BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Sistem refrigerasi telah memainkan peranan yang sangat penting saat ini. Hal ini terlihat dari semakin banyaknya penggunaan sistem ini baik di industri maupun rumah tangga. Sebagai contoh adalah pada pemrosesan maupun pengawetan makanan, penyerapan kalor dari bahan-bahan kimia, pengkondisian udara dan sebagainya. Sistem refrigerasi sangat menunjang peningkatan kualitas hidup manusia. Kemajuan dalam bidang refrigerasi akhir-akhir ini adalah akibat dari perkembangan sistem kontrol yang menunjang kinerja dari sistem refrigerasi. Apalikasi dari sistem refrigerasi tidak terbatas, tetapi yang paling banyak digunakan adalah untuk pengawetan makanan dan pendingin suhu, misalnya lemasi es gambar 1 freezer, cold strorage, air conditioner/AC Window, AC split dan AC mobil. Dengan perkembangan teknologi saat ini, refrigeran (bahan pendingin) yang di pasarkan dituntut untuk ramah lingkungan, disamping aspek teknis lainnya yang diperlukan. Apapun refrigeran yang dipakai, semua memiliki kelebihan dan kekurangan masingmasing oleh karena itu, diperlukan kebijakan dalam memilih refrigerant yang paling aman berdasarkan kepentingan saat ini dan masa yang akan datang. Pada sistem refrigerasi terdapat beberapa komponen utama yaitu kompresor untuk menaikkan tekanan refrigeran, kondenser untuk membuang panas dari refrigeran, alat ekspansi untuk menurunkan tekanan refrigeran, dan evaporator untuk menyerap panas dari luar kedalam refrigeran. Pada makalah ini akan dibahas lebih dalam mengenai sistem refrigerasi, baik itu siklus – siklus pada refrigerasi, macam – macam refrigerant yang digunakan dalam proses refrigerasi, dll.
1
1.2 Tujuan a. Sebagai syarat untuk memenuhi tugas mata kuliah Termodinamika II b. Memahami prinsip kerja dari berbagai jenis siklus refrigerasi c. Memahami konsep dasar perubahan bentuk energi di siklus – siklus refrigerasi d. Mampu mengidentifikasi, menguraikan, dan menganalisa persoalan keseimbangan energi yang terjadi pada siklus – siklus refrigerasi e. Mengetahui jenis – jenis dari refrigeran serta memilih refrigeran yang sesuai
1.3 Rumusan Masalah a. Apakah yang dimaksud dengan Refrigerasi ? b. Apakah yang dimaksud dengan siklus Refrigerasi ? c. Apa sajakah macam – macam dari siklus Refrigerasi ? d. Apa sajakah yang termasuk kedalam refrigeran ? e. Bagaimanakah menentukan refrigeran yang tepat dan sesuai ?
1.4 Manfaat a.
Mahasiswa dapat memahami prinsip kerja dari berbagai jenis siklus refrigerasi
b.
Mahasiswa dapat memahami konsep dasar perubahan bentuk energi di siklus refrigerasi
c.
Mahasiswa mampu mengidentifikasi, menguraikan, dan menganalisa persoalan keseimbangan energi yang terjadi pada siklus refrigerasi
d.
Mahasiswa dapat mengetahui jenis – jenis dari refrigeran serta dapat memilih refrigeran yang sesuai
2
BAB II PEMBAHASAN
2.1 PENGERTIAN REFRIGERASI
Refrigeran merupakan bahan pendingin atau fluida yang digunakan untuk menyerap panas melalui perubahan fase dari cair ke gas (evaporasi) dan membuang panas melalui perubahan fase dari gas ke cair (kondensasi), sehingga refrigeran dapat dikatakan sebagai pemindah panas dalam sistem pendingin. Adapun pengertian lainnya adalah Refrigerasi atau pendinginan merupakan proses pengambilan atau pengeluaran kalor dari suatu materi atau ruangan dan mempertahankan keadaannya sedemikian rupa sehingga temperaturnya lebih rendah dari pada lingkungan sekitarnya. Pada prinsipnya refrigerasi adalah terapan dari mata kuliah Perpindahan Panas dan Thermodinamika, dimana kalor akan mengalir atau berpindah dari suatu keadaan yang mempunyai temperatur tinggi ke suatu keadaan yang bertemperatur rendah. Sedangkan pengkondisian udara atau penyegaran udara adalah merupakan satu dari teknik-teknik refrigerasi. Penyegaran udara itu sendiri adalah suatu proses pendinginan udara sehingga dapat dicapai temperatur dan kelembaban yang sesuai dengan yang dipersyaratkan terhadap kondisi udara dari suatu ruangan tertentu serta mengatur aliran udara dan kebersihan udaranya. Untuk mencapai tujuan dari penyegaran udara tersebut, dibutuhkan suatu fluida kerja yang disebut refrigeran. Dimana refrigeran akan dialirkan melalui sistem. Dalam sistem tersebut, refrigeran mengalami beberapa proses atau perubahan fase (cair dan uap), yaitu refrigeran yang mula-mula pada keadaan awal (cair), setelah melalui beberapa proses akan kembali ke keadaan awalnya.
3
2.2 PERALATAN - PERALATAN POKOK REFRIGERASI Operasi refrigerasi butuh suatu mesin yang disebut dengan refrigerator. Refrigerator merupakan kumpulan serangkaian peralatan, seperti: 1. Kompressor. 2. Kondensor. 3 Akumulator. 4. Mesin ekspansi / katup ekspansi. 5. Evaporator.
2.2.1 Kompresor Kompressor adalah alat yang digunakan untuk menghisap uap refrigerant dan mengkompresinya sehingga tekanan uap refrigerant naik sampai ke tekanan yang diperlukan untuk pengembunan (kondensasi) uap regrigerant di dalam kondensor. Kompressor ini digerakkan oleh sumber tenaga dari mesin penggerak, seperti: Motor listrik Motor bakar Diesel Mesin uap Turbin gas Pada kompressor, berlaku persamaan neraca energi; W
kompressor
=H –H 1
2
Karena kompressi, fluida kerja (uap refrigerant) terkompressi menjadi naik entalpinya (H2 > H J, sehingga dapat dikatakan energi dari sumber digunakan untuk menaikkan entalpi fluida kerja. -W
kompressor
= ΔH
4
2.2.2 Kondensor Kondensor merupakan alat penukar panas yang berguna untuk mendinginkan uap refrigerant dari kompressor agar dapat mengembun menjadi cairan. Pada saat pengembunan ini, refrigerant mengeluarkan sejumlah kalori (panas pengembunan) yang mana panas ini diterima oleh media pendingin di dalam kondensor.
2.2.3 Akumulator Merupakan alat yang berguna untuk mengumpulkan cairan refrigerant yang berasal dari kondensor. Dengan adanya alat ini akan memudahkan pengaturan stock dari total refrigerant.
2.2.4 Mesin Ekspansi atau Katup Ekspansi Mesin atau katup ekspansi ini berfungsi untuk menurunkan tekanan dari cairan refrigerant sebelum masuk ke evaporator, sehingga akan memudahkan refrigerant menguap di evaporator dan menyerap kalori (panas) dari media yang didinginkan.
2.2.5 Evaporator Juga merupakan alat penukar panas. Refrigerant cair dengan tekanan rendah setelah proses ekspansi, diuapkan dalam alat ini. Untuk penguapan refrigerant cair ini tentunya diperlukan sejumlah kalori, yang mana diambil dari media yang akan didinginkan oleh sistem refrigerasi. Misalnya pada mesin Air Conditioning (AC), media yang didinginkan adalah udara di dalam ruangan (kamar). Begitu pula pada kulkas, media yang didinginkan adalah ruangan dalam kulkas dan segala sesuatu yang berada dalam kulkas. Uap refrigerant yang terbentuk di evaporator langsung dihisap oleh kompressor, demikian seterusnya mengulangi langkah pertama tadi sehingga membentuk suatu siklus, yang disebut dengan siklus refrigerasi.
5
2.3 SIKLUS REFRIGERASI Siklus refrigerasi adalah siklus kerja yang mentransfer kalor dari media bertemperatur rendah ke media bertemperatur tinggi dengan menggunakan kerja dari luar sistem. Secara prinsip merupakan kebalikan dari siklus mesin kalor (heat engine). Dilihat dari tujuannya maka alat dengan siklus refrigerasi dibagi menjadi dua yaitu refrigerator yang berfungsi untuk mendinginkan media dan heat pump yang berfungsi untuk memanaskan media. Ilustrasi tentang refrigerator dan heat pump dapat dilihat pada gambar di bawah.
Prinsip terjadinya suatu pendinginan di dalam sistem refrigerasi adalah penyerapan kalor oleh suatu zat pendingin yang dinamakan refrigeran. Karena kalor yang berada disekeliling refrigeran diserap, akibatnya refrigeran akan menguap, sehingga temperatur di sekitar refrigeran akan bertambah dingin. Hal ini dapat terjadi mengingat penguapan memerlukan kalor. Di dalam suatu alat pendingin (misal lemari es) kalor diserap di “evaporator” dan dibuang ke “kondensor”. Uap refrigeran yang berasal dari evaporator yang bertekanan dan bertemperatur rendah masuk ke kompresor melalui saluran hisap. Di kompresor, uap refrigerant tersebut dimampatkan, sehingga ketika ke luar dari kompresor, uap refrigeran akan bertekanan dan bersuhu tinggi, jauh lebih tinggi dibanding temperatur udara sekitar.
6
Kemudian uap menunjuk ke kondensor melalui saluran tekan. Di kondensor, uap tersebut akan melepaskan kalor, sehingga akan berubah fasa dari uap menjadi cair (terkondensasi) dan selanjutnya cairan tersebut terkumpul di penampungan cairan refrigeran. Cairan refrigeran yang bertekanan tinggi mengalir dari penampung refrigeran ke katup ekspansi. Keluar dari katup ekspansi tekanan menjadi sangat berkurang dan akibatnya cairan refrigeran bersuhu sangat rendah. Pada saat itulah cairan tersebut mulai menguap yaitu di evaporator, dengan menyerap kalor dari sekitarnya hingga cairan refrigeran habis menguap. Akibatnya evaporator menjadi dingin. Bagian inilah yang dimanfaatkan untuk mengawetkan bahan makanan atau untuk mendinginkan ruangan. Kemudian uap refrigeran akan dihisap oleh kompresor dan demikian seterusnya proses-proses tersebut berulang kembali. Siklus refrigerasi dapat diklasifikasikan sebagai berikut, 1. Siklus kompresi uap (vapor compression refrigeration cycle) dimana refrigeran mengalami proses penguapan dan kondensasi, dan dikompresi dalam fasa uap. 2. Siklus gas (gas refrigeration cycle), dimana refrigeran tetap dalam kondisi gas. 3. Siklus bertingkat (cascade refrigeration cycle), dimana merupakan gabungan lebih dari satu siklus refrigerasi. 4. Siklus absorpsi (absorption refrigeration cylce), dimana refrigeran dilarutkan dalam sebuah cairan sebelum dikompresi. 5. Siklus termoelektrik (thermoelectric refrigeration cycle), dimana proses refrigerasi dihasilkan dari mengalirkan arus listrik melalui 2 buah material yang berbeda.
Kinerja suatu refrigerator dan heat pump dinilai dari besarnya koefisien kinerja (coefficient of performance COP) yang didefinisikan sebagai berikut,
COPR
QL output tujuan efek pendinginan kerja yang dibutuhkan input kerja Wnet,in
COPHP
QH output tujuan efek pemanasan kerja yang dibutuhkan input kerja Wnet,in
7
Harga COPR dan COPHP umumnya lebih besar dari satu dimana COPHP = COPR + 1 untuk suatu rentang tekanan kerja yang sama.
2.3.1 Siklus Refrigerasi Kompresi Uap Gambar di bawah menunjukkan siklus refrigerasi kompresi uap ideal secara skematis. Di sini refrigeran dalam kondisi uap jenuh masuk ke kompresor dan keluar sebagai uap panas lanjut. Refrigeran kemudian masuk ke kondenser untuk melepas kalor sehingga terjadi kondensasi sampai ke kondisi cairan jenuh. Keluar kondenser refrigeran masuk ke katup ekspansi untuk menjalani proses pencekikan (throttling) sehingga mengalami penurunan tekanan dan berubah menjadi campuran jenuh. Proses terakhir ini bisa juga diganti dengan sebuah turbin isentropis untuk menaikkan kapasitas pendinginan dan menurunkan kerja input (dengan kompensasi kompleksnya sistem). Selanjutnya refrigeran masuk ke evaporator untuk menyerap kalor sehingga terjadi proses evaporasi dan siap untuk dilakukan langkah kompresi berikutnya.
Siklus refrigerasi kompresi uap ideal dapat digambarkan dalam diagram T-s seperti gambar di atas-kanan. Proses-proses yang terjadi adalah, 1-2
: Kompresi isentropis dalam kompresor
2-3
: Pembuangan kalor secara isobaris dalam kondenser
3-4
: Throttling dalam katup ekspansi atau tabung kapiler
4-1
: Penyerapan kalor secara isobaris dalam evaporator
8
Persamaan energi untuk komponen-komponen refrigerator bisa dituliskan sebagai berikut: q w he hi
dimana diasumsikan perubahan energi kinetik dan potensial bisa diabaikan.
Dari notasi-notasi pada gambar di atas maka COPs dapat dituliskan sebagai berikut: COPR
qL h h4 1 wnet,in h2 h1
COPHP
h h3 qH 2 wnet,in h2 h1
di mana h1 hg @p1 dan h3 hf @p3 .
Contoh Soal Refrigerator menggunakan refrigeran R-12 dan beroperasi dengan siklus kompresi uap ideal antara 0,14 dan 0,8 MPa. Apabila laju massa refrigeran 0,05kg/s, tentukan (a) laju kalor dari ruangan yang didinginkan dan kerja kompresor, (b) laju kalor yang dibuang ke lingkungan, (c) COP
Solusi Dari tabel Refrigeran-12 (Tabel A-11A13) Kondisi 1 (uap jenuh) : h1 hg @ 0,14 MP a 177,87 kJ/kg p1 0,14MPa s1 s g @ 0,14 MP a 0,7102 kJ/kg
Kondisi 2 (uap panas lanjut) :
p 2 0,8MPa h2 208,65 kJ/kg s 2 s1 Kondisi 3 (cairan jenuh) : p3 0,8MPa h3 h f @ 0,8 MP a 67 ,3 kJ/kg
Kondisi 4 (campuran jenuh) : h4 h3 67 ,3 kJ/kg
9
(a) Laju kalor yang diserap dari media yang didinginkan:
Q L m (h1 h4 ) 0,05 (117,87 67,3) 5,53 kW Kerja kompresor:
Win m (h2 h1 ) 0,05 (208,65 177,87) 1,54 kW
(b) Kalor yang dibuang ke lingkungan:
(h2 h3 ) Q H m 0,05 (208,65 67,3) 7,07 kW
(c) Coefficient of Performance:
COPR
qL 5,53 3,59 wnet,in 1,53
2.3.2 Siklus Refrigerasi Kompresi Uap Aktual Pada kenyataannya refrigerator atau heat pump akan bekerja dengan suatu proses yang menyimpang dari siklus idealnya akibat ireversibilitas dalam tiap komponennya. Ireversibilitas ini pada umumnya disebabkan oleh gesekan fluida dan perpindahan kalor dari atau ke lingkungan sekitar. Siklus refrigerasi kompresi uap aktual dapat digambarkan secara skematis seperti gambar di bawah.
10
Hal-hal yang terjadi dalam siklus aktual: 1.
Refrigeran sudah dalam kondisi uap panas lanjut sebelum masuk ke kompresor.
2.
Akibat
cukup
panjangnya
pipa
penghubung
kompresor-evaporator
akan
mengakibatkan rugi tekanan. Rugi tekanan yang disertai peningkatan volume spesifik dari refrigeran membutuhkan power input yang lebih besar. 3.
Dalam proses kompresi ada rugi gesekan dan perpindahan kalor yang akan meningkatkan entropi (1-2) atau menurunkan entropi (1-2') dari refrigeran tergantung kepada arah perpindahan kalornya. Proses (1-2') lebih disukai karena volume spesifiknya turun sehingga power input bisa lebih kecil. Hal ini bisa dilakukan apabila dilakukan pendinginan dalam langkah kompresi.
4.
Di dalam kondenser akan terjadi juga rugi tekanan.
5.
Refrigeran dalam kondisi cairan terkompresi ketika masuk dalam katup ekspansi.
Contoh Soal Dalam sebuah refrigerator aktual, R-12 masuk ke kompresor sebagai uap panas lanjut pada 0,14MPa, 20C, laju massa 0,05kg/s, dan keluar pada 0,8MPa, 50C. Refrigeran didinginkan dalam kondenser sampai 26C, 0,72MPa dan di-throttling sampai 0,15MPa. Dengan mengabaikan rugi kalor dan rugi tekanan dalam pipa-pipa sambungan tentukan (a) laju kalor dari media yang didinginkan dan kerja kompresor, (b) efisiensi adaibatik kompresor, (c) COP.
11
Solusi Dari Tabel refrigeran Kondisi 1 (uap panas lanjut) :
p1 0,14 MPa h1 179,01 kJ/kg T1 20C Kondisi 2 (uap panas lanjut) :
p 2 0,8 MPa h2 213,45 kJ/kg T2 50C Kondisi 3 (cairan terkompresi)
p3 0,72 MPa h3 hf @ 26C 60,68 kJ/kg T3 26C Kondisi 4 (campuran jenuh) : h4 h3 60 ,58 kJ/kg
(a) Laju kalor yang diserap dari media yang didinginkan:
(h1 h4 ) Q L m 0,05 (179,01- 60,68) 5,92 kW Kerja kompresor:
(h2 h1 ) Win m 0,05 (213,45- 179,01) 1,72 kW (b) Efisiensi adiabatis:
C
h2 s h1 h2 h1
di sini
s2s
p 2 s 0,8MPa h2 s 210,08 kJ/kg s1 0.7147 kJ/(kg.K)
Sehingga,
C
210,08 - 179,01 90 ,2% 213,45 - 179,01
12
(c) Coefficient of Performance:
COPR
qL 5,82 3,44 wnet,in 1,72
2.3.3 Inovasi Siklus Refrigerasi Kompresi Uap Dalam aplikasi sistem refrigerasi di industri, gedung bertingkat dan lain-lain, sistem dengan siklus sederhana seperti dijelaskan sebelumnya tidak mencukupi. Untuk itulah diperlukan modifikasi supaya memenuhi kriteria penggunaan.
Sistem Cascade Di industri sering dibutuhkan kondisi refrigerasi dengan temperatur yang cukup rendah dan sekaligus dalam rentang temperatur yang lebar. Rentang temperatur yang lebar berarti bahwa sistem refrigerasi harus bisa beroperasi dalam beda tekanan yang besar dimana hal ini hanya bisa dipenuhi apabila tingkat refrigerasi dibuat lebih dari satu. Di sini prinsipnya adalah menggabungkan dua buah siklus kompresi uap di mana kondenser dari siklus dengan tekanan kerja lebih rendah akan membuang panas ke evaporator dari siklus dengan tekanan kerja lebih tinggi dalam sebuah alat penukar kalor (heat exchanger). Secara skematis dapat digambarkan sebagai berikut.
13
Dalam heat exchanger antara siklus bawah dan siklus atas terjadi hubungan: m A (h5 h8 ) m B (h2 h3 ) m A h2 h3 m B h5 h8
Juga, COPR,cascade
Q L W
net,in
m B (h1 h4 ) m A (h6 h5 ) m B (h2 h1 )
Dalam sistem cascade maka jenis refrigeran untuk siklus tekanan tinggi (A) dan siklus tekanan rendah (B) tidak perlu sama sehingga pemilihan refrigeran akan bisa lebih fleksibel karena bisa disesuaikan dengan batas bawah dan atasnya.
Contoh Soal Sistem refrigerasi cascade 2 tingkat beroperasi antara 0,8 dan 0,14 MPa. Setiap tingkat beroperasi dengan siklus kompresi uap ideal dengan R-12 sebagai fluida kerja. Kalor dibuang dari siklus tekanan rendah ke tekanan tinggi dilewatkan alat penukar kalor adiabatik dimana masing-masing fluida kerja bertekanan 0,32MPa. Apabila laju fluida kerja pada siklus tekanan tinggi adalah 0,05 kg/s, tentukan (a) laju fluida kerja pada siklus tekanan rendah, (b) laju kalor dari media yang didinginkan dan kerja kompresor, (c) COP
Solusi Misal siklus tekanan tinggi diberi indeks A, siklus tekanan rendah dengan indeks B
(a) Dari keseimbangan energi di alat penukar kalor m A (h5 h8 ) m B (h2 h3 )
Dari Tabel R-12 didapatkan: h5 hg @0,32MP a 188,00 kJ/kg ; h8 67,3 kJ/kg h3 hf @0,32MP a 37,08 kJ/kg
; h2 191,97 kJ/kg;
14
sehingga m B m A
h5 h8 188 ,0 67 ,3 0,05 0,039 kg/s h2 h3 191,97 37 ,08
(b) Laju kalor yang diserap dari media yang akan didinginkan: Q L m B (h1 h4 )
Dari Tabel R-12 diketahui: h1 hg @0,14MP a 177 ,87 kJ/kg
; h6 204 ,18 kJ/kg
sehingga Q L 5,49 kW
Kerja kompresor:
W in W comp A W comp B m A (h6 h5 ) m B (h2 h1 ) 1,36 kW (c) Coefficient of Performance
COPR
Q L 4,04 W in
Sistem Banyak Tingkat (Multistage System) Pada prinsipnya adalah tidak berbeda dengan sistem cascade. Perbedaannya adalah digantinya heat exchanger dengan mixing chamber dan flash chamber di mana di sini akan terjadi pencampuran refrigeran yang melewati siklus tekanan atas dan siklus tekanan bawah. Secara skematis sistem banyak tingkat dapat digambarkan seperti gambar dibawah.
15
Disini yang perlu diperhatikan adalah dalam tiap proses akan mempunyai jumlah laju yang berbeda walaupun dalam satu siklus yang sama.
Sistem Multi Purpose Dengan Kompresor Tunggal Seperti dalam sebuah lemari es di rumah tinggal, beberapa jenis refrigerator membutuhkan beberapa ruang dengan temperatur yang berbeda. Untuk sistem seperti ini maka penggunaan beberapa katup ekspansi adalah solusinya, dimana pada proses throttling pertama akan didapatkan temperatur moderat (misal bagian refrigerator 5C) dan pada throttling selanjutnya akan didapatkan temperatur yang lebih rendah (bagian freezer 10C). Gambar di bawah menunjukkan prinsip kerja secara skematis.
16
Pencairan Gas (Liquefaction of Gases) Di lapangan sering dibutuhkan kondisi dengan temperatur yang sangat rendah (di bawah -100C), seperti pada proses pemisahan gas oksigen dan nitrogen dari udara, pembuatan hidrogen cair untuk bahan bakar mesin roket, riset tentang superkonduksi dan lain-lain. Pada sebuah proses pencairan gas, gas harus didinginkan sampai pada temperatur di bawah temperatur kritisnya. Misal temperatur kritis untuk helium, hidrogen, dan nitrogen adalah masing-masing –268, -240, dan -147C. Salah satu metode refrigerasi yang memungkinkan untuk mendapatkan temperatur sangat rendah ini adalah metode LindeHampson seperti pada gambar di bawah.
17
Di sini gas baru yang akan dicairkan (1) dicampur dengan gas yang tidak berhasil dicairkan pada tahap sebelumnya (9) sehingga temperaturnya turun sampai titik (2) dan kemudian bersama-sama masuk ke kompresor bertingkat. Pengkompresian dilakukan bertingkat sampai titik (3) dengan dilengkapi intercooling. Gas tekanan tinggi kemudian didinginkan sampai titik (4) dalam after-cooler dengan menggunakan media pendingin dan didinginkan lebih lanjut sampai titik (5) dalam alat penukar kalor regenerative dengan membuang kalornya ke gas yang tidak berhasil dicairkan pada tahap sebelumnya dan akhirnya di-throttled ke titik (6) sehingga berubah menjadi campuran jenuh. Uap dipisahkan dari gas yang telah berubah menjadi cair untuk kemudian dilewatkan melalui alat penukar kalor regenerative untuk menjalani tahap berikutnya.
2.3.4 Siklus Refrigerasi Gas Dalam pembahasan mengenai siklus Carnot diketahui bahwa apabila arah siklus dibalik akan didapatkan siklus Carnot terbalik (reversed Carnot cycle) yang merupakan sebuah refrigerator ideal. Hal ini menimbulkan ide bahwa siklus mesin kalor (heat engine) dan siklus refrigerator sebenarnya adalah mempunyai prinsip kerja sama hanya arahnya saja yang berlawanan (perhatikan bahwa siklus refrigerasi yang dibahas di atas adalah sangat mirip dengan siklus Rankine dengan arah terbalik). Oleh karena itu maka apabila siklus Brayton dibalik arahnya akan didapatkan apa yang disebut siklus refrigerasi gas (reversed Brayton cycle).
18
Disini akan berlaku bahwa, COPR
qL qL wnet,in wcomp wturb
dimana, q L h1 h4 ;
wturb h3 h4 ;
wcomp h2 h1
Siklus refrigerasi gas ini akan mempunyai COP yang lebih rendah dibandingkan dengan siklus kompresi uap. Tetapi karena konstruksi yang sederhana dan komponen yang ringan maka siklus ini banyak dipakai di pesawat terbang dan dapat dikombinasikan dengan proses regenerasi.
2.3.5 Siklus Refrigerasi Absorpsi Peningkatan COP dari mesin refrigerasi dapat dilakukan dengan menurunkan kerja yang dibutuhkan oleh kompresor. Dibanding dengan sebuah kompresor, pompa dapat melakukan proses kompresi fluida cair dengan kerja input yang jauh lebih kecil untuk laju
19
massa yang sama. Oleh karena itu dalam sistem refrigerasi absorpsi, refrigeran akan dilarutkan dalam fluida cair sebagai media transport sehingga refrigeran dapat dikompresi dengan kerja yang lebih kecil. Refrigeran yang sering dipakai adalah amoniak dengan media transport berupa air. Refrigeran lain yang juga dipakai adalah air dengan media transport berupa lithium bromide atau lithium chloride. Keunggulan sistem ini lebih terasa apabila ada sumber panas dengan temperatur 100200C yang murah seperti misalnya energi surya, geotermal dan lain-lain. Skema sistem refrigerasi absorpsi bisa dilihat pada gambar di atas. Amoniak murni keluar dari evaporator dan masuk ke absorber. Di dalam absorber, amoniak larut dalam air sehingga terbentuk larutan air-amoniak. Karena pelarutan amoniak akan berlangsung dengan lebih baik pada temperatur yang lebih rendah maka larutan dalam absorber didinginkan dengan cooling water. Larutan air-amoniak kemudian masuk ke pompa untuk mengalami proses kompresi dan masuk ke regenerator untuk menerima panas. Pemanasan larutan air-amoniak lebih lanjut dilakukan dalam generator dengan sumber panas, misalnya dari energi surya, sehingga terjadi proses penguapan larutan. Larutan yang menguap kemudian masuk ke rectifier untuk dilakukan pemisahan amoniak dan air. Amoniak murni masuk ke kondenser dan melanjutkan siklus refrigerasi, sedangkan air kembali masuk generator untuk dipakai kembali sebagai media transport. Dari gambar di atas dapat dilihat bahwa prinsip sistem absorpsi adalah sama dengan dengan sistem kompresi uap, hanya berbeda pada bagian dalam garis putus-putus.
2.3.6 Sistem Refrigerasi Termoelektrik Telah diketahui dari apa yang disebut efek Seebeck bahwa dua buah logam yang berbeda apabila ujung-ujungnya dihubungkan kemudian dipanaskan salah satu ujungnya maka akan timbul arus listrik dalam rangkaian logam tersebut.
20
Efek Seebeck ini kemudian bisa dimanfaatkan untuk sebuah generator listrik yang biasa disebut sebagai thermoelectric power generator. Seperti pada bagian sebelumnya bahwa siklus daya dan siklus refrigerasi adalah mempunyai prinsip kerja yang sama hanya dengan arah yang berlawanan, maka siklus daya termoelektrik ini bisa juga dipakai untuk siklus refrigerasi. Siklus refrigerasi termoelektrik akan memanfaatkan efek Peltier dimana apabila dialirkan arus listrik dalam rangkaian yang terbuat dari dua buah logam yang berbeda, maka pada ujung yang satu terjadi penyerapan kalor dan pada ujung yang satunya terjadi pembuangan kalor. Prinsip kerja dan susunan sistem secara skematis dapat dilihat di gambar di bawah.
Pada aplikasinya refrigerasi termoelektrik akan menggunakan semikonduktor sebagai media untuk menyerap dan membuang kalor. Walaupun sistem ini mempunyai kelemahan yaitu rendahnya efisiensi, tetapi karena ringan, sederhana, dan tidak berisik maka dipandang sebagai teknologi refrigerasi masa depan.
2.3.7 Sistem Heat Pump Karena heat pump biasanya dipakai di daerah dengan iklim yang dingin maka persoalan dari manakah panas dapat diambil menjadi persoalan. Sumber panas yang sering dipakai dalam sebuah heat pump adalah:
21
1. Udara atmosfer (paling umum). Sumber panas ini paling praktis tetapi ada problem frosting pada koil evaporator sehingga akan menurunkan laju perpindahan kalor. 2. Air tanah. Pada kedalaman tertentu air tanah mempunyai temperatur berkisar 518C sehingga didapatkan heat pump dengan COP tinggi, tidak ada frosting tetapi konstruksi rumit. 3. Tanah
Untuk tujuan pemanasan suatu media, pemanasan dengan proses pembakaran dari sumber energi primer (bahan bakar) secara ekonomis lebih menguntungkan dibandingkan dengan heat pump. Oleh karena itu jarang ditemui sebuah heat pump yang bekerja sendiri. Tetapi karena prinsip kerja yang sama antara refrigerator dan heat pump maka sekarang ini banyak diproduksi sistem refrigerasi yang bekerja secara dual yaitu sebagai pendingin dalam musim panas dan sebagai pemanas dalam musim dingin. Di sini pada prinsipnya koil (heat exchanger) di dalam dan di luar ruangan akan berubah fungsinya sebagai evaporator dan kondenser sesuai dengan mode kerjanya dengan bantuan katup pembalik arah. Prinsip kerja sistem dual dapat dilihat pada gambar di bawah.
2.4 PEMILIHAN REFRIGERAN Jenis refrigeran adalah sangat banyak dimana pemilihan refrigeran secara tidak tepat akan bisa membuat kerja refrigerator menjadi tidak optimal. Refrigeran ada dua macam yaitu refrigeran primer dan sekunder. Adapun pengertian refrigeran primer adalah
22
refrigeran yang digunakan dalam sistem kompresi uap. Dan refrigeran sekunder adalah cairan-cairan yang digunakan untuk membawa energi kalor bersuhu rendah dari satu lokasi ke tempat lain. Nama lain dari refrigersai sekunder adalah cairan anti beku atau brines (larutan garam). Tabel Penggunaan Refrigeran REFRIGERAN KOMPRESOR
KETERANGAN PENGGUNAAN
R11
Sentrifugal
Pendinginan air sentrifugal
R12
Torak putar
Penyegar udara, refrigerasi, dan
Sentrifugal
pendinginan Pendinginan air sentrifugal ukuran besar
R13
Torak putar
Refrigerasi temperatur sangat rendah
R21
-
Pendingin kabin alat pengangkat
R22
-
Penyegar udara, refrigerasi pada umumnya, pendinginan beberapa unit refrigerasi, unit temperatur rendah
Sentrifugal
Pendingin air sentrifugal temperatur rendah ukuran besar
R113
Sentrifugal
Pendingin air sentrifugal ukuran kecil
R114
Torak putar
Pendingin kabin alat pengangkat
sentrifugal
Pendingin air sentrifugal
Torak putar
Refrigerasi pada umumnya dan
R500
pendinginan, Sentrifugal
misal penyegar udara Pendingin air sentrifugal temperatur rendah
R502
Torak putar
Lemari pamer, unit temperatur rendah, refrigerasi dan pendinginan pada umumnya
23
R717
Torak
Unit pembuat es, ruang dingin, pendinginan larutan garam, peti es, pendinginan pabrik (prose) kimia
Sentrifugal
Ring es, pendingin larutan garam, pendingin pabrik (proses) kimia
Dibawah ini ada beberapa jenis refrigeran yang biasa dipergunakan, antara lain : 1. Udara Refrigeran ini sangat murah, tidak beracun dan tidak mudah terbakar. Koefisien prestasi rendah. Biasanya digunakan pada pesawat terbang. 2. Carbon Dioksida (CO2) Senyawa ini tidak berwarna, tidak berbau dan lebih berat dari udara. Titik didihnya -78,5˚C, berat jenisnya 1,56 dan hanya dapat beroperasi pada tekanan tinggi sehingga pemakaiannya terbatas dan biasanya dipakai pada proses refrigerasi dengan tekanan per ton yang besar. 3. Methil Clorida (CH3Cl) Berupa cairan tidak berwarna dan tidak berbau merangsang. Titik didihnya – 23,7 0
F.
4. Freon atau Cloro Fluoro Carbon (CFC) Freon merupakan refrigeran yang paling banyak digunakan dalam sistem pendingin. Bahan dasarnya ethane dan methane yang berisi fluor dan chlor dalam komposisinya. Karena mengandung unsur chlor refrigeran jenis ini mempunyai dampak penipisan ozon dimana akan berpengaruh negatif terhadap kehidupan makhluk hidup di bumi. Selain itu, juga berdampak negatif terhadap iklim, yaitu meningkatkan suhu rata-rata dan perubahan iklim global serta pencemaran udara. Spesifikasi freon yang biasa digunakan dalam pendinginan Nama
Rumus Kimia
Titik Didih (˚C)
24
Freon – 11
CCl3F
23,8
Freon – 12
CCl3F2
- 29,8
Freon – 13
CClF3
- 81,4
Freon – 21
CHCL2F
8,9
Freon – 22
CHClF2
- 40,8
5. Uap Air Refrigeran ini paling murah dan paling aman. Pemakaiannya terbatas untuk pendingin suhu tinggi karena mempunyai titik beku yang tinggi, yaitu 0˚C. pemakaian utamanya untuk comfort air cionditioning dan water cooling. 6. Hidrocarbon Dipakai pada industri karena harganya murah. Jenisnya butana, iso butana, propana, propylana, etana dan etylana. Semuanya mudah terbakar dan meledak. Berikut ini macam-macam nama kimia dari hidrokarbon : Ketentuan penomoran+ Nama kimia Rumus kimia 50
Metana
CH4
170
Etana
C2H6
290
Propana
C3H8
7. Amonia (NH3) Amonia ini digunakan secara luas pada mesin refrigerasi industri atau refrigerasi kapasitas besar. Titik didihnya kurang lebih - 33˚C. zat ini mempunyai karakteristik bau meskipun pada konsentrasi kecil di udara. Tidak dapat terbakar, tetapi meledak jika bereaksi dengan udara dengan prosentase 13,28 %. Oleh karena itu efek korosi amonia, tembaga atau campuran tembaga tidak boleh digunakan pada mesin dengan refrigeran amonia.
25
8. Azetropes Merupakan campuran dari beberapa refrigeran yang mempunyai sifat berbeda. Jenis yang banyak dipakai : Correne-7 Yang terdiri dari campuran 73,8 % freon-12 dan 26,2% genetron 100. Refrigeran-502 Merupakan campuran dari 98,8 % freon-12 dan 51,2 % freon-115 9. Larutan Garam (brine) Larutan garam (brine) juga digunakan untuk refrigeran misalnya untuk pendinginan lokasi lapangan es (ice skating rinks). 10. Sulfur Dioksida (SO2) Berupa gas atau cairan yang tidak berwarna, sangat beracun dan berbau merangsang. Senyawa ini tidak mudah terbakar dan tidak mudah meledak. Dengan titik didih – 10,1˚C. 11. Hydro Fluoro Carbon (HFC) HFC merupakan refrigeran baru sebagai alternatif untuk menggantikan posisi freon. Hal ini disebabkan karena refrigeran freon mengandung zat chlor (Cl) yang dapat merusak lapisan ozon. Sedangkan HFC terdiri dari atom-atom hidrogen, fluorine dan karbon tanpa adanya zat chlor (Cl). Macam-macam HFC dan pemakaiannya : HFC 125 (CHF2CF3) Sebagai pengganti freon–115 / R115 untuk pendingin air. HFC 134a (CH3CH2F) Merupakan alternatif pengganti freon-12 / R-12. tidak mudah meledak dan tingkat kandungan racun rendah, digunakan untuk pengkondisian udara, lemari es dan pendingin air. HFC 152a (CH3CHF2)
26
Sebagai pengganti freon-12 / R-12 digunakan untuk penyegaran udara, pendingin air.
Karakteristik Refrigeran Karena refrigeran merupakan bahan yang penting dalam proses refrigerasi, agar dapat menyerap panas (evaporasi) dan mengeluarkan panas (kondensasi) dengan baik. Karakteristik thermodinamikanya antara lain meliputi temperatur penguapan serta temperatur pengembunan dan tekanan pengembunan. Persyaratan refrigeran untuk unit refrigerasi adalah sebagai berikut : Tekanan penguapan harus tinggi Tekanan pengembunan yang tidak terlalu tinggi Kalor laten penguapan harus tinggi Volume spesifik (refrigeran) yang cukup kecil Koefisisen prestasinya harus tinggi Konduktifitas thermal yang tinggi Viskositas yang rendah dalam fase cair maupun fase gas Konstanta dielektrika dari refriegerasi yang kecil, tahanan listrik yang besar, serta tidak menyebabkan korosi pada material Refrigerasi tidak boleh beracun dan berbau merangsang Refrigerasi tidak boleh mudah terbakar dan meledak Refrigerasi harus mudah didieteksi, jika terjadi kebocoran Harganya tidak mahal dan mudah diperoleh
Hal-hal yang perlu diperhatikan dalam pemilihan refrigeran: 1. Temperatur media yang akan didinginkan. Disini perlu perbedaan temperatur yang cukup antara media dan refrigeran (yang optimal 510C). Misal, untuk mendinginkan media pada temperatur -10C maka temperatur refrigeran adalah sekitar -20C.
27
Hal lain yang perlu diperhatikan adalah tekanan minimum (tekanan dalam evaporator) dalam sistem harus sedikit lebih besar dari tekanan atmosfer untuk mencegah masuknya udara masuk dalam sistem perpipaan. Dengan kata lain refrigeran harus mempunyai tekanan jenuh sedikit lebih besar dari 1 atm pada -20C (dalam contoh di atas).
2. Temperatur media dimana panas dibuang Temperatur ini akan menentukan temperatur minimum refrigeran. Misal, untuk refrigerator rumah tangga maka refrigeran tidak boleh dibawah 40C (kondisi Indonesia). Juga tekanan jenuh dari refrigeran di kondenser harus dibawah tekanan kritisnya.
Dari semua uraian diatas, dapat diambil beberapa kesimpulan : 1.
Setiap refrigeran mempunyai sifat dan karakter yang berbeda-beda, dan juga mempunyai kelebihan dan kekurangan
2.
Titik didih refrigeran sangat mempengaruhi dalam penyerapan kalor pada suatu ruangan. Apabila titik didih refrigeran tinggi maka kalor ruangan akan sulit diserap oleh refrigeran dan titik didih refrigeran yang rendah maka kalor ruangan dapat diserap oleh refrigeran.
3.
Kemampuan penyerapan kalor pada ruangan semakin besar apabila titik didih suatu fluida refrigeran semakin rendah.
4.
Dalam memilih refrigeran haruslah selektif mungkin agar tidak terjadi dampak yang merugikan pada lingkungan sekitar.
5.
Freon atau HFC mempunyai sifat yang dapat merusak lapisan ozon, oleh karena itu diciptakanlah HFC yang lebih ramah lingkungan dan tidak merusak lapisan ozon.
28
