modul-4

MODUL

MODUL

4

4

MESIN REFRIGERASI

MESIN REFRIGERASI

Pa

Pada da babab b inini i akakan an didibabahahas s jejeninis-js-jenenis is sisiklklus us refrefrigrigeraerasisi, , kakalsilsififikakasisi, , kakararaktktererististik ik sesertarta aplikasinya. Siklus Refrigerasi Kompresi

aplikasinya. Siklus Refrigerasi Kompresi uap yang paling banyak digunakan akan dibahas lebihuap yang paling banyak digunakan akan dibahas lebih rinci dibandingkan dengan jenis siklus refrigerasi lainnya.

rinci dibandingkan dengan jenis siklus refrigerasi lainnya.

4.1

4.1 PENDAPENDAHULUHULUANAN Re

Refrfrigigererasi asi adadalalah ah susuatu atu prprososes es pepenynyeraerapapan n papananas s dadari ri susuatatu u zazat t ataatau u prprododuk uk sehsehininggggaa tempe

temperaturnyraturnya a beradberada a dibawdibawah ah tempetemperatur ratur lingklingkunganungan. . esin refrigerasi esin refrigerasi atau disebut atau disebut jugajuga mesin pendingin adalah mesin yang dapat menimbulkan efek refrigerasi tersebut, sedangkan mesin pendingin adalah mesin yang dapat menimbulkan efek refrigerasi tersebut, sedangkan refrigeran adalah zat yang digunakan sebagai fluida kerja dalam proses penyerapan panas. refrigeran adalah zat yang digunakan sebagai fluida kerja dalam proses penyerapan panas. Se

Secacara ra umumum um bibidadang ng refrefririgegerasrasi i memencncakakup up kikisarsaran an tetempmpereratatur ur samsampapai i dedengngan an !"!"# # K.K. Sedangkan proses-proses dan teknik yang beroperasi pada kisaran temperatur di bawah !"# K  Sedangkan proses-proses dan teknik yang beroperasi pada kisaran temperatur di bawah !"# K  dis

disebuebut t KriKriogeogeniknika a $$cryogenicscryogenics%&!%&!'. '. PemPembedbedaan aan ini ini disedisebabbabkan kan karkarena ena adaadanynya a fenfenomomena ena--fenomena khas yang terjadi pada temperatur dibawah !((K di mana pada kisaran temperatur  fenomena khas yang terjadi pada temperatur dibawah !((K di mana pada kisaran temperatur  ini gas-gas seperti nitrogen, oksigen, hidrogen, dan helium dapat mencair.

ini gas-gas seperti nitrogen, oksigen, hidrogen, dan helium dapat mencair.

Saat ini aplikasi refrigerasi meliputi bidang yang sangat luas, mulai dari keperluan rumah Saat ini aplikasi refrigerasi meliputi bidang yang sangat luas, mulai dari keperluan rumah tangg

tangga, a, pertanpertanian, sampai ian, sampai ke ke induindustri gas, stri gas, petropetrokimia, perminykimia, perminyakan akan dsb. )erbagai jenis dsb. )erbagai jenis mesinmesin refrige

refrigerasi rasi yanyang g bekerjbekerja a berdasberdasarkan berbagai proses arkan berbagai proses dan siklus dan siklus dapat ditemui dalam dapat ditemui dalam praktpraktek.ek.  *amun

 *amun demikian demikian mesin mesin refrigerasi refrigerasi dapat dapat dikelompokan berdasdikelompokan berdasarkan arkan jenis jenis siklusnya siklusnya dan dan jenisjenis  pemakaiannya. )erdasarkan jenis siklusnya mesin refrigerasi dapat dikelompokan menjadi+  pemakaiannya. )erdasarkan jenis siklusnya mesin refrigerasi dapat dikelompokan menjadi+

!.

!. esiesin refn refrigrigeraserasi sikli siklus teus termormodindinamiamika.ka. ".

". esiesin refn refrigrigeraserasi silui silus terms termo-elo-elektektrikrik.. #.

#. esiesin refrn refrigeigerasi sirasi sikluklus terms termo-mo-magnagnetietik.k.

a

ang termasuk mesin reng termasuk mesin refrigerasi siklus terfrigerasi siklus termodinamika antara lain+modinamika antara lain+ !.

!. esiesin refrn refrigeigerasi Srasi Sikliklus Kous Kompmpresi aresi ap $SKp $SK%.%.

/ /

". esin refrigerasi Siklus 0bsorbsi $S0%.

#. esin refrigerasi Siklus 1et ap $S1% atau Siklus kompresi 1et. 2. esin refrigerasi Siklus dara $S%.

. esin refrigerasi 3abung 4orteks $34% atau Pipa 4orteks.

)erdasarkan aplikasinya mesin refrigerasi dapat dikelompokan seperti yang ditunjukan pada 3abel 2.!

3abel 2.! Kelompok aplikasi mesin refrigerasi

1enis esin refrigerasi 5ontoh

Refrigerasi 6omestik 7emari es, dispenser air  

Refrigerasi Komersial Pendingin minuman botol, bo8 es krim,

lemari pendingin supermarket 

Refrigerasi 9ndustri Pabrik es, cold storage, mesin pendingin

untuk industri proses

Refrigerasi transport  Refrigerated truck, train and containers

Pengkondisian udara domestik dan komersial

 AC window, split , dan package.

5hiller  Water cooled and air cooled chillers

obile 0ir 5ondition $05% 05 mobil

4.2 PRINSIP KERJA MESIN REFRIGERASI KOMPRESI UAP

esin refrigerasi Siklus Kompresi ap merupakan jenis mesin refigerasi yang paling banyak  digunakan saat ini. esin refrigerasi ini terdiri dari empat komponen utama, yaitu kompresor, kondensor, alat ekspansi dan e:aporator. Susunan empat komponen tersebut secara skematik  ditunjukan pada ;ambar 2.!.a dan sketsa proses Siklus Kompresi ap Standar dalam diagram 3-s ditunjukan pada ;ambar 2.!.b

6i dalam siklus kompresi uap standar ini, refrigeran mengalami empat proses $mengacu pada ;ambar 2.!.b%, yaitu+

1. Proses 1-2+ refrigeran meninggalkan e:aporator dalam wujud uap jenuh dengan temperatur dan tekanan rendah, kemudian oleh kompresor uap tersebut dinaikkan tekanannya menjadi uap dengan tekanan yang lebih tinggi $tekanan kondensor%. Kompresi ini diperlukan untuk menaikkan temperatur refrigeran, sehingga temperatur  refrigeran di dalam kondensor lebih tinggi daripada temperatur lingkungannya.

6engan demikian perpindahan panas dapat terjadi dari refrigeran ke lingkungan. Proses kompresi ini berlangsung secara isentropik $adiabatik dan re:ersibel%.

2. Proses 2-3+ setelah mengalami proses kompresi, refrigeran berada dalam fasa panas lanjut dengan tekanan dan temperatur tinggi. ntuk mengubah wujud-nya menjadi cair, kalor harus dilepaskan ke lingkungan. =al ini dilakukan pada penukar kalor yang disebut kondensor. Refrigeran mengalir melalui kondensor dan pada sisi lain dialirkan fluida pendingin $udara atau air% dengan temperatur lebih rendah daripada temperatur  refrigeran. >leh karena itu kalor akan berpindah dari refrigeran ke fluida pendingin dan sebagai akibatnya refrigeran mengalami penurunan temperatur dari kondisi uap  panas lanjut menuju kondisi uap jenuh, selanjutnya mengembun menjadi wujud cair. Kemudian keluar dari kondensor dalam wujud cair jenuh. Proses ini berlangsung secara re:ersibel pada tekanan konstan.

3. Proses 3-4+ refrigeran, dalam wujud cair jenuh $tingkat keadaan #, ;ambar ".! $b%%, mengalir melalui alat ekspansi. Refrigeran mengalami ekspansi pada entalpi konstan dan berlangsung secara tak-re:ersibel. Selanjutnya refrigeran keluar dari alat ekspansi  berwujud campuran uap-cair pada tekanan dan temperatur sama dengan tekanan serta

temperatur e:aporator.

4. Proses 4-1+ refrigeran, dalam fasa campuran uap-cair, mengalir melalui sebuah  penukar kalor yang disebut e:aporator. Pada tekanan e:aporator, titik didih refrigeran

haruslah lebih rendah daripada temperatur lingkungan $media kerja atau media yang didinginkan%, sehingga dapat terjadi perpindahan panas dari media kerja ke dalam refrigeran. Kemudian refrigeran yang masih berwujud cair menguap di dalam e:aporator dan selanjutnya refrigeran meninggalkan e:aporator dalam fasa uap jenuh. Proses penguapan tersebut berlangsung secara re:ersibel pada tekanan yang konstan.

4.3 PRINSIP KERJA MESIN REFRIGERASI ABSORBSI

Komponen utama mesin refrigerasi absorbsi terdiri dari enam buah seperti yang ditunjukan  pada ;ambar 2.". ?ungsi kompresor pada mesin refrigerasi SK digantikan oleh absorber,  pompa dan generator. ?luida kerja yang digunakan adalah campuran tak bereaksi seperti air 

$=">% @ ammonia $*=#%, atau 7ithium )romida $7i)r "% @ 0ir $=">%. Pada sistem ="> @ *=#,

air berfungsi sebagai absorben dan amonia berfungsi sebagai refrigeran. Sedangakan pada sistem 7i)r " @ =">, 7i)r " berfungsi sebagai absorben dan ="> berfungsi sebagai refrigeran.

Gambar 4.1 Siklus kompresi uap standar

(a) Diagram alir proses (b) Diagram temperatur-entropi

5ampuran refrigeran @ absorben dipanaskan di dalam generator sehingga refrigeran menguap dan terpisah dari absorben. ap refrigeran selanjutnya dimurnikan dalam rectifier   dengan mendinginkannya sehingga uap absorben yang terbawa akan mengembun dan mengalir  kembali ke generator. ap refrigeran murni kemudian diembunkan di kondensorA kondensatnya kemudian diekspansikan dan menyerap panas dengan penguapan di e:aporator. ap refrigeran yang keluar dari e:aporator dicampur dengan absorben $larutan lemah% yang keluar dari generatorA melewati katup ekspansi agar tekanannya sama dengan tekanan e:aporator. Proses absorbsi refrigeran biasanya berlangsung secara eksotermalA hasil dari proses ini akan menghasilkan campuran refrigeran - absorben $larutan kuat% yang selanjutnya dipompakan ke generator.

4.4 PRINSIP KERJA MESIN REFRIGERASI EJEKTOR UAP

<" Q rj evaporator  W k    k  o  m   p   r   e   s   o   r kondensor    a    l  a    t  e    k  s  p   a   n   s    i 2 Q rc 3 1 4 2 3 4 1 Entropi      T   e   m        e    r    !     "   #   r h konstan (a) (b)

Pada mesin refrigerasi ejektor uap, air digunakan sebagai refrigeran. 0ir dididihkan di boiler, uap yang terbentuk dilewatkan dalam ejektor. Seksi tekanan rendah dalam ejektor dihubungkan dengan e:aporator dengan demikian tekanan e:aporator menjadi rendah dan uap yang terbentuk tertarik oleh aliran uap berkecepatan tinggi dalam ejektor dan dibawa ke kondensor  untuk diembunkan. Kondensat yang terjadi dalam kondensor sebagian dialirkan ke ea:aporator  setelah melewati katup ekspansi dan sisanya masuk ke dalam boiler untuk diuapkan kembali. ;ambar 2.# menunjukkan skema mesin yang dimaksud.

Gambar 4.2. Skema mesin refrigerasi Siklus Absorbsi

W p Kondensor  Evaporator   Absorber  Q rc Q re Generator  Rectifier  Q en _Q abs <# Kondensor  Evaporator  Ejektor  !oiler  "ompa

Gambar 4.3 Skema mesin refrigerasi ejektor uap

4.$ PRINSIP KERJA MESIN REFRIGERASI SIKLUS UDARA

esin refrigerasi siklus udara biasanya digunakan pada pesawat terbang, dan sistem ini baru  bekerja apabila pesawat telah terbang. dara luar dengan kecepatan tinggi ditangkap oleh

difusor sehingga kecepatannya menjadi lebih lambat ketika memasuki sistem. Proses ini akan menyebabkan temperatur dan tekanan udara meningkat. ntuk menurunkan temperaturnya maka udara dilewatkan pada ekspander turbo sebelum memasuki kabin pesawat dan menyerap  beban panas yang timbul di sana. dara kemudian dialirkan ke luar pesawat dengan

menggunakan kompresor.

Gambar 1.4 Skema mesin refrigerasi Siklus dara

4.% PRINSIP KERJA TABUNG &ORTEKS

3abung :orteks yang biasa juga disebut sebagai 3abung RanBue-=ilsch&"'. Peralatan ini terdiri dari tabung lurus yang salah satu ujungnya dipasang orifis $ orifice%, sedangkan ujung lainnya dipasang katup trotel $throttle valve%. *osel tangensial dipasang pada dinding luar pipa diujung  pipa yang dipasang orifis $lihat ;ambar 2.%.

<2 Q r#an kompresor  Ekspander $#rbo kabin dif#sor  orifis Kat#p trotel %osel tanensial d & ' Gas "anas Gas &inin

Gambar 4.! "abung #orteks

;as bertekanan dimasukan melalui nosel tangensial sehingga membentuk aliran :orteks dalam tabung. 4orteks bagian luar akan bertemperatur lebih tinggi dari temperatur masuk dan mengalir kearah kanan $ujung panas%. 4orteks bagian dalam yang bertemperatur lebih rendah dari temperatur masuk, karena kehilangan energi kinetik, akan mengalir ke kiri dan keluar  melalui ofrifis. ;as yang bertemperatur lebih rendah inilah yang akan dimanfaatkan. )ukaan katup trotel akan mengatur temperatur dan banyaknya gas dingin yang keluar dari ujung kiri $ujung dingin%. Semakin besar bukaan katup semakin rendah temperatur gas dingin tetapi semakin sedikit jumlahnya, demikian pula sebaliknya.

4.' ANALISIS KINERJA MESIN REFRIGERASI KOMPRESI UAP

Parameter-parameter prestasi mesin refrigerasi kompresi uap, antara lain+ kerja kompresi, laju  pengeluaran kalor, efek refrigerasi, dan koefisien performansi $coefficient of performance,

5>P%. Penentuan parameter-parameter tersebut dapat dibantu dengan penggunaan sketsa proses  pada diagram tekanan-entalpi $;ambar !.<% dan tabel sifat-sifat refrigeran.

Gambar 4.$ Sketsa proses Siklus %efrigerasi &ompresi ap Standar

< 2 3 4 1 Entalpi (h)    T  e    k  a   n   a   n isentropik

Kerja kompresi persatuan massa refrigeran ditentukan oleh perubahan entalpi pada proses !-" $;ambar 2.<% dan dapat dinyatakan sebagai+

! " h h m C w = = −   $2-!%

=ubungan tersebut diturunkan dari persamaan energi dalam keadaan tunak, pada proses kompresi adiabatik re:ersibel dengan perubahan energi kinetik dan energi potensial diabaikan. Perbedaan entalpinya merupakan besaran negatif yang menunjukkan bahwa kerja diberikan kepada sistem.

Kalor yang dibuang melalui kondensor dari refrigeran ke lingkungan yang lebih rendah temperaturnya terjadi pada proses "-#, yaitu+

# " rj rj h h m D B = = −   $2-"%

)esaran ini bernilai negatif, karena kalor dipindahkan dari sistem refrigerasi ke lingkungan.

Pada proses #-2 merupakan proses ekspansi refrigeran menuju tekanan e:aporator. Proses ini  biasanya dimodelkan dengan proses cekik tanpa adanya perpindahan kalor $adiabatik% dan  proses berlangsung tak-re:ersibel, sehingga diperoleh hubungan+ h# E h2

Ffek refrigerasi $Brc% adalah kalor yang diterima oleh sistem dari lingkungan melalui e:aporator 

 per satuan laju massa refrigeran. Ffek refrigerasi merupakan parameter penting, karena merupakan efek yang berguna dan diinginkan dari suatu sistem refrigerasi.

2 ! rc rc h h m D B = = −   $2-#%

Sedangkan kapasitas refrigerasi $Drc% merupakan perkalian antara laju massa refrigeran dengan

efek refrigerasi.

Koefisien performansi, 5>P, adalah besarnya energi yang berguna, yaitu efek  refrigerasi, dibagi dengan kerja yang diperlukan sistem, yaitu kerja kompresi.

! " 2 ! h h h h kompresi  ja ker  i refrigeras efek  % 5>P $ i  performans Koefisien − − = =   $2-2% <<

4.( SIKLUS KOMPRESI UAP AKTUAL

Pada kenyataannya siklus kompresi uap mengalami penyimpangan dari kompresi uap standar,. sebagaimana yang ditunjukkan pada ;ambar ".#. Perbedaan penting siklus kompresi uap aktual dari siklus standar, adalah+

!. 3erjadi penurunan tekanan di sepanjang pipa kondensor dan e:aporator.

". 0danya proses pembawahdinginan $ sub-cooling % cairan yang meninggalkan kondensor sebelum memasuki alat ekspansi

#. Pemanasan lanjut uap yang meninggalkan e:aporator sebelum me-masuki

kompresor.

2. 3erjadi kenaikan entropi pada saat proses kompresi $kompresi tak isentropik%. . Proses ekspansi berlangsung non-adiabatik

Calaupun siklus aktual tidak sama dengan siklus standar, tetapi proses ideal dalam siklus standar sangat bermanfaat, dan diperlukan untuk mempermudah analisis siklus secara teoritik.

Gambar 4.' Siklus kompresi uap aktual dan siklus standar

<G pen#r#nan tekanan pen#r#nan tekanan panas lanj#t ba(ah  dinin 2) 1) 4) 3) 2 3 4 1 Entalpi    T  e    k  a   n   a   n sikl#s akt#al sikl#s standar 

4.) MESIN REFRIGERASI SIKLUS KOMPRESI UAP *SKU+

Susunan komponen mesin refrigerasi ini secara skematik diperlihatkan pada ;ambar 2.H. Komponen utama yang akan dibahas adalah+ $a% Kompresor, $b% Kondensor, $c% Filter-drier , $d% Pipa kapiler, $e% F:aporator.

Gambar 4. Skema susunan komponen utama mesin refrigerasi S&

4.).1 Komresor

Kompresor berfungsi untuk mensirkulasikan refrigeran dan menaikan tekanan refrigeran agar  dapat mengembun di kondensor pada temperatur di atas temperatur udara sekeliling.

)erdasarkan letak motornya kompresor dapat dikelompokan menjadi dua jenis yaitu kompresor   jenis terbuka dan kompresor jenis hermetik. Pada kompresor jenis terbuka motor terpisah

dengan kompresor dan daya dari motor ditransmisikan melalui sabuk $belt % atau sistem transmisi daya lainnya. Pada kompresor hermetik, motor dan kompresor berada dalam satu cangkang $selubung% yang kedap udara. 3erdapat juga jenis kompresor yang lain yaitu sermi hermetik. )erbeda dengan kompresor hermetik yang selubungnya disambung dengan las, maka

<H kompresor  kondensor  evaporator  Filter-drier  Pipa kapiler 

 pada kompresor semi hermetik selubungnya disambung dengan baut sehingga bisa dibuka untuk berbagai keperluan ser:is termasuk untuk menggulung ulang kumparan motor listrik.

P!,! mes re/r0er!s r#m! "!00! ,! omers! es omresor 5!0 6!s! ,0#!! !,!! omresor "e erme" . Kompresornya dapat menggunakan kompresor   jenis torak, atau rotari seperti kompresor sudu $vane type%, roller  atau schroll .

ntuk melindungi bagian-bagian yang bergesek seperti torak dan dinding selinder serta  bantalan, maka kompresor diberi pelumas. Pelumas ini bisanya bercampur dengan refrigeran. Pada kompresor hermetik yang digunakan untuk mesin refrigerasi rumah tanggal dan komersial, biasanya digunakan pelumas yang larut dengan baik dalam refrigerannya.

4.).2 Ko,esor ,! E7!or!"or

Kondensor adalah alat di mana refrigeran didinginkan sehingga mengembun. Pada mesin refrigerasi rumah tangga dan komersial, panas pengembunan dibuang ke udara sekeliling secara alami karena adanya perbedaan temperatur refrigeran dengan udara sekeliling.

1enis kondensor yang digunakan pada mesin refrigerasi rumah tangga dan komersial pada umumnya adalah jenis pipa polos dengan pendinginan alami. 6alam hal ini panas yang  berpindah secara alami dari refrigeran yang mengembun ke udara sekeliling akibat adanya  perbedaan temperatur.

</

Gambar 4. &ompresor tipe terbuka* +ermetik dan semi +ermetik

F:aporator adalah alat tempat refrigeran menguap. Panas yang diperlukan untuk penguapan diperoleh dari bendaImedia yang akan didinginkan. Proses penyerapan panas ini menyebabkan  penurunan temperatur pada bendaImedia yang akan didinginkan.

1enis e:aporator yang biasa digunakan adalah jenis e:aporator permukaan pelat dan pipa polos. ;ambar 2.# diperlihatkan contoh-contoh kondensor dan e:aporator yang dibahas. Pada mesin dengan kapaistas yang besar digunakan kondensor pipa bersirip.

4.).3Filter-drier  _{,! P! K!er}

?ungsi utama  Filter-drier  adalah menyerap uap air yang terlarut dalam refrigeran dan menyaring padatan terlarut jika ada. 0ir dicegah masuk ke dalam pipa kapiler dan e:aporator, karena dapat menyebabkan penyumbatan oleh air yang menjadi es pada temperatur e:aporator  yang rendah.

G(

Gambar 4.1, &ondensor dan eaporator mesin refrigerasi domestik dan

3erdapat dua jenis filter drier yaitu alumina aktif $bukan  silica gel % dan molecular sieve. 0lumina aktif terbuat dari 0l"(# dapat menyerap uap air lebih banyak dari silica gel dan juga

dapat menyerap asam baik dari refrigeran maupun pelumas. olecular sie:es terbuat dari logam alumina silikat, memiliki kemampuan menyerap uap air yang sangat tinggi. Saat ini  filter-drier  yang banyak digunakan adalah jenis molecular sieves. )erdasarkan tingkatan

kemampuannya dalam menyerap uap air molecular sieve  dibuat dalam #  grade yaitu J=-, J=-G, dan J=-/. Semakin tinggi  gradenya semakin tinggi kemampuannya dalam menyerap uap air. esin dengan refrigeran R-!" bisanya menggunakan J=- sedangkan mesin dengan refrigeran R-!#2a menggunakan J=-G atau J=-/.

Pipa kapiler berfungsi untuk menurunkan tekanan refrigeran agar dapat menguap di e:aporator   pada temperatur yang rendah. 3ekanan refrigeran dapat diturunkan sebagai akibat adanya

gesekan pada pipa kapiler yang panjang dan berdiameter kecil.

kuran pipa kapiler biasanya dinyatakan dengan angka !(, "( dan seterusnya hingga /(. 0nggka tersebut menunjukkan diameter pipa tersebut, grade !( menunjukkan diameter pipa (,(!( inci.

REFERENSI

!. )arron, Randall ?., 5ryogenic System, >8ford ni:ersity Press, *ew ork !/H.

G!

Gambar 4.11 ilter-drier dan pipa kapiler pada mesin refrigerasi domestik

2* 0rora, 5. P, Refrigeration and 0ir 5onditioning, c. ;raw-=ill 9nternational Fditions, Second Fdition, "((!.