HASIL DAN PEMBAHASAN
8. Filter Dryer
Komponen ini berfungsi menyaring kotoran dan menghilangkan uap air yang kemungkinan masih tertinggal pada sistem refrigerasi. Filter dryer dipasang pada liquid line, yakni saluran yang menghubungkan antara keluaran kondenser dengan alat ekspansi. Kriteria pemilihan filter dryer adalah jenis refrigeran dan rentang suhu yang dapat dialirkan.
Gambar 21 Filter dryer
Gambar 21 menunjukkan sketsa filter dryer. Berturut-turut komponen filter dryer adalah inlet, pegas, saringan molekular, kasa polyester, pelat berlubang, dan tutup segel. Aliran refrigeran masuk melalui inlet, kemudian menuju saringan molekular. Saringan molekular berfungsi untuk menangkap air. Setelah melalui saringan molekular, refrigeran masuk ke kasa polyester yang berfungsi untuk untuk menyaring dan menahan kotoran yang besarnya 15 - 21 μm, namun kotoran yang lebih kecil daripada itu masih bisa bersirkulasi dalam sistem namun tidak terlalu membahayakan sistem refrigerasi. Refrigeran kemudian keluar menuju katup ekspansi.
Pembuatan Alat
Semua komponen fungsi mesin pembeku dirakit menjadi mesin pembeku yang utuh. Perakitan dimulai dari pembentukan pipa koil. Pipa koil merupakan gabungan dari pipa U dan pipa biasa berbahan tembaga. Penyambungan pipa U dengan pipa biasa menggunakan las. Setelah pipa koil dibentuk, kemudian ditempelkan ke lempeng pembeku yang telah tersedia sebelumnya. Penempelan 23
pipa koil ke lempeng pembeku menggunakan las. Selanjutnya adalah pembuatan susunan pipa katup ekspansi dan solenoid valve. Susunan pipa ini memperhatikan dimensi dari solenoid valve sehingga tidak berimpitan satu sama lain. Setelah pipa untuk katup ekspansi dan solenoid valve selesai, kemudian dirangkaikan ke pipa koil yang sudah ada di dalam ruang pembeku. Kemudian pipa katup ekspansi dihubungkan ke filter dryer, kondensor dan kompresor. Penyusunan kompresor, kondensor dan filter dryer sebaiknya berurutan sesuai tahapan refrigerasi dan memaksimalkan penggunaan tempat. Setelah setiap komponen telah dirakit, kemudian mesin pembeku di vakum untuk mengeluarkan kemungkinan udara dan air yang terdapat dalam pipa ataupun tiap komponen. Gambar 22 menunjukkan bentuk fisik akhir mesin pembeku. Foto wujud nyata mesin pembeku dengan suhu media pembeku bertahap diberikan pada Lampiran 5.
Gambar 22 Hasil akhir rancangan mesin pembeku Analisis Kinerja Mesin Pembeku
Pengujian ini bertujuan mengetahui kinerja mesin pembeku yang telah dirancang seperti kerja kompresi, laju pengeluaran kalor, efek refrigerasi dan COP. Pengujian dilakukan dengan suhu media pembeku bertahap. Suhu target tiap tahap pengujian adalah -5, -10, dan -15 oC. Katup ekspansi yang dibuka berdasarkan suhu yang ingin dicapai pada tahap tersebut. Jika tahap pertama ingin mencapai suhu -5 oC maka hanya katup ekspansi pertama yang dibuka dan begitu seterusnya. Suhu hasil pengujian pada masing-masing katup ekpansi terlihat pada Gambar 23.
Gambar 23 Suhu hasil pengujian tanpa beban
Gambar 23 di atas menunjukkan suhu rata-rata tiap tahap pada katup
ekpansi pertama hingga katup ekpansi tiga berturut-turut adalah -4.88, -8.30, dan -14.26 oC. Suhu tiap titik hasil pengujian mesin pembeku terdapat di Lampiran 6.
Dari data hasil pengujian seperti pada Lampiran 6, dibuat diagram tekanan-entalpi pada masing-masing tahap.
Pembuatan diagram tekanan-entalpi menggunakan bantuan software CoolPack. Software CoolPack merupakan software yang dapat digunakan secara bebas tanpa menggunakan lisensi. Selain itu diagram tekanan-entalpi, software ini juga dapat menghitung nilai entalpi pada masing-masing titik misalnya, h1, h2, dan h3 pada diagram tekanan-entalpi serta dapat menghitung nilai dari kinerja mesin pembeku seperti efek refrigerasi, pelepasan kalor, COP dan kerja kompresi. Lampiran 7-9 menunjukkan tampilan dari software CoolPack.
Data hasil pengujian dijadikan data masukan untuk software CoolPack. Keluarannya berupa diagram tekanan-entalpi dan nilai entalpi tiap titik pada diagram tersebut. Diagram tekanan-entalpi masing-masing tahap terdapat pada lampiran 10-12. Tabel 3 di bawah ini menunjukkan nilai entalpi tiap titik pada diagram tekanan-entalpi dan kinerja mesin pembeku tiap tahap fase pembekuan.
Tabel 3 Kinerja mesin pembeku hasil rancangan
Parameter Tahap 1 Tahap 2 Tahap 3
Suhu lempeng pembeku (oC) -4.88 -8.30 -14.26
h1 (kJ/kg) 414.66 414.09 412.99 h2 (kJ/kg) 453.84 457.07 463.02 h4 (kJ/kg) 234.71 234.97 235.22 s1 (kJ/kgK) 1.7994 1.8078 1.8231 s2 (kJ/kgK) 1.7994 1.8078 1.8231 Efek refrigerasi (kJ/kg) 179.94 179.12 177.77 Pelepasan kalor (kJ/kg) 219.13 222.11 227.80 Kerja kompresi (kJ/kg) 39.18 42.99 50.03 COP 4.59 4.17 3.55 4.10 -15 -14 -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 S u h u ( 0C) Menit Katup Ekspansi 1 Katup Ekspansi 2 Katup Ekspansi 3 25
h1 merupakan nilai entalpi refrigeran saat sebelum proses kompresi. Pada keadaan aktual biasanya terjadi panas lanjut sehingga titik h1 tidak berada pada kondisi jenuh. Nilai entalpi panas lanjut selalu lebih besar dari pada kondisi jenuh. h2 merupakan nilai entalpi refrigeran setelah melalui proses kompresi dan h4
merupakan entalpi refrigeran sebelum proses evaporasi. Nilai h1 pada tahap pertama merupakan yang terbesar hal ini disebabkan suhu panas lanjut pada tahap pertama merupakan yang terbesar dibandingkan tahap lainnya, yaitu 10.92 oC. Nilai h2 dari tahap pertama hingga ke tiga semakin meningkat hal ini disebabkan oleh semakin meningkatnya tekanan yang ingin dicapai oleh kompresor. Hal ini mengakibatkan kerja kompresi semakin meningkat seiring masuk ke tahap dua maupun tiga. h4 merupakan nilai entalpi refrigeran setelah melewati kondensor. Nilai entalpi setelah melewati kondensor dan sebelum masuk ke evaporator adalah sama.
Tabel 3 juga menunjukkan besar efek refrigerasi, pelepasan kalor, kerja kompresi dan COP. Efek refrigerasi adalah kalor yang dipindahkan melalui evaporator dari ruang pembeku. Efek refrigerasi merupakan selisih entalpi refrigeran saat masuk dan keluar evaporator. Pada tahap pertama terjadi efek refrigerasi yang terbesar, yaitu 179.94 kJ/kg.
Pelepasan kalor adalah perpindahan kalor dari refrigeran yang terjadi di kondensor. Pelepasan kalor terbesar terjadi pada tahap tiga, yaitu 227.80 kJ/kg. Kerja kompresi merupakan perubahan entalpi refrigeran saat masuk dan keluar kompresor. Besar kerja kompresi merupakan pemberian kerja pada sistem. Semakin rendah suhu yang ingin dicapai maka semakin besar kerja yang diberikan kepada sistem. Hal ini disebabkan pada saat suhu rendah tekanan keluar dari evaporator juga rendah maka kerja kompresor semakin besar untuk mencapai tekanan buang. Kerja kompresi terbesar terjadi pada tahap tiga.
Meningkatnya kerja kompresi dari tahap pertama hingga tahap ke tingga mengakibatkan nilai COP semakin menurun. Nilai COP dari tahap pertama hingga tahap ke tiga berturut-turut adalah 4.59, 4.17, dan 3.55. Rata-rata COP merupakan COP dari keseluruhan proses pembekuan yaitu, 4.10. Diagram tekanan-entalpi masing-masing tahap terdapat pada Lampiran 13.
Dari diagram tekanan-entalpi juga dapat dihitung peningkatan kerja kompresi dan pelepasan kalor antara siklus aktual dan standar. Siklus standar adalah kondisi dengan asumsi tidak terjadi penurunan tekanan sepanjang evaporator. Siklus aktual dan standar masing-masing tahap ditunjukkan pada lampiran 10-12. Tabel 4 di bawah ini menunjukkan nilai entalpi dan kinerja mesin pembeku tiap tahap pada siklus standar.
Tabel 4 di bawah menunjukkan nilai entalpi tiap titik pada masing-masing tahap dalam kondisi standar. Kondisi standar adalah kondisi dengan asumsi tidak terjadi penurunan tekanan di sepanjang evaporator sehingga menghasilkan nilai entalpi yang berbeda dengan kondisi aktual. Perbedaan ini mengakibatkan peningkatan kerja kompresi dari kondisi standar ke aktual. Dari Tabel 4 di atas terlihat terjadi peningkatan keja kompresi dari 15.42 hingga 32.10 %. Peningkatan kerja kompresi ini disebabkan meningkatknya nilai entalpi pada titik 1 pada kondisi aktual dibandingkan kondisi standar. Peningkatan entalpi ini disebabkan oleh penurunan tekanan di sepanjang evaporator. Penurunan tekanan sepanjang evaporator diperlihatkan pada Tabel 5. Peningkatan kerja kompresi ini yang
mengakibatkan penggunaan energi tidak efisien. Peningkatan kerja kompresi mengakibatkan peningkatan pelepasan kalor pada kondensor berkisar dari 21.61 hingga 25.13 %.
Tabel 4 Kinerja mesin pembeku dalam kondisi standar
Parameter Tahap 1 Tahap 2 Tahap 3
h1 (kJ/kg) 404.81 403.18 403.05
h2 (kJ/kg) 438.01 440.42 440.92
h4 (kJ/kg) 257.83 258.18 258.87
s1 (kJ/kgK) 1.7541 1.7607 1.7612
s2 (kJ/kgK) 1.7541 1.7607 1.7612
Peningkatan kerja kompresi (%) 18.03 15.42 32.10 21.85
Peningkatan pelepasan kalor (%) 21.61 21.88 25.13 22.87
Peningkatan entropi 0.0453 0.0471 0.0600
0.0508
Tabel 5 menunjukkan besarnya penurunan tekanan di sepanjang evaporator. p1 menunjukkan besar tekanan saat refrigeran berada setelah evaporator, sedangkan p4 menunjukkan besar tekanan saat refrigeran setelah melalui katup ekspansi (sebelum evaporator). Penurunan tekanan sepanjang evaporator disebabkan adanya gesekan refrigeran terhadap dinding pipa dan belokan.
Tabel 5 Penurunan tekanan sepanjang evaporator
Keterangan Tahap 1 Tahap 2 Tahap 3
p1 (bar) 4.231 3.761 3.039
p4 (bar) 4.734 4.092 4.044
Penurunan tekanan (bar) 0.503 0.331 1.005
Penurunan tekanan (kPa) 50.3 33.1 100.5
Analisis Energi dan Eksergi Proses Pembekuan
Berdasarkan kaidah termodinamika I, energi adalah bersifat kekal sehingga tidak dapat diciptakan maupun dimusnahkan. Penggunaan energi, dalam konteks kekekalan energi ini, adalah pengubahan (konversi) suatu bentuk energi ke dalam bentuk lainnya. Dalam hal ini, setiap bentuk energi dapat dianggap setara (Tambunan, 2007).
Analisis eksergi menggunakan hukum termodinamika II. Konsep analisis eksergi merupakan suatu metode yang menggunakan prinsip-prinsip kekekalan massa dan kekekalan energi bersama dengan hukum kedua termodinamika untuk perancangan dan analisis sistem termal. Hukum kedua termodinamika menyatakan bahwa dalam suatu siklus, kerja akan diberikan ke lingkungan dengan imbalan pengambilan kalor dari lingkungan oleh sistem, tetapi besarnya kerja yang dihasilkan tidak sama dengan kalor yang diambil.
Analisis energi berbeda dengan analisis eksergi. Analisis energi digunakan untuk menghitung keseimbangan energi, sedangkan analisis eksergi digunakan untuk menghitung kerja teoritis maksimal yang dapat digunakan dalam suatu proses. Efisiensi energi dapat kurang dari 100%, bergantung dari efisiensi komponen-komponen yang digunakan, sedangkan efisiensi eksergi bisa menghasilkan 100% karena nilai ini merupakan kemampuan kerja yang dapat dihasilkan dalam suatu proses.
Kajian Energi Pembekuan
Proses pembekuan merupakan proses pengambilan panas bahan yang dilakukan oleh media pembeku. Energi pembekuan merupakan jumlah energi yang dibutuhkan untuk menjaga proses pembekuan tetap berlangsung. Energi pada sistem refrigerasi terdiri atas energi listrik, energi mekanis, dan energi termal. Energi listrik berasal dari sumber daya yang digunakan untuk menggerakan kompresor. Pergerakan kompresor kemudian akan menghasilkan kerja atau energi mekanis. Kerja ini kemudian akan dimanfaatkan untuk mengambil panas bahan dalam ruang pembeku yang untuk dilepaskan ke lingkungan. Tabel 6 menyajikan hasil perhitungan kebutuhan energi selama proses pembekuan ini.
Tabel 6 di bawah ini, dapat dilihat bahwa total kebutuhan energi pembekuan pada penelitian ini berkisar antara 465.19 kJ/kg hingga 465.63 kJ/kg. Total kebutuhan energi pembekuan adalah besar panas yang diambil dari bahan sehingga bahan mencapai suhu yang diinginkan. Perbedaan nilai ini dipengaruhi oleh beberapa faktor yaitu suhu awal dan suhu akhir dari bahan. Semakin tinggi suhu awal bahan maka semakin besar energi pembekuan yang dibutuhkan, ini terlihat dari tahap satu. Semakin rendah suhu akhir yang diinginkan maka semakin besar energi pembekuan yang dibutuhkan pada tahap tiga. Suhu akhir bahan pada skenario pertama lebih rendah daripada skenario dua.
Tabel 6 Analisis kebutuhan energi pembekuan Energi Suhu media (˚C) Massa Bahan (kg) Tot.energi pembekuan (kJ) Pembacaan kWh meter (kWh) Input energi (kWh) Input energi (kJ) Energi spesifik (kJ/kg) Eff.energi (%) Skenario 1 Pembacaan awal (-5, -10, -15) 0.06795 271.535 465.63 0.68 Tahap 1 7.369 271.68 0.145 522 Tahap 2 22.695 272.58 0.900 3240 Tahap 3 1.576 272.82 0.240 864 Total 31.64 4626 Skenario 2 Pembacaan awal (-15, -15, -15) 0.06795 268.745 465.19 1.56 Tahap 1 7.483 268.845 0.100 360 Tahap 2 22.695 269.145 0.300 1080 Tahap 3 1.432 269.305 0.160 576 Total 31.61 2016
Data kebutuhan energi pada suatu proses pembekuan sangat diperlukan dalam rangka memperoleh gambaran penggunaan energi per kg output. Energi yang dilepaskan oleh bahan saat proses pembekuan adalah berupa panas sensibel pada tahap I dan III, serta panas laten pada tahap II. Panas sensibel merupakan panas yang mengakibatkan terjadinya penurunan suhu suatu bahan sedangkan
panas laten pembekuan menyebabkan terjadinya perubahan fase bahan. Besar energi pembekuan yang terbesar berada pada tahap dua, hal ini disebabkan nilai panas laten air jauh lebih besar dibandingkan panas sensibel air. Besar energi pada tahap dua juga dipengaruhi besar massa air. Energi pembekuan tahap pertama lebih besar dibandingkan tahap ke tiga dikarenakan gradien penurunan suhu pada tahap pertama lebih besar daripada tahap tiga. Terjadinya perbedaan besar energi pembekuan tahap tiga antara skenario pertama dengan skenario dua disebabkan perbedaan suhu akhir. Suhu akhir pada skenario pertama lebih rendah mengakibatkan energi pembekuan tahap ke tiga pada skenario pertama lebih besar dibandingkan skenario dua seperti terlihat pada Gambar 24.
Input energi pada proses ini diperoleh dari energi listrik yang digunakan untuk menggerakkan kompresor. Total input energi listrik proses pembekuan berasal dari pembacaan kWh meter yang dilakukan pada awal tahap dan akhir setiap tahap pembekuan. Hasil pembacaan tersebut kemudian dikonversi ke dalam satuan kJ. Tabel 6 menunjukkan total input energi pembekuan yang diperoleh selama proses pembekuan berkisar antara 2016 hingga 4626 kJ. Rentang nilai ini disebabkan oleh perbedaan waktu proses pembekuan. Gambar 24 menunjukkan total waktu yang dibutuhkan untuk proses pembekuan pada skenario satu dan dua berturut-turut adalah 325 dan 115 menit. Hal ini disebabkan oleh suhu media pembeku tahap dua skenario dua lebih rendah dari pada skenario pertama sehingga proses pembekuan tahap dua pada skenario dua lebih cepat dibandingkan skenario pertama. Waktu pembekuan tahap dua skenario pertama berlangsung sekitar 230 menit, sedangkan tahap dua pada skenario dua hanya berlangsung 65 menit seperti terlihat pada Gambar 24. Daya kompresor selama pembekuan sama untuk semua skenario, dengan waktu pembekuan yang semakin lama, maka input energi juga akan semakin besar, sehingga efisiensi energi pada skenario dua lebih besar dari pada skenario pertama. Hal ini dapat disiasati dengan mengatur kerja kompresor sesuai kebutuhan, sehingga energi yang dibutuhkan kompresor lebih efisien.
Gambar 24 Suhu lempeng pembeku tiap skenario
Gambar 24 menunjukkan penurunan suhu lempeng pembeku selama proses pembekuan. Rata-rata suhu tiap tahap pembekuan pada skenario pertama adalah -2.72, -5.32 dan -12.48 oC, sedangkan pada skenario dua berturut-turut adalah -8.42, -12.04, dan -13.07 oC. Pencatatan suhu dimulai semenjak suhu lempeng pembeku tahap pertama dianggap konstan, sehingga penurunan suhu lempeng pembeku dari awal (suhu lingkungan) hingga tahap pertama tidak muncul. Waktu yang dibutuhkan untuk penurunan suhu dari tahap pertama ke tahap dua dan tahap dua ke tahap tiga pada skenario pertama berturut-turut sekitar 40 dan 15 menit, sedangkan waktu yang dibutuhkan untuk penurunan suhu dari tahap pertama ke tahap dua pada skenario dua sekitar 15 menit. Pada awal tahap pertama terjadi kenaikan suhu lempeng pembeku, hal ini disebabkan masuknya udara lingkungan ke dalam ruang pembeku sesaat pintu ruang pembeku dibuka untuk memasukkan bahan pengujian.
Kajian Eksergi Pembekuan
Kajian eksergi adalah suatu metoda analisis yang merupakan penerapan dari hukum termodinamika kedua yang digunakan untuk mengetahui efisien tidaknya suatu proses dalam penggunaan energi. Tujuan analisis eksergi kali ini adalah untuk melihat kenaikan efisiensi eksergi dari mesin pembeku yang dirancang dari suhu media pembeku tetap dengan suhu media pembeku bertahap.
Pengujian ini menggunakan beban yaitu air. Suhu media pembeku yang digunakan pada sistem pembekuan suhu bertahap adalah -5, -10, dan -15 oC selanjutnya disebut skenario pertama. Suhu media pembeku dengan sistem pembekuan suhu tetap adalah -15 oC selanjutnya disebut skenario dua. Tabel 7 menunjukkan hasil analisis eksergi pada proses pembekuan yang telah di lakukan.
Dari Tabel 7 dapat dilihat bahwa energi pembekuan terbesar terjadi pada tahap dua dikarenakan nilai panas laten lebih besar dibandingkan panas sensibel pada tahap pertama maupun tahap tiga. Rentang total energi pembekuan berkisar dari 31.61 kJ hingga 31.64 kJ. -15 -14 -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 S u h u ( 0C) Menit Katup Ekspansi 1 Katup Ekspansi 2 Katup Ekspansi 3
Total input eksergi berkisar antara 4.12 kJ hingga 4.96 kJ. Input eksergi yang terbesar terjadi pada tahap dua, hal ini terkait juga dengan besarnya energi pembekuan yang terjadi pada tahap dua.
Kehilangan eksergi terbesar terjadi pada tahap pertama dan dua. Kehilangan eksergi tahap pertama pada skenario dua lebih besar dikarenakan gradien suhu awal bahan terhadap suhu media pembeku lebih besar dibandingkan dengan skenario pertama. Hal ini bisa disiasati dengan penurunan suhu media pembeku pada tahap pertama. Penyiasatan ini dilakukan pada skenario pertama yang dapat mengurangi kehilangan eksergi. Begitu juga dengan tahap dua, kehilangan eksergi skenario dua lebih besar dibandingkan dengan skenario pertama. Hal ini disebabkan gradien suhu titik beku bahan terhadap suhu media pembeku lebih besar pada skenario dua dibandingkan dengan skenario pertama dan diakibatkan besarnya panas laten. Hal ini juga dapat disiasati dengan penurunan suhu media pembeku pada tahap dua yang dapat menurunkan kehilangan eksergi seperti pada skenario pertama.
Tabel 7 Analisis eksergi pembekuan
Dengan penurunan suhu media pembeku pada tahap pertama dan dua diperoleh efisiensi eksergi pada skenario pertama dan dua adalah 66.6 dan 58.3 %. Hal ini menunjukkan bahwa dengan melakukan pengendalian suhu media pembeku secara bertahap, nilai efisiensi eksergi dapat meningkat sebesar 8.3 % dan dapat menurunkan kehilangan eksergi sebesar 0.868 kJ dari 1.989 kJ menurun hingga 1.121 kJ.
Keterangan Skenario 1 Skenario 2
Massa bahan (kg) 0.06795 0.06795 Energi pembekuan (kJ) Tahap 1 7.369 7.483 Tahap 2 22.695 22.695 Tahap 3 1.576 1.432 Total 31.640 31.610 Eksergi input (kJ) Tahap 1 0.887 1.081 Tahap 2 2.978 3.639 Tahap 3 0.256 0.236 Total 4.120 4.956 Kehilangan eksergi (kJ) Tahap 1 0.573 0.778 Tahap 2 0.500 1.161 Tahap 3 0.048 0.050 Total 1.121 1.989 Eksergi output (kJ) Tahap 1 0.313 0.303 Tahap 2 2.477 2.477 Tahap 3 0.208 0.186 Total 2.999 2.966 Effisiensi eksergi (%) Tahap 1 35.3 28.0 Tahap 2 83.2 68.1 Tahap 3 81.4 78.9 Rata-rata 66.6 58.3 31