BAB 3-4. SIKLUS KOMPRESI UAP
Tujuan instruksional khusus Mahasiswa mampu menjelaskan prinsip kerja sistem pendingin kompresi uap dan menganalisa performansi mesin pendingin kompresi uap. Pokok bahasan ini mencakup siklus Carnot dan siklus pendinginan, analisis kinerja mesin pendingin, hingga pada penggunaan diagram Molier dan Tabel Tabel Uap refrigeran. Kebanyakan siklus refrigerasi yang diaplikasikan di lapang an adalah siklus kompresi uap. . !iklus Carnot !alah satu jenis mesin refrigerasi yang umum digunakan pada "aman sekarang adalah ada lah jenis kompresi uap. Mesin pendingin jenis ini bekerja secara mekanik dan perpindahan panas dilakukan dengan memanfaatkan sifat refrigeran yang berubah dari fase cair ke fase gas #uap$ dan kembali ke fase cair secara secara berulang%ulang. &efrigeran mendidih pada suhu yang jauh lebih lebih rendah dibandingkan air pada tekanan yang sama. Misalnya, amonia yang sering digunakan sebagai refrigeran, pada tekanan ' atmosfir atmosfir #'('.) kPa$ dapat mendidih pada suhu %)) oC. !uhu titik didih refrigeran dapat diubah dengan cara mengubah tekanannya, misalnya, untuk menaikkan suhu titik didih amonia menjadi ( oC, tekanan harus dinaikkan menjadi *+.kPa.Keragaan suatu siklus refrigerasi umumnya dinyatakan dalam be rbagai terminologi, seperti ton refrigerasi, koefisien koefisien tampilan, dan efisiensi refrigerasi. !atu ton refrigerasi didefinisikan didefinisikan sebagai kapasitas pendinginan yang diserap oleh satu ton es untuk menjadi cair selama +* jam, yaitu ')- / #+(( 0tu1menit$ .2stilah ton refrigerasi umum digunakan untuk mesin pendingin berkapasitas besar. 0erasal dari standar yang digunakan, yaitu panas yang diserap oleh ' ton #+((( lb$ es saat mencair selama +* jam. Karena panas laten pencairan es adalah '** 0tu1lb, 0tu1lb, maka panas yang diserap #+((( lb 3 '** 0tu1lb$1#+* jam 3 4( menit$ adalah +(( 0tu1menit. !iklus Carnot adalah siklus termodinamik ideal yang mampu%balik, yang pada mulanya digunakan sebagai standar terhadap kemungkinan ke mungkinan maksimum kon5ersi energi panas ke energi mekanik. 6alam bentuk sebaliknya, juga digunakan sebagai standar penampilan maksimum suatu alat pendingin. !iklus Carnot tidak mungkin diterapkan karena karena tidak mungkin mendapatkan suatu siklus yang mutlak mampu%balik di alam nyata, tetapi dapat dianggap sebagai kriteria pembatas untuk siklus%siklus lainnya. !iklus Carnot berlangsung dengan suatu urut%urutan yang terdiri atas * proses yang mampu% balik, yaitu dua proses adiabatik dan dua proses isotermik. 7ambar )%' menunjukkan bagaimana siklus tenaga Carnot bekerja secara sederhana pa da sistem gas di dalam piston, sedangkan 7ambar )%+ menunjukkan proses%proses siklus Carnot yang dipetakan p ada diagram p%5 dan diagram T%s.
7ambar )%'. !iklus Carnot
7ambar )%+. !iklus Carnot pada diagram p%5 dan T%s T%s
Ke empat proses tersebut adalah 8
Proses Proses '%+ 8 Kompresi Kompresi gas gas secara secara adiabatik adiabatik hingga hingga mencapai mencapai suhu suhu tinggi tinggi T9
Proses Proses +%) 8 :kspansi :kspansi gas secara secara isotermi isotermik k pada suhu T9 sambil sambil menerima menerima energi energi sebesar sebesar ;9 dari lingkungan #reservoir #reservoir $ bersuhu tinggi #T9$
Proses Proses )%* 8 :kspansi :kspansi gas secara secara adiabatik adiabatik hingga hingga mencapai mencapai suhu suhu rendah rendah TC
Proses Proses *%' 8 Kompresi Kompresi gas secara secara isotermi isotermik k hingga mencapai mencapai kondisi kondisi awalnya awalnya sambil melepas melepas energi sebesar ;C ke lingkungan #reservoir #reservoir $ bersuhu rendah #TC$
Kerja yang terjadi selama proses%proses tersebut ditunjukkan dengan luasan d i bawah kur5a proses pada diagram p%5. Pada proses '%+ dan *%' kerja diberikan pada sistem untuk melakukan kompresi, sedangkan pada proses +%) dan )%* dilepas oleh gas untuk melakukan pengembangan #ekspansi$. 6engan demikian, wilayah yang yang dibatasi oleh keempat kur5a tersebut merupakan merupakan kerja bersih yang terjadi #dilepas oleh sistem$ selama proses dalam satu siklus. !iklus Carnot yang bekerja sebagai mesin panas pa nas mempunyai efisiensi8
.........
)%'
dimana TC dan T9 adalah suhu dalam satuan kel5in dan s adalah entropi. !ubskrip
Proses '%+ 8 :kspansi gas secara isotermik pada suhu rendah TC sambil menerima energi ;C dari reser5oir dingin melalui pindah panas.
Proses +%) 8 Kompresi gas secara adiabatik hingga mencapai suhu tinggi T
Proses )%* 8 Kompresi gas secara isotermik sambil melepas energi ;9 ke reser5oir panas melalui pindah panas.
Proses *%' 8 :kspansi gas secara adiabatik hingga mencapai suhu rendah T=
Kerja bersih yang diperlukan selama proses dalam satu siklus adalah daerah yang dibatasi oleh keempat kur5a pada diagram p%5. >ika siklus Carnot dibalik, akan diperoleh siklus yang menjadi ukuran kinerja maksimum yang mungkin diperoleh dari suatu mesin pendingin. 6alam hal ini, kerja harus diberikan pada siklus, "at kerja dikembangkan secara adiabatik dari T 9 ke T C, menyerap panas pada T C dengan entropi yang meningkat dari sa ke s b. !elanjutnya, "at kerja dikempa secara adiabatik dari T C ke T 9, melepas panas secara isotermal pada T 9 dengan entropi menurun dari s b ke sa. 6engan demikian, siklus Carnot dapat digunakan untuk tiga tujuan yaitu8 '. mengubah energi panas menjadi energi mekanik #sebagai mesin panas$ +. menggunakan energi mekanik untuk menyerap panas dari suatu tempat dan melepaskannya di tempat yang diinginkan #sebagai pompa panas$ ). menggunakan energi mekanik untuk menyerap panas dari suatu tempat yang diinginkan dan membuangnya di tempat lain #sebagai mesin pendingin$
Tujuan #+$ dan #)$ didasarkan pada siklus Carnot terbalik dan berbeda hanya pada hasil akhir yang diinginkan. Proses yang berlangsung pada siklus pendinginan dan siklus pompa panas pada prinsipnya sama dan hanya berbeda pada tujuan akhir proses. Pada siklus pendinginan yang menjadi tujuan adalah mendapatkan suhu yang lebih rendah dari lingkungannya, sebaliknya pada siklus pompa panas yang menjadi tujuan akhir adalah memperoleh suhu yang lebih tinggi dari lingkungannya. Penampilan mesin pendingin dan pompa panas umumnya dinyatakan dalam koefisien penampilan #coefficient of performance, COP $. Koefisien penampilan #coefficient of performance, cop$ telah digunakan sebagai alat pengukur keefektifan suatu alat dan didefinisikan sebagai perbandingan antara hasil akhir yang diperoleh dengan kerja bersih yang harus diberikan. 0erdasarkan 7ambar )%+, cop mesin pendinginan adalah,
.........
)%+
.........
)%)
.........
)%*
untuk pompa panas,
dan untuk mesin panas,
Meskipun siklus Carnot sangat efisien bekerja di antara dua sumber panas tertentu dan sangat berguna sebagai kriteria bagi siklus yang bekerja secara sempurna, terdapat kelemahan yang sangat jelas jika gas digunakan sebagai refrigeran. Kelemahan%kelemahan tersebut antara lain adalah 8 '. Terjadinya tekanan yang sangat tinggi dan 5olume yang sangat besar karena kenaikan tekanan terjadi saat berlangsungnya kompresi isentropik serta saat proses pelepasan panas secara isotermal. +. Proses pindah panas dengan menggunakan gas, yaitu media yang mempunyai kapasitas panas tertentu, tidak mungkin diperoleh di dalam praktek. ). 6iagram p%5 siklus yang bekerja dengan menggunakan gas sangat sempit sehingga sedikit ke%tak%mampubalikan di dalam proses tertentu akan mengakibatkan peningkatan kerja yang dilakukan yang sangat besar dan merupakan bagian terbesar kerja bersih siklus tersebut.
Koefisien tampilan menyatakan keefektifan suatu sistem pendingin, yang merupakan perbandingan antara efek pendinginan bermanfaat terhadap energi bersih yang harus disediakan dari luar untuk mendapatkan efek pendinginan tersebut.
.........
)%-
:fisiensi refrigerasi menunjukkan kedekatan sistem atau siklus pendingin tersebut dengan siklus ideal yang mampu%balik, yaitu siklus Carnot.
.........
)%4
B. Siklus Pendinginan Teoritis an !"ata
!iklus pendinginan kompresi uap ditunjukkan pada 7ambar )%). Proses '%+ adalah kompresi, +%) adalah kondensasi, )%* adalah ekspansi, dan *%' adalah e5aporasi.
7ambar )%). !iklus refrigerasi kompresi uap
!iklus pendinginan kompresi uap teoritis, sebagaimana yang umum digunakan, ditunjukkan pada 7ambar )%* dalam sistem koordinat p-V, T-s dan p-h, dimana tanda nomor proses sama dengan pada 7ambar )%-. Proses kompresi yang berlangsung pada jalur '%+ disebut kompresi basah, dimana refrigeran yang masuk ke% dan keluar dari kompresor adalah refrigeran kering dan jenuh #derajat kering uap ? '$. Proses kompresi dapat juga terjadi pada jalur '@%+@ yang disebut dengan kompresi basah karena refrigeran yang masuk ke kompresor masih mengandung fase cair #derajat kering A '$ dan keluar dari kompresor dalam keadaan kering dan jenuh. Meskipun koefisien penampilan #cop$ sedikit lebih rendah, pendinginan dengan kompresi kering lebih sering digunakan dengan alasan kompresor akan lebih aman karena tidak terjadi kemungkinan masuknya refrigeran cair yang dapat mempengaruhi kerja kompresor. Pada proses kompresi kering, uap refrigeran yang meninggalkan kompresor dalam keadaan panas%lanjut #superheat $
sehingga kelebihan panas tersebut harus dibuang di kondensor pada tekanan tetap #tekanan kondensor$ dan suhu tetap sebelum dikondensasi menjadi cairan refrigeran #proses +%+@$. Proses kompresi dianggap berlangsung secara isentropik karena lebih mendekati keadaan sesungguhnya, meskipun secara teoritis kompresi isotermal lebih disukai karena membutuhkan kerja yang lebih kecil. Kerja pada proses pencekikan #throtling $ seharusnya dapat didaur%ulang, akan tetapi karena tidak ekonomis jarang dilakukan. Perbandingan antara siklus kompresi uap teoritis #siklus '%+@%+@@%)%*@%'$ dengan siklus Carnot terbalik #siklus '%+%)%*%'$ ditunjukkan dalam diagram T%s pada 7ambar )%4. !eperti terlihat pada bagian yang diarsir di dalam gambar, terdapat tiga luasan yang merupakan perbedaan antara siklus kompresi uap teoritis dengan siklus Carnot terbalik. =uasan +%+@%+@@ menunjukkan penambahan kerja yang harus diberikan ke kompresor serta tambahan panas yang harus dilepas di kondensor sebagai akibat kompresi yang tidak isotermal. =uasan )%)@%*%) menunjukkan tambahan kerja ke siklus akibat kerja pencekikan yang tidak didaur%ulang. =uasan *%sa%sb%*@%* menunjukkan kehilangan efek pendinginan sebagai akibat dari peningkatan entropi karena proses pencekikan. Masih terdapat perbedaan%perbedaan lain antara siklus kompresi uap teoritik dan nyata, akan tetapi karena nilainya tidak terlalu besar masih dapat diabaikan dari perhitungan. Keragaan suatu siklus refrigerasi umumnya dinyatakan dalam berbagai terminologi, seperti ton refrigerasi, koefisien tampilan, dan efisiensi refrigerasi. !atu ton refrigerasi didefinisikan sebagai kapasitas pendinginan yang diserap oleh satu ton es untuk menjadi cair selama +* jam, yaitu ')- / #+(( 0tu1menit$ . 2stilah ton refrigerasi umum digunakan untuk mesin pendingin berkapasitas besar. C. nalisis Kinerja Mesin Pendingin nalisa terhadap siklus pendinginan kompresi uap dapat dilakukan dengan menggunakan 7ambar )%. !ebagaimana telah dijelaskan di atas, terjadi * proses yang membentuk satu siklus kompresi uap dan terjadi berulang%ulang. Proses dan perubahan keadaan pada setiap proses yang terjadi adalah 8
Proses '%+ #kompresi$ 8 7as refrigeran yang keluar dari e5aporator masuk dan dikempa pada kompresor sehingga menghasilkan gas refrigeran dengan tekanan dan suhu yang lebih tinggi. !uhu tinggi merupakan akibat dari proses kompresi isentropik. Proses +%) #kondensasi$ 8 7as refrigeran bertekanan dan bersuhu tinggi dikondensasi dan menghasilkan refrigeran cair jenuh. Proses yang terjadi adalah pelepasan panas ke lingkungan. Proses kondensasi bekerja pada tekanan tetap. Pada awal proses suhu gas refrigeran sedikit mengalami penurunan, selanjutnya terjadi perubahan fase gas menjadi cair pada suhu tetap. Proses )%* #pencekikan$ 8 Tekanan cairan refrigeran diturunkan dengan menggunakan katup cekik #eBpansion 5al5e$. !aat terjadi penurunan tekanan, juga terjadi penurunan suhu dan peningkatan mutu gas refrigeran, sebab dengan penurunan tekanan dan suhu sebagian refrigeran cair berubah menjadi gas.
7ambar )%. nalisis siklus pendinginan kompresi uap
Proses *%' #penguapan$ 8 Proses penguapan terjadi pada suhu sama, dimana hanya terjadi perubahan fase refrigeran cair menjadi gas. Panas laten penguapan diambil dari lingkungan sehingga terjadi pendinginan lingkungan. 0esarnya pendinginan yang terjadi dinyatakan dalam efek pendinginan #ton refrigerasi$.
!etiap proses yang terjadi sepanjang siklus dinyatakan d alam besaran%besaran yang dapat ditentukan secara matematik. Pada 0ab Termodinamika Pendinginan telah ditunjukkan bahwa untuk proses tekanan tetap, seperti terjadi pada proses e5aporasi dan kondensasi dalam mesin pendingin kompresi uap, dQ = dh. 6engan demikian, panas yang diserap dan digunakan untuk menguapkan refrigeran adalah8
............................................................)%
dan panas yang di lepas untuk kondensasi refrigeran adalah, Qkond = h2 - h3
......................................... )%
>uga telah diketahui bahwa pada proses pencekikan #ekspansi$ tidak dilakukan kerja, sehingga entalpi refrigeran yang masuk dan keluar dari katup ekspansi adalah sama #h' ? h+$. Kualitas uap refrigeran setalah melalui katup cekik menjadi,
............................................................)%
!esuai dengan kaidah kekekalan energi, panas yang dilepas pada kondensor harus sama dengan panas yang diserap pada e5aporator ditambah dengan eki5alen panas dari kerja kompresi, yaitu 8
............................................................)%'(
6engan memasukkan persamaan D)%E hingga D)%E ke persamaan D)%'(E diperoleh kerja kompresi sebesar,
komp = h2 - h!
.......................................... )%''
dalam hal ini, dianggap tidak terjadi pengambilan dan pelepasan panas dari dan ke lingkungan selama proses kompresi. 0erikut ini adalah beberapa istilah yang umum digunakan dalam ilmu pendinginan dan besarannya dalam persamaan matematik. "fek pendinginan, jumlah panas yang diserap oleh refrigeran pada saat melalui e5aporator. !elain panas laten penguapan, efek pendinginan juga mencakup panas yang diserap akibat terjadinya pemanasan lanjut. Ton pendinginan #ton of refrigeration$ adalah laju penyerapan panas di e5aporator, sama dengan +(( 0tu1min #)-' /$. =aju aliran refrigeran yang dibutuhkan per ton pendinginan adalah laju penyerapan panas #/$ per ton pendinginan dibagi dengan efek pendinginan,
............................................................)%'+
Tenaga kompresi teoritis per ton pendinginan untuk proses kompresi adalah perkalian antara kerja kompresi dengan laju aliran refrigeran per ton pendinginan, yaitu 8
............................................................)%')
>ika yang terjadi adalah kompresi politropik, tenaga k ompresi per ton pendinginan adalah,
............................................................)%'*
Pada kompresi isentropik, n = g = cp#cv . >ika silinder kompresor mempunyai jaket penutup, sejumlah panas harus dilepaskan ke sistem pendingin ko mpresor, yang besarnya 8
............................................................)%'-
Tenaga kompresi aktual $n%ata& dapat didekati dengan menggunakan nilai n yang sebenarnya #dengan menggunakan tekanan nyata silinder$, dan dengan memasukkan faktor efisiensi mekanik kompresor. :fisiensi mekanik adalah perbandingan antara tenaga yang ditunjukkan oleh silinder kompresor dengan tenaga yang dibutuhkan untuk menggerakkan kompresor. 'oefisien penampilan mesin pendingin siklus kompresi uap dengan kompresi isentropik adalah,
............................................................)%'4
Panas yang dilepaskan melalui kondensor per ton pendinginan, meliputi panas laten, panas akibat pemanasan lanjut, dan panas yang berasal dari refrigeran cair, yaitu 8
............................................................)%'
6isamping itu, siklus kompresi uap nyata juga berbeda dalam beberapa hal dengan siklus kompresi uap teoritis, seperti 8 #'$ Proses '%+ #kompresi$, sering dianggap berlangsung secara insentropik, akan tetapi dapat berlangsung tidak isentropik dan tidak juga politropik. Meskipun berlangsung secara isentropik,
dimana dianggap tidak terjadi pertukaran panas antara refrigeran dengan dinding kompresor, pada kenyataannya suhu dinding silinder kompresor bisa lebih tinggi dari suhu gas refrigeran yang masuk dan lebih rendah dari suhu gas yang keluar dari kompresor sehingga menyebabkan perpindahan panas antara dinding kompresor dengan gas refrigeran. #+$ !elama proses +%), refrigeran cair mengalami pendinginan lanjut sebelum memasuki katup cekik. #)$ Pada proses *%', uap refrigeran yang meninggalkan e5aporator mengalami pemanasan lanjut sebelum memasuki kompresor. Pemanasan lanjut tersebut dapat disebabkan oleh jenis pengendali katup cekik yang digunakan, dimana pen yerapan panas dapat terjadi pada jalur antara e5aporator dan kompresor. #*$ Terjadi kehilangan tekanan sepanjang pipa tempat mengalirnya refrigeran. Penentuan nilai%nilai tersebut di atas dapat dilakukan dengan menggunakan dua alat, yaitu diagram molier #diagram p%h$ dan tabel keadaan refrigeran yang bersangkutan. Pengenalan dan penggunaan kedua alat tersebut dijelaskan berikut . Penggunaan iagra# Molier
Tekanan dan entalpi refrigeran mengalami perubahan pada saat melalui berbagai komponen mesin pendingin. Pada e5aporator dan kondensor, entalpi berubah sementara tekanan tetap. Pada kompresor terjadi perubahan entalpi bersama%sama dengan perubahan tekanan, sedangkan pada katup ekspansi terjadi perubahan tekanan dengan entalpi tetap. 0erdasarkan sifat%sifat di atas, telah dikembangkan suatu diagram tekanan%entalpi #diagram molier$ yang dapat digunakan untuk analisa sistem pendinginan kompresi uap.
Konstruksi diagram mollier untuk refrigeran &%'+ditunjukkan pada 7ambar )%. !umbu mendatar adalah entalpi sedangkan sumbu tegak adalah tekanan, sehingga garis%garis mendatar menunjukkan tekanan sama sedangkan garis%garis tegak menunjukkan entalpi sama. 7aris melengkung dari kiri bawah ke kanan atas hingga titik kritis adalah garis cair (enuh. 6i sebelah kiri garis cair jenuh refrigeran berada pada keadaan cair super-dingin atau cair terkondensasi. Pada garis jenuh refrigeran berada pada keadaan keseimbangan dengan nilai mutu uap ( #nol$, artinya seluruh refrigeran berada pada keadaan cair. !emakin ke kanan garis cair jenuh nilai mutu uap
refrigeran semakin besar hingga mencapai nilai ' #satu$ pada garis uap (enuh, yaitu garis melengkung dari kanan bawah ke kiri atas mencapai titik kritis.
7ambar )%. 6iagram Mollier
6i sebelah kanan garis uap jenuh, refrigeran berada pada keadaan uap super-panas. 7aris suhu sama ditunjukkan dengan pola khusus seperti pada penggalan garis yang dihubungkan dengan huruf < s-u-h-u<, sedangkan garis 5olume jenis sama dan garis entropi sama ditunjukkan seperti pada gambar.
Keseluruhan siklus yang terjadi pada pendingin kompresi uap, mencakup kompresi, kondensasi, ekspansi, dan e5aporasi dapat digambarkan secara mudah pada diagram tersebut. 7ambar )% menunjukkan siklus pendinginan kompresi uap yang bekerja secara ideal dengan suhu e5aporasi Te dan suhu kondensasi Tk Peletakan siklus di dalam diagram dilakukan dengan memperhatikan sifat tiap proses yang membentuk siklus tersebut. Proses kompresi #'%+$ digambarkan bekerja secara isentropik, sehingga berada pada garis entropi sama #s$. Proses pengembunan #+%)$ bekerja pada keadaan tekanan tetap pada suhu T), sehingga berada pada garis mendatar. Pencekikan #)%*$ bekerja pada keadaan isentalpik sehingga merupakan garis tegak lurus entalpi sama, dalam hal ini h) ? h*. Proses penguapan kembali bekerja pada tekanan tetap tapi pada suhu Tk yang merupakan perpotongan antara garis pengembunan dengan garis cair jenuh. Filai h' merupakan entalpi pada perpotongan
7ambar )%. !iklus ideal #ya$
antara garis penguapan garis uap jenuh sedangkan nilai h+ merupakan entalpi pada perpotongan antara garis pengembunan dengan garis entropi #s$.
!iklus yang bekerja dengan pendinginan lanjut disajikan pada 7ambar )%'(. 6i dalam kondensor gas refrigeran diembunkan hingga seluruhnya menjadi refrigeran cair #mencapai garis cair jenuh$. Pada proses pendinginan lanjut, terjadi pelepasan panas yang lebih besar dari pada yang dibutuhkan untuk kondensasi sehingga suhu refrigeran cair yang keluar dari kondensor lebih rendah dari suhu pengembunan Tk dan berada pada keadaan cair super%dingin #cair terkompresi$. >ika proses lain di dalam siklus sama dengan proses pada siklus ideal, pendinginan lanjut sebesar GT #selisih antara suhu refrigeran cair jenuh Tk dengan suhu refrigeran keluar dari kondensor T@$ dapat menyebabkan peningkatan efek pendinginan sebesar Gh ? h@ % h) . GT dalam hal ini sering disebut sebagai derajat pendinginan lanjut atau derajat super% dingin.
7ambar )%'(. !iklus nyata #"a$
!iklus yang bekerja dengan pemanasan lanjut disajikan pada 7ambar )%''. Pemanasan lanjut terjadi pada e5aporator. Pada e5aporator terjadi penyerapan panas yang digunakan untuk menguapkan refrigeran cair yang keluar dari katup cekik pada suhu Te hingga seluruh refrigeran menjadi uap. Pada proses pemanasan lanjut, panas yang diserap lebih besar dari pada yang dibutuhkan untuk penguapan dan kelebihan tersebut digunakan untuk meningkatkan suhu uap,
sehingga uap yang keluar dari e5aporator berada pada keadaan uap super%panas. >ika proses lain di dalam siklus sama dengan proses pada siklus ideal, pemanasan lanjut sebesar GT #selisih antara suhu refrigeran keluar dari e5aporator dengan suhu uap jenuh Te $ dapat menyebabkan peningkatan efek pendinginan sebesar Gh ? h' % h@. GT dalam hal ini sering disebut sebagai derajat pemanasan lanjut atau derajat super%panas. Proses pemanasan lanjut sering juga disebut dengan proses kompresi kering karena refrigeran yang masuk ke kompresor seluruhnya dalam keadaan uap #mutu uap ? '$. Proses kompresi )asah terjadi jika refrigeran yang keluar dari e5aporator dan masuk ke kompresor belum seluruhnya menjadi uap #mutu uap A '$ akibat dari kurangnya panas yang dapat diserap oleh e5aporator :. Penggunaan Tabel Properti &efrigeran Pemecahan nyata masalah%masalah termodinamika, khususnya pendinginan, dapat disederhanakan dengan menggunakan diagram atau tabel sifat termodinamik. Keberadaan "at dan peralihannya dapat dianalisa dengan menggunakan diagram. 7ambar 2%) #a$ adalah diagram tekanan-volume, #b$ diagram suhu-entropi, dan #c$ diagram tekanan-entalpi, yang keseluruhannya adalah untuk jenis refrigeran yang mengkerut pada saat pembekuan. Pada seluruh diagram tersebut, kur5a yang membatasi wilayah fase "at ditunjukkan dengan sistem penomoran yang sama. 7aris jenuh cair <)%*< dan garis jenuh uap <*%4< #umumnya disebut sebagai garis jenuh$, bersama garis1titik tripel <+%)%-<, membatasi suatu wilayah dimana ketiga fase #padat, cair dan uap$ berada bersama%sama dalam berbagai komposisi. Perbandingan berat dua fase "at yang tercampur homogen di dalam wilayah ini dikenal dengan mutu uap. Mutu uap dinyatakan berdasarkan persamaan berikut 8
............................................................)%'
Contoh soal )%' *iketahui suatu campuran homogen antara !+ massa cairan (enuh dengan + massa uap (enuh. Tentukan mutu uap terse)ut Jawab / 0 = +. # $+. 1 +.!& 0 = +. $mutu uap adalah +.& Pada wilayah di sebelah kiri garis cair jenuh dan di atas suhu titik triple, "at berada pada keadaan cair super dingin # su)cooled liuid $, sedangkan di sebelah kanan garis uap jenuh "at berada pada keadan uap panas%lanjut # superheated vapor $. Titik kritis, *, pada pertemuan antara garis jenuh cair dan uap, menunjukkan suhu kritis yang mana di atas suhu tersebut "at tidak dapat dicairkan kembali. 6i atas tekanan kritis, panas laten penguapan menjadi nol, garis batas antara fase cair dan uap lenyap, serta fenomena penguapan dan kondensasi juga lenyap. 7aris jenuh padat, '%+, bagian bawah dari garis jenuh uap, -%4, dan garis triple isotermik, +%)%-, melingkupi suatu wilayah di mana fase padat dan uap ada bersama%sama dengan proporsi berbeda. 6i sebelah kiri garis jenuh padat dan di bawah suhu titik triple, "at berada pada keadaan padat dingin%lanjut. Titik triple pada suhu titik triple, +%), adalah rangkaian titik keadaan yang unik
dimana "at dapat berada pada ketiga fase, padat, cair, dan uap, dalam keseimbangan. 6i bawah suhu titik triple, panas yang dibutuhkan untuk mengubah "at dari fase padat langsung ke fase uap disebut panas laten sublimasi. Pada suhu titik triple, panas yang dibutuhkan untuk mengubah "at dari fase padat menjadi cair #sepanjang +%)$ d isebut panas laten pencairan, dan di atas suhu tersebut, panas yang dibutuhkan untuk mengubah "at dari fase cair ke uap disebut panas latent penguapan. Untuk keperluan teknik status "at dapat lebih mudah ditentukan dengan menggunakan tabel sifat termodinamik "at. Tabel untuk air sering disebut dengan Tabel Uap #!team Table$. Tabel sifat termodinamik air dan beberapa "at yang umum digunakan sebagai refrigeran diberikan pada =ampiran. Cara pembacaan Tabel Uap dijelaskan sebagai berikut. •
•
Tabel sifat termodinamik berisi nilai%nilai untuk suhu #T$ tekanan #p$, 5olume jenis #5$, panas dalam #u$, entalpi #h$ dan entropi #s$. Tabel sifat termodinamik terdiri atas tabel jenuh #=ampiran$, tabel super panas #=ampiran$ dan tabel super dingin #=ampiran$.
•
Tabel jenuh # saturated $ dapat dibaca melalui dua cara, yaitu melalui suhu #=ampiran$ dan melalui tekanan #=ampiran$. Filai%nilai pada tabel ini menunjukkan status "ata pada kondisi jenuh yaitu berada pada garis lengkung pada 7ambar 2%). Tabel jenuh berisi nilai sifat pada keadaan terdapat dua fase #cair dan uap$ dalam keseimbangan. !ifat 5, u, h dan s mempunyai subskrip
•
Filai sifat "at pada keadaan yang berada di antara kedua garis lengkung #garis jenuh$ dapat dihitung dari table jika mutu uap diketahui dengan menggunakan persamaan% persamaan berikut 8
hB ? hf I Bhfg sB ? sf I Bsfg 5B ? 5f I B5fg •
.................................. )%'
0eberapa tabel tidak mencantumkan nilai energi dalam sehingga harus dihitung dengan menggunakan persamaan,
u ? h % p5
.................................. )%+(
•
Tabel super panas # superheated $ memberi nilai%nilai sifat "at dalam fase uap yang mendapat pemanasan lanjut #sebelah kanan garis melengkung cembung ke kanan pada 7ambar 2%)$. Pembacaan tabel super panas dapat dilakukan jika + nilai sifat diketahui, misalnya tekanan dan suhu. Filai Tsat yang dicantumkan berdekatan dengan nilai tekanan menunjukkan suhu jenuh yang bersesuaian dengan tekanan tersebut. Pada tabel super panas diberikan nilai sifat pada tekanan tertentu dan suhu lebih besar atau sama dengan suhu jenuh yang bersesuaian dengan tekanan tersebut.
•
Tabel super dingin # su)cooled atau compressed liuid $ memberi nilai sifat "at dalam fase cair yang mendapat pendinginan lanjut atau mendapat tekanan lanjut #sebelah kiri garis melengkung cembung ke kiri pada 7ambar 2%)$. Pembacaan tabel super dingin sama dengan tabel super panas, kecuali nilai yang tercantum adalah pada tekanan tertentu dan suhu lebih rendah atau sama dengan suhu jenuh yang bersesuaian dengan tekanan tersebut.
Pembacaan nilai sifat refrigeran atau "at lain dapat dilakukan dengan cara yang sama dengan menggunakan tabel yang bersesuaian. Contoh soal )%+ 8 ap air )erada pada silinder dengan kondisi a4al 3.+ 5Pa dan 3++ oC $status !&. 6ir terse)ut didinginkan pada volume tetap hingga mencapai suhu 2++ oC $status 2&. 7elan(utn%a dikempa pada kondisi isotermal hingga tekanan mencapai 2.8 5pa $status 3&. $a& 9am)arkan proses terse)ut pada diagram T-v dan diagram p-v. $)& Tentukan volume (enis pada status !,2,3, dan mutu uap pada status 2. $a%a& / #a$ 6engan menggunakan tabel uap diketahui bahwa !uhu T' #)(( oC$ lebih besar dari suhu jenuh pada tekanan p' #).( MPa$ yaitu +)). oC, sehingga status ' berada pada wilayah super panas. Pendinginan pada kondisi 5olume jenis tetap mengikuti proses yang tegak lurus dengan sumbu datar <5< diteruskan hingga mencapai garis suhu +(( oC untuk mendapatkan status +. Pengempaan isotermal mengikuti proses di sepanjang garis suhu +(( oC. Pada wilayah dua fase #cair%uap$ garis suhu berimpit dengan garis tekanan hingga mencapai garis jenuh cair. Kemudian dilanjutkan pada garis suhu yang sama hingga mencapai tekanan +.- MPa untuk mendapatkan status ). #b$ 6ari tabel uap super panas diperoleh bahwa 5olume jenis pada status ' #5'$ adalah '.' cm)1kg #dengan memasukkan nilai p?).( MPa dan T?)(( oC$ yang mana harus sama dengan 5+ #5olume jenis pada status +$. 6engan memasukkan nilai p?+.- MPa dan T?+(( oC ke tabel uap super dingin diperoleh nilai 5) ? '.'--- cm)1kg. Mutu uap pada status + #B+$ dapat ditentukan melalui 5olume jenis yaitu dengan mengetahui 5olume jeni saat jenuh cair #5f$ dan jenuh uap #5g$ pada suhu status tersebut #+(( oC$ yaitu 55?'.'-4- cm)1kg dan 5g?'+*.* cm)1kg. 6iperoleh B+?#'.'%'.'-4$1#'+*.*%'.'-4-$?(.4))
lat lain yang dapat digunakan untuk menentukan sifat refrigeran selama siklus pendinginan adalah tabel keadaan refrigeran. Tabel keadaan refrigeran mempunyai struktur yang sama dengan Tabel Uap untuk air. Tabel tersebut mempunyai ) bentuk yaitu tabel jenuh #saturated $, tabel super%dingin #compressed liuid $, dan tabel super%panas # superheated as$. Penentuan sifat refrigeran dilakukan dengan memperhatikan keadaan refrigeran pada titik yang ingin ditentukan sebagaimana diterangkan di atas. !ifat refrigeran yang berada di sepanjang garis jenuh #garis jenuh cair dan garis jenuh uap$ pada diagram molier ditentukan dengan menggunakan tabel jenuh. Tabel jenuh dapat digunakan jika salah satu sifat refrigeran #suhu, tekanan, entalpi, entropi, 5olume jenis$ diketahui. >ika refrigeran berada di antara kedua garis jenuh tersebut, maka sifat refrigeran ditentukan dengan menggunakan nilai mutu uap seperti dijelaskan pada bagian terdahulu. !ifat refrigeran dalam keadaan cair super%dingin #berada di sebelah k iri garis cair jenuh$ ditentukan dengan menggunakan tabel super%dingin, sedangkan sifat refrigeran dalam keadaan uap super panas #di sebelah kanan garis uap jenuh$ ditentukan dengan menggunakan tabel super% panas. Penggunaan tabel super%dingin dan tabel super%panas harus memperhatikan derajat super% dingin atau derajat super%panas refrigeran yang bersangkutan. !J= =T29F '. !etengah kilogram amonia cair jenuh dikembangkan melalui katup cekik dari tekanan kondensor '+.+- kg1cm+ ke tekanan e5aporator +.- kg1cm+. Tentukan 8 a. perubahan 5olume jenis yang terjadi b. mutu uap amonia yang keluar dari katup cekik +. >ika refrigeran pada soal no.' mengalami pendinginan lanjut sebesar ) oC, tentukan mutu uap amonia yang keluar dari katup cekik
). !uatu mesin pendingin yang menggunakan amonia sebagai refrigeran bekerja pada suhu pengembunan )( oC dan suhu penguapan %+( oC. >ika terjadi siklus ideal, tentukan 8 a. efek pendinginan b. laju aliran massa amonia #dalam kg1menit per ton pendinginan$ c. langkah piston per menit per ton pendinginan d. kebutuhan tenaga #9p$ per ton pendinginan e. CJP f. panas yang dilepaskan dari kondensor per menit per ton pendinginan. *. !uatu sistem pembekuan pangan membutuhkan kapasitas sebesar +( ton pendinginan pada suhu e5aporator %)- oC dan suhu kondensor ++ oC. &efrigeran yang digunakan adalah reon ++ dan mengalami pendinginan lanjut sebesar ) oC saat keluar dari kondensor serta pemanasan lanjut sebesar * oC saat keluar dari e5aporator. Proses kompresi yang terjadi adalah isentropik. Kompresor yang digunakan mempunyai 4 silinder dengan stroke sama dengan )ore dan bekerja pada '-(( rpm. Tentukan 8 a. efek pendinginan b. laju aliran massa refrigeran per menit c. langkah piston teoritik per menit d. tenaga teoritik #9p$ e. CJP f. panas yang dilepas dari kondensor -. !atu kilogram refrigeran '+ dikembangkan melalui katup cekik dari tekanan '( bar menjadi * bar. Tentukan a$ mutu uap refrigeran pada akhir proses, b$ perubahan 5olume jenis, dan c$ mutu uap akhir jika refrigeran tersebut mengalami pendinginan lanjut '( oC. 4. 0uatlah suatu bentuk umum keseimbangan energi antara refrigeran cair pada keadaan diam di recei5er dengan refrigeran yang memasuki katup ekspansi. baikan gesekan pada pipa. . !uatu mesin pendingin kompresi uap dengan refrigeran &%++ beroperasi pada suhu e5aporasi L +( oC dan suhu kondensasi )- oC. a. Tentukan suhu refrigeran yang memasuki kondensor b. Tentukan debit aliran yang diperlukan untuk mendapatkan kapasitas pendinginan + ton refrigerasi #' ton ref.?')- /$. c. 9itung CJP mesin tersebut Test 'or#ati(
'. !ebuah sistem pendingin dengan siklus kompresi uap standar yang menggunakan refrigeran tipe &%++ diketahui mempunyai suhu kondensasi )-oC. pabila setelah melalui katup ekspansi tekanannya turun sebesar )).*- kPa, dan jika diketahui laju aliran refrigeran sebesar (.)'- kg1s tentukan8
•
!uhu proses e5aporasi
•
Kebutuhan daya kompresi dan kapasitas refrigerasi yang dihasilkan #dalam k/$.
•
CJP dari sistem
+. !ebuah sistem pendingin dengan siklus kompresi uap standar yang menggunakan refrigeran tipe amonia diketahui beroperasi pada suhu kondensasi )*oC dan suhu e5aporasi %)( oC. >ika diketahui laju aliran refrigeran sebesar (.) kg1s, dan diasumsikan bahwa kompresor bekerja secara adiabatik, tentukan8 •
Kapasitas refrigerasi yang dihasilkan
•
Tekanan hisap dan tekanan buang kompresor
•
!uhu refrigeran yang keluar dari kompresor
•
Kebutuhan daya kompresi.
•
CJP
PU!TK lan, 9. Cromer. ''. Physics or The !ciences. !econd edition, 2ntenational !tudent :dition, Mc 7raw%9ill 2nternational 0ook Company, Tokyo. 6ossat, &.>. ''. Principles of &efrigeration. >ohn /illey and !ons, Few ork. 9utchinson, ./. '-. Thermodynamics of 9eat Power !ystems. dison%/esley. =ee, >. and !ears, ./. '4*. Thermodynamics. dison /esley Publishing Co., Massachusets. Moran, M.>., and 9.F. !hapiro. '. undamentals of :ngineering Thermodynamics, >ohn /iley N !ons. F.. U! !toker /. dan >ones, >./, '. &efrigeration and ir Condition. Mc7raw%9ill 0ook Company. Tokyo.
00 -. &:&27:&F Tujuan 2nstruksional Khusus Mahasiswa mampu menjelaskan jenis%jenis refrigerant dan mampu melakukan pemilihan refrigerant yang tepat. Cakupan dalam pokok bahasan ini meliputi refrigeran primer dan sekunder, sifat termofisik berbagai refrigeran, perbandingan atribut lingkungan dan atribut kinerja refigeran. . Pendahuluan
&efrigeran adalah fluida kerja yang bersirkulasi dalam siklus refrigerasi. &efrigeran merupakan komponen terpenting siklus refrigerasi karena refrigeran yang menimbulkan efek pendinginan dan pemanasan pada mesin refrigerasi. !9&: #+((-$ mendefinisikan refrigeran sebagai fluida kerja di dalam mesin refrigerasi, pengkondisian udara, dan sistem pompa kalor. &efrigeran menyerap panas dari satu lokasi dan membuangnya ke lokasi yang lain, biasanya melalui mekanisme e5aporasi dan kondensasi.
Calm #+((+$ membagi perkembangan refrigeran dalam ) periode8 Periode pertama, ')(%an hingga ')(%an, dengan kriteria refrigeran
&%')* &%'+ 7ambar -%'. &efrigeran
Perkembangan mutakhir di bidang refrigeran utamanya didorong oleh dua masalah lingkungan, yakni lubang o"on dan pemanasan global. !ifat merusak o"on yang dimiliki oleh refrigeran utama yang digunakan pada periode ke%dua, yakni CCs, dikemukakan oleh Molina dan &owland #'*$ yang kemudian didukung oleh data pengukuran lapangan oleh arman dkk. #'-$. !etelah keberadaan lubang o"on di lapisan atmosfer di5erifikasi secara saintifik, perjanjian internasional untuk mengatur dan melarang penggunaan "at%"at perusak o"on disepakati pada ' yang terkenal dengan sebutan Protokol Montreal. CCs dan 9CCs merupakan dua
refrigeran utama yang dijadwalkan untuk dihapuskan masing%masing pada tahun '4 dan +()( untuk negara%negara maju #United Fation :n5ironment Programme, +((($. !edangkan untuk negara%negara berkembang, kedua refrigeran utama tersebut masing%masing dijadwalkan untuk dihapus # phased-out $ pada tahun +('( #CCs$ dan +(*( #9CCs$ #Powell, +((+$. Pada tahun ', Protokol Kyoto mengatur pembatasan dan pengurangan gas%gas penyebab rumah kaca, termasuk 9Cs #United Fation ramework Con5ention on Climate Change, +((-$. Powell #+((+$ menerangkan beberapa syarat yang harus dimiliki oleh refrigeran pengganti, yakni8 '. Memiliki sifat%sifat termodinamika yang berdekatan dengan refrigeran yang hendak digantikannya, utamanya pada tekanan maksimum operasi refrigeran baru yang diharapkan tidak terlalu jauh berbeda dibandingkan dengan tekanan refrigeran lama yang ber%klorin. +. Tidak mudah terbakar. ). Tidak beracun. *. 0isa bercampur #misci)le$ dengan pelumas yang umum digunakan dalam mesin refrigerasi. -. !etiap refrigeran CC hendaknya digantikan oleh satu jenis refrigeran ramah lingkungan. !etelah periode CCs, &++ #9CC$ merupakan refrigeran yang paling banyak digunakan di dalam mesin refrigerasi dan pengkondisian udara. !aat ini beberapa perusahaan pembuat mesin% mesin refrigerasi masih menggunakan refrigeran &++ dalam produk%produk mereka. Meski refrigeran ini, termasuk juga refrigeran jenis 9CCs lainnya, dijadwalkan untuk dihapuskan pada tahun +()( #untuk negara maju$, namun beberapa negara :ropa telah mencanangkan jadwal yang lebih progresif, misalnya !wedia telah melarang penggunaan &++ dan 9CCs lainnya pada mesin refrigerasi baru sejak tahun ', sedangkan 6enmark dan >erman mengijinkan penggunaan 9CCs pada mesin%mesin baru hanya hingga )' 6esember ' #Kruse, +((($. Protokol Montreal memaksa para peneliti dan industri refrigerasi membuat refrigeran sintetis baru, 9Cs #9ydro luoro Carbons$ untuk menggantikan refrigeran lama yang ber%klorin yang dituduh menjadi penyebab rusaknya lapisan o"on. /eatherhead dan ndersen #+((4$ mengemukakan bahwa sejak tahun terakhir, penipisan kolom lapisan o"on tidak terjadi lagi. Kedua peneliti ini meyakini akan terjadinya pemulihan lapisan o"on. Meski demikian, keduanya tidak secara jelas merujuk turunnya penggunaan "at perusak o"on sebagai penyebab pulihnya lapisan o"on. Powell #+((+$ menyebutkan bahwa adanya kerjasama yang sangat baik antara produser refrigeran dan perusahaan pengguna refrigeran telah memungkinkan terjadinya transisi mulus dari era penggunaan CCs secara besar%besaran di '4 hingga penghapusan dan penggantiannya dengan &')*a di tahun '4 . 0anyak kalangan menyebutkan bahwa Protokol Montreal adalah salah satu perjanjian internasional di bidang lingkungan yang paling berhasil diterapkan.
!aat ini, 9CCs #yang pada dasarnya merupakan pengganti transisional untuk CCs$ telah memiliki + kandidat pengganti, yakni &*'( #campuran dengan sifat mendekati "eotrop$ dan &*(C #campuran a"eotrop$ #Kruse, +((($. 9idrokarbon Propana #&+($ juga berpotensi menjadi pengganti &++ #Kruse, +((($. &*(C merupakan campuran antara &)+1'+-1')+a dengan komposisi +)1+-1-+, sedangkan &*'( adalah campuran &)+1'+dengan komposisi -(1-( #!9&:, +((-$. !aat ini, beberapa perusahaan terkemuka di bidang refrigerasi dan pengkonsian udara telah menggunakan &*'( dalam produk mereka.
7ambar -%+. Kulkas dengan refrigeran non CC
>ika Protokol Montreal dan Kyoto dilaksanakan secara penuh dan konsisten, maka secara umum pada saat ini belum ada pilihan refrigeran komersial selain refrigeran alami. Meskipun perlu dicatat bahwa baru%baru ini terdapat produsen refrigeran yang mengklaim keberhasilannya membuat refrigeran yang tidak merusak o"on dan tidak menimbulkan pemanasan global #!9&:, +((4$. 0eberapa refrigeran alami yang sudah digunakan pada mesin refrigerasi adalah8 amonia #F9)$, hidrokarbon #9C$, karbondioksida #CJ+$, air, dan udara #&iffat dkk., '$. Kata
membuat sistem tersebut aman dan terbukti dapat digunakan dalam skala luas masih perlu dikembangkan lebih lanjut. &efrigeran yang digunakan dalam sistem kompresi uap dikelompokkan menjadi refrigeran primer. !edangkan jika fluida digunakan untuk memindahkan panas, maka fluida ini disebut sebagai refrigeran sekunder. Penggunaan refrigeran saat ini merupakan isu penting men yangkut pemanasan global. Pada bab ini, akan dijelaskan jenis refrigeran, sifat, dan penggunaannya saat ini. 0. &efrigeran Primer &efrigeran primer adalah refrigeran yang digunakan pada sistem kompresi uap. &efrigeran yang digunakan pada sistem pendinginan kompresi uap harus mempunyai mempunyai sifat%sifat kimia, fisika, termodinamika tertentu yang sesuai dengan kondisi penggunaan '. >enis &efrigeran a. 7olongan 9alokarbon &efrigeran golongn halokarbon adalah jenis refrigeran yang umum digunakan. &efrigeran jenis ini meliputi refrigeran yang terdiri dari satu atau lebih dari tiga jenis ion golongan halogen #klorin, fluorin, dan bromin$. 0eberapa jenis refrigeran halokarbon yang umum digunakan disajikan pada Tabel '. Tabel '. >enis refrigeran halokarbon
Fomor refrigeran
'' '+ ') ++ *( '') ''-
Fama kimia
&umus kimia
Trikloromonofluorometan 6iklorodifluorometan Monoklorotrifluorometan Monoklorodifluorometan Metil klorida Triklorotrifluoroetan 6iklorotetrafluoroetan
CCl) CCl++ CCl) C9Cl+ C9)Cl CCl+CCl+ CCl+CCl+
!istem penomoran golongan halokarbon adalah sebagai berikut8 nomor pertama dari sebelah kanan menunjukkan jumlah atom florin pada senyawa, nomor kedua dari kanan menunjukkan satu nilai lebih banyak dari jumlah atau, hidogren pada senyawa dan tiga digit dari kanan menunjukkan satu nilai lebih sedikit dari jumlah atom karbon. b. !enyawa 2norganik.
walnya, saat pendinginan hanya digunakan untuk tujuan khusus, hanya amoniak dan karbon dioksida yang dapat digunakan sebagai refrogeran. !aat pendinginan mulai dikenalkan pada masyarakat, sulfur dioksida, metil klorida dan metilen klorida digunkan k arena sesuai dengan kompresor sentrifugal. Metilrn klorida dan karbon dioksida, karena faktor ke amanannya digunakan untuk sistem pengkondisian udara #C$. !emua refrigeran ini, selain amonia, tidak digunakan lagi, kecuali pada sistem yang lama. monia mempunyai sifat termal yang baik, dan masih digunakan pada lapangan es skating. c. !enyawa 9idrokarbon 0anyak senyawa hidrokarbon yang digunakan sebagai refrigeran, umumnya digunakan pada industri minyak bumi, seperti metana, etana, propana, etilen, dan isobutilen. Kesemuanya flamma)le dan eksplosif. 6igolongkan sedikit beracun karena mengandung efek bius pada tingkat tertentu. :tana, metana, dan etilen digunakan pada pendinginan suhu ekstra rendah. 9idrokarbon sebagai refrigerant dalam sistem refrigerasi telah dikenal sejak tahun '+(%an, sebelum refrigerant sintetik dikenal. 2lmuwan yang tercatat sebagai promotor hidrokarbon sebagai refrigerant antara lain =inde #''4$ dan 2lmuwan 6unia lbert :instein #'+($. 9idrokarbon kembali diperhitungkan sebagai alternatif pengganti CC, setelah aspek lingkungan mengemuka, dan timbulnya permasalahan dalam peralihan dari CC ke 9C, dikarenakan perlu adanya penyesuaian perangkat keras, pelumas, serta perlakuan khusus dalam operasional penggunaan bahan 9C 8 &%')*a ini. 6emikian sulitnya perlakuan &%')*a sebagai pengganti &%'+ serta masih memiliki dampak 7lobal /arming Potential #7/P$, bahkan 7reenpeace suatu =!M di >erman yang sebelumnya gencar mendorong peralihan &%'+ ke &%')*a, kemudian beralih memperomosikan penggunaan hidrokarbon sebagai refrigeran, seperti 7TH%Technology yang telah populer di daratan :ropa. Penggunaan refrigeran hidrokarbon terus meluas ke berbagai negara di kawasan sia Pasific, dan. dewasa ini telah banyak dikenal berbagai merek refrigerant yang dihasilkan oleh berbagai negara, seperti yang berasal dari negara 8 2nggeris, Perancis, >erman, 0elanda, Kanada, ustralia, merika, Korea, dan lain%lain, termasuk 2ndonesia.
2ndonesia sebagai negara yang memiliki cadangan gas alam dan minyak bumi, disamping pemanfaatan sebagai bahan bakar, juga memiliki potensi sebagai negara yang dapat berkecimpung dalam hal refrigerant hidrokarbon maupun produk%produk ramah lingkungan berbasis hidrokarbon lainnya seperti 8 erosol propellant, foaming agent, sol5ent, dan lain%lain. Produk refrigerant hidrokarbon MU!2 CJJ= merupakan refrigerant hidrokarbon yang sudah diproduksi di dalam negeri dengan beberapa grade
•
MC%'+ dan MC%')* sebagai pengganti refrigerant &%'+ dan &%')*a MC%'+ dan MC%')* merupakan campuran propane dan i%butane dengan kandungan butane serendah mungkin agar tidak menggangu proses kondensasi pada sistem pendingin. &efrigerant ini digunakan pada kendaraan bermotor, kulkas dan dispenser
•
MC%++ sebagai pengganti refrigerant &% ++ MC%++ digunakan untuk pendingin ruangan1C jenis !plit, window maupun central. &efrigerant ini memerlukan kandungan propane yang sangat tinggi yaitu , wt dengan impuritis butane dan olefin yang serendah mungkin atau mendekati nol agar kinerja sistem pendingin berjalan optimal.
•
7ambar -%). &efrigeran hydrocarbon #Musicool$ buatan Pertamina MC%4(( sebagai refrigerant 4((a MC% 4(( mempunyai kandungan i%butane yang sangat tinggi1dominan atau lebih besar dari - wt dengan kandungan propane seminim mungkin. &efrigerant 4((a saat ini digunakan sebagai media pendingin pada kulkas, yang beroperasi pada tekanan rendah. Ke depan prospek refrigerant ini sangat cerah karena kecenderungan penggunaannya tinggi.
d. "eotrop !enyawa a"eotrop adalah suatu campuran yang tak dapat dipisahkan menjadi senyawa penyusunnya dengan cara distilasi. !enyawa ini menguap dan mengembun sebagai satu "at, tidak seperti campuran lainnya. "eotrop yang paling dikenal adalah &-(+ yang merupakan campuran *. &++ dan -'.+ &''-. "eotrop lainnya adalah &%-((, campuran dari ). &%'+ dan +4.+ &%'-+a. +. !ifat &egfrigeran
6alam pemilihan refrigeran, sifat refrigeran yang penting antara lain sifat termodinamika, kimia, dan fisik. !ifat termodinamika yang penting antara lain titik didih, tekanan penguapan dan pengembunan, tekanan dan suhu kritis, titik beku, 5olume uap, CJP, tenaga per ton refrigerasi. !ifat kimia berhubungan dengan reaksi refrigeran terhadap keadaan sekitar, antara lain tidak mudah terbakar, tidak beracun, tidak bereaksi dengan air, minyak dan bahan konstruksi. !edangkan sifat fisik refrigeran berhubungan dengan bahan itu sendiri,antara lain kondukti5itas dan kekentalan. !ifat &efrigeran •
Tekanan penguapan harus cukup tinggi
•
!ebaiknya refrigeran memiliki suhu pada tekanan yang lebih tinggi, sehingga dapat dihindari kemungkinan terjadinya 5akum pada e5aporator dan turunnya efisiensi 5olumetrik karena naiknya perbandingan kompresi
•
Tekanan pengembunan yang tidak terlampau tinggi, apabila tekanan pengembunannya terlalu rendah, maka perbandingan kompresinya menjadi lebih rendah, sehingga penurunan prestasi kondensor dapat dihindarkan, selain itu dengan tekanan kerja yang lebih rendah, mesin dapat bekerja lebih aman karena kemungkinan terjadinya kebocoran, kerusakan, ledakan dan sebagainya menjadi lebih kecil.
•
Kalor laten penguapan harus tinggi, refrigeran yang mempunyai kalor laten penguapan yang tinggi lebih menguntungkan karena untuk kapasitas refrigerasi yang sama, jumlah refrigeran yang bersirkulasi menjadi lebih kecil
•
Qolume spesifik # terutama dalam fasa gas $ yang cukup kecil, &efrigeran dengan kalor laten penguapan yang besar dan 5olume spesifik gas yang kecil #berat jenis yang besar$ akan memungkinkan penggunaan kompresor dengan 5olume langkah torak yang lebih kecil. 6engan demikian untuk kapasitas refrigerasi yang sama ukuran unit refrigerasi yang bersangkutan menjadi lebih kecil
•
Koefisien prestasi harus tinggi, dari segi karakteristik termodinamika dari refrigeran, koefisien prestasi merupakan parameter yang terpenting untuk menentukan biaya operasi
•
Kondukti5itas termal yang tinggi, kondukti5itas termal sangat penting untuk menentukan karakteristik perpindahan kalor
•
Qiskositas yang rendah dalam fasa cair maupun fasa gas, dengan turunnya tahanan aliran refrigeran dalam pipa, kerugian tekanannya akan berkurang
•
Konstanta dielektrika dari refrigeran yang kecil, tahanan listrik yang besar, serta tidak menyebabkan korosi pada material isolator listrik
•
&efrigeran hendaknya stabil dan tidak bereaksi dengan material yang dipakai, jadi juga tidak menyebabkan korosi
•
&efrigeran tidak boleh beracun
•
&efrigeran tidak boleh mudah terbakar dan mudah meledak
•
!ebaiknya refrigeran menguap pada tekanan sedikit lebih tinggi dari pada tekanan atmosfir. 6engan demikian dapat dicegah terjadinya kebocoran udara luar masuk sistem refrigeran karena kemungkinan adanya 5akum pada seksi masuk kompresor #pada tekanan rendah$.
Titik didih refrigeran merupakan salah satu faktor yang sangat penting8 &efrigeran yang memiliki titik didih rendah biasanya dipakai untuk keperluan operasi pendinginan temperatur rendah #refrigerasi$
•
&efrigeran yang memiliki titik didih tinggi digunakan untuk keperluan pendinginan temperatur tinggi #pendinginan udara$
•
Titik didih refrigeran merupakan indikator yang menyatakan apakah refrigeran dap at menguap pada temperatur rendah yang diinginkan, tetapi pada tekanan yang tidak terlalu rendah. 6ari segi termodinamika &'+, &++, &-((, &-(+, ammonia dapat dipakai untuk daerah suhu yang luas, dari keperluan pendinginan udara sampai ke refrigerasi. !ifat termofisik dari beberapa refrigeran disajikan pada tabel -.'. Tabel -.'. !ifat termofisik beberapa refrigeran
Parameter
&%'+
&%++
&%''*
&%-((
&%-(+
&%'
&%'
!imbol kimia
CCl++
C9Cl+
CCl+
%
%
F9)
9+(
0erat molekul
'+(.
4.-
'(.
.+
''+
'
'
Titik didih #(C, ' atm$
%+.
%*(.
).4
%)).)
%*-.4
%)).)
'((
Titik beku #(C, ' atm$
%'-.
%'4(.(
%.
Cp1C5 #g$
'.')
'.'
'.)'
'.*(
!uhu kritik #(C$
''+.+
4.'
')+.
Tekanan kritik #kPa$
*''-.
*)4.'
'*+).*
Panas laten penguapan #k>1kg$
'4'.
+'.
')'*.+
). tribut =ingkungan dan tribut Kerja Pemilihan refrigeran lainnya dibuat berdasarkan atribut kerja dan lingkungan. tribut kerja refrigeran adalah sifat yang berkaitan dengan penggunaan refrigeran. !ifat ini dibandingkan dengan beban kerja yang sama atau suhu e5aporasi dan suhu kondensasi yang sama. !ifat yang dibandingkan antra lain CJP, efek pendinginan, serta tekanan kondensasi dan e5aporasi. Tabel -.+ menampilkan atribut kerja bebrapa refrigeran dengan suhu kondensasi )((C dan suhu e5aporasi %'-(C. Tabel -.+. tribut kerja beberapa refrigeran
&efrigeran
'' '+ ++ -(+ '
Tekanan e5aporasi #kPa$
Tekanan kondensasi #kPa$
&asio tekanan
+(.* '+. +-. )*.4 +)4.-
'+-.**.4 ''+.' ')(.4 ''44.4
4.'*.( *.() ).* *.)
:fek =aju aliran massa per refrigerasi k/ refrigerasi #=1det$ #k>1kg$
'--.* ''4.) '4+. '(4.+ ''().*
*. (.+ (.*4 (.** (.*4+
CJP
-.() *.( *.44 *.) *.4
tribut lingkungan suatu refrigeran duhubungkan deng an reaksi refrigeran saat terlepas di atmosfer. Pada refrigeran halokarbon, atom klorin pada refrigeran akan berikatan dengan o"on di atmosfer, sehingga menyebabkan terjadinya penipisan o"on yang menyebabkan pemanasan global. Terdapat tiga jenis atribut lingkungan yang umum dikenal, 7/P, J6P, dan tahun atmosferik.
7/P #7lobal /arming Potential$ adalah ukuran seberapa banyak jumlah gas rumah kaca yang diperkirakan akan mempengaruhi pemanasan global. 7/P merupakan suatu ukuran relatif yang membandingkan gas yang ingin diketahui nilainya dengan gas CJ+ dalam jumlah yang sama. 7/P juga harus diukur dalam waktu yang sama, umumnya diukur dalam waktu '(( tahun. J6P #J"one 6epletion Pottential$ merupakan parameter yang menyatakan kemampuan suatu refrigeran untuk berikatan dengan o"on di stratosfer. Umumnya, makin banyak ion klorin dalam suatu refrigeran maka makin tinggi J6Pnya. !iklus hidup menentukan lamanya suatu gas terurai di atmosfer. tribut lingkungan beberapa refrigeran ditunjukkan pada tabel -.). Tabel -.). tribut lingkungan refrigeran primer
&efrigeran
Tahun atmosferik
J6P
7/P
Karbon dioksida Metana
-(%+(( '+ I )
( (
' +'
&%'' &%'+ &%++ &%-(+ &%' #monia$
-( I '+( ').) % %
'.( '.( (.(-(.+) (
*((( -(( '(( -4(( Tidak ada
C. &efrigeran sekunder !eperti dijelaskan sebelumnya, refrigeran sekunder merupakan fluida yang membawa panas dari benda yang didinginkan ke e5aporator suatu sistem pendinginan. !uhu refrigeran sekunder akan berubah saat refrigeran mengambil panas namun tidak berubah fasa. ir dapat digunakan sebagai refrigeran sekunder, namun hanya untuk kondisi operasi di atas titik beku air. &efrigeran yang umum digunakan adalah campuran garam dan air #brine$ atau anti beku yang mempunyai titik beku di bawah ((C. 0eberapa anti beku yang umum digunakan adalah campuran air dengan etilen glikol, propiln glikol atau kalsium klorida. :tilen glikol dapat digunakan dalam industri makanan karena tidak beracun.
&efrigeran 2norganik
Penggunaan
monia #F9)$
Untuk cold storage, pabrik es, pendinginan bahan pangan
ir #9+J$
Pendinginan tipe ejektor
CJ+
!ebagai karbondioksida padat atau es kering dan hanya digunakan angkutan
&efrigeran '' #CC=)$
Pendinginan dengan kompresor sentrifugal untuk sistem C ber%k
&efrigeran '+ #CC=+$
Pendinginan dengan kompresor piston untuk refrigerasi unit kecil cooler, kulkas
&efrigeran ++ #C9C=+$
Pendinginan dengan kompresor tipe piston untuk unit refrigerasi k seperti pengemasan dan central C
&efrigeran -(+
Untuk bahan pangan beku dalam kabinet, terutama untuk pendingi swalayan
=atihan a. 0erikan masing%masing satu contoh refrigeran dari jenis CC dan 9CC. b >enis refrigeran mana yang lebih ramah terhadap lingkungan #gunakan tiga atribut lingkungan yang anda ketahui untuk menjelaskan pilihan anda tersebut$. Test ormatip >elaskan dengan singkat pendapat anda mengenai penggunaan hidrokarbon #9C$ sebagai refrigeran untuk mesin pendingin1pembeku. 6aftar Pustaka Musicool refrigerant. http811www.up%).com1up).phpRpage?5iewproductsNid? diakses tanggal 4 Pebruari +((