D. REFRIGERAN
1. Properti Termodinamika Refrigeran
Substansi kerja dalam sistem refrigerasi disebut refrigeran. Refrigeran merupakan fluida kerja yang vital dalam refrigerasi, pengkondisian udara dan sistem pemompaan panas.
Tabel 1. Desain standard refrigeran yang digunakan (ASHRAE, 1993)
Nomor refrigeran
Nama kimia atau komponen Formula kimia Methana R12 R22 Dichlorodifluoromethane Chlorodifluoromethane CCl2F2 CHClF2 Ethana R134a 1,1,1,2-tetrafluoroethane CH2FCF3 Senyawa anorganik R717 Ammonia NH3 1.a. Refrigeran R717
Refrigeran R717 termasuk refrigeran yang sering digunakan baik di kalangan industri maupun masyarakat luas. Diantara refrigeran alami lainnya, R717 merupakan alternatif pertama sebagai pengganti R22 dan R502. Produksi refrigeran R717 di seluruh dunia mencapai 120 juta ton dan hanya sebagian kecil (± 5 %) digunakan dalam peralatan refrigerasi. Refrigeran R717 tidak menyebabkan menipisnya lapisan ozon (ODP = 0) dan tidak secara langsung menyebabkan efek rumah kaca (GWP = 0), selain itu uap refrigeran ammonia lebih ringan daripada udara
1.b. Refrigeran R12
Refrigeran R-12 merupakan refrigeran yang sangat terkenal dan banyak digunakan untuk memperoleh suhu yang rata-rata, Refrigeran ini termasuk dalam golongan CFC (chlorofluorocarbon) yang dapat menyebabkan kerusakan lapisan ozon yang tinggi (ODP = 1) dan pemanasan global (GWP = 8500). Refrigeran R-12 termasuk jenis refrigeran yang bersifat aman untuk digunakan dalam proses refrigerasi. Karakteristik dari
refrigeran ini yaitu sifat kemudahan mengalirnya yang tinggi (keadaan cair). Selain itu, refrigeran R12 tidak menyebabkan ledakan, tidak membawa aliran listrik dan berubah wujud di air.
1.c. Refrigeran R22
Refrigeran R22, difluorochloromethane termasuk ke dalam golongan HCFC (hydrochlorofluorocarbon), dengan nilai ODP sebesar 0.05 dan menyebabkan pemanasan global yang tinggi dengan nilai GWP sebesar 1700. Jika dibandingkan dengan R12, refrigeran R22 tidak bagus bila bercampur dengan oli. Koefisien pindah panas refrigeran ini selama pendidihan dan pengembunan sebesar 25 – 30 % lebih tinggi daripada R12.
Refrigeran R22 memiliki tekanan kondensasi dan suhu keluar yang lebih tinggi dalam mesin refrigerasi. Toleransi konsentrasi refrigeran R22 di udara sebesar 3000 mg/m3 di bawah pencahayaan selama 1 jam. Refrigeran ini banyak digunakan untuk mendapatkan temperatur yang rendah pada saat proses kompresi, dalam sistem pengkondisian dan pompa panas.
Gambar 6. Refrigeran R22
1.d. Refrigeran R134a
Rumus kimia dari refrigeran R134a adalah CF3CFH2, (tetrafluoroethane). Molekul refrigeran R134a lebih kecil daripada molekul refrigeran R12 sehingga bersifat lebih aman digunakan. Refrigeran ini termasuk dalam golongan HFC (hydrofluorocarbon) dan bersifat tidak beracun. Karakteristik refrigeran R134a tidak digunakan pada temperatur yang tinggi, lebih rendah daripada refrigeran R12, yaitu hanya kira-kira 8 – 10 0C. Selain itu, refrigeran ini juga tidak digunakan pada tekanan uap jenuh
yang tinggi. Data-data energi refrigeran ini lebih buruk daripada refrigeran R12, diantaranya volume spesifik efek refrigerasi yang lebih rendah 6% pada suhu -180C.
2. Aliran Refrigeran
Refrigeran menyerap panas dari suatu lingkungan dan membuangnya ke tempat yang lain yang biasanya melalui proses evaporasi dan kondensasi. Perubahan fase muncul pada proses penyerapan dan sistem mekanisasi kompresi uap, akan tetapi perubahan fase tersebut tidak muncul pada sistem operasi suatu siklus gas yang menggunakan fluida seperti udara. Desain peralatan refrigerasi sangat tergantung pada sifat-sifat refrigeran yang dipilih.
Sifat-sifat refrigeran meliputi karakteristik hubungan suhu-entropi cairan dan uap jenuh. Kelangkaan untuk kegiatan refrigerasi diperlukan untuk sifat-sifat termodinamika lainnya.
2a. Penurunan Tekanan (PressureDrop)
Aliran refrigeran selama melewati kondensor, evaporator dan pipa saluran akan mengalami penurunan tekanan (pressure drop). Juga selama proses berlangsung akan terjadi kehilangan atau peningkatan panas, tergantung pada perbedaan suhu antara suhu refrigeran dan suhu lingkungannya.
Di dalam evaporator terjadi pressure drop yang besar karena efek kumulatif dari dua faktor. Pertama, pressure drop dalam evaporator karena gesekan yang dinamakan pressure drop gesekan. Kedua, seiring dengan proses penguapan maka volume akan meningkat dan kecepatan juga meningkat. Kenaikan energi kinetik bersumber dari penurunan entalpi. Pressure drop yang terakhir ini dinamakan disebut sebagai pressure drop momentum.
Di dalam kondensor, pressure drop yang terjadi tidak nampak dengan jelas karena pressure drop gesekan adalah positif , sedangkan pressure drop momentum negatif. Kemungkinan ini terjadi karena adanya
kenaikan tekanan selama kondensasi akibat penurunan volume dan energi kinetik.
Akibat adanya berbagai macam pressure drop, maka kapasitas peralatan mengalami penurunan dan konsumsi tenaga per unit refrigerasi menngkat. Atas dasar ini maka nilai COP siklus aktual menurun.
Silinder kompresor biasanya lebih panas dari lingkungan sekitarnya sehingga terjadi kehilangan panas. Ini akan mengurangi kerja kompresi, sehingga pendinginan di kompresor freon akan dilakukan dengan udara melalui konveksi alami. Kompresor amonia menggunakan air untuk tujuan pendinginan.
2b. Tekanan Pengembunan dan Tekanan Penguapan
Tekanan penguapan sebaiknya positif dan sedekat mungkin dengan tekanan atmosfir. Jika tekanan penguapan terlalu rendah maka volume uap pada saat pengisapan akan menjadi besar. Tekanan positif diperlukan untuk menghilangkan kemungkinan masuknya udara dan air ke dalam sistem. Karena itu, titik didih refrigeran harus lebih rendah dari suhu refrigerasi.
Refrigeran R717 dan R22 adalah refrigeran bertekanan tinggi bila dibandingkan dengan refrigeran R12 dan refrigeran R134a. Rasio tekanan menunjukkan penurunan untuk setiap penurunan titik didih. Refrigeran R12 dan R22 memiliki rasio tekanan yang hampir sama.
Tabel 2. Perbandingan performansi refrigeran per kilowatt refrigerasi (Syarief M.A. dan Kumendong, J., 1992)
Nama Refrige- ran Tekanan Evaporator (MPa) Tekanan konden- sor (MPa) Rasio kom- presi Volume spesifik suction gas (m3/kg) Tenaga (power) (kW) COP R717 R12 R22 R134a 0.236 0.183 0.296 1.623 1.164 0.745 1.192 4.637 4.94 4.07 4.03 2.86 0.5106 0.0914 0.0774 0.206 0.207 0.213 0.210 0.364 4.84 4.69 4.75 2.74
E. TINJAUAN ATAS PENELITIAN SEBELUMNYA
Tahun 2002, Yumrutas et al., mengembangkan suatu model komputasi analisis eksergi untuk menyelidiki sistem refrigerasi kompresi uap dengan refrigeran amonia. Software EES (Engineering Equation Solver) digunakan sebagai alat perhitungan dan simulasi. Asumsi yang digunakan adalah aliran steady state, kerugian tekanan pada kompresor dan katup ekspansi diabaikan. Hasil yang diperoleh adalah sebagaimana Gambar 7 dibawah ini, dan dapat dinyatakan bahwa efisiensi eksergi meningkat dengan naiknya suhu evaporator dan menurunnya suhu kondensor.
Gambar 7. Persentase eksergi dan kerugian eksergi total sebagai fungsi suhu evaporator dan suhu kondensor
Boelman at.al., 2004, melakukan analisis terhadap definisi efisiensi eksergi pada alat penukar kalor sederhana untuk diterapkan pada peralatan yang beroperasi pada suhu lingkungan (To). Ia memperkenalkan parameter T’ sebagai suhu tak berdimensi (skalar). Ia menyatakan bahwa definisi efisiensi eksergi universal merupakan perbandingan antara jumlah eksergi yang keluar dari sistem dengan jumlah eksergi yang masuk ke dalam sistem, dan efisiensi eksergi fungsional adalah perbandingan antara perubahan eksergi produk dengan perubahan eksergi sumber.
Analisis energi merupakan pendekatan mendasar dan tradisional untuk menghitung proses konversi energi yang beragam. Analisisnya menggunakan konsep kekekalan energi. Namun pendekatan ini sudah kurang efisien untuk digunakan, karena mengabaikan perjalanan proses. Sebagai solusi digunakan pendekatan modern untuk mengalisis proses yang dikenal dengan analisis eksergi (Chengqin, 2003). Analisis eksergi pada pembekuan dapat ditinjau dari tiga aspek yaitu dari aspek proses pembekuan (Bruttini et. al.,2000, Tambunan et. al., 2003)), alat pembeku (Leidenfrost (1980), Yumrutas (2002)., Yang, et al., 2005), dan analisis eksergi yang berkaitan dengan refrigeran yang digunakan.
Untuk analisis eksergi pada alat refrigerasi dilakukan oleh Leidenfrost (1980) dimana dilakukan analisis eksergi pada sistem refrigerasi dengan refrigeran R-12. Metode yang digunakan adalah perhitungan dan perbandingan efisiensi eksergi alat refrigerasi sistem kompresi uap dengan beberapa jenis kondensor berbeda. Hasil yang diperoleh adalah sebagaimana tabel 3. Dari hasil penelitiannya dapat disimpulkan bahwa efisiensi eksergi paling besar untuk sistem kompresi uap terjadi pada kondensor dengan pendinginan evaporatif, dimana daya total yang digunakan sebesar 470.73 kW.
Tabel 3. Tabel hasil penelitian Leidenfrost, 1980 pada RH (relatifHumidity) = 65% Tipe Konden- sor Perhitungan Kondensor dengan Pendingin udara lingkungan Pendingin udara yang didinginkan Pendingin air dengan air dari menara pendingin Pendinginan evaporatif Daya (kW) 634.49 617.90 524.69 470.73 Efisiensi eksergi (%) 29.12 29.91 35.22 39.26
Anggraheni, D. A. (2003) melakukan kajian energi pembekuan ikan patin dan daging ayam broiler dengan metode lempeng sentuh dan vakum. Dalam penelitian ini dilakukan perhitungan untuk mencari nilai laju pembekuan, laju konsumsi energi, besarnya eksergi pada pembekuan lempeng sentuh dan vakum.
Dari hasil perhitungan diperoleh nilai rata-rata laju pembekuan ikan patin dan daging ayam broiler dengan pembekuan lempeng sentuh berturut- turut sebesar 6.90 cm/jam dan 4.84 cm/jam. Sedangkan nilai rata-rata laju pembekuan ikan patin dengan pembekuan vakum sebesar 12.41 cm/jam dan ayam broiler sebesar 11.27 cm/jam. Besarnya laju konsumsi energi pembekuan lempeng sentuh ikan patin berkisar antara 298.03 kJ/kg sampai 385.07 kJ/kg. Input energi pada pembekuan vakum lebih besar, karena diperlukan energi untuk menurunkan tekanan oleh pompa vakum. Eksergi maksimum yang didapat selama proses pembekuan lempeng sentuh dan vakum ikan patin secara berurutan adalah 81.34 kJ/kg dan 93.57 kJ/kg, sedangkan untuk ayam broiler secara berurutan adalah 77.27 kJ/kg dan 81.36 kJ/kg. Eksergi pada pembekuan vakum lebih tinggi daripada lempeng sentuh, karena pada penghitungan eksergi pembekuan vakum dilibatkan besarnya tekanan yang telah dapat yang diturunkan.
III. METODE PENELITIAN
A. PENDEKATAN TEORITIK
Analisis eksergi merupakan suatu metoda analisis yang merupakan penerapan dari hukum termodinamika kedua yang digunakan untuk mengetahui efisien tidaknya suatu proses dalam penggunaan energi. Tujuan analisis eksergi adalah untuk mencari lokasi dalam proses yang energinya tidak efisien (Sutanto, 1985).
Analisis eksergi pada penelitian ini dilakukan dalam beberapa tahap, yaitu memasukkan data-data yang dibutuhkan (properti termodinamika refrigeran yang dipilih, suhu pada kondensor, temperatur evaporator, temperatur fluida pendingin kondensor, temperatur ruangan yang didinginkan, kapasitas refrigerasi dan efisiensi kompressor), tahap perhitungan oleh komputer, dan tahap tampilan hasil perhitungan. Refrigeran yang dipakai dalam analisis ini antara lain adalah refrigeran R717, refrigeran R12, refrigeran R22, dan refrigeran R134a.
Gambar 8. Skema sederhana tahapan simulasi
B. DATA MASUKAN
Proses analisis dan pengkajian eksergi ini dikerjakan dengan bantuan komputer menggunakan program Visual Basic versi 6.0. Model perhitungan yang berdasarkan pada analisis eksergi ini dilakukan untuk menyelidiki pengaruh perbedaan refrigeran terhadap eksergi yang hilang dan efisiensi hukum II thermodinamika daur refrigerasi sistem kompresi uap. Hasil dari penelitian ini menunjukkan bahwa jenis refrigeran mempunyai pengaruh yang kuat terhadap kehilangan eksergi total maupun eksergi dalam kompresor, katup ekspansi, evaporator dan kondensor.
Analisis eksergi pada penelitian ini dilakukan dalam beberapa tahap, memasukkan data input yang dibutuhkan (properti termodinamika refrigeran, temperatur pada kondensor, temperatur evaporator, temperatur fluida pendingin kondensor, temperatur ruangan yang didinginkan, kapasitas refrigerasi dan effisiensi kompressor), tahap perhitungan oleh komputer, dan
Sistem Refrigerasi Kompresi Uap
KAJIAN EKSERGI
Pemakaian refrigeran yang berbeda (R717, R12, R22, R134a)
Pengaruh suhu evaporasi dan suhu kondensasi Thermal Propertiesdari refrigeran yang dipilih
Kehilangan eksergi di setiap komponen mesin refrigerasi
tahap tampilan hasil perhitungan. Refrigeran yang dipakai dalam simulasi ini antara lain adalah refrigeran R717, refrigeran R12, refrigeran R22, dan refrigeran R134a.
Pada simulasi ini digunakan data-data dari sifat thermal properties dari setiap refrigeran yang digunakan (R717, R12, R22, R134a) yang diperoleh dari berbagai sumber, diantaranya internet, buku-buku yang terkait dan jurnal (dapat dilihat pada lampiran). Data-data tersebut diolah dan dimasukkan ke program aplikasi curve expert kemudian dibuat menjadi persamaan polynomial. Persaman-persamaan tersebut dimasukkan ke dalam program Visual Basic (VB 6.0) sehingga menjadi suatu simulasi scocastic (perkiraan).
C. DIAGRAM ALIR PERHITUNGAN
Mulai
Pilih refigeran (R717, R12, R22, R134a)
Sifat-sifat termal (Thermal properties) dari refrigeran yang dipilih
Masukkan suhu evaporasi (Tev) dan suhu kondensasi (Tcond yang diinginkan dan dikonversikan ke satuan
Kelvin (TevapK dan TcondK)
Tekanan di evaporator Pev (kPa) Tekanan di kondensor Pcd (kPa) Suhu yang keluar dari kompresor (Tcp-e)
Entalpi pada saat keluar kondensor h3 (kJ/kg)
Entalpi menuju evaporator berwujud cair h4-f (kJ/kg) Entalpi pada saat keluar dari evaporator h1 (kJ/kg)
Panas jenis refigeran dalam bentuk gas (Cpg) Entropi pada saat keluar evaporator S1 (kJ/kg.K)
Entropi pada saat keluar kondensor S3(kJ/kg.K)
Massa jenis refrigeran di kondensor (rho23) Massa jenis refrigeran evaporator (rho41) Massa jenis refrigeran (rho)
Volume spesifik di dalam pipa (vi) volume spesifik di luar pipa (vo)
s
= entropi spesifik.sd = entropi pada saat keadaan
Entalpi pada saat keadaan super jenuh (h2s)
Entalpi pada saat keluar dari katup ekspansi (h4), kJ/kg Entalpi pada saat keluar dari kompresor (h2), kJ/kg
Tebal produk (x ), cm Molekul relatif (mr)
Entropi pada saat keluar kompresor (s2), kJ/kg.K Entropi menuju evaporator berwujud cair (s4f), kJ/kg.K Entropi pada saat keluar dari katup ekspansi (s4), kJ/kg.K entalpi menuju evaporator berwujud cair h4-f (kJ/kg)
a
Kecepatan rata-rata aliran refrigeran (vm) (Persamaan. 32)
Entropi pembangkitan pada proses kompresi(Sgen12) (Persamaan 7)
Kerja yang hilang pada proses kompresi(w12) (Persamaan 8)
Beban kondensor (qcon) (Persamaan 10)
Kerja yang hilang di kondensor (w23) (Persamaan 11)
Kerja yang hilang di katup ekspansi (w34) (Persamaan 12)
Beban kompresor (qc) (Persamaan 14)
Kerja yang hilang di evaporator (w41) (Persamaan 15)
Kerja kompresor isentropik (ws) (Persamaan 23)
Beberapa kerja yang hilang di kompresor (wm) (Persamaan 22)
Kecepatan rata-rata di kondensor (um23) (Persamaan 29)
Bilangan Reynold aliran refrigeran di kondensor (Re23) (Persamaan 27)
Koefisien gesekan(friction) aliran refrigeran di kondensor (fD23) (Persamaan 26)
b b
Kecepatan aliran massa maksimum di kondensor (G23) (Persamaan 31)
Jatuh tekanan di kondensor (∆P23) (Persamaan 29)
Kecepatan rata-rata di evaporator (um41) (Persamaan 29)
Bilangan Reynold aliran refrigeran di evaporator (Re41) (Persamaan 27)
Koefisien gesekan(friction) aliran refrigeran di evaporator (fD41) (Persamaan 26)
Kecepatan aliran massa maksimum di evaporator (G41) (Persamaan 31)
Jatuh tekanan di evaporator (∆P41) (Persamaan 30)
Kecepatan rata-rata di tumpukan pipa (um) (Persamaan 29)
Bilangan Reynold aliran refrigeran di tumpukan pipa(ReD) (Persamaan 27)
Koefisien gesekan(friction) aliran refrigeran di tumpukan pipa (fD) (Persamaan 26)
Kecepatan aliran massa maksimum di tumpukan pipa (GD) (Persamaan 31)
Jatuh tekanan di tumpukan pipa (∆PD) (Persamaan 30)
Kerja karena kehilangan tekanan di kondensor (Wf23) (Persamaan 21)
c
Gambar 9. Diagram alir simulasi eksergi sistem refrigerasi kompresi uap Kerja karena kehilangan tekanan di evaporator (Wf41)
(Persamaan 21)
Kerja aktual (Wac) (Persamaan 24)
Kerja dapat balik (Wrev) (Persamaan 6)
Kehilangan eksergi (Wl) (Persamaan 4)
Koefisien performansi (COP) (Persamaan 2)
Efisiensi eksergi (ηII) (Persamaan 5)
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
A. PROPERTI TERMODINAMIKA REFRIGERAN
Refrigeran merupakan substansi kerja dalam sistem refrigerasi. Setiap refrigeran memiliki properti termodinámika yang berbeda dengan lainnya. Dalam penelitian ini, beberapa data properti termodinámika refrigeran dimasukkan ke dalam grafik program aplikasi curve expert sehingga dapat diperoleh persamaan-persamaan. Kemudian persamaan tersebut disusun ke dalam program analisis eksergi dengan menggunakan program Visual Basic.6 (VB. 6.0).
Grafik hubungan suhu (T) terhadap tekanan (P) beberapa refrigeran 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 T (K) P (k Pa ) R717 R12 R22 R134a
Gambar 10. Grafik hubungan suhu terhadap tekanan
Grafik hubungan suhu (T) terhadap entalpi cairan (hf) beberapa refrigeran -50 50 150 250 350 450 550 650 750 850 950 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 T (K) h f ( kJ/ kg ) R717 R12 R22 R134a
Gambar 11. Grafik hubungan suhu terhadap entalpi cairan
Grafik hubungan suhu (T) terhadap entalpi gas (hg) beberapa refrigeran 100 300 500 700 900 1100 1300 1500 203 223 243 263 283 303 323 343 363 383 403 T (K) hg ( k J /k g) R717 R12 R22 R134a
Gambar 12. Grafik hubungan suhu terhadap entalpi gas
Grafik hubungan suhu (T) terhadap entropi cairan (sf) beberapa refrigeran -0.05 0.45 0.95 1.45 1.95 2.45 2.95 3.45 203 223 243 263 283 303 323 343 363 383 403 T (K) sf ( k J /kg .K ) R717 R12 R22 R134a
Grafik hubungan suhu (T) terhadap entropi gas (sg) beberapa refrigeran 0 1 2 3 4 5 6 7 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 T (K) sg ( kJ/ kg .K ) R717 R12 R22 R134a
Gambar 14. Grafik hubungan suhu terhadap entropi gas
Grafik hubungan suhu (T) terhadap volume spesifik cairan (vf) beberapa refrigeran
0.0005 0.0015 0.0025 0.0035 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 T (K) v f ( L /k g ) R717 R12 R22 R134a
Gambar 15. Grafik hubungan suhu terhadap volume spesifik cairan
Grafik hubungan suhu (T) terhadap volume spesifik gas (vg) beberapa refrigeran
0.01 0.51 1.01 1.51 2.01 2.51 3.01 3.51 4.01 4.51 5.01 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375 400 425 450 T (K) vg ( L /k g ) R717 R12 R22 R134a
Grafik hubungan suhu (T) terhadap panas spesifik (cpg) beberapa refrigeran 0 1 2 3 4 5 6 7 170 190 210 230 250 270 290 310 330 350 370 390 410 T (K) cp g ( k J/ kg .K ) R717 R12 R22 R134a
Gambar 17. Grafik hubungan suhu terhadap panas spesifik
Grafik hubungan suhu (T) terhadap v olume spesifik udara
T (K) vo lu m e sp es if ik (L /kg ) 225.2 241.2 257.1 273.1 289.1 305.1 321.1 0.63 0.69 0.75 0.81 0.87 0.93 0.99
Gambar 18. Grafik hubungan suhu terhadap volume spesifik udara
Dari grafik hubungan suhu terhadap volume spesifik udara (vu), seperti yang terlihat pada Gambar 18 diperoleh persamaan polinomial orde 4 sebagai berikut vu = 19.882016 – (0.30710868 * T) + (0.0018130993 * T2) – (4.7192999 * 10-6 * T3)+ (4.6139788 *10-9 * T4)
Refrigeran R717, refrigeran R12, refrigeran R22 dan refrigeran R134a merupakan refrigeran yang dapat digunakan pada siklus kompresi uap seperti
yang digambarkan dalam Gambar 1 dan 2. Data properti refrigeran-refrigeran ini juga dapat diperoleh dari software Refrigerant Properties yang dikembangkan oleh software NIST (National Institute of Standards and Technology). Bentuk kurva keadaan jenuh refrigeran akan mempengaruhi besarnya eksergi yang dapat diperoleh.
Gambar 19. Diagram
T
−s
refrigeran R717Gambar 21. Diagram T-s Refrigeran 22
Gambar 22. Diagram T-s Refrigeran-134a
B. ALIRAN REFRIGERAN
1. Tekanan Evaporasi dan Tekanan Kondensasi
Tekanan evaporasi (penguapan) sebaiknya positif dan sedekat mungkin dengan tekanan atmosfir. Jika tekanan penguapan terlalu rendah maka volume uap pada saat pengisapanakan menjadi besar. Tekanan positif diperlukan untuk menghilangkan kemungkinan masuknya udara dan air ke
dalam sistem. Karena itu, titik didih refrigeran harus lebih rendah dari suhu refrigerasi.
Tabel 4. Tekanan evaporasi beberapa refrigeran pada variasi suhu evaporasi yang diperoleh dari persamaan polinomial dengan curve expert
Suhu evaporasi
( C )
Tekanan Evaporasi (kPa)
R717 R12 R22 R134a -20 181.72 150.89 246.03 540.83 -18 200.01 163.05 265.77 559.45 -16 219.69 175.95 286.66 578.93 -14 240.82 189.61 308.72 599.29 -12 263.42 204.06 332.02 620.56 -10 287.55 219.33 356.58 642.79 -8 313.24 235.45 382.46 666.01 -6 340.56 252.44 409.70 690.26 -4 369.55 270.35 438.34 715.58
Tabel 5. Tekanan kondensasi beberapa refrigeran pada variasi suhu kondensasi yang diperoleh dari persamaan polinomial dengan curve expert
Suhu kondensasi
( C )
Tekanan Kondensasi (kPa)
R717 R12 R22 R134a 24 985.05 634.29 1015.06 1206.92 26 1046.83 669.73 1070.98 1253.73 28 1111.41 706.61 1129.18 1302.40 30 1178.90 744.97 1189.71 1352.96 32 1249.37 784.86 1252.65 1405.49 34 1322.93 826.31 1318.06 1460.04 36 1399.68 869.36 1385.99 1516.68 38 1479.71 914.05 1456.53 1575.46 40 1563.12 960.42 1529.74 1636.45
Diagram tekanan-entalpi (P-h) merupakan alat grafis yang biasa digunakan untuk menyatakan sifat refrigeran. Pada prakteknya entalpi merupakan salah satu sifat terpenting yang harus diketahui, sehingga tekanan akan lebih mudah ditentukan. Diagram rangka entalpi dapat dilihat pada
gambar, dengan tekanan sebagai ordinat, dan entalpi sebagai absis. Grafik ini diperoleh dari software Refrigerant Properties yang dikembangkan oleh NIST (Nasional Institute of Standards and Technology).
Gambar 23. Diagram P−h refrigeran R717
Gambar 25. Diagram P−h refrigeran R22
Gambar 26. Diagram P−h refrigeran R134a
2. Penurunan Tekanan (Pressure Drop)
Penurunan tekanan di evaporator maupun di kondensor terjadi oleh karena proses irreversibilitas. Penurunan tekanan yang paling besar terjadi di evaporator karena panjang pipa akan menyebabkan gesekan lebih besar. Penurunan tekanan di evaporator menurun seiring dengan suhu evaporasi yang semakin bertambah. Ini dikarenakan berat jenis refrigeran menurun ketika suhu refrigeran meningkat dengan berat jenis yang lebih rendah
Faktor lain yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan adalah diameter pipa, dimana penurunan tekanan berbanding terbalik dengan diameter pipa, makin besar diameter pipa maka makin kecil penurunan tekanannya.
Sedangkan penurunan tekanan di kondensor tidak sebesar penurunan tekanan di evaporator, hal ini disebabkan suhu di kondensor yang lebih tinggi daripada di evaporator mengakibatkan massa jenis refrigeran di kondensor lebih kecil, sehingga koefisien gesek menurun.
Tabel 6. Pressure Drop dari komponen mesin refrigerasi kompresi uap pada suhu kondensasi (suhu evaporasi -20 oC)
TKond ( C ) Pressure drop di Kondensor (Pa) Pressure Drop di Evaporator (Pa) 24 1.30 141.28 26 1.33 144.59 28 1.36 148.01 30 1.39 151.53 32 1.42 155.16 34 1.45 158.90 36 1.48 162.77 38 1.52 166.75 40 1.55 170.87
Tabel 7. Pressure Drop dari komponen mesin refrigerasi kompresi uap pada suhu evaporasi (suhu kondensasi 30 oC)
Tevap ( C ) Pressure Drop di Kondensor (Pa) Pressure Drop di Evaporator (Pa) -20 1.39 369.55 -18 1.38 340.56 -16 1.38 313.24 -14 1.37 287.55 -12 1.37 263.41 -10 1.37 240.82 -8 1.36 219.69 -6 1.36 200.01 -4 1.36 181.72 C. ANALISIS EKSERGI
Analisis energi mempergunakan hukum termodinamika pertama untuk merumuskan energi. Hukum termodinamika pertama merupakan hukum konservasi energi. Energi tidak dapat dimusnahkan atau diciptakan, hanya diubah dari satu bentuk ke bentuk yang lain. Jumlah total energi adalah konstan, energi yang masuk ke dalam sistem sama dengan energi yang keluar dari sistem. Tetapi selanjutnya dalam implementasi, ide konservasi energi tidak cukup untuk menggambarkan aspek-aspek penting dari penggunaan sumber energi.
Eksergi yang hilang (exergy loss) digambarkan sebagai unsur dari ketidakmampubalikan proses termodinámika. Analisis 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 adalah untuk mencari lokasi dalam proses yang energinya tidak efisien (Sutanto, 1985).
Ada dua skenario yang digunakan pada penelitian ini. Skenario pertama suhu evaporasi berkisar antara -20°C dan -4°C sedangkan suhu kondensasi berkisar tetap pada suhu 30°C. Kemudian skenario kedua suhu keluar kondensasi berkisar antara 24° dan 40° C sedangkan suhu evaporasi berada pada kisaran – 4 °C. Sehingga dapat digunakan asumís untuk penentuan tingkat keadaan: 1) suhu ruang pendingin sama dengan suhu evaporator dan suhu udara sekitar dianggap 30° C;, 2) Suhu evaporasi berkisar antara -20°C dan -4°C;, 3) Suhu keluar kompresor adalah 80 °C;, 4) Suhu kondensasi berkisar pada suhu 30°C;, 5) Suhu kondensasi berkisar antara 24° dan 40° C;, 6) Suhu evaporasi berada pada kisaran – 4 °C;, 7) Beban pendinginan (Qe) sebesar 1 kW.
Desain parameter untuk alat penukar kalor yang digunakan sebagai kondensor dan evaporator juga perla diperhatikan. Parameter untuk evaporator dianggap sama dengan parameter untuk kondensor. Efisiensi isentropik pada kompresor dianggap 85%. Dan prosesnya diasumsikan keadaan isentropik.
Desain alat penukar kalor (heat exchanger) dapat diuraikan sebagai berikut : diameter luar dan diameter dalam tabung berturut-turut sebesar 16.4 mm dan 6.68 mm.Sedangkan puncak dan ketebalan fin sebesar 275 dan 0.254 mm. Rasio antara area aliran bebas dengan area frontal 0.449 dan rasio antara area transfer panas dengan volume total 269 m2/m3. Sedangkan rasio antara area fin dan area total sebesar 0.83 dan untuk kecepatan udara keluar diasumsikan sebesar 5 m/detik.
1. COP (Coefficient of Performance)
COP didefinisikan sebagai jumlah pendinginan yang dapat diproduksi per satuan kerja. Nilai COP pada variasi suhu evaporasi dan suhu kondensasi beberapa refrigeran dapat dilihat pada Gambar 27 dan Gambar 28. Nilai COP dari siklus meningkat dengan peningkatan suhu evaporasi dengan asumsi suhu kondensasi konstan. Sebaliknya nulai COP akan mengalami penurunan pada suhu kondensasi yang meningkat dengan asumsi suhu evaporasi dalam keadaan konstan. Nilai COP dihitung dengan membagi nilai panas yang dipindahkan ruang pendingin dengan input kerja aktual kompresor.
Gambar 27. Grafik hubungan suhu evaporasi dengan nilai COP beberapa refrigeran 0 2 4 6 8 10 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 Suhu evaporasi (C) CO P R717 R12 R22 R134a
0 2 4 6 8 24 26 28 30 32 34 36 38 40 Suhu Kondensasi (C) CO P R717 R12 R22 R134a
Gambar 28. Grafik hubungan suhu kondensasi dengan nilai COP beberapa refrigeran
Refrigeran R12 memiliki nilai COP yang paling tinggi pada suhu evaporasi dan pada suhu kondensasi yang bervariasi, yaitu sebesar 8.047 dan 5.813. Refrigeran R12 memiliki nilai entalpi yang paling besar daripada ketiga refrigeran lainnya karena refrigeran ini menguap pada suhu yang lebih rendah. Refrigeran yang memiliki nilai COP terendah pada variasi suhu evaporasi dan suhu kondensasi adalah R134a sebesar 5.044 dan 4.39 karena refrigeran ini menguap pada suhu yang lebih tinggi.
Suhu evaporasi yang semakin meningkat mengakibatkan nilai COP juga semakin naik. Hal ini dapat kita lihat dari trendline yang semakin meningkat. Nilai COP yang semakin tinggi ini dipengaruhi oleh selisih entalpi di evaporator dan selisih entalpi di kompresor. Dengan suhu