MODUL
1 REFRIGERAN Refrigeran adalah zat yang mengalir dalam mesin pendingin (refrigerasi) atau mesin pengkondisian udara (AC). Zat ini berfungsi untuk menyerap panas dari benda atau udara yang didinginkan dan membawanya kemudian membuangnya ke udara sekeliling di luar benda/ruangan yang didinginkan. 1.1 PENGELOMPOKAN REFRIGERAN Refrigeran yang pertama kali digunakan adalah eter oleh Perkins pada mesin kompresi uap [1]. Selanjutnya pada tahun 1874 digunakan sulfur dioksida (SO2), dan pada tahun 1875 mulai digunakan ethyl chloride (C2H5Cl) dan ammonia. Selanjutnya metil khlorida (CH3Cl) mulai digunakan tahun 1878 dan karbon dioksida (CO2) tahun 1881. Nitrogen oksida (N2O3) dan hidrokarbon (CH4, C2H6, C2H4, dan C3H8) banyak digunakan sekitar tahun 1910 sampai 1930. Dichloromethane (CH2Cl), dichloroethylene (C2H2Cl2) dan monobromomethane (CH3Br) juga digunakan sebagai refrigeran pada mesin sentrifugal. Penggunaan refrigeran-refrigeran yang disebutkan diatas tersingkir setelah ditemukannya Freon (merek dagang) oleh E.I. du Point de Nemours and Co pada sekitar tahun 1930an, dan menjadi sangat populer sampai dengan tahun 1985. Refrigeran ini disebut sebagai refrigeran halokarbon (halogenated hydrocarbon) karena adanya unsur-unsur halogen yang digunakan (Cl, Br) atau kadangkala disebut sebagai refrigeran fluorokarbon (fluorinated hydrocarbon) karena danya unsure fluor (F) dalam senyawanya. Berdasarkan jenis senyawanya, refrigeran dapat dikelompokan menjadi: 1. Kelompok refrigeran senyawa halokarbon. 2. Kelompok refrigeran senyawa organik cyclic. 3. Kelompok refrigeran campuran Zeotropik. 4. Kelompok refrigeran campuran Azeotropik. 5. Kelompok refrigeran senyawa organik biasa. 6. Kelompok refrigeran senyawa anorganik. 7. Kelompok refrigeran senyawa organik tak jenuh. 1
1.1.1 Kelompok Refrigeran Senyawa Halokarbon Kelompok refrigeran senyawa halokarbon diturunkan dari hidrokarbon (HC) yaitu metana (CH4), etana (C2H6), atau dari propana (C3H8) dengan mengganti atom-atom hidrogen dengan unsur-unsur halogen seperti khlor (Cl), fluor (F), atau brom (Br). Jika seluruh atom hidrogen tergantikan oleh atom Cl dan F maka refrigeran yang dihasilkan akan terdiri dari atom khlor, fluor dan karbon. Refrigeran ini disebut refrigeran chlorofluorocarbon (CFC). Jika hanya sebagian saja atom hidrogen yang digantikan oleh Cl dan atau F maka refrigeran yang terbentuk disebut hydrochlorofluorocarbon (HCFC). Refrigeran halokarbon yang tidak mengandung atom khlor disebut hydrofluorocarbon (HFC). Berdasarkan pembahasan di atas refrigeran halocarbon dapat dituliskan sebagai: C m H n Fp Cl q
untuk senyawa halokarbon jenuh berlaku (n + p +q) = 2m + 2, sedangkan untuk senyawa tak jenuh (n + p + q) = 2 m. Dalam hal ini m menyatakan jumlah atom C, n adalah jumlah atom H, p adalah jumlah atom F, dan q menyatakan jumlah atom Cl. Cara penomoran refrigeran halokarbon adalah R- (m-1) (n+1) (p) Jika (m-1) sama dengan nol maka angka nol dihilangkan. Sebagai contoh CCl3F (trichlorofluoromethane) (Dichlorodifluoromethane)
dituliskan dituliskan
sebagai sebagai
R-11
atau
CFC-11.
CCl2F2
R-12
atau
CFC-12.
CHClF2
(Chlorodifluoromethane) dituliskan sebagai R-22 atau HCFC-22. C2Cl3F3 dituliskan sebagai R-113 atau CFC-113. Metana (CH4) dituliskan sebagai R-50, etana (C2H6) adalah R-170, propane (C3H8) R-290 dan seterusnya. Untuk refrigeran yang mengandung bromida dituliskan dengan menambahkan huruf B dan angka yang menyatakan jumlah atom khlor yang digantikannya. Sebagai contoh R-13B1 adalah refrigeran R-13 yang satu atom khlornya digantikan oleh satu aton Br. Jika senyawa mempunyai isomer yaitu senyawa yang mempunyai jumlah unsur sama tetapi berbeda dalam struktur molekulnya, maka nomor refrigeran ditambahkan huruf a,b, dst bergantung apakah struktur molekulnya simetri atau tidak.
2
Untuk senyawa tak jenuh ditambahkan angka jumlah ikatan tak jenuh didepan (m-1) contoh adalah ethylene (C2H4) dituliskan sebagai R-1150 karena mempunyai satu ikatan rangkap (CH2 = CH2). Gambar 1.1 menunjukkan 15 refrigeran halokarbon gugus metana, sedangkan Gambar 1.2 menunjukkan 28 refrigeran dari 55 refrigeran gugus etana yang mungkin (termasuk isomernya). Sedangkan dari propana dapat diturunkan 332 refrigeran halokarbon. Gambar 1.1 Refrigeran halokarbon gugus metana
Cl CCl4 R-10
CHCl3 R-20
CH2Cl2 R-30
CH3Cl R-40
CH4 R-50
H
CFCl3 R-11
CHFCl2 R-21
CH2FCl R-31
CH CH33Cl, F R-41 R-40
CF2Cl2 R-12
CHF2Cl R-22
CH2F2 R-32
CF3Cl R-13
CHF3 R-23
CF4 R-14
F
3
Cl C2Cl6 R-110
CCl
CCl
C2HCl45 R-10 R-120
CCl4 C H Cl R-10 R-130 2
2
R-160
C2H6 R-170
CH3 CHF Cl, R-161 R-40 2
5
2
3 R-131
R-11
2
R-141
C2H4FCl
C2H3 F2Cl
R-151
R-142b
C2H4F2 R-152a
2
C2F3Cl3 CFCl R-113
3
CF2C C H F Cl l2 R-124 R-12
C2H3 FCl2
R-150
CCl
C2F2Cl44 R-10 R-112
CCl CFCl C HF Cl4 R-10 3 R-122 R-11
CFCl
C2H2 FCl3
R-140
C2H5 Cl
CCl R-10 R-121
C2HFCl44
4
C2H3Cl3
C2H4Cl2
C2FCl43 R-10 R-111
2
2
3
R-11
CCl CFCl C HF Cl4 R-10 3 R-123 R-11 2
2
3
CF3C C HlF Cl R-133 R-13 2
C2H3F3 R-143a
CFCl
C2F4Cl2 3 R-114
2
R-11
CCl4 C2F5Cl R-10 R-115
CCl4 CFCl C HF Cl R-10 3 R-124 R-11 2
2 3
4
CF
C2H2F4 4 R-14 R-134a
CFCl C2HF5 3 R-125
R-11
H
C2F6 R-116
F Gambar 1.2 Refrigeran halocarbon gugus etana
Tabel 1.1 dan Tabel 1.2 masing-masing memperlihatkan refrigeran halokarbon gugus metana dan gugus etana beserta masing-masing Normal Boiling Point (NBP).
Tabel 1.1 Refrigeran halokarbon gugus metana dan NBP nya (oC) [1]
4
Jumlah Atom F 0-F
4-H CH4 R-50 -164,0
1–F 2–F
3–H CH3Cl R-40 -23,74 CH3F R-41 -78,0
Jumlah atom H 2-H CH2Cl2 R-30 40 CH2ClF R-31 -9,0 CH2F2 R-32 -51,6
3–F
1–H CHCl3 R-20 61,2 CHCl2F R-21 8,9 CHClF2 R-22 -40,8 CHF3 R-23 -82,2
4–F
0–H CCl4 R-10 76,7 CCl3F R-11 23,7 CCl2F2 R-12 -29,8 CClF3 R-13 -81,5 CF4 R-14 -127,8
Refrigeran yang mempunyai banyak atom Cl cenderung beracun. Atom F ditambahkan agar senyawa menjadi stabil. Dari tabel-tabel tersebut di atas dapat dilihat bahwa senyawa yang mempunyai banyak atom Cl akan mempunyai NBP yang lebih tinggi. Sedangkan meningkatnya jumlah atom F cenderung menurunkan NBP senyawa yang terbentuk.
1.1.2 Kelompok Refrigeran Senyawa Organik Cyclic Kelompok refrigeran ini diturunkan dari butana. Aturan penulisan nomor refrigeran adalah sama dengan cara penulisan refrigeran halokarbon tetapi ditambahkan huruf C sebelum nomor. Contoh dari kelompok refrigeran ini adalah: R-C316
C4Cl2F6
1,2-dichlorohexafluorocyclobutane
R-C317
C4ClF7
chloroheptafluorocyclobutane
R-318
C4F8
octafluorocyclobutane
1.1.3 Kelompok Refrigeran Campuran Zeotropik Kelompok refrigeran ini merupakan refrigeran campuran yang bisa terdiri dari campuran refrigeran CFC, HCFC, HFC, dan HC. Refrigeran yang terbentuk merupakan campuran tak bereaksi yang masih dapat dipisahkan dengan cara destilasi.
5
Tabel 1.2 Refrigeran halokarbon gugus etana dan NBP nya (oC) [1]
Jumlah atom F 0–F
1–F
2–F
6–H C2H6 R-170 -88,6
5-H C2H5Cl R-160 12,0
C2H5F R-161
4–H CH2Cl-CH2Cl2 R-150 84,0 CH3-CHl2 R-150a (?) 57,0 CH3-CHClF R-151 4,0 CH2Cl – CH2F R-151a (?) -37,7
CH2F-CH2F R-152 -24,7 CH3-CHF2 R-152a -24,15
Jumlah Atom H 3-H CH2Cl-CHCl2 R-140 113,0 CH3-CCl3 R-140a (?) 75,0 CH2Cl-CHClF R-141 65,0 CH3-CCl2F R-141a (?) 42,0 CHCl2-CH2F R-141b 32,1 CH3Cl-CHF3 R-142 35,0 CH2F-CHClF R-142a (?) 27,0 CH3-CClF2 R-142b -9,25
2–H CHCl3 – CHCl2 R-130 145,0 CH2Cl-CCl3 R-130a (?) 128,0 CHCl2–CHClF R-131 102,0 CCl3-CH2F R-131a(?) 90,0 CH2Cl-CCl2F R-131b(?) 86,0 CHClF-CHClF R-132 66,0 CH2F-CCl2F R-132a (?) 62 CHCl2-CHF3 R-132b (?) 60 CH2Cl-CClF2 R-132c (?) 49,0
1-H CHCl2 – CCl3 R-120 162,0
0 -H C2Cl6 R-110 185,0
CHCl2-CCl2F R-121 115,7 CCl3-CHClF R-121a(?) 117,0
CCl3-CCl2F R-111
CHClF-CCl2F R-122 85,0 CCl3-CHF2 R-122a (?) 77,0 CHCl2-CClF2 R-122b (?) 72,0
CCl2F-CCl2F R-112 92,0 CCl3-CClF2 R-112a 91,5
6
Jumlah atom F
3–F
4–F
5–F 6-F
6–H
5-H
4–H
Jumlah Atom H 3-H
CH2F-CHF2 R-143 -35,0 CH3-CF3 R-143a -47,35
2–H
CHClF-CHF2 R-133 17,0 CH2Cl-CF3 R-133a (?) 8,0 CH2F-CClF2 R-133b (?) 8,0 CHF2-CHF2 R-134 -20,0 CH2F-CF3 R-134a -26,15
1-H
CHF3 – CClF R-123 38,0 CHClF-CClF2 R-123a 32,0 CHCl2-CF3 R-123b 28,0 CHClF-CF3 R-124 -12,0 CHF2-CClF2 R-124a (?) -16,0 CHF2-CF3 R-125 -48,55
0 -H
CClF3-CCl2F R-113 47,68 CCl3-CF3 R-113a 45,9
CCl2F-CF3 R-114 -12,0 CClF2-CClF2 R-114a 3,6 CClF2-CF3 R-115 -38,0 C2F6 R-116 -78,3
7
Refrigeran ini diberi nomor dimulai dengan 4 sedangkan digit selanjutnya dibuat sesuai perjanjian. Yang termasuk refrigeran ini adalah •
R-401A
campuran R-22(53%) + R-152a(13%) + R-124(34%)
•
R-402B
campuran R-125(38%) + R-290(2%) + R-22(60%)
•
R-403B
campuran R-22(56%) + R-218(39%) + R-290(5%)
Refrigeran campuran zeotropik akan menguap dan mengembun pada temperatur yang berbeda hal ini akan menyebabkan terjadinya temperature glide baik di evaporator maupun di kondensor, yaitu refrigeran mengalami perubahan fasa pada tekanan konstan tetapi temperaturnya terus berubah (lihat Gambar 1.3)
Tekanan
garis isotermal
2
3
1
4
temperature glide di dalam kondensor temperature glide di dalam evaporator
Entalpi Gambar 1.3 Sketsa pernyataan proses Siklus Kompresi Uap Standar pada diagram p–h refrigeran campuran zeotropik
1.1.4 Kelompok Refrigeran Campuran Azeotropik Kelompok refrigeran Azeotropik adalah refrigeran campuran tak bereaksi yang tidak dapat dipisahkan dengan cara destilasi. Refrigeran ini pada konsentrasi, tekanan dan temperatur tertentu bersifat azeotropik, yaitu mengembun dan menguap pada temperatur yang sama, sehingga mirip dengan refrigeran tunggal. Namun demikian pada kondisi (konsentrasi, temperatur atau tekanan) yang lain refrigeran ini bisa saja menjadi bersifat zeotropik.
8
T
Titik Azeotropik
XA
x
Gambar 1.4 Diagram T – X campuran yang memiliki kondisi azeotropik
Kelompok refrigeran ini diberi nomor dimulai dengan angka lima, sedangkan digit berikutnya dibuat sesuai perjanjian, sebagai contoh: •
R-500: R-12 (73.8%) + R-152a (26.2%), Temperatur azeotropik: 0oC
•
R-502: R-22 (48.8%) + R-115 (51.2%), Temperatur azeotropik: 19oC
1.1.5 Kelompok refrigeran organik lainnya Kelompok refrigeran ini sebenarnya terdiri dari unsur C, H dan lainnya. Namun demikian cara penulisan nomornya tidak dapat mengikuti cara penomoran refrigeran halokarbon karena jumlah atom H nya jika ditambah dengan 1 lebih dari 10 sehingga angka kedua pada nomor refrigeran menjadi dua digit. Sebagai contoh butana (C4H10), jika dipaksakan dituliskan sesuai dengan cara penomoran refrigeran halokarbon, maka refrigeran ini akan bernomor R-3110, sehingga akan menimbulkan kerancuan. Nomor kelompok refrigeran ini dimulai dengan angka 6 dan digit lainnya dipilih sebarang berdasarkan kesepakatan. Contoh refrigeran dari kelompok ini adalah: •
R-600
: Butana, CH3CH2CH2CH3
9
•
R-600a
: Isobutana, CH(CH3)3
•
R-610
: ethyl ether, C2H5OC2H5
•
R-611
: methyl format, HCOOCH3
•
R-630
: methyl amine, CH3NH2
•
R-631
: ethyl amine, C2H5NH2
1.1.6 Kelompok refrigeran senyawa unorganik Kelompok refrigeran ini diberi nomor yang dimulai dengan angka 7 dan digit selanjutnya menyatakan berat molekul dari senyawanya. Contoh dari refrigeran ini adalah: •
R-702
: hidrogen
•
R-704
: helium
•
R-717
: amonia
•
R-718
: air
•
R-744
: O2
•
R-764
: SO2
1.1.7 Kelompok refrigeran senyawa organik tak jenuh Kelompok refrigeran ini mempunyai nomor empat digit, dengan menambahkan angka kempat yang menunjukkan jumlah ikatan rangkap didepan ketiga angka yang sudah dibahas dalam sistem penomoran refrigeran halokarbon. Contoh dari jenis refrigeran ini adalah: R-1130
1,2-dichloroethylene
CHCl=CHCl
R-1150
Ethylene
CH2=CH2
R-1270
Propylene
C3H6
Data nama dan nomor lengkap refrigeran dapat dilihat pada literature [2]. 1.2 PEMILIHAN JENIS REFRIGERAN
10
Pemilihan
jenis
refrigeran
yang
akan
digunakan
dilakukan
dengan
mempertimbangkan beberapa sifat berikut: 1. Sifat termodinamika, 2. Tingkat mampu nyala, 3. Tingkat racun, 4. Kelarutan dalam air, 5. Kelarutan dalam minyak pelumas, 6. Reaksi terhadap material komponen mesin, 7. Sifat-sifat fisik, 8. Kecenderungan bocor, 9. Pengaruhnya terhadap lingkungan hidup, dan 10. Harga. 1.2.1
Sifat termodinamika
Pemilihan refrigeran yang mempunyai sifat termodinamika yang tepat biasanya dilakukan berdasakan kapasitas refrigerasi yang diperlukan (sangat kecil, kecil, sedang atau besar) dan temperatur refrigerasi/pendinginan yang diperlukan. Misalnya untuk pengkondisian udara 5oC, lemari es -10 s/d 2oC, cold storage -25oC, lemari pembeku daging atau ikan -40oC. 1.2.1.1 Tekanan dan temperatur jenuh Tekanan dan temperatur jenuh akan menentukan kondisi operasi di evaporator dan kondensor. Kondisi yang diinginkan adalah pada temperatur pendinginan yang diinginkan refrigeran masih mempunyai tekanan di atas tekanan atmosfer sehingga tidak ada tekanan vakum dalam sistem yang dapat menyebabkan masuknya udara dan uap air ke dalam sistem. Pada temperatur kondensor yang sedikit di atas temperatur kamar, diharapkan refrigeran mempunyai tekanan yang tidak terlalu tinggi sehingga tidak diperlukan kompresor dengan perbandingan kompresi yang tinggi dan berdaya rendah. Disamping itu diinginkan refrigeran yang mempunyai tekanan kondensor dan evaporator yang tidak terlalu tinggi juga. Hal ini dimaksudkan agar tidak diperlukan struktur komponen yang kuat dan berat.
11
Dengan mengetahui tekanan dan temperatur jenuh refrigeran, maka dapat diketahui apakah suatu refrigeran beroperasi pada kisaran tekanan dan temperatur yang sama dan dapat saling menggantikan. Gambar 1.5 menunjukkan kurva jenuh beberapa refrigeran. Dari kurva tersebut dapat dilihat bahwa kurva R-12 berimpit dengan R134a dan R-152a. Dengan demikian refrigeran R-134a dan R-152a dapat menggantikan refrigeran R-12. dari kurva ini pula dapat diprediksi bahwa campuran R-32 yang bertekanan tinggi dengan R134a yang bertekanan lebih rendah dapat dihasilkan refrigeran untuk menggantikan R-22. Berbagai kombinasi campuran refrigeran bertekanan tinggi dan rendah dapat dilakukan untuk menggantikan refrigeran yang tekanannya berada di antara kedua tekanan refrigeran-refrigeran yang dicampur .
50 45 R-12 R-600 R-134a R-152a
40
Psat (atm)
35
R-22 R-600a R-125 R-32
30 25 20 15 10 5 0 220
240
260
280
300
320
340
360
Tsat (K) Gambar 1.5 Kurva jenuh beberapa refrigeran murni
Kurva jenuh ini dapat dibuat linier, jika diplot ln Psat terhadap 1/Tsat. Hal ini ditunjukan pada Gambar 1.6. berdasarkan persamaan Clausius – Clayperon kemiringan garis akan menunjukan panas laten pengupan refrigeran tersebut. Semakin curam kemiringan garis, semakin besar panas laten penguapannya.
12
100
ln Psat (atm)
10
1
0.1 0.001
R-12 R-600 R-134a R-152a
0.002
R-22 R-600a R-125 R-32
0.003
0.004
0.005
1/Tsat (K)
Gambar 1.6 Plot P – T jenuh beberapa refrigeran murni
Tabel 1.3 menunjukkan beberapa sifat termodinamika refrigeran yang umum digunakan. Dari Normal Boiling Point (NBP) biasanya digunakan untuk mengetahui kondisi refrigeran pada tekanan atmosfer. Dari NBP juga dapat diketahui apakah refrigeran tersebut dapat beroperasi pada temperatur rendah atau lebih tinggi. Sebagai contoh R-12 mempunyai NBP – 29,8oC, dengan demikian refrigeran ini banyak digunakan pada mesin refrigerasi yang beroperasi pada kisaran temperatur 0 s/d -25oC. Dapat terlihat bahwa refrigeran ini masih bertekanan di atas tekanan atmosfer pada – 25oC. R-11 yang mempunyai NBP 23,7oC (Tabel 1.3) merupakan refrigeran dengan titik didih tinggi oleh sebab itu akan menyebabkan tekanan evaporator vakum, bahkan untuk pemakaian pada pengkondisian udara sekalipun yang bertemperatur 5oC. Kondisi vakum akan menyebabkan besarnya volume spesifik uap refrigeran yang
13
keluar dari evaporator. Oleh sebab itu diperlukan kompresor sentrifugal untuk menghasilkan laju aliran massa yang besar. R-10 mempunyai NBP yang lebih besar lagi (76,7oC, Tabel 2.1) oleh sebab itu refrigeran ini tidak dapat digunakan meskipun dengan kompresor sentrifugal. R-22 mempunyai NBP yang lebih rendah – 40,8oC. Dengan demikian refrigeran ini dapat digunakan untuk temperatur pendinginan yang lebih rendah dari temperatur R12 tanpa mengalami vakum. R-134a mempunyai NBP yang dekat dengan R-12 oleh sebab itu refrigeran ini digunakan untuk menggantikan R-12 yang penggunaanya mulai di hapus karena merusak lapisan ozon. R-290 mempunyai NBP yang dekat dengan R-22. refrigeran hidrokarbon ini berpotensi untuk menggantikan R-22. R-113 mempunyai dua isomer, yang satu mempunyai NBP 45,9oC sedangkan yang lain mempunyai NBP 47,6oC. Dengan demikian refrigeran ini biasa digunakan dengan kompresor sentrifugal mirip dengan R-11. Namun demkian seperti yang terlihat pada Tabel 2.3 baik tekanan evaporator maupun kondensor keduanya adalah vakum.
1.2.1.2 Temperatur dan tekanan kritik Tekanan dan temperatur kritik merupakan batas atas dari pemakaian refrigeran pada mesin refrigerasi kompresi uap. Tidak ada refrigeran yang dioperasikan di atas tekanan atau temperatur kritik dalam siklus kompresi uap. Untuk mendapatkan COP yang besar refrigeran harus dioperasikan jauh di bawah titik kritiknya agar diperoleh efek refrigerasi yang besar. Dari refrigeran yang terdapat dalam Tabel 2.3 hanya CO2 (31oC) yang mempunyai temperatur kritik di bawah temperatur kondensor yang normal. Oleh sebab itu refrigeran ini digunakan pada sistem yang berbeda, R-14 bahkan belum pernah digunakan sebagai refrigeran. 14
1.2.1.3 Titik beku Titik beku refrigeran merupakan batas bawah temperatur operasi dari refrigeran tersebut. Siklus refrigeran harus beroperasi di atas titik bekunya. Dari Tabel 1.3 dapat dilihat bahwa hanya air yang mempunyai titik beku 0oC, sedangkan refrigeran lainnya jauh di bawahnya. Oleh sebab itu penggunaan air sebagai refrigeran hanya dilakukan untuk temperatur di atas 0oC, meskipun temperatur yang lebih rendah dapat dicapai dengan penurunan tekanan di bawah tekanan atmosfer. 1.2.1.4 Laju aliran uap sisi isap (V*) Tabel 2.3 memperlihatkan laju aliran volumetrik per TR beberapa refrigeran (m3/h/TR) yang dihitung berdasarkan tekanan operasi kondensor 40oC dan tekanan evaporasi 5oC (kecuali CO2, temperatur kondensor 25oC, dan air ,H2O, temperatur evaporator 5oC). Dapat terlihat bahwa V* yang dibutuhkan meningkat dengan meningkatnya NBP. Amonia yang mempunyai panas laten yang terbesar ternyata mempunyai kebutuhan V* yang hampir sama dengan R-22. Keduanya mempunyai NBP yang hampir sama. Dengan demikian maka NBP sangat menentukan V* atau sebaliknya sangat menentukan kapasitas refrigerasi volumetrik (1/V*). Berdasarkan hal tersebut di atas maka dapat disimpulkan bahwa refrigeran dengan NBP yang tinggi seperti R-11, dan R-113 akan beroperasi pada tekanan evaporator yang rendah dan memerlukan laju aliran volumetrik sisi isap yang besar. Oleh sebab itu kompresor yang lebih tepat digunakan pada sistem refrigerasi ini adalah kompresor sentrifugal dan digunakan untuk kapasitas yang besar (diatas 400 TR). Sebaliknya refrigeran dengan NBP yang rendah seperti amonia, R-22, propana, CO2 dsb. Beroperasi pada tekanan evaporator diatas tekanan atmosfer. Kompresor yang digunakan adalah dari jenis perpindahan positif (reciprocating, dan screw). Refrigeran ini biasanya digunakan untuk kapasitas refrigerasi sedang dan kecil. Namun demikian R-22 juga digunakan dengan kompresor sentrifugal pada mesin pengkondisian udara kapasitas besar dimana laju aliran volumetrik sisi isap cukup besar untuk penggunaan kompresor sentrifugal. Refrigeran dengan NBP menengah seperti R-600a, R-152a, R-134a, dan R-12 pada umumnya digunakan pada mesin refrigerasi kapasitas kecil dengan kompresor torak, seperti refrigerasi domestik, dan 15
AC mobil. R-114 yang memiliki NBP 3,6oC merupakan refrigeran dengan NBP menengah. Refrigeran ini biasanya digunakan pada mesin refrigerasi dengan kompresor rotari. Namun demikian karena refrigeran ini adalah refrigeran CFC yang sudah dihapuskan produksinya, maka penggunaan refrigeran ini tidak banyak lagi. 1.2.1.4 Panas laten penguapan (hfg) Tabel 2.3 menunjukkan besarnya panas laten penguapan (hfg) beberapa refrigeran pada Tkond= 40oC dan Teva= -15oC. Dari data tersebut nampak bahwa beberapa refrigeran mempunyai panas laten yang lebih besar dari yang lainnya. Namun demikian COP dari mesin refrigerasi hampir sma untuk semua refrigeran. Dengan demikian panas laten tidak mempengaruhi COP.
1.2.2 Sifat kimia Sifat kimia refrigeran yang harus diperhatikan antara lain adalah sifat mampu nyala, tingkat
racun,
reaksinya
terhadap
air,
minyak
pelumas
dan
material
konstruksi/komponen serta terhadap produk yang dibekukan jika terjadi kebocoran refrigeran dari sistem. 1.2.2.1 Sifat mampu nyala dan tingkat racun Sifat mampu nyala ditentukan oleh komposisi campuran udara –refrigeran dan titik nyala dari refrigeran tersebut. Berdasarkan kemudahan terbakarnya refrigeran dibagi menjadi tiga kelas yaitu kelas 1, kelas 2 dan kelas 3[2]. Refrigeran yang mempunyai titik nyala di atas 750oC dianggap tidak mudah terbakar karena temperatur nyalanya sudah melebihi temepartur leleh material komponen refrigerasi. refrigeran kelompok ini termasuk Refrigeran dengan titik nyala di bawah 750o dan batas bawah penyalaan (LFL = Lower Flammability Limit, atau LEL = Lower Explotion Limit) adalah lebih besar dari 3,5% volume (campuran dalam udara), maka refrigeran ini termasuk refrigeran kelas 2. Sedangkan jika batas bawah penyalaan kurang dari 3,5% maka refrigeran tersebut masuk kelas 3.
16
Tabel 1.3 Sifat termodinamika beberapa refrigeran
Refrigeran
NBP, o
C
Temperatur
Tekanan
Titik
Kritik,
Kritik,
Beku,
o
C
R-11 23,7 197,78 R-12 -29,8 112,04 R-22 -40,8 96,02 R-113 45,9 214,1 R-114 3,6 145,8 R-134a -26,15 101,06 R-152a -24,15 113,3 R-290 -42,1 96,8 R-600a -11,73 135,0 R-718 100 374,5 R-717 -33,35 31,1 R-744 -78,4 31,1 o * pada Teva = 5 C, ** pada Tkond = 25oC
Bar 43,7 41,15 96,02 34,15 32,7 40,56 45,2 42,56 36,45 221,3 73,72 73,72
o
C
-111,0 -136,0 -160,0 -36,6 -94,0 -96,6 -117,0 -187,1 -159,6 0,0 -77,7 -56,6
Tekanan Operasi Refrigeran, bar peva pada 5oC 0,4967 3,62 5,836 0,1903 1,069 3,5 3,149 5,478 1,88 0,00874 5,16 -
pkond pada 40oC 1,748 9,60 15,331 0,7809 3,454 10,167 9,092 13,664 5,361 0,0738 15,54 -
V*,
hfg,
m3/hr/TR kJ/kg Pada Tkond= 40oC dan Teva= -15oC 0,772 148,5 10,867 108,4 6,668 108,4 186,9 111,8 37,6 88,6 10,867 139,8 11,572 226,5 7,737 252,4 21,24 226,5 825,6 2342,5* 6,124 1053,4 1,33 156,7**
17
Tingkat racun dibagi menjadi dua kelompok yaitu kelompok A yaitu refrigeran tak beracun dan kelompok B refrigeran beracun[2]. Refrigeran dikatakan tidak beracun jika mempunyai LC50 (Lethal Concentration 50%) lebih besar dari 10.000 ppm, sedangkan refrigeran dianggap beracun jika LC50 lebih kecil dari 10.000 ppm. Berdasarkan tingkat mampu nayala dan racun maka refrigeran dapat diklasifikasikan sebagai •
refrigeran kelas A1: tidak beracun tidak mudah terbakar. Semua refrigeran halokarbon masuk kedalam kelas refrigeran ini.
•
Refrigeran kelas A2: tidak beracun, tetapi tingkat nayala masuk kelas 2. Refrigeran campuran zeotropik antara kelas A1 dan A3 bisa masuk kelas refrigeran ini. R-32, R-141b, dan R-152a juga masuk dalam kelas refrigeran ini.
•
Refrigeran kelas A3: tidak beracun, tetapi mudah terbakar. Refrigeran hidrokarbon, masuk ke dalam kelas ini.
•
Refrigeran kelas B1: beracun tetapi tidak mudah terbakar. Tidak ada refrigeran masuk kelas ini.
•
Refrigeran kelas B2: beracun dan bisa terbakar. Amoniak termasuk kelas refrigeran ini.
•
Refrigeran kelas B3: beracun dan mudah terbakar. Kelas refrigeran ini tidak pernah digunakan.
1.2.2.2 Kelarutan dalam air Adanya air atau uap air dalam sistem tidak diinginkan, karena dapat menyebabkan penyumbatan pada alat ekspansi (moisture choking), korosi, rusaknya isolasi dak kumparan motor listrik dalam kompresor hermetik, dan terbentuk kerak dalam pipa tembaga. Uap air dapat berada dalam sistem apabila proses evakuasi (vakum) tidak dilakukan dengan baik, atau terjadi kebocoran pada sisi tekanan rendah (untuk sistem yang bekerja pada tekanan vakum), kebocoran pada penukar kalor berpendingin air, pelumas yang basah karena bersifat higroskopik, atau kebocoran melalui sekat poros untuk kompresor tak hermetik. Pembentuk air dan es dapat terjadi apabila air atau uap air tidak larut atau terlepas dari larutan refigeran –pelumas. Dengan demikian semakin tinggi kelarutan air dalam refrigeran atau pelumas semakin baik. Namun tingkat kelarutan air dalam refrigeran biasanya menurun dengan menurunnya temperatur, sehingga keberadaan air dalam refrigeran selalu dicegah dengan memasang pengering silica gel atau molecular sieve. 18
Tabel 1.4 memeuat kelarutan air pada beberapa refrigeran. Dari tabel ini dapat dilihat bahwa air mempunyai kelarutan yang lebih rendah dalam R-12 dan R-11 dibandingkan dalam R-22 atau R-134a. Dengan demikian persoalan moisture choking lebih banyak ditemui pada sistem dengan refrigeran seperti R-12 dan R-11. Namun demikian semakin rendah temperatur semakin kecil kelarutannya. Hal ini dapat menyebabkan terpisahnya air dari refrigeran dan akan menimbulkan persoalan, Oleh sebab itu keberadaan air dalam sistem tetap harus dicegah. Tabel 1.4 Kelarutan air dalam beberapa refrigeran cair [3]
Temperatur, oC 60,0 32,2 10,0 -1,1 -40 -73,3
R-11 340 140 55 34 4 0,3
Kelarutan, mg/kg R-12 R-22 440 3150 128 1580 44 830 23,3 573 1,7 120 0,1 19
R-134a 3200 1500 730 490 89 12
1.2.2.3 Kelarutan dalam minyak pelumas Refrigeran dan pelumas dapat bercampur atau tidak bercampur dengan pelumas bergantung pada jenis dan ukuran kompresor. Pada kompresor sentrifugal pelumas mempunyai sistem tersendiri yang terpisah dari saluran refrigeran, sehingga pada sistem ini, tidak perlu dikhawatirkan pengaruh kelarutan refrigeran dalam minyak pelumas atau sebaliknya. Namun demikian pada jenis kompresor torak dan ulir refrigeran bercampur dengan minyak pelumasnya. Untuk jenis kompresor ini maka diperlukan pasangan refrigeran – minyak pelumas yang saling tidak larut, dengan demikian minyak pelumas dan refrigeran dapat dipisahkan dengan memasang pemisah oli pada sisi keluaran kompresor. Pada kompresor torak kapasitas kecil dimana tidak memungkinkan untuk dipasang pemisah oli, maka diperlukan pasangan refrigeran oli–refrigeran yang larut dengan baik satu sama lain agar pelumas tidak tertinggal di kondensor, katup ekspansi atau evaporator. Pada sistem kompresor yang memungkinkan terjadinya pencampuran refrigeran – oli, maka perlu diperhatikan adanya penuruan kerapatan dan viskositas minyak pelumas tersebut agar tidak terjadi kegagalan pelumasan.
19
Pelumas refrigeran secara garis besar dapat dibagi menjadi dua kelompok yaitu oli mineral yang berasal dari minyak bumi dan oli sintetik. Terdapat dua jenis oli mineral yaitu oli mineral Napthenic dan Paraffinic, keduanya merupakan senyawa hidrokarbon jenuh, tetapi oli mineral napthenic mempunyai ikatan cyclic yang menyebabkan oli jenis ini viskositas dan temperatur curahnya lebih rendah dibandingkan oli mineral Paraffinic yang banyak mengandung lilin parafin. Dalam praktek keduanya terdapat dalam mineral oli dengan komposisi yang berbedabeda[3]. Refrigeran sintetik yang banyak digunakan adalah Alkyl-benzene, Polyo ester (POE), dan polyalkyl glycol (PAG). Hampir semua refrigeran halokarbon larut dengan baik dalam oli mineral, kecuali R-22, R-114, R-502 yang hanya larut sebagian. Oleh sebab itu penggunaan refrigeran yang hanya terlarut sebagian ini pada sistem refrigerasi yang kecil dan refrigeran tercampur dengan minyak pelumas memerlukan perhatian pada sistem pemipaan yang memungkin minyak pelumas kembali ke kompresor secara gravitasi. Sebagai contoh R-22 dengan 10% mineral oil merupakan larutan yang baik pada kondensor temperatur, tetapi akan terpisah pada temperatur evaporator – 5oC. Jika kandungan oli mencapai 18% pemisahan akan terjadi pada temperatur 0,5oC[1]. Amonia dan CO2 tidak larut dalam oli mineral oleh sebab itu pemakaian refrigeran ini pada mesin refrigerasi besar tidak menjadi masalah karena pencampuran dapat diatasi dengan memasang pemisah oli. R-134a tidak bercampur dengan oli mineral, sehingga pasangan refrigeran-minyak pelumas ini tidak digunakan pada mesin refrigerasi kapasitas kecil yang tidak memungkinkan dipasangnya pemisah oli. Tabel 1.5 memperlihatkan kelarutan beberapa refrigeran dalam oli mineral. Pada umumnya viskositas dan massa jenis oli pelumas akan menurun jika bercampur dengan refrigeran. Besarnya penurunan viskositas dan massa jenis ini meningkat dengan meningkatnya jumlah refrigeran yang terlarut, temperatur dan tekanan[3]. Oleh sebab itu perlu diperhatikan agar penurunan viskositas dan massa jenis ini tidak sampai menyebabkan kegagalan pelumasan. Tabel 1.6 menunjukkan kisaran viskositas minyak pelumas yang direkomendasikan pada beberapa aplikasi refrigerasi kapasitas kecil. Tabel 1.5 Kelarutan beberapa refrigeran dalam oli mineral
Seluruhnya larut R-11 R-600a
Tinggi R-13B1
Sebagian larut Sedang R-22
Rendah R-13
Tidak larut NH3
20
R-12 R-290 R-21 R-113 R-152a R-500
R-501
R-114
R-14
CO2
R-115
R-134a
R-502
1.2.2.4 Reaksi terhadap material komponen mesin Material komponen mesin terdiri dari logam, elastomer dan material pengering seperti silika gel dan molecular sieves. Refrigeran halokarbon, dan hidrokarbon mempunyai kestabilan kimia dan kompatibel terhadap hampir semua logam. Namun demikian material yang paling baik digunakan adalah tembaga. Alumunium akan sedikit bereaksi dengan refrigeran yang mempunyai kandungan fluor yang tinggi[1]. R-12 dan R-11 menunjukkan reaksi terhadap alumunium. Namun karena harganya murah maka alumunium dengan lapisan oksida banyak digunakan sebagai komponen mesin refrigerasi. Tabel 1.6 menunjukkan kompatibilitas beberapa material terhadap refrigeran R-12, R-134a dan hidrokarbon 1.2.2.5 Sifat fisika A. Kekuatan Dielektrik Kekuatan dielektrik menentukan apakah refrigeran tersebut menghantarkan listrik atau tidak. Refrigeran yang baik adalah refrigeran yang mempunyai kekuatan dielektrik yang tinggi atau tidak menghantarkan listrik. Refrigeran yang mempunyai kekuatan dielektrik yang tinggi aman digunakan pada kompresor hermetik. Refrigeran halokarbon dan hidrokarbon mempunyai kekuatan dielektrik yang baik dan bersifat isolator. Sebagai perbandingan terhadap nitrogen R-11, R-113, R-12 dan R-22 mempunyai kekuatan dielektrik masing-masing sebesar 3, 2,6, 2,4 dan 1,31. sedangkan ammonia dan CO2 mempunyai nilai kekuatan dielektrik masing-masing 0,88 dan 0,82. Tabel 1.6 Kisaran viskositas minyak pelumas pada beberapa aplikasi refrigerasi kapasitas kecil[3]
Refrigeran Ammonia Ammonia Carbon dioksida R-11 R-123 R-12
Jenis kompresor Screw Reciprocating Reciprocating Sentrifugal Sentrifugal Sentrifugal
Viskositas Pelumas pada 38oC SSUa mm2/s 280 - 300 60 - 65 150 - 300 32 - 65 b 280 – 300 60 -65 280 – 300 60 - 65 280 – 300 60 - 65 280 – 300 60 - 65 21
R-12 R-12 R-134a R-134a R-22 R-22 R-22 R-22 a
Reciprocating Rotary Sentrifugal Screw Sentrifugal Reciprocating Scroll Screw
32 – 65c 60 - 65 60-86 60-65 60 – 86 32 - 65 60 – 65 60 - 173
150 - 300 280 - 300 280 - 400 280 - 300 280 -400 150 - 300 280 - 300 280 - 800
SSU = Saybolt Seconds Universal = SUS
b
beberapa aplikasi menggunakan minyak pelumas yang lebih encer 14-17 mm2/s (75-85 SSU), dan ada pula yang
menggunakan minyak pelumas lebih kental 108-129 mm2/s (500 – 600 SSU). C
Pemakaian R-12 pada AC mobil memerlukan minyak pelumas dengan viskositas yang lebih kental 97-107 mm 2/s
(450 – 500 SSU)
Tabel 1.7 Kompatibilitas beberapa refrigeran terhadap material komponen mesin refrigerasi
Material Baja Kuningan Tembaga Aluminum Molecular Sieve Silicagel CR FPM PTFE Polyamide NBR
Penggunaan
R-12
Konstruksi, pipa Konstruksi, pipa Konstruksi, pipa Konstruksi, pipa pengering pengering elastomer elastomer elastomer elastomer elastomer
Sangat baik Sangat baik Sangat baik baik Sangat baik Sangat baik Buruk Buruk baik baik Sangat baik
R-134a
HC
Sangat baik Sangat baik Sangat baik baik Sangat baik Sangat baik Buruk baik baik baik baik
Sangat baik Sangat baik Sangat baik baik Sangat baik Sangat baik baik baik baik baik Sangat baik
B. Sifat Transpor Sifat transpor seperti massa jenis, panas jenis, konduktivitas termal, viskositas dan tegangan permukaan beberapa refrigeran pada 0oC dapat dilihat pada Tabel 1.8. Tabel 1.8 Sifat transport beberapa refrigeran pada 0oC
Refrigeran
P, MPa
Massa jenis cairan, kg/m3
Cp cairan, kJ/kgK
k=Cp/Cv
Viskositas cairan, Pas x 106
Konduktivi tas termal cairan, W/mK
Tegangan Permukaan, N/m
R-600a R-12 R-134a
0.1564 0.3081 0.2928
581 1396 1295
2.306 0.934 1.341
1.086 1.126 1.102
199.3 248.7 271.1
0.1068 0.07585 0.09201
0.01303 0.01177 0.01156
R-290/R600a, 50%50%
0.3360
551
2.399
1.495
153.9
0.01474
0.01474
R-22
0.4976
1285
1.170
1.166
236.0
0.100
0.01170
22
R-290
0.4712
523
2.500
1.126
137.0
0.104
0.01030
Koefisien perpindahan panas pada penukar kalor akan menjadi lebih besar jika refrigeran memiliki nilai panas jenis, dan konduktivitas termal yang besar, serta tegangan permukaan yang kecil. Viskositas cairan menentukan besarnya penurunan tekanan dalam pipa, dan dimensi alat ekspansi. Viskositas refrigeran yang rendah akan menurunkan kerugian friksi pada pipa. Namun demikian penggunaan drop in refrigeran yang mempunyai viskositas lebih rendah dapat menyebabkan perlunya memperpanjang pipa kapiler atau memperkecil orifis katup ekspansi. Harga perbandingan panas jenis k sangat mempengaruhi temperatur refrigeran keluar komprsor (discharge temperature). Semakin tinggi nilai k semakin tinggi temperatur keluaran. Oleh sebab itu pada sistem yang menggunakan refrigeran dengan nilai k tinggi, khususnya pada kompresor hermetik, perlu diperhatikan sistem pendinginannya. Sebagai contoh motor kompresor hermetik R-22 lebih sering terbakar dibandingkan dengan motor kompresor R12[1]. 1.2.2.6 Kecenderungan bocor Semua refrigeran saat ini mempunyai kecenderungan bocor yang kecil. Deteksi kebocoran sangat mudah dilakukan dengan adanya detekt0r elektronik refrigeran halokarbon yang tidak berbau. Cara yang paling mudah mendeteksi kebocoran adalah dengan menggunakan air sabun. Ammonia mempunyai bau yang sangat kuat sehingga mudah terdeteksi. Namun demikian refrigeran ini termasuk refrigeran beracun sehingga keboroan dapat berakibat fatal dan mengkontaminasi produk yang didinginkan. Namun demikian dengan dihapusnya penggunaan CFC, refrigeran amonia menjadi salah satu alternatif pengganti. Refrigeran hidrokarbon yang mudah terbakar disarankan untuk diberi pembau. Namun demikian pembau merkaptan pada kosentrasi tertentu dapat menyebabkan korosi. 1.2.2.7 Pengaruh terhadap lingkungan hidup Refrigeran sintetik seperti kelompoh refrigeran halokarbon yang memiliki sifat-sifat teknis yang sangat baik ternyata menimbulkan efek perusakan lingkungan hidup. Refrigeran ini
23
mempunyai kontribusi terhadap perusakan lapisan ozon dan atau pemanasan global. Kedua isu lingkungan hidup tersebut ditanggapi sangat serius oleh masyarakat internasional dan telah dilakukan upaya-upaya bersama untuk menaggulanginya. Oleh sebab itu pemilihan jenis refrigeran haruslah memperhatikan kedua isu lingkungan hidup global tersebut. Pembahasan rinci mengenai hal ini serta refrigeran alternatif dapat dilihat pada bab selanjutnya. 1.2.2.8 Harga refrigeran Harga refrigeran di Indonesia sangat ditentukan oleh mekanisme pasar dan nilai tukar rupiah. Apabila persediaan melimpah dan harga kurs rupiah stabil, maka harga refrigeran menjadi murah. Refrigeran pengganti cenderung lebih mahal dibandingkan dengan refrigeran yang digantikan.
1.2
Refrigeran yang sering digunakan di Indonesia
Berdasarkan pembahasan di atas, pada dasarnya, refrigeran dapat dikelompokan menjadi kelompok refrigeran sintetik dan refrigerant alami. Refrigeran sintetik tidak terdapat dialam dan dibuat oleh manusia dari unsur-unsur kimia. Sedangkan refrigeran alami adalah refrigeran yang dapat ditemui di alam, namun demikian masih diperlukan pabrik untuk penambangan dan permuniannya. Refrigeran yang dikenal dengan sebutan CFC, HCFC, dan HFC adalah contoh-contoh refrigeran sintetik. Sedangkan hidrokarbon (HC), karbon dioksida (CO2), air (H2O), udara dan ammonia (NH3) adalah contoh refrigeran alami yang sering digunakan. CFC-11
CFC adalah singkatan dari chlorofluorocarbon. Seperti namanya refrigeran ini terdiri dari unsur khlor (Cl), fluor (F) dan karbon (C). Contoh dari refrigeran ini adalah R-11 (CFC-11), R-12 (CFC-12).
CFC-12 Karena tidak mengandung hydrogen CFC adalah senyawa yang sangat stabil dan tidak mudah bereaksi dengan zat lain meskipun terlepas ke atmosfer. Karena mengandung khlor, CFC merusak ozon di 24
atmosfer (stratosfer) jauh di atas muka bumi. Zat ini mempunyai nilai potensi merusak ozon (Ozone Depletion Potential = ODP) yang tinggi (ODP =1). Lapisan ozon melindungi mahluk hidup dari pancaran sinar ultra violet intensitas tinggi. HCFC-22
HCFC merupakan singkatan dari hydrochloro-fluorocarbon. Meskipun mengandung khlor (Cl), yang merusak lapisan ozon, zat ini juga mengandung hidrogen (H), yang membuat zat ini menjadi kurang stabil jika berada di atmosfer. Refrigeran ini sebagian besar akan terurai pada lapisan atmosfer bawah dan hanya sedikit yang mencapai lapisan ozon. Oleh sebab itu HCFC mempunyai ODP yang rendah. Contoh refrigeran ini adalah R-22 (HCFC-22).
HFC -134a
Refrigeran HFC (hydrofluorocarbon) tidak mempunyai unsur khlor. Oleh sebab itu refrigeran ini tidak merusak lapisan ozon dan nilai ODPnya sama dengan nol. Contoh dari refrigeran ini adalah R-134a (HFC-14a), R-152a (HFC-152a), R-123 (HFC-123).
Refrigeran alami (HC, CO2, NH3) tidak mengandung khlor oleh sebab itu, refrigeran ini tidak merusak lapisan ozon, ODP = 0
1.3
Kemasan Refrigeran
Refrigeran untuk mesin refrigerasi biasanya disimpan dalam tangki-tangki bertekanan, atau drum (bagi R-11). Hal ini diperlihatkan pada Gambar 1.7.
25
Gambar 1.7 Berbagai kemasan refrigeran
1.4
Penggunaan Refrigeran
Tiap jenis refrigeran dipakai untuk keperluan tertentu. Tabel 1.9 memuat beberapa aplikasi dari refrigeran yang umum digunakan.
Tabel 1.9 Berbagai refrigeran yang umum dan penggunaannya Refrigeran R-11
• Chiller Sentrifugal
R-12
•
R-22
Penggunaan pada bidang pendingin
Lemari es rumah tangga • Dispenser air • Pendingin minuman botol • Display cabinet di supermarket • Cold storage • AC mobil • Chiller • AC rumah tanggal dan komersial • Chiller • Cold storage
Penggunaan pada bidang lain • Pengembang busa • Pelarut • Pengembang busa
26
REFERENSI 1. Arora, C. P, Refrigeration and Air Conditioning, Mc. Graw-Hill International Editions, Second Edition, 2001. 2. SNI-06-6500-2000, Refrigeran: Penggunaan pada Instalasi Tetap 3. ASHRAE HANDBOOK, REFRIGERATION, System and Application, 1994 -----------------------------
27
