Babar Priyadi M.H. L2C008020 PENDINGINAN KOMPRESI UAP Pendinginan kompresi uap adalah salah satu dari banyak siklus pendingin tersedia yang banyak digunakan. Metode ini merupakan yang paling banyak digunakan untuk AC bangunan umum yang besar, rumah-rumah pribadi, hotel, rumah sakit, bioskop, restoran dan mobil. Metode ini juga digunakan dalam kulkas domestik dan komersial, gudang skala besar untuk penyimpanan makanan dan daging, truk dan mobil pendingin, dan sejumlah layanan komersial dan industri lainnya. kilang minyak , petrokimia, pabrik pengolahan kimia, dan pemrosesan gas alam adalah salah satu dari banyak jenis industri yang sering memanfaatkan sistem yang besar-pendingin kompresi uap. Pendinginan dapat didefinisikan sebagai menurunkan suhu ruang tertutup dengan membuang panas dari ruang itu dan memindahkannya di tempat lain. Sebuah perangkat yang melakukan fungsi ini juga bisa disebut sebagai heat pump . Deskripsi sistem Sistem pendingin kompresi-uap menggunakan cairan sirkulasi refrigerant sebagai media yang menyerap dan menghilangkan panas dari ruang yang akan didinginkan dan kemudian menolak panas di tempat lain. Gambar 1 menggambarkan, sistem satu-tahap-kompresi uap. Semua sistem tersebut memiliki empat komponen: kompresor , sebuah kondensor , katup ekspansi (juga disebut expansion valve), dan sebuah evaporator. Sirkulasi refrigerant memasuki kompresor di kondisi termodinamika dikenal sebagai uap jenuh dan dikompresi dengan tekanan yang lebih tinggi, menghasilkan temperatur yang lebih tinggi juga. Uap panas yang dikompresi ini kemudian di kondisi termodinamika dikenal sebagai uap superheated dan berada pada suhu dan tekanan di mana dapat terkondensasi oleh air pendingin air atau udara pendingin. Uap panas yang disalurkan melalui kondensor di mana didinginkan dan terkondensasi menjadi cair dengan mengalir melalui koil atau tabung dengan air dingin atau udara dingin yang mengalir di kumparan atau tabung. Di sinilah beredar refrigerant menolak panas dari sistem dan menolak panas yang terbawa oleh salah satu air atau udara. Refrigerant cair kental, dalam keadaan termodinamik yang dikenal sebagai cair jenuh , yang selanjutnya disalurkan melalui sebuah katup ekspansi di mana tiba-tiba mengalami pengurangan tekanan. Pengurangan tekanan itu hasil penguapan flash adiabatik dari bagian refrigeran cair. Efek dari penguapan flash adiabatik adalah menurunkan suhu pendingin campuran uap dan cair ke tempat itu lebih dingin dari suhu ruang tertutup untuk didinginkan.
Campuran dingin ini kemudian disalurkan melalui koil atau tabung dalam evaporator. Kipas bersirkulasi udara hangat dalam ruang tertutup di koil atau tabung membawa cairan refrigerant dingin dan campuran uap. Udara hangat itu menguapkan bagian cair dari campuran refrigeran dingin. Pada saat yang sama, udara bersirkulasi didinginkan dan dengan demikian menurunkan suhu ruang tertutup dengan suhu yang diinginkan. evaporator menyerap refrigerant bersirkulasi dan menghilangkan panas yang kemudian ditolak di kondensor dan dialihkan di tempat lain oleh air atau udara yang digunakan dalam kondensor. Untuk melengkapi siklus pendinginan , uap refrigerant dari evaporator adalah lagi sebuah uap jenuh dan diarahkan kembali ke kompresor.
Gambar 1. Pendinginan kompresi uap Analisis termodinamika Termodinamika siklus kompresi uap dapat dianalisis pada suhu versus entropi diagram seperti digambarkan pada Gambar 2. Pada titik 1 dalam diagram, refrigerant beredar memasuki kompresor sebagai uap jenuh. Dari titik 1 ke titik 2, uap adalah isentropically dikompresi (yaitu, dikompresi pada entropi konstan) dan keluar kompresor sebagai superheated uap. Dari titik 2 ke titik 3, uap superheated berjalan melalui bagian dari kondensor yang menghilangkan superheated dengan pendingin uap. Antara titik 3 dan titik 4, uap berjalan melalui sisa kondensor dan terkondensasi menjadi cair jenuh. Proses kondensasi terjadi pada tekanan pada dasarnya konstan.
Gambar 2. Diagram temperature-entropi Antara poin 4, dan 5 refrigeran cair jenuh melewati katup ekspansi dan tiba-tiba mengalami penurunan tekanan. Proses itu menghasilkan penguapan flash adiabatik dan autorefrigerasi dari sebagian cairan (biasanya, kurang dari setengah). Proses penguapan Flash adiabatik adalah isenthalpic (yaitu, terjadi pada konstan entalpi ). Antara poin 5, dan 1, perjalanan refrigerant dingin dan sebagian menguap melalui koil atau tabung dalam evaporator di mana ia benar-benar menguap oleh udara hangat dari sebuah kipas yang bersirkulasi di koil atau tabung dalam evaporator. Evaporator ini beroperasi pada tekanan dasarnya konstan. Refrigerant uap jenuh yang dihasilkan kembali ke inlet kompresor pada titik 1 untuk kembali ke siklus termodinamika. Perlu dicatat bahwa pembahasan di atas didasarkan pada siklus refrigerasi kompresi uap-ideal yang tidak memperhitungkan item dunia real account seperti penurunan tekanan geser pada sistem, ireversibilitas internal sedikit selama kompresi uap refrigeran, atau non-ideal gas perilaku (jika ada). Keuntungan sistem kompresi uap 1. Sangat matang teknologi 2. Relatif murah 3. Efisiensi hingga 60% dari batas teoritis carnot Kekurangan Penggunaan refrigerant yaitu freon yang dapat menyebabkan kerusakan lapisan ozon.
Kesimpulan Metode pendinginan kompresi uap merupakan yang paling banyak digunakan untuk AC bangunan umum yang besar, rumah-rumah pribadi, hotel, rumah sakit, bioskop, restoran dan mobil. Metode ini juga digunakan dalam kulkas domestik dan komersial, gudang skala besar untuk penyimpanan makanan dan daging, truk dan mobil pendingin, dan sejumlah layanan komersial dan industri lainnya. Kilang minyak , petrokimia, pabrik pengolahan kimia, dan pemrosesan gas alam adalah salah satu dari banyak jenis industri yang sering memanfaatkan sistem yang besar-kompresi uap pendingin. Metode ini menggunakan cairan sirkulasi refrigerant sebagai media yang menyerap dan menghilangkan panas dari ruang yang akan didinginkan dan kemudian menolak panas di tempat lain. Refrigerant yang digunakan adalah freon atau CFC. Digunakan freon karena stabilitas dan sifat keamanan freon yaitu tidak mudah terbakar dan tidak beracun.Keuntungan metode ini adalah teknologi yang digunakan matang, relatif murah, effisiensinya hingga 60% dari batas teoritis carnot. Kekurangan metode ini adalah digunakannya freon sebagai refrigerant karena freon berpengaruh besar dalam pemanasan global.
REFRIGERASI ABSORPSI INTRODUKSI Karena sistem refrigerasi yang paling sering ditemukan adalah yang menggunakan kompresor, metodemetode refrigerasi lain menjadi jarang dikenal. Namun, di antara banyak tipe yang kurang dikenal, mungkin sekali ada yang praktis dan layak dipakai, sekaligus ekonomis. Salah satunya adalah sistem refrigerasi absorpsi yang dikembangkan oleh Ferdinand Carré dari Perancis, yang kemudian mendapat paten di Amerika Serikat pada tahun 1860. Pada tahuntahun pertama abad ke-20, refrigerasi absorpsi mendapat perhatian yang cukup luas dari masyarakat, sampai pada tahun 1915, ketika kompresor amonia tenaga listrik diperkenalkan dan diterima dengan baik. Pada perkembangan selanjutnya, perkembangan sistem kompresi menjadi fokus penelitian, dan sistem absorpsi secara praktis mulai ditinggalkan, kecuali untuk penggunaan rumah tangga sampai akhir 1930. Setelah itu, sebuah perusahaan telah membuat sistem pendinginan absorpsi dengan kapasitas 5 sampai 20 ton. Perusahaan lain menjual unit 3 ton dan 5 ton yang terus dikembangkan sejak Perang Dunia II sampai 25 ton. Pihak lain ada yang melakukan perubahan desain dan membangung sistem dengan kapasitas sampai 3600 ton. Siklus refrigerasi absorpsi adalah proses refrigerasi yang memanfaatkan dua jenis fluida dan sejumlah kecil masukan kalor, bukan masukan listrik seperti di sistem refrigerasi kompresi uap yang lebih sering dikenal. Baik siklus refrigerasi kompresi uap maupun siklus refrigerasi absorpsi melakukan proses penyerapan lingkungan melalui penguapan refrigeran pada temperatur rendah dan pelepasan kalor pada kondensasi refrigeran pada tekanan yang lebih tinggi. Pada kedua jenis siklus, terdapat perbedaan pada cara menciptakan perbedaan tekanan dan mendorong terjadinya sirkulasi refrigeran. Pada siklus kompresi uap, digunakan kompresor mekanis tenaga listrik untuk menekan refrigeran sehingga bertekanan tinggi. Pada siklus absorpsi, fluida sekunder penyerap refrigeran, atau yang disebut absorban, digunakan untuk mendorong sirkulasi refrigeran. Absorpsi uap refrigeran oleh cairan absorban secara teoretis didasarkan pada Hukum Raoult, yang mengatakan bahwa pada temperatur tertentu, perbandingan tekanan parsial dari komponen yang mudah berubah fasa (cair-gas) dalam suatu larutan terhadap tekanan uap dari komponen tersebut pada kondisi murni, pada temperatur yang sama identik dengan fraksi mol pada larutan. Fraksi mol larutan sama dengan jumlah mol komponen dibagi dengan jumlah total mol yang ada. Hukum Raoult hanya dapat diaplikasikan pada larutan ideal yang gaya gaya intermolekuler antara partikel di dalam larutannya sama. Karena di dunia ini tidak ada larutan ideal, muncul deviasi dari Hukum Raoult, positif atau negatif. Deviasi positif terjadi ketika tekanan yang ditinjau lebih besar dari hasil perhitungan, dan sebaliknya, deviasi negatif terjadi ketika tekanan yang ditinjauh lebih kecil dari hasil perhitungan. Kombinasi yang diinginkan untuk refrigerasi absorpsi yang efektif adalah yang memiliki deviasi negatif yang besar, sehingga hanya dibutuhkan sedikit absorban untuk
mensirkulasikan sistem. Semakin sedikit absorban yang digunakan, semakin kecil jumlah masukan kalor yang dibutuhkan, yang berarti peningkatan efisiensi sistem. Mesin refrigerasi absorpsi sudah tersedia secara komersial sekarang dalam dua tipe dasar. Yang paling banyak digunakan adalah sistem amonia-air, dengan amonia (NH3) sebagai refrigeran dan air (H2O) sebagai absorban. Tipe ini biasanya digunakan untuk aplikasi di bawah 0°C. Tipe yang lain adalah airlithium bromida dan airlithium klorida, dengan air sebagai refrigeran. Tipe yang terakhir ini biasa digunakan untuk aplikasi di atas 0°C (titik beku air). SIKLUS REFRIGERASI ABSORPSI Pada dasarnya, sistem refrigerasi absorpsi tidak jauh berbeda dengan sistem kompresi uap. Perbedaan yang paling besar hanya ada pada kompresor yang telah digantikan dengan mekanisme absorpsi yang kompleks, yang terdiri dari absorber, pompa, generator, regenerator/heat exchanger, katup, dan sebuah rectifier/separator (Gambar 1).
Pada sistem NH3-H2O, setelah tekanan NH3 ditingkatkan oleh gabungan komponenkomponen tersebut (hanya ini fungsi dari komponen komponen itu), NH3 kemudian didinginkan dan dikondensasikan di dalam kondenser dengan melepas kalor ke sekitar. Kemudian, amonia melewati katup ekspansi sehingga tekanannya turun ke tekanan evaporasi, dan menyerap kalor dari tempat yang ingin didinginkan ketika terjadi proses penguapan di evaporator. Tidak ada hal yang baru di bagian
ini. Keunikan sistem refrigerasi absorpsi ada di bagian ini: Setelah uap amonia keluar dari evaporator dan masuk ke absorber, tempat terjadinya reaksi dan pelarutan untuk membentuk NH3 . H2O. Ini adalah reaksi eksotermik, sehingga terjadi pelepasan kalor pada proses ini. Jumlah NH3 yang dapat larut di dalam H2O berbanding terbalik dengan temperaturnya. Maka, pendinginan absorber penting untuk menjaga temperaturnya serendah mungkin, sehingga memaksimalkan jumlah NH3 yang larut di dalam air. Larutan NH3 . H2O, yang kaya dengan NH3, kemudian
dipompakan ke generator.
Kalorkemudian dimasukkan ke dalam larutan dari sumber panas untuk menguapkan sebagian larutan. Uap yang dihasilkan yang kaya akan NH3, kemudian melewati rectifier/separator, yang memisahkan uap NH3 dengan H2O. Air yang dipisahkan dikembalikan ke generator. Uap NH3 murni yang bertekanan tinggi kemudian melanjutkan perjalanannya dalam siklus. Sedangkan larutan panas NH3 . H2O dalam regenerator yang kandungan NH3- nya lemah, kemudian dilewatkan ke regenerator/heat exchanger untuk memindahkan kalor ke larutan kaya NH3 yang datang dari absorber. Larutan yang miskin NH3 tadi diteruskan ke absorber untuk kembali dilarutkan dengan uap NH3 murni yang keluar dari evaporator. Yang perlu dicatat adalah keberadaan cooling water. Ini beda dengan chilled water, yakni air yang berputar pada siklus tata udara yang didinginkan oleh evaporator. Cooling water adalah air yang berasal dari cooling tower. Fungsinya adalah untuk 1. menyerap kalor kondensasi saat uap NH3 melewati kondensator dan 2. menyerap kalor yang dikeluarkan pada proses absorpsi eksotermik antara uap NH3 dan air yang terjadi absorber. Perlu diingat bahwa semakin dingin absorber, semakin banyak uap NH3 yang dapat larut ke dalam air. SIKLUS ABSORPSI DUA-TAHAP (DOUBLE-EFFECT) Penambahan regenerator pada sistem absorpsi satu tahap belum cukup untuk menjadikan koefisien performa (COP) melewati batas ambang satu. Contoh: jumlah kalor yang dibutuhkan untuk memanaskan satu kilogram refrigeran pasti lebih dari jumlah kalor yang diserap ketika satu kilogram refrigeran itu diuapkan di evaporator. Pada perkembangan berikut dari refrigerasi absorpsi, untuk meningkatkan koefisien performa tersebut, ditemukan siklus refrigerasi absorpi dua-tahap (doubleeffect absorption refrigeration cycle) (Gambar 2).
Dengan refrigeran air dan absorban lithium bromida, dua generator digunakan. Satu, pada temperatur dan tekanan tinggi, yang dipanaskan oleh sumber panas eksternal; dua, pada temperatur dan tekanan rendah, yang dipanaskan oleh kalor hasil kondensasi uap yang dihasilkan dari generator pertama. Kondensat dari kedua generator masuk ke dalam evaporator. Siklus ini bekerja dengan tekanan yang sangat rendah di evaporator untuk menjaga temperatur penguapan air tetap rendah. ABSORPSI VS. KOMPRESI Di sini akan dipaparkan kesimpulan dari keuntungan-keuntungan menggunakan sistem absorpsi dibanding sistem kompresi. 1. Hanya refrigeran dan absorban yang bergerak, sehingga operasi siklus tenang dan tahan lama. Motor pompa, mesin, atau turbin yang digunakan lebih kecil dibanding yang digunakan pada sistem kompresi untuk kapasitas yang sama. 2. Sistem absorpsi biasanya didesain untuk menggunakan uap, baik padatemperatur tinggi, maupun temperatur rendah. Buangan dari komponen yang lain dapat kembali digunakan. Tidak dibutuhkan daya listrik, meskipun biasanya pompa yang digunakan didorong oleh motor. 3. Unit refrigerasi absorpsi dapat dioperasikan pada tekanan dan temperatur evaporator yang lebih kecil, dengan penurunan yang kecil. Pada sistem kompresi, penurunan tekanan evaporator mengakibatkan penurunan kapasitas sistem secara signifikan.
4. Pada beban refrigerasi yang lebih kecil, unit absorspi memiliki efisiensi yang sama besarnya dengan kapasitas penuh. Pengendalian variasi beban dilakukan dengan pengaturan jumlah refrigeran dan absorban yang disirkulasikan di dalam sistem. 5. Jika refrigeran tidak sepenuhnya diuapkan di evaporator, tidak terjadi efek yang buruk selain membuat sistem sedikit tidak stabil secara temporer. Namun, pada sistem kompresor, hal itu dapat membahayakan kompresor dan membutuhkan pengukuran preventif yang mendalam. 6. Unit absorpsi dapat dibuat dengan kapasitas lebih besar dari 1000 ton— nilai kapasitas terbesar dari unit kompresor. Dengan pengecualian untuk aplikasi rumah tangga, secara umum sistem absorpsi butuh ruang lebih besar. Namun, unit dapat diletakkan di luar ruangan dan disusun vertikal sehingga membutuhkan area tanah yang lebih kecil dan tidak perlu penutup. 7. Persyaratan ruang dan kontrol otomatik lebih ringan pada sistem absorpsi pada desain temperatur evaporator yang semakin rendah.
REFERENSI
American Society of Heating, Refrigeration, and Air Conditioning Engineers. 1993. ASHRAE Fundamentald Handbook, SI-edition. Georgia: ASHRAE, pp. 1.20-1.25 Cengel, Yunus A. dan M.A. Boles. 2007. Thermodynamics: An Engineering Approach, 6th ed (SI Units). New York: McGraw-Hill, hlm. 647-649 Jordan, Richard C. dan G.B. Priester. 1956. Refrigeration and Air Conditioning, 2th ed. New Jersey: PrenticeHall, hlm. 367- 375 Gambar: http://www.acr-news.com/news
