Refrigeran

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.3 Refrigeran

Refrigeran adalah zat yang mengalir dalam mesin pendingin (refrigerasi)

atau mesin pengkondisian udara. Zat ini berfungsi untuk menyerap panas dari

benda atau udara yang didinginkan dan membawanya kemudian membuangnya ke

udara sekeliling di luar benda.

Berdasarkan jenis senyawanya, refrigeran dapat dikelompokan menjadi 7

kelompok yaitu sebagai berikut

[19]

_:

Kelompok refrigeran senyawa halokarbon diturunkan dari hidrokarbon

(HC) yaitu metana (CH4), etana (C2H6), atau dari propana (C3H8) dengan

mengganti atom-atom hidrogen dengan unsur-unsur halogen seperti khlor (Cl),

fluor (F), atau brom (Br). Jika seluruh atom hidrogen tergantikan oleh atom Cl

dan F maka refrigeran yang dihasilkan akan terdiri dari atom khlor, fluor dan

karbon. Refrigeran ini disebut refrigeran chlorofluorocarbon (CFC). Jika hanya

sebagian saja atom hidrogen yang digantikan oleh Cl dan atau F maka refrigeran

yang terbentuk disebut hydrochlorofluorocarbon (HCFC). Refrigeran halokarbon

yang tidak mengandung atom khlor disebut hydrofluorocarbon (HFC).

2.

Kelompok refrigeran senyawa organik cyclic.

Kelompok refrigeran ini diturunkan dari butana. Aturan penulisan nomor

refrigeran adalah sama dengan cara penulisan refrigeran halokarbon tetapi

ditambahkan huruf C sebelum nomor. Contoh dari kelompok refrigeran ini adalah:

1.

R-C316 C

4

Cl

2

F

6

1,2-dichlorohexafluorocyclobutane

2.

R-C317 C

4

ClF

7

chloroheptafluorocyclobutane

3.

R-318 C

4

F

8

octafluorocyclobutane

4.

Kelompok refrigeran campuran Zeotropik.

Kelompok refrigeran ini merupakan refrigeran campuran yang bisa terdiri

dari campuran refrigeran CFC, HCFC, HFC, dan HC. Refrigeran yang terbentuk

merupakan campuran tak bereaksi yang masih dapat dipisahkan dengan cara

destilasi.

5.

Kelompok refrigeran campuran Azeotropik.

Kelompok refrigeran Azeotropik adalah refrigeran campuran tak bereaksi

yang tidak dapat dipisahkan dengan cara destilasi. Refrigeran ini pada

konsentrasi, tekanan dan temperatur tertentu bersifat azeotropik, yaitu

mengembun dan menguap pada temperatur yang sama, sehingga mirip dengan

refrigeran tunggal. Namun demikian pada kondisi (konsentrasi, temperatur atau

tekanan) yang lain refrigeran ini bisa saja menjadi bersifat zeotropik.

Kelompok refrigeran ini sebenarnya terdiri dari unsur C, H dan lainnya.

Namun demikian cara penulisan nomornya tidak dapat mengikuti cara

penomoran refrigeran halokarbon karena jumlah atom H nya jika ditambah

dengan 1 lebih dari 10 sehingga angka kedua pada nomor refrigeran menjadi dua

digit. Sebagai contoh butana (C

4

H

10

), jika dipaksakan dituliskan sesuai dengan

cara penomoran refrigeran halokarbon, maka refrigeran ini akan bernomor R-

3110, sehingga akan menimbulkan kerancuan.

7.

Kelompok refrigeran senyawa anorganik.

Kelompok refrigeran ini diberi nomor yang dimulai dengan angka 7 dan

digit selanjutnya menyatakan berat molekul dari senyawanya. Contoh dari

refrigeran ini adalah:

•

R-702 : hidrogen

•

R-704 : helium

•

R-717 : amonia

•

R-718 : air

•

R-744 : O

2

•

R-764 : SO

2

8.

Kelompok refrigeran senyawa organik tak jenuh.

Kelompok refrigeran ini mempunyai nomor empat digit, dengan

menambahkan angka keempat yang menunjukkan jumlah ikatan rangkap di

depan ketiga angka yang sudah dibahas dalam sistem penomoran refrigeran

halokarbon.

[19]

2.3.1

Metanol

Untuk terjadinya suatu proses pendinginan diperlukan suatu bahan yang

mudah dirubah bentuknya dari gas menjadi cair atau sebaliknya. Adapun sifat

Metanol dapat dilihat seperti tabel berikut ini.

Tabel 2.4 Sifat Metanol

[18,10]

Sifat Metanol

Panas Laten Penguapan (L

e

)

-97,7

o

_C

64,5

o

_C

Flammable (F), Toxic (T)

1100 kJ/kg

Metanol juga dikenal sebagai metil alkohol, wood alcohol atau spiritus.

Metanol merupakan bentuk

metanol berbentuk cairan yang ringan, mudah menguap, tidak berwarna, mudah

terbakar dan beracun dengan bau yang khas (berbau lebih ringan dari pada

Metanol digunakan sebagai bahan pendingin anti beku, pelarut, bahan bakar dan

sebagai bahan aditif bagi etanol industri.

Metanol diproduksi secara alami oleh metabolisme

Hasil proses tersebut adalah uap metanol (dalam jumlah kecil) di udara. Setelah

beberapa hari uap metanol tersebut akan

sinar

[17]

Gambar 2.5 Metanol ( CH

3

OH)

2.3.2

Etanol

Etanol disebut juga etil alkohol/alkohol murni/alkohol absolut

atau alkohol saja yaitu sejenis cairan yang mudah menguap, mudah terbakar, tak

berwarna. Senyawa ini merupakan

pada

rekreasi yang paling tua.

Gambar 2.6 Etanol ( C

2

H

5

OH)

Etanol termasuk ke dalam alkohol rantai tunggal dengan

C

2

H

5

OH dan

singkatan dari gugus etil (C

2

H

5

). Sifat etanol dapat dilihat seperti pada tabel

berikut ini.

Tabel 2.5 Sifat Etanol

[10,18]

Sifat Etanol

Massa jenis

Panas Laten Penguapan (L

e

)

783 kg/m³, cair

–114,2 °C

78,2 °C

F (Flammable): mudah terbakar

838,3 kJ/kg

Etanol banyak digunakan sebagai pelarut berbagai bahan-bahan kimia

yang ditujukan untuk konsumsi dan kegunaan manusia. Contohnya adalah pada

parfum, perasa, pewarna makanan, dan obat-obatan. Dalam kimia, etanol adalah

pelarut yang penting sekaligus sebagai stok umpan untuk sintesis senyawa kimia

lainnya. Dalam sejarahnya etanol telah lama digunakan sebagai bahan bakar.

2.3.3 Amonia

Amonia adalah

didapati berupa

amonia dapat dilihat seperti tabel di bawah ini.

Tabel 2.6 Sifat Amonia

[10,18]

Sifat Amonia

Massa jenis

Panas Laten Penguapan (L

e

)

682 kg/m³, cair

–77,7°C

-33,3 °C

Kautik, korosif

1357 kJ/kg

Walaupun amonia memiliki sumbangan penting bagi keberadaa

Kontak dengan gas amonia berkonsentrasi tinggi dapat menyebabkan kerusakan

Sekalipun amonia diatur sebagai gas tak mudah

terbakar, amonia masih digolongkan sebagai baha

Gambar 2.7 Amonia Cair (NH

3

)

2.3.4 Musicool

Refrigeran hidrokarbon merupakan refrigeran alternatif jangka panjang

refrigeran CFC/HCFC. Dua keunggulaan penting yang dimilikinya adalah ramah

lingkungan dan karakteristik termodinamika yang handal sehingga meningkatkan

kinerja dan menghemat konsumsi energi sistem refrigerasi secara aman.

Musicool adalah refrigeran dengan bahan dasar hidrokarbon alam

sehinggga termasuk dalam kelompok refrigeran ramah lingkungan, yang

dirancang sebagai alternatif pengganti refrigeran sintetik yang masih memiliki

potensi merusak alam.

Gambar 2.8 MC-134

Musicool telah memenuhi persyaratan teknis sebagai refrigeran. Dari hasil

pengujian menunjukan bahwa dengan beban pendinginan yang sama, musicool

memiliki keunggulan-keunggulan dibanding refrigeran sintetik, diantaranya

beberapa parameter memberikan indikasi data lebih kecil, seperti: kerapatan

bahan (density), rasio tekanan kondensasi terhadap evaporasi dan nilai

viskositasnya. Sedangkan beberapa parameter lain memberikan indikasi data lebih

besar, seperti: efek refrigerasi, COP, kalor laten, dan konduktivitas bahan.

Perhatikan tabel sifat musicool di bawah ini.

Tabel 2.7 Sifat Musicool

[16]

No Parameter

MC-12 MC-22 MC-134

1. Normal boiling point, °C

-32,90 -42,05 -33,98

2. Temperatur kritis, °C

115,5

96,77 113,8

3. Tekanan kritis, Psia

588,6

616,0 591,8

4. Panas jenis cairan jenuh pada 37,8° C,kJ/kgK 2,701

2,909 2,717

5. Panas jenis uap jenuh pada 37,8 ° C, kJ/ kgK 2,003

2,238 2,014

6. Tekanan cairan jenuh pada 37,8 °C, Psia

134,4

188,3 139,4

7. Kerapatan cairan jenuh pada 37,8°C (kg/m³) 503,5

471,3 500,6

8. Kerapatan uap jenuh pada 37,8°C (kg/m³)

17,12

28,53 17,76

Hidrokarbon dapat terbakar bila berada di dalam daerah segitiga api yaitu

tersedianya hidrokarbon, udara dan sumber api. Jika salah satu dari ketiga faktor

tersebut tidak terpenuhi maka proses kebakaran tidak akan tejadi. Hal ini

mengakibatkan tidak akan terjadi kebakaran di dalam sistem refrigerasi karena

tidak adanya udara (tekanan sistem refrigerasi lebih tinggi dari tekanan atmosfer).

Hidrokarbon termasuk kelompok refrigeran A3, yaitu refrigeran tidak

beracun yang mempunyai batas nyala bawah (Low Flammability Limit/LFL)

kurang dari 3,5%. Hidrokarbon dapat terbakar jika berada di antara ambang batas

nyala 2-10% volume. Bila konsentrasi hidrokarbon di udara kurang dari 2% maka

tidak cukup hidrokarbon untuk terjadinya pembakaran, demikian juga bila

konsentrasinya di atas 10% karena oksigen tidak cukup untuk terjadinya

pembakaran.

2.4

Keamanan Refrigeran

Refrigeran dirancang untuk digunakan pada ruangan tertutup atau tidak

bercampur dengan udara luar. Jika ada kebocoran karena sesuatu hal yang tidak

diinginkan, maka refrigeran ini akan keluar sistem dan bisa saja terhirup oleh

manusia. Untuk menghindari hal-hal yang tidak diinginkan maka refrigeran harus

dikategorikan aman atau tidak aman. Ada dua faktor yang digunakan untuk

mengklasifikasikan refrigeran berdasarkan keamanan, yaitu bersifat racun dan

mudah terbakar.

Berdasarkan

toxicity, refrigeran dapat dibagi dua kelas, yaitu kelas A

bersifat tidak beracun pada konsentrasi yang ditetapkan dan kelas B jika bersifat

racun. Batas yang digunakan untuk mendefinisikan sifat racun atau tidak adalah

sebagai berikut. Refrigeran dikategorikan tipe A jika pekerja tidak mengalami

gejala keracunan meskipun bekerja lebih dari 8 jam/hari (40 jam/minggu) di

lingkungan yang mengandung konsentrasi refrigeran sama atau kurang dari 400

ppm (part per million by mass). Sementara kategori B sebaliknya.

Berdasarkan sifat mudah terbakar, refrigeran dapat dibagi atas 3 kelas,

kelas 1, kelas 2, dan kelas 3. Yang disebut kelas 1 jika mudah terbakar jika diuji

pada tekanan 1 atm (101 kPa) temperatur 18,3

o

C. Kelas 2 jika menunjukkan

keterbakaran yang rendah saat konsentrasinya lebih dari 0,1 kg/m

3

pada 1 atm dan

temperatur 21,1

o

C atau kalor pembakarannya kurang dari 19 MJ/kg. Kelas 3

sangat mudah terbakar. Refrigeran ini akan terbakar jika konsentrasinya kurang

dari 0,1 kg/m

3

ataun kalor pembakarannya lebih dari 19 MJ/kg.

Berdasarkan defenisi ini, sesuai dengan standar 34-1997. Refrigeran

diklasifikasikan menjadi 6 kategori.

[2]

1.

A1 : sifat racun rendah dan tidak terbakar.

2.

A2 : Sifat racun rendah dan sifat terbakar rendah.

3.

A3 : Sifat racun rendah dan mudah terbakar.

4.

B1 : sifat racunlebih tinggi dan tidak terbakar.

5.

B2 : sifat racun lebih tinggi dan sifat terbakar rendah.

6.

B3 : sifat racun lebih tinggi dan mudah terbakar.

2.5

Kalor (Q)

Kalor adalah salah satu bentuk energi yang dapat mengakibatkan

perubahan suhu. Pada abad ke 19 berkembang teori bahwa kalor merupakan fluida

ringan yang dapat mengalir dari suhu tinggi ke suhu rendah, jika suatu benda

mengandung banyak kalor, maka suhu benda itu tinggi (panas). Sebaliknya, jika

benda itu mengandung sedikit kalor, maka dikatakan benda itu bersuhu rendah

(dingin). Kuantitas energi kalor (Q) dihitung dalam satuan joules (J). Laju aliran

kalor dihitung dalam satuan joule per detik (J/s) atau watt (W). Laju aliran energi

ini juga disebut daya, yaitu laju dalam melakukan usaha

2.5.1 Kalor Laten

Suatu bahan biasanya mengalami perubahan temperatur bila terjadi

perpindahan kalor antara bahan dengan lingkungannya. Pada suatu situasi tertentu,

aliran kalor ini tidak merubah temperaturnya. Hal ini terjadi bila bahan mengalami

perubahan fasa. Misalnya padat menjadi cair, cair menjadi uap dan perubahan

struktur kristal (zat padat). Energi yang diperlukan disebut kalor transformasi.

Kalor yang diperlukan untuk merubah fasa dari bahan bermassa m adalah

Q

L

= L

e

m ... (2.1)

Q

L

= Kalor laten (J)

Le

= Kapasitas kalor spesifik laten (J/kg)

M

= Massa zat (kg)

2.5.2 Kalor Sensibel

Tingkat panas atau intensitas panas dapat diukur ketika panas tersebut

merubah temperatur dari suatu substansi. Perubahan intensitas panas dapat diukur

dengan termometer. Ketika perubahan temperatur didapatkan, maka dapat

diketahui bahwa intensitas panas telah berubah dan disebut sebagai kalor sensibel.

Dengan kata lain, kalor sensibel adalah kalor yang diberikan atau yang dilepaskan

oleh suatu jenis fluida sehingga temperaturnya naik atau turun tanpa

menyebabkan perubahan fasa fluida tersebut.

Q

s

= m C

p

∆T ... (2.2)

Dimana:

Q

s

= Kalor sensible (J)

C

p

= Kapasitas kalor spesifik sensibel (J/kg.K)

∆T

= Beda temperatur (K)

2.5.3 Perpindahan Panas

Panas hanya akan berpindah jika ada perbedaan temperatur, yaitu dari

sistem yang bertemperatur tinggi ke sistem bertemperatur rendah. Perbedaan

temperatur ini mutlak diperlukan sebagai syarat terjadinya perpindahan panas.

Selama ada perbedaan temperatur antara dua sistem maka akan terjadi

perpindahan panas. Mekanisme perpindahan panas yang terjadi dapat

dikategorikan atas 3 jenis yaitu: konduksi, konveksi dan radiasi

1. Konduksi

Perpindahan panas dari partikel yang lebih panas ke partikel yang lebih

dingin sebagai hasil dari interaksi antara partikel tersebut. Karena partikelnya

tidak berpindah, umumnya konduksi terjadi pada medium padat, tetapi bisa juga

cair dan gas. Perpindahan panas di sini terjadi akibat interaksi antara partikel

tanpa diikuti perpindahan partikelnya. Perhatikan gambar di bawah ini.

Gambar 2.9 Perpindahan Panas Konduksi Melalui Sebuah Pelat

Secara matematik, untuk plat datar seperti gambar di atas ini, laju

perpindahan panas konduksi dirumuskan dengan persamaan:

�

�

=

��∆�_∆�. . . (2.3)

Atau sering dirumuskan dengan persamaan berikut ini.

�

�

=

��

��_��

. . . (2.4) [ lit.3]

Dimana:

�

�

= Laju aliran energi (W)

A

= Luas penampang (m

2

)

∆T = Beda temperatur (K)

∆x = Panjang (m)

k

= Daya hantar (konduktivitas) (W/m.K)

2.

Konveksi

Perpindahan panas konveksi adalah perpindahan panas antara permukaan

padat yang berbatasan dengan fluida mengalir. Fluida di sini bisa dalam fasa cair

atau fasa gas. Syarat utama mekanisme perpindahan panas konveksi adalah

adanya aliran fluida. Perhatikan gambar di bawah ini.

Gambar 2.10 Perpindahan Panas Konveksi dari Permukaan Pelat

Secara matematik perpindahan panas konveksi pada permukaan pelat rata

dapat dirumuskan dengan persamaan berikut ini.

Q

h

= hA(T

s

-T

L

) ... (2.5) [lit.4]

Dimana:

Q

h

= Laju perpindahan panas konveksi (W)

h

= Koefisien konveksi (W/m

2

K)

A

= Lluas penampang perpidahan panas (m

2

)

T

s

= Temperatur permukaan

T

L

= Temperatur fluida

3. Radiasi

Perpindahan panas radiasi adalah panas yang dipindahkan dengan cara

memancarkan gelombang elektromagnetik. Berbeda dengan mekanisme konduksi

dan konveksi, radiasi tidak membutuhkan medium perpindahan panas. Sampainya

sinar matahari ke permukaan bumi adalah contoh yang jelas dari perpindahan

panas radiasi.

Persamaan yang dapat digunakan untuk menghitung laju perpindahan

panas radiasi antara permukaan pelat (gambar 2.10) dan lingkungannya adalah:

Q

r

= eσAT

4

...(2.6)

Dimana

Q

r

= Laju perpindahan panas radiasi (W)

σ

= Konstanta Boltzman: 5,67 x 10

-8

_W/m

2

_K

4

e

= Emisivitas (0 _{≤ e ≤ 1)}

4.

Konveksi Natural

Jika aliran fluida terjadi secara alami, sebagai akibat perpindahan panas

yang terjadi. Konveksi ini disebut konveksi natural atau kadang disebut konveksi

bebas dalam bahasa Inggris disebut natural convection atau free convection.

Pada kasus konveksi natural pada bidang horizontal panjang yang digunakan

menghitung bilangan Ra

L

adalah panjang karakteristik yang didefinisikan dengan

persamaan:

�=

�_�

. . . (2.7) [lit.4]

Dimana A menyatakan luas bidang horizontal dan K adalah keliling. Dengan

menggunakan panjang karakteristik (L) ini bilangan Ra

L

dapat dihitung dengan

menggunakan persamaan berikut (2.8).

Ra

L

=

��

(�_�−�_�)�3

�2

��...(2.8)

Pola konveksi natural pada permukaan horizontal diperlihatkan seperti

gambar berikut ini.

Gambar 2.11 Konveksi Natural pada Bidang Horizontal (tipe a)

Persamaan untuk menghitung Nu seperti gambar di atas (bidang

horizontal) dapat digunakan yang diajukan oleh Llyod Moran (1974):

Untuk 10

4

< Ra

L

< 10

7

:

Nu = 0,54R�

_�0,25

...(2.9)

Untuk 10

7

< Ra

L

< 10

9

Nu = 0,15R�

_�1/3

...(2.10)

Jika polanya ditunjukkan seperti gambar di bawah ini, yaitu fluida panas

akan terdesak dari permukaan yang panas dan mengalir ke sebelah luar. Untuk

T

r

< T

s

mengisi kekosongan akibat aliran ini maka fluida dibawahnya akan mengalir ke

atas.

Gambar 2.12 Konveksi natural pada bidang horizontal (tipe b)

Persamaan menghitung bilangan Nu untuk kasus ini dapat digunakan persamaan

dapat dituliskan:

Nu = 0,27_��

_�0,25

_...(2.11)

Persamaan ini berlaku untuk 10

5

_{< Ra}

BAB III

METODOLOGI