunkan COP dan memperpanjang setiap siklus.

Contoh kerja

Contoh 1 sampai 8 memakai siklus R-134a antara 0,14 MPa dan 0,80 MPa (tekanan mutlak) dengan nilai tabel pendekatan: suhu jenuh $-18{,}8$ °C dan 31,3 °C; $h_1 = 239{,}2$ kJ/kg (uap jenuh pada 0,14 MPa); $h_2 = 275{,}4$ kJ/kg (kompresi isentropik ke 0,80 MPa); $h_3 = h_4 = 95{,}5$ kJ/kg (cair jenuh pada 0,80 MPa).

Contoh 1. Neraca siklus ideal. $q_L = 239{,}2 - 95{,}5 = 143{,}7$ kJ/kg, $w = 275{,}4 - 239{,}2 = 36{,}2$ kJ/kg, $q_H = 275{,}4 - 95{,}5 = 179{,}9$ kJ/kg. $\text{COP}_\text{R} = 143{,}7/36{,}2 = 3{,}97$ dan $\text{COP}_\text{PK} = 179{,}9/36{,}2 = 4{,}97$. Cek: $143{,}7 + 36{,}2 = 179{,}9$.

Contoh 2. Laju massa dan kapasitas. Pada $\dot m = 0{,}050$ kg/s: $\dot Q_L = 0{,}050 \times 143{,}7 = 7{,}18$ kW (2,04 TR), daya kompresi $0{,}050 \times 36{,}2 = 1{,}81$ kW, dan kalor kondensor 9,0 kW. Untuk 1 TR diperlukan $3{,}517/143{,}7 = 0{,}0245$ kg/s, sekitar 88 kg refrigeran per jam yang beredar.

Contoh 3. Uap kilat setelah alat ekspansi. Pada 0,14 MPa, entalpi cair jenuh sekitar 27,1 kJ/kg dan kalor penguapan sekitar 212,1 kJ/kg. Kualitas setelah ekspansi $x_4 = (95{,}5 - 27{,}1)/212{,}1 = 0{,}32$: sekitar 32 persen massa refrigeran sudah menjadi uap sebelum masuk evaporator, dan hanya 68 persen sisanya menyerap kalor dari ruang dingin.

Contoh 4. Dibandingkan dengan Carnot. $T_L = 254{,}4$ K dan $T_H = 304{,}5$ K. $\text{COP}_\text{Carnot} = 254{,}4/50{,}1 = 5{,}08$. Siklus ideal mencapai $3{,}97/5{,}08 = 78$ persen batas Carnot; selisihnya terutama dari ekspansi tanpa kerja dan superpanas di keluaran kompresor.

Contoh 5. Siklus nyata secara pendekatan. Superpanas 5 K dengan kalor jenis uap sekitar 0,85 kJ/(kg·K): $h_1 \approx 239{,}2 + 4{,}3 = 243{,}5$ kJ/kg. Subdingin 5 K dengan kalor jenis cair sekitar 1,4 kJ/(kg·K): $h_3 \approx 95{,}5 - 7{,}0 = 88{,}5$ kJ/kg. Dengan kenaikan entalpi isentropik dianggap tetap 36,2 kJ/kg dan $\eta_s = 0{,}75$ (angka latihan): $w = 36{,}2/0{,}75 = 48{,}3$ kJ/kg. $q_L = 243{,}5 - 88{,}5 = 155{,}0$ kJ/kg dan $\text{COP} = 155{,}0/48{,}3 = 3{,}2$, sekitar 63 persen batas Carnot. Perhitungan teliti memakai tabel uap superpanas.

Contoh 6. Rasio tekanan mutlak dan tekanan ukur. Tekanan ukur isap $140 - 101 = 39$ kPa dan buang $800 - 101 = 699$ kPa. Rasio yang benar $800/140 = 5{,}7$. Rasio dari tekanan ukur $699/39 = 17{,}9$ salah lebih dari tiga kali lipat.

Contoh 7. Superpanas dan subdingin di lapangan. Manometer isap 39 kPa ukur (140 kPa mutlak, suhu jenuh $-18{,}8$ °C) dan pipa isap $-12{,}0$ °C: superpanas $-12{,}0 - (-18{,}8) = 6{,}8$ K. Manometer cair 699 kPa ukur (800 kPa mutlak, suhu jenuh 31,3 °C) dan pipa cair 26,0 °C: subdingin $31{,}3 - 26{,}0 = 5{,}3$ K.

Contoh 8. Kondensor kotor. Bila suhu kondensasi naik dari 31,3 °C menjadi 45 °C dengan suhu evaporasi tetap, COP Carnot turun dari 5,08 menjadi $254{,}4/(318{,}2 - 254{,}4) = 3{,}99$, sekitar 21 persen. Untuk kapasitas yang sama, daya kompresor sebanding dengan $1/\text{COP}$ dan naik sekitar $5{,}08/3{,}99 - 1 = 27$ persen. Angka mesin nyata berbeda, tetapi arah dan besarnya serupa.

Contoh 9. Energi mesin es. Air 25 °C menjadi es $-5$ °C: $4{,}19 \times 25 + 334 + 2{,}1 \times 5 = 105 + 334 + 10{,}5 = 449$ kJ/kg. Produksi 100 kg per hari memerlukan 44.900 kJ, rata-rata $44.900/86.400 = 0{,}52$ kW. Dengan COP 2,5 (angka latihan, belum termasuk siklus panen), listrik kompresor rata-rata 0,21 kW, sekitar 5,0 kWh per hari.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan bila:

1. Sambungan, katup layan, atau pipa refrigeran akan dibuka, dilas, atau dipotong tanpa teknisi yang berwenang, alat pemulihan, dan sistem yang sudah dikosongkan. Refrigeran cair dapat membekukan kulit dan mata, dan uapnya mendesak oksigen di ruang tertutup.
2. Mesin memakai refrigeran mudah terbakar (lihat pelat nama dan SDS) dan ada sumber nyala, pekerjaan panas, atau alat listrik yang tidak sesuai di dekatnya.
3. Tekanan buang terus naik di atas catatan komisioning, pelindung tekanan tinggi berulang kali trip, atau kompresor terlalu panas untuk disentuh. Matikan, cari penyebabnya, dan jangan menyetel ulang pelindung berkali-kali.
4. Kipas kondensor atau evaporator akan diperiksa tanpa mengisolasi listrik; kipas dapat mulai berputar sendiri oleh kendali. Ikuti Bab 1 · Keselamatan.
5. Refrigeran akan ditambahkan hanya karena tekanan "terlihat kurang" tanpa mengukur superpanas, subdingin, dan memeriksa kebocoran.

Salah tafsir yang sering terjadi

"Tekanan rendah berarti refrigeran kurang." Tekanan isap rendah juga dapat disebabkan evaporator berbunga es, kipas mati, atau saringan tersumbat; superpanas dan subdingin membedakannya.

"Menambah refrigeran menambah dingin." Muatan berlebih menaikkan tekanan buang, menurunkan COP, dan dapat membawa cairan ke kompresor.

"Rasio tekanan dapat dihitung dari angka manometer." Manometer menunjukkan tekanan ukur; rasio memakai tekanan mutlak (Contoh 6).

"Kalor yang dibuang kondensor sama dengan kapasitas pendinginan." Kondensor membuang kapasitas pendinginan ditambah kerja kompresor.

"Entalpi dari dua tabel berbeda dapat dicampur." Titik nol entalpi dapat berbeda; yang sama hanya selisihnya.

"Superpanas makin besar makin aman." Superpanas berlebih mengurangi kapasitas evaporator dan menaikkan suhu buang kompresor.

Hubungan dengan bab lain

Bab hukum pertama memberi neraca aliran tunak, bab hukum kedua COP, batas Carnot, dan ton refrigerasi, bab pemuaian dan perubahan fase kalor laten, bab fluida statis tekanan mutlak dan ukur, dan bab perpindahan panas kuantitatif kondensor dan bunga es. Bab 2 · Bangunan & Fasilitas membahas tata udara gedung, Bab 1 · Utilitas dan Bab 2 · Utilitas neraca dan efisiensi utilitas, dan Bab 1 · Keselamatan kondisi berhenti. Bab analisis dimensi dan bab proyek integratif di tingkat ini memakai siklus ini sebagai contoh.

Latihan dan pembahasan

Untuk setiap soal, tuliskan rumus, keadaan refrigeran, atau alasannya.

1. Siklus ideal dengan $h_1 = 240$, $h_2 = 280$, dan $h_3 = h_4 = 100$ kJ/kg. Berapa $q_L$, $w$, dan COP pendinginannya?
2. Berapa laju massa refrigeran untuk kapasitas 10 kW pada siklus soal 1?
3. Berapa kalor yang harus dibuang kondensor pada soal 2?
4. Suhu jenuh pada tekanan isap $-10$ °C dan suhu pipa isap 0 °C. Berapa superpanasnya?
5. Mengapa uap yang masuk kompresor harus sedikit superpanas?
6. Mengapa rasio tekanan tidak boleh dihitung dari tekanan ukur?

Kunci jawaban beralasan

1. $q_L = 240 - 100 = 140$ kJ/kg, $w = 280 - 240 = 40$ kJ/kg, dan $\text{COP} = 140/40 = 3{,}5$, karena alat ekspansi tidak mengubah entalpi.
2. $\dot m = 10/140 = 0{,}0714$ kg/s, sekitar 257 kg per jam, karena kapasitas sama dengan laju massa kali efek refrigerasi.
3. $\dot Q_H = 10 + 10/3{,}5 = 12{,}9$ kW, yaitu kapasitas pendinginan ditambah daya kompresi.
4. Superpanas $0 - (-10) = 10$ K, karena superpanas adalah suhu terukur dikurangi suhu jenuh pada tekanan itu.
5. Cairan tidak dapat dimampatkan; tetes cair yang masuk kompresor dapat merusak katup dan torak, sehingga superpanas kecil menjamin semua refrigeran sudah menguap.
6. Rasio tekanan adalah perbandingan tekanan mutlak; tekanan ukur tidak memasukkan tekanan atmosfer, sehingga pada tekanan isap rendah rasionya membengkak jauh dari nilai sebenarnya.

Referensi