i PERBANDINGAN R-134a DAN R-502
SEBAGAI REFRIGERAN PRIMER PADA EFEKTIFITAS KERJA MESIN PENDINGIN DENGAN ETHYLENE GLYCOL
SEBAGAI REFRIGERAN SEKUNDER
SKRIPSI
Untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat sarjana S-1 Teknik Mesin
Program Studi Teknik Mesin Jurusan Teknik Mesin
Diajukan oleh
HILARION ARYO SEKAR PRABHADAMAR
NIM: 125214029
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA
ii COMPARISON BETWEEN R-134a AND R-502 AS PRIMARY REFRIGERANT AT COEFFICIENT OF PERFORMANCE OF
REFRIGERATOR WHICH USE ETHYLENE GLYCOL AS SECONDARY REFRIGERANT
FINAL PROJECT
As partial fulfillment of the requirement
To obtain the Sarjana Teknik degree in Mechanical Engineering
Mechanical Engineering Study Program Mechanical Engineering Department
By
HILARION ARYO SEKAR PRABHADAMAR
Student Number: 125214029
MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT
FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY SANATA DHARMA UNIVERSITY
vii INTISARI
Mesin pendingin pada penelitian ini adalah mesin yang digunakan untuk membekukan air atau dapat disebut juga freezer. Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui dan membandingkan karakteristik mesin pendingin dengan siklus kompresi uap yang menggunakan refrigeran sekunder. Karakteristik mesin pendingin meliputi perhitungan (1) penyerapan energi kalor per satuan massa refrigeran pada evaporator ( ), (2) pelepasan kalor per satuan massa refrigeran pada kondensor ( ), (3) kerja per satuan massa refrigeran pada kompresor ( ), (4) laju massa refrigeranR-134a dan R-502 pada mesin pendingin ( ̇), (5) COP ideal dan aktual mesin pendingin, (6) efisiensi mesin pendingin ( ), (7) mengukur nilai arus listrik pada kompresor dari waktu ke waktu, dan menghitung besarnya daya listrik yang dikonsumsi kompresor.
Penelitian dilakukan dengan menggunakan mesin pendingin yang terdiri dari kompresor hermetic dengan daya 124 watt berdasarkan yang tertera pada
nameplate, kondensor tipe 12U, filter 3 lubang, pipa kapiler (capillary tube) dengan diameter dalam 0,026 inchi (0,66 mm) dan panjang 2 meter, dan evaporator yang dibuat dari pipa tembaga dengan diameter dalam 0,25 inchi (6,35 mm) dan panjang 8 meter. Refrigeran primer yang digunakan ada dua macam, yaitu Tetrafluoroethane (R-134a) yang tergolong hydrofluorcarbon (HFC) yang bekerja pada tekanan tinggi dengan Cp = 0,3366 ⁄ ∙ ℉ dan
chlorodifluoromethane atau chloropentafluoroethane (R-502) yang tergolong
Chloro Fluoro Carbon (CFC) yang juga bekerja pada tekanan tinggi dengan Cp = 0,2958 ⁄ ∙ ℉. Selain itu, mesin pendingin yang digunakan di dalam penelitian ini juga menggunakan ethylene glycol sebagai refrigeran sekunder.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa, (1) penyerapan energi kalor per satuan massa refrigeran oleh R-134a lebih besar dibandingkan R-502 yang ditunjukkan dengan nilai rata-rata energi kalor yang diserap yaitu 167,82 kJ/kg dan 147,79 kJ/kg. (2) pelepasan energi kalor per satuan massa refrigeran oleh R-134a lebih besar dibandingkan R-502 yang ditunjukkan dengan nilai rata-rata energi kalor yang dilepas yaitu 226,81 kJ/kg dan 210,94 kJ/kg. (3) kerja per satuan massa refrigeran dengan R-134a lebih kecil dibandingkan dengan R-502 yaitu 58,99 kJ/kg dan 63,15 kJ/kg. (4) laju aliran massa R-134a lebih besar dibandingkan dengan R-502 yang ditunjukkan dengan nilai rata-rata laju aliran massa yaitu 2,59 g/s dan 2,44 g/s. (5) COP ideal dan COP aktual R-134a lebih besar dibandingkan R-502 yaitu 3,66 dibandingkan 3,07 dan 2,85 dibandingkan 2,35. (6) efisiensi mesin pendingin dengan R-134a lebih besar dengan R-502 yaitu 0,78 dan 0,76. (7) daya listrik yang diserap oleh kompresor dengan R-134a lebih kecil dibandingkan dengan R-502 yaitu 152,38 watt dan 153,63 watt.
Kata kunci: mesin pendingin, R-502, siklus kompresi uap, refrigeran sekunder,
viii ABSTRACT
Refrigerating machine category in this research is freezer which is used for freezing water. The research purposes are studying and comparing refrigerating machine characteristic with vapour compression refrigeration cycle which uses secondary refrigerant. (1) Heat absorption per refrigerant mass unit in evaporator ( ), (2) heat discharge per refrigerant mass unit in condenser ( ), (3) work per refrigerant mass unit in compressor ( ), (4) mass flow rate of R-134a and R-502 in refrigerating machine ( ̇), (5) ideal and actual COP of refrigerating machine, (6) efficiency of refrigerating machine ( ), (7) measuring electric current in compressor over time, and calculating electric power which is consumed by compressor.
This research has been done by using refrigerating machine which is comprised of hermetic compressor 124 watt (based on nameplate information), condenser 12U type, filter with 3 channels, capillary tube with inner diameter 0.026 inch (0.66 mm) and length of 2 meter, and evaporator which is made up of copper tube with inner diameter 0.25 inch (6.35 mm) and length of 8 meter. This research used 2 types of primary refrigerant; those are Tetrafluoroethane (R-134a) classified as hydrofluorcarbon (HFC) which works in high pressure state with Cp
= 0.3366 ⁄ ∙ ℉ and chlorodifluoromethane or chloropentafluoroethane (R-502) classified as Chloro Fluoro Carbon (CFC) which works also in high pressure condition with Cp = 0,2958 ⁄ ∙ ℉. Furthermore, ethylene glycol as secondary refrigerant is used in the research.
The research result indicates that, (1) heat absorption per refrigerant mass unit by R-134a is greater than heat absorption by R-502 which is proved by average point of heat absorption 167.82 kJ/kg and 147.79 kJ/kg. (2) Heat discharge per refrigerant mass unit by R-134a is greater compared with heat discharge by R-502 which is proved by average point of heat discharge 226.81 kJ/kg and 210.94 kJ/kg. (3) Work per refrigerant mass unit with R-134a is lower than using R-502 where 58.99 kJ/kg and 63.15 kJ/kg respectively. (4) Mass flow rate of R-134a is higher than mass flow rate of R-502 where it is indicated by average point of mass flow rate respectively 2.59 g/s and 2.44 g/s. (5) Ideal and actual COP of R-134a is greater than R-502, namely each of the values is 3.66 compared with 3.07 and 2.85 compared with 2.35. (6) Efficiency of refrigerating machine using R-134a is higher than using R-502, namely each of the points is 0.78 and 0.76 respectively. (7) Electric power which is consumed by compressor with R-134a is lower than R-502, is 152.38 watt and 153.63 watt respectively.
ix DAFTAR NOTASI
h : enthalpy (kJ/kg)
m : laju aliran massa refrigerant pada mesin pendingin (g/s)
p : tekanan (psia) atau (bar)
P : daya listrik yang digunakan compressor (watt) atau (J/s)
Qin : energi kalor per satuan massa refrigerant yang diserap (kJ/kg) QL : energi kalor per satuan massa refrigerant yang diserap (kJ/kg)
in
Q : laju penyerapan energi kalor (kJ/s)
Qout : energi kalor per satuan massa refrigerant yang dilepas (kJ/kg) QH : energi kalor per satuan massa refrigerant yang dilepas (kJ/kg)
out
Q : laju pelepasan energi kalor (kJ/s)
s : entropy (kJ/kg)
T : temperature atau suhu (oC, oF)
TH : temperature reservoir bersuhu tinggi (K) TL : temperature reservoir bersuhu rendah (K)
v : volume jenis/specific volume (m3/kg)
Win : kerja compressor per satuan massa refrigerant (kJ/kg) WC : kerja compressor per satuan massa refrigerant (kJ/kg)
C
W : daya atau laju energi yang diserap oleh compressor (kJ/s)
x KATA PENGANTAR
Segala puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas semua kebaikan yang telah dilimpahkan-Nya sehingga penulis mampu menyusun Skripsi, menyelesaikan studi dengan hasil yang memuaskan. Judul Skripsi adalah Perbandingan R134a dan R-502 sebagai Refrigeran Primer pada Efektifitas Kerja Mesin Pendingin dengan Ethylene Glycol sebagai Refrigeran Sekunder.
Penyusunan skripsi ini tentunya berat, namun dengan bantuan, bimbingan, dan saran yang konstruktif dari berbagai pihak, penulis mampu menyelesaikan Skripsi dengan hasil yang baik. Dengan kerendahan hati, penulis menyampaikan terima kasih kepada:
1. Paulina Heruningsih Prima Rosa, S.Si., M.Sc., sebagai Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
2. Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T., sebagai Ketua Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta dan sebagai Dosen Pembimbing Skripsi.
3. A. Prasetyadi S.Si., M.Si., sebagai Dosen Pembimbing Akademik.
4. Seluruh Dosen, Staf Karyawan, dan Laboran Universitas Sanata Dharma Yogyakarta yang telah bekerja keras melayani semua hal demi kelancaran pendidikan.
5. Hadrian Edy Suharyo dan Paulina Maria Sri Maryati selaku orang tua penulis yang senantiasa mendukung dan memotivasi penulis dalam belajar dan menyelesaikan Skripsi, serta keluarga penulis yang lain, yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu.
6. Angelina Corbara Damar K. sebagai kekasih dan sahabat istimewa penulis yang setia mendengarkan keluh kesah penulis dan selalu memberikan saran-saran konstruktif bagi penulis.
xi 8. Teman-teman Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma, teman-teman UKM Mapasadha, dan semua pihak lain yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu.
Semoga dengan naskah Skripsi yang telah disusun ini dapat memberikan banyak manfaat bagi penerapan teknologi tepat guna untuk masa depan yang lebih baik serta menjadi sumber inspirasi bagi mahasiswa maupun pembaca lainnya dalam menciptakan inovasi di bidang teknologi. Ketidaksempurnaan penulisan naskah ini menjadi motivasi bagi penulis untuk terus belajar. Oleh sebab itu, segala bentuk saran dan kritik yang membangun akan penulis terima. Penulis mohon maaf apabila terdapat informasi yang tidak lengkap dalam naskah ini.
Yogyakarta, 14 Juli 2014 Penulis,
xii DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL……….... i
TITLE PAGE………... ii
HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING……….….. iii
HALAMAN PENGESAHAN……….…. iv
PERNYATAAN KEASLIAN KARYA………... v
PERNYATAAN PERSETUJUAN………... vi
1.3 Tujuan Penelitian………... 5
1.4 Batasan Penelitian……….………. 5
1.5 Manfaat Penelitian……….… 6
BAB II LANDASAN TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA………….… 8
2.1 Landasan Teori……….. 8
2.1.1 Siklus Carnot dan Siklus Balik Carnot………... 8
2.1.2 Model Sistem Refrigerasi Gas: Siklus Balik Brayton……… 16
2.1.3 Skala Temperatur Termodinamika………. 19
2.1.4 Siklus Ideal Kompresi Uap………. 19
2.1.5 Siklus Aktual Kompresi Uap……….. 25
2.1.6 Refrigeran.……….. 28
2.1.6.1 Refrigeran Primer………... 29
2.1.6.2 Refrigeran Sekunder………... 32
2.1.7 Komponen-komponen Mesin Pendingin……… 34
xiii
2.1.7.2 Kondenser……… 38
2.1.7.3 Pipa kapiler dan katup ekspansi………... 39
2.1.7.4 Evaporator………... 40
2.1.8 Daya Listrik……… 41
2.1.9 Efisiensi Hukum Kedua Termodinamika (ηII)……… 41
2.2 Tinjauan Pustaka……… 43
BAB III PERAKITAN FREEZER………. 47
3.1 Persiapan Perakitan Freezer……….. 47
3.2 Daftar Bahan dan Peralatan pada Penelitian……….. 47
3.2.1 Kompresor………... 56
BAB IV METODOLOGI PENELITIAN……….. 67
4.1 Diagram Alir Pelaksanaan Penelitian……… 67
4.2 Obyek Penelitian……… 69
4.3 Skema Alat Penelitian………... 69
4.4 Variasi Penelitian………... 70
4.5 Cara Mendapatkan Data……… 71
4.6 Cara Mengolah Data……….. 72
4.7 Cara Memperoleh Kesimpulan……….. 73
BAB V HASIL DAN PEMBAHASAN………... 74
5.1 Hasil Penelitian………. 74
xv DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Proses berlangsungnya siklus Carnot pada sistem tertutup... 10
Gambar 2.2 Diagram p-v Siklus Carnot……… 12
Gambar 2.3 Skema dan diagram T-s Siklus Balik Carnot……… 12
Gambar 2.4 Perbandingan COPR dari mesin pendingin reversible, irreversible, dan imposible……… 15
Gambar 2.5 Skema Siklus Balik Brayton……….. 16
Gambar 2.6 Diagram T-s dan p-v Siklus Balik Brayton………... 17
Gambar 2.7 Prinsip kerja mesin pendingin………... 20
Gambar 2.8 Skema komponen mesin pendingin dan diagram T-s siklus ideal kompresi uap………. 24
Gambar 2.9 Siklus Ideal Kompresi Uap pada diagram p-h………... 25
Gambar 2.10 Skema dan diagram T-s Siklus Aktual Kompresi Uap…….. 26
Gambar 2.11 Titik beku larutan-larutan ethylene glycol………. 33
Gambar 2.12 Diagram fase larutan anti beku……….. 33
Gambar 2.13 Hermetic compressor (section view 2D)……… 35
Gambar 2.14 Hermetic compressor (section view 3D)……… 36
Gambar 2.15 Semi-hermetic compressor (section view 2D)……… 36
Gambar 2.16 Semi-hermetic compressor (section view 3D)……… 37
Gambar 2.17 Compressor pada mobil………. 37
xvi Gambar 3.7 High Pressure Gauge………. 59 Gambar 3.8 Posisi pemasangan kondenser……… 60 Gambar 3.9 Saluran keluar fluida saat proses pemvakuman terdapat
pada filter………... 64
Gambar 4.1 Diagram Alir Pelaksanaan Tugas Akhir……… 67 Gambar 4.2 Skema Alat Penelitian……… 70 Gambar 5.1 Ilustrasi penentuan nilai enthalpy, TH, TL, dan tekanan…… 82 Gambar 5.2 COP aktual dari waktu ke waktu untuk mesin pendingin
dengan fluida kerja R-502 sesuai dengan hasil perhitungan
pada Tabel 5.11……….. 93
Gambar 5.3 COP aktual dari waktu ke waktu untuk mesin pendingin dengan fluida kerja R-134a sesuai dengan hasil perhitungan
pada Tabel 5.19……….. 94
Gambar 5.4 Efisiensi mesin pendingin dari waktu ke waktu dengan fluida kerja R-502 sesuai dengan hasil perhitungan pada
Tabel 5.11……….. 95
Gambar 5.5 Efisiensi mesin pendingin dari waktu ke waktu dengan fluida kerja R-134a sesuai dengan hasil perhitungan pada
Tabel 5.19……….. 95
Gambar 5.6 Laju massa R-502 dari waktu ke waktu sesuai dengan hasil
perhitungan pada Tabel 5.11………. 96 Gambar 5.7 Laju massa R-134a dari waktu ke waktu sesuai dengan
hasil perhitungan pada Tabel 5.19……… 96 Gambar 5.8 Grafik konsumsi daya listrik mesin pendingin dengan
penggunaan R-502 dari waktu ke waktu sesuai dengan
hasil perhitungan pada Tabel 5.11………. 97 Gambar 5.9 Daya listrik dari waktu ke waktu untuk mesin pendingin
dengan fluida kerja R-134a sesuai dengan hasil perhitungan
xvii Gambar 5.10 COP aktual mesin pendingin dari waktu ke waktu dengan
fluida kerja R-502 dan R-134a pada hari pertama………… 99 Gambar 5.11 COP aktual dari waktu ke waktu untuk mesin pendingin
dengan fluida kerja R-502 dan R-134a pada hari kedua…... 99 Gambar 5.12 COP aktual mesin pendingin menggunakan 502 dan
xviii DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Beberapa refrigerant halokarbon……….. 29
Tabel 2.2 Beberapa refrigerant anorganik……… 30
Tabel 2.3 Beberapa refrigerant hidrokarbon……… 30
Tabel 3.1 Daftar Bahan………... 48
Tabel 3.2 Daftar Peralatan………. 52
Tabel 3.3 Daftar Alat Ukur……… 55
Tabel 5.1 Data Pengamatan Karakteristik Mesin Pendingin dengan R-502, 1 April 2014………... 74
Tabel 5.2 Data Pengamatan Karakteristik Mesin Pendingin dengan R-502, 2 April 2014………... 75
Tabel 5.3 Data Pengamatan Karakteristik Mesin Pendingin dengan R-502, 3 April 2014………... 75
Tabel 5.4 Data Pengamatan Karakteristik Mesin Pendingin dengan R-134a, 5 April 2014………. 76
Tabel 5.5 Data Pengamatan Karakteristik Mesin Pendingin dengan R-134a, 6 April 2014………. 76
Tabel 5.6 Data Pengamatan Karakteristik Mesin Pendingin dengan R-134a, 7 April 2014………. 77
Tabel 5.7 Hasil Konversi satuan temperatur dan tekanan R-502, 1 April 2014……….. 78
Tabel 5.8 Hasil Konversi satuan temperatur dan tekanan R-502, 2 April 2014……….. 79
Tabel 5.9 Hasil Konversi satuan temperatur dan tekanan R-502, 3 April 2014……….. 80
Tabel 5.10 Hasil Perhitungan Nilai QL, QH, Win, R-502, 1 April 2014.. 81
Tabel 5.11 Hasil Perhitungan Nilai COP aktual, COP ideal, efisiensi, laju aliran massa, dan daya compressor, R-502, 1 April 2014………... 81
xix Tabel 5.13 Hasil Perhitungan Nilai COP aktual, COP ideal, efisiensi,
laju aliran massa, dan daya compressor, R-502, 2 April
2014………... 85
Tabel 5.14 Hasil Perhitungan Nilai QL, QH, Win, R-502, 3 April 2014.. 86 Tabel 5.15 Hasil Perhitungan Nilai COP aktual, COP ideal, efisiensi,
laju aliran massa, dan daya compressor, R-502, 3 April
2014………... 86
Tabel 5.16 Hasil Perhitungan Nilai QL, QH, Win, R-134a, 5 April 2014 87 Tabel 5.17 Hasil Perhitungan Nilai COP aktual, COP ideal, efisiensi,
laju aliran massa, dan daya compressor, R-134a, 5 April
2014………... 88
Tabel 5.18 Hasil Perhitungan Nilai QL, QH, Win, R-134a, 6 April 2014 88 Tabel 5.19 Hasil Perhitungan Nilai COP aktual, COP ideal, efisiensi,
laju aliran massa, dan daya compressor, R-134a, 6 April
2014………... 89
Tabel 5.20 Hasil Perhitungan Nilai QL, QH, Win, R-134a, 7 April 2014 89 Tabel 5.21 Hasil Perhitungan Nilai COP aktual, COP ideal, efisiensi,
laju aliran massa, dan daya compressor, R-134a, 7 April
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1Latar Belakang
Bidang refrigerasi dewasa ini banyak dikembangkan dan sudah banyak pula
dipakai untuk berbagai keperluan, mulai dari keperluan rumah tangga hingga
keperluan industri. Mesin-mesin pendingin sudah banyak diciptakan untuk
berbagai kebutuhan manusia di bidang refrigerasi. Beberapa contoh mesin
pendingin adalah kulkas, freezer, show case, cold storage, cold container, ice
maker, ice skating rinks, dan mesin pendingin mayat (mortuary chamber).
Sistem refrigerasi ini berperan penting dalam banyak bidang, misalnya
bidang pengolahan makanan atau minuman dan bidang penyimpanan bahan-bahan
kimia. Dalam industri makanan, banyak proses di dalamnya membutuhkan sistem
refrigerasi, yaitu pengawetan atau pembekuan, serta pemrosesan bahan makanan
atau minuman, dan distribusinya. Pada industri kimia, sistem refrigerasi juga
digunakan untuk penyerapan kalor pada bahan-bahan kimia.
Pada industri makanan, kondisi udara di tempat penyimpanan bahan
makanan perlu diperhatikan. Bahan-bahan makanan seperti daging, ikan,
buah-buahan, serta sayur-sayuran bersifat mudah membusuk karena aktifitas bakteri
dapat berkembang pesat dalam proses pembusukan pada suhu ruang, berkisar
21,1˚C hingga 37,8˚C (Basbeth, 2012). Umur penyimpanan bahan-bahan makanan
tersebut dapat diperpanjang dengan cara menyimpannya pada suhu rendah di atas
seperti sosis atau nugget, sengaja dibekukan agar dapat bertahan hingga beberapa
bulan lamanya hingga konsumen mengolahnya.
Bahan makanan yang dikeluarkan dari cold storage akan didistribusikan ke
pasar-pasar hingga akhirnya sampai pada konsumen dan disimpan di dalam kulkas
sebelum diolah dan dikonsumsi. Dapat dicermati pada skema distribusi bahan
makanan betapa pentingnya sistem refrigerasi untuk menjaga kualitas bahan
makanan tetap baik hingga dikonsumsi. Proses distribusi bahan makanan ataupun
makanan juga memerlukan ruang pendingin di dalam kendaraan atau kita dapat
menyebutnya sebagai cold container. Setelah sampai di pasar, tentu bahan
makanan atau makanan jadi ini perlu tempat untuk menyajikannya kepada
konsumen agar konsumen dapat melihat langsung bahan makanan yang
ditawarkan. Mesin pendingin jenis ini disebut freezer dan mesin guna menyajikan
minuman disebut show case.
Dalam pengolahan bahan makanan, seperti pengolahan susu, es krim, dan
keju juga membutuhkan sistem refrigerasi. Pengolahan susu membutuhkan suhu
rendah berkisar 3˚C hingga 4˚C untuk penyimpanan setelah melewati proses
pasteurisasi selama kurang lebih 20 detik pada suhu kira-kira 73˚C. Pengolahan es
krim mencampurkan bahan-bahan es krim pada suhu kira-kira 6˚C dan terus
menerus diaduk sambil menurunkan suhu mencapai -5˚C kemudian disimpan
pada suhu di bawah titik bekunya (Stoecker dan Jones, 1989).
Pada industri kimia, beberapa proses yang membutuhkan sistem refrigerasi
adalah proses pemisahan gas-gas, pengembunan gas, pemadatan atau
lain, menjaga kondisi suhu rendah dalam penyimpanan gas cair agar tekanannya
tidak berlebihan, dan penghilangan kalor reaksi. Campuran gas hidrokarbon dapat
dipisahkan menjadi unsur-unsurnya dengan cara mendinginkan campuran
tersebut, sehingga unsur yang tinggi titik didihnya akan mencair terlebih dahulu
dan dapat dipisahkan secara fisik dengan unsur yang masih berbentuk gas
(Stoecker dan Jones, 1989).
Penulis tertarik untuk melakukan penelitian di bidang refrigerasi pada mesin
pendingin dengan siklus kompresi uap karena begitu banyak peneliti yang
mengerjakan penelitian pada bidang ini. Selain itu juga untuk memenuhi rasa
ingin tahu penulis pada penggunaan refrigeran terbaik dalam siklus kompresi uap
guna meningkatkan nilai Coefficient of Performance mesin pendingin. Dalam
penelitian ini, refrigeran primer yang digunakan dan dibandingkan adalah R-134a
dan R-502 serta ethylene glycol sebagai refrigeran sekunder.
Hassan (2013) melakukan penelitian pada ice maker machine dengan
menggunakan karbon methanol aktif sebagai adsorbent refrigerant working pair.
Penelitiannya bertujuan untuk menghitung nilai penyerapan kalor pada evaporator
di ice maker machine yang menggunakan karbon methanol aktif sebagai
refrigeran dan untuk mengurangi konsumsi pada energi listrik. Latar belakang dari
penelitiannya juga jelas, karena pada saat ini mesin pendingin dengan siklus
kompresi uap didominasi oleh penggunaan electric compressor yang berdampak
pada tingginya penggunaan daya listrik. Berbeda dengan mesin pendingin lainnya,
ice maker machine yang dikerjakan Hassan (2013) tidak menggunakan electric
Pada penelitian yang dilakukan oleh Antonijevic (2008), refrigeran yang
dibandingkan adalah CO2 dengan R-134a. Karakteristik kedua refrigeran tersebut berbeda, sehingga berpengaruh pada komponen di mesin pendingin.
Komponen-komponen utama pada mesin pendinginnya adalah kompresor, gas cooler,
expansion valve, accumulator, dan internal heat exchanger (IHX). Internal Heat
Exchanger (IHX) berfungsi untuk pendinginan dan pemanasan lanjut refrigeran
CO2. Pada saat refrigeran CO2 keluar dari gas cooler, tekanan dan temperaturnya sangat tinggi, kondisi ini dimanfaatkan untuk proses pemanasan lanjut. Pada saat
refrigeran CO2 keluar dari evaporator, tekanan dan suhunya sangat rendah, kondisi ini dimanfaatkan untuk proses pendinginan lanjut. Proses pemanasan
lanjut bertujuan untuk mengubah fase CO2 dari campuran cair dan gas menjadi sepenuhnya gas sebelum masuk ke kompresor, sedangkan proses pendinginan
lanjut bertujuan untuk menurunkan temperatur refrigeran setelah keluar dari gas
cooler. Dengan turunnya temperatur refrigeran, coefficient of performance (COP)
mesin pendingin meningkat. Proses pada gas cooler pun tidak sepenuhnya
kondensasi, namun menggunakan pendinginan uap super kritis untuk
mempercepat proses pelepasan kalor.
1.2Rumusan Masalah
Masalah yang dapat dirumuskan pada penelitian ini adalah sebagai berikut.
1. Perbandingan efektifitas kerja compressor pada mesin pendingin yang
2. Perbandingan nilai COP mesin pendingin yang menggunakan 134a dan
R-502.
1.3Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini dijelaskan pada poin-poin di bawah ini.
1. Menghitung dan membandingkan nilai-nilai berikut ini.
a. Penyerapan kalor per satuan massa refrigeran( ) pada evaporator untuk
R-134a dengan R-502.
b. Pelepasan kalor per satuan massa refrigeran ( ) pada kondensor untuk
R-134a dengan R-502.
c. Kerja per satuan massa refrigeran ( ) pada kompresor.
d. Laju massa refrigeran R-134a dan R-502 pada mesin pendingin ( ̇).
e. Coefficient of Performance (COP) ideal dan COP aktual mesin pendingin
dengan R-134a dan dengan R-502.
f. Efisiensi mesin pendingin ( ), yaitu perbandingan antara nilai COP
aktual dan nilai COP ideal.
2. Mengukur nilai arus listrik dan tegangan listrik yang digunakan kompresor
dari waktu ke waktu dan menghitung daya yang digunakan kompresor dari
waktu ke waktu selama proses pendinginan.
1.4Batasan Penelitian
Batasan-batasan pada penelitian ini dijabarkan dalam poin-poin di bawah ini.
2. Refrigeran sekunder pada penelitian ini adalah ethylene glycol.
3. Beban pendinginan pada penelitian ini adalah air dengan volume 0,5 dm3. 4. Kompresorpada penelitian ini sesuai yang tertera pada nameplate adalah jenis
hermetic compressor yang digunakan untuk kompresi refrigeran R-12.
Spesifikasi motor listriknya sebagai berikut, yaitu daya 124 watt, arus listrik
0,92 ampere, beda potensial 220 VAC, frekuensi 50/60 Hz, 1 phase.
5. Kondensor pada penelitian ini mempunyai tipe 12-U.
6. Pipa kapiler pada penelitian ini berbahan tembaga dengan diameter dalam
0,026 inch (0,66 mm) dan panjang 2 meter.
7. Evaporator pada penelitian ini terbuat dari pipa tembaga dengan diameter
dalam 0,25 inch (6,35 mm) dan panjang 8 meter.
8. Filter dalam penelitian ini memiliki tiga lubang, yaitu dua lubang berfungsi
untuk saluran aliran refrigeran dari kondensor menuju pipa kapiler dan satu
lubang lain berfungsi untuk mengeluarkan udara di dalam mesin pendingin
pada saat proses pemvakuman.
9. Pressure gauge dalam pemelitian ini ada dua macam, yaitu low pressure
gauge dengan kapasitas tekanan pengukuran 0 hingga 250 psi dan high
pressure gauge dengan kapasitas tekanan pengukuran 0 hingga 500 psi.
10. Tekanan refrigeran pada saat pengisian adalah 5 psig.
1.5Manfaat Penelitian
Manfaat yang ingin diberikan penulis kepada masyarakat adalah sebagai
1. Menjadi referensi pustaka bagi peneliti-peneliti lain yang hendak meneliti dan
mengembangkan teknologi pada bidang mesin pendingin dengan siklus
kompresi uap.
2. Menambah koleksi pustaka ilmu pengetahuan perpustakaan Universitas Sanata
8
BAB II
LANDASAN TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Landasan Teori
Dalam penelitian ini penulis meneliti pengaruh refrigeran terhadap COPR
suatu mesin pendingin yang beroperasi dengan prinsip siklus kompresi uap. Oleh
karena itu, properti dari refrigeran perlu untuk dipelajari dalam bab ini. Selain itu
juga diperlukan pemahaman akan siklus kompresi uap serta dua siklus lain yang
berkaitan erat dengan siklus kompresi uap, yaitu siklus balik Carnot dan siklus
balik Brayton.
2.1.1 Siklus Carnot dan Siklus Balik Carnot (Reversed Carnot Cycle)
Mesin kalor dikenal sebagai sebuah perangkat siklus, artinya sebuah
perangkat yang bekerja dengan suatu siklus sebagai prinsip kerjanya. Fluida kerja
mesin kalor dapat kembali ke kondisi awal setelah siklus pada mesin kalor
berhenti. Hal demikian itu adalah prinsip proses reversible. Kerja dapat diberikan
oleh fluida kerja di satu elemen mesin kalor selama siklus berlangsung dan kerja
juga dapat diterima oleh fluida kerja di elemen mesin kalor yang lain selama
siklus berlangsung. Beda atau selisih nilai kerja di antara dua elemen mesin kalor
tersebut disebut kerja bersih mesin kalor.
Efisiensi kerja sebuah mesin kalor sangat bergantung pada performa tiap
proses yang berlangsung di dalam tiap elemen mesin kalor yang membentuk
siklus. Kerja bersih mesin kalor, sebagai hasil dari efisiensi kerja mesin kalor,
sejumlah kecil energi, namun menghasilkan energi yang jauh lebih besar. Untuk
mencapai tujuan tersebut, proses-proses yang berlangsung haruslah reversible.
Oleh karena itu, tidak mengejutkan apabila siklus yang paling efisien adalah
siklus reversible karena siklus reversible terdiri dari proses-proses reversible.
Siklus reversible tidak dapat dicapai karena irreversibilities pada tiap
proses tidak dapat dihilangkan. Kemungkinan, siklus yang dikenal paling baik
sebagai siklus reversible adalah siklus Carnot yang dikemukakan pertama kali
pada tahun 1824 oleh ahli teknik berkebangsaan Perancis, Sadi Carnot. Secara
teori, mesin kalor yang bekerja menggunakan prinsip siklus Carnot disebut mesin
kalor Carnot. Siklus Carnot dibentuk oleh empat proses reversible, yang terdiri
dari dua proses isothermal dan dua proses adiabatic, dan dapat dioperasikan baik
dalam sistem tertutup maupun sistem aliran konstan (steady-flow system).
Gambar 2.1 memberikan ilustrasi tentang sebuah sistem tertutup yang
mengandung fluida gas di dalam sebuah rakitan piston-silinder adiabatic dan
empat proses reversible yang membentuk siklus Carnot. Isolasi pada kepala
silinder dapat dilepas guna menghubungkan kepala silinder dengan tabung
penyimpan kalor supaya terjadi perpindahan kalor. Saat isolasi dipasangkan
kembali akan mencegah terjadinya perpindahan kalor.
Ekspansi reversible isothermal (proses 1-2, = ). Pada
awalnya, temperatur gas adalah dan kepala silinder bersentuhan dengan
sumber energi pada suhu . Gas melakukan ekspansi perlahan-lahan. Ketika gas
melakukan ekspansi, temperatur gas cenderung berkurang. Akan tetapi, sesaat
kalor merambat menuju gas sehingga temperatur gas meningkat hingga . Oleh
karena itu, temperatur gas dipertahankan konstan pada nilai . Jumlah energi
kalor yang ditransferkan ke gas adalah .
Ekspansi reversible adiabatic (proses 2-3, temperatur turun dari ke
). Pada wilayah 2, reservoir panas atau tabung penyimpan kalor tidak lagi
bersentuhan dengan kepala silinder dan diganti dengan isolasi sehingga sistem
menjadi adiabatic. Gas di dalam sistem perlahan-lahan melakukan ekspansi dan
memberikan kerja ke lingkungan hingga temperatur turun dari ke (wilayah
3). Piston di dalam sistem diasumsikan bebas gesekan dan proses yang
berlangsung di dalam sistem berada dalam kondisi quasiequilibrium, sehingga
proses yang berlangsung benar-benar reversible adiabatic.
Kompresi reversible isothermal (proses 3-4, = ). Pada
wilayah 3, isolasi pada kepala silinder dilepas, dan disentuhkan kembali dengan Gambar 2.1 Proses berlangsungnya siklus Carnot pada sistem tertutup.
tabung penyimpan kalor pada suhu . Pada proses ini, gas diberi kerja melalui
tekanan piston ke arah dalam yang mendapat gaya dari luar sistem. Pada saat gas
dikompresi, temperatur gas akan meningkat. Akan tetapi, sesaat setelah ada
peningkatan temperatur gas, kalor langsung ditransfer kepada tabung penyimpan
kalor sehingga temperatur gas tetap senilai . Oleh karena itu, temperature gas
konstan. Sepanjang perbedaan temperatur antara gas dan reservoir tidak
melampaui , maka proses perpindahan kalor berlangsung reversible. Jumlah
kalor yang dilepaskan gas selama proses ini senilai .
Kompresi reversible adiabatic (proses 4-1, temperature meningkat dari
ke ). Pada wilayah 4, tabung penyimpan kalor bersuhu rendah atau reservoir
dingin dipindahkan dan kepala silinder diisolasi kembali. Setelah itu, gas
mengalami kompresi reversible sehingga gas kembali kepada kondisi awal
(wilayah 1). Temperatur gas meningkat dari ke selama proses kompresi
reversible adiabatic. Proses ini melengkapi sekaligus menutup siklus Carnot.
Pada Gambar 2.2 ditunjukan siklus Carnot melalui diagram hubungan
tekanan (P) dengan volume spesifik (v). Perlu diingat bahwa wilayah di bawah
kurva mewakili batas kerja pada proses quasiequilibrium (internally reversible).
Wilayah di bawah kurva 1-2-3 adalah kerja yang dilakukan gas selama ekspansi.
Wilayah di bawah kurva 3-4-1 adalah kerja yang dikerjakan gas pada saat proses
kompresi berlangsung. Wilayah yang dibatasi kurva 1-2-3-4-1 adalah kerja bersih
yang dilakukan selama siklus berlangsung adalah selisih dari kerja gas saat
Prinsip kerja siklus Carnot adalah prinsip kerja yang ideal dan digunakan
sebagai ukuran efektifitas maksimal kerja mesin pendingin pada aplikasi
sehari-hari, dan memang tidak realistis untuk diterapkan secara nyata atau dinyatakan
pada siklus pendinginan. Gambar 2.3 memberikan ilustrasi siklus balik Carnot
untuk terapan siklus Carnot pada siklus pendinginan. Siklus balik Carnot adalah Gambar 2.2 Diagram P-v Siklus Carnot
Sumber: Thermodynamics An Engineering Approach oleh Y. A. Çengel dan M. A. Boles, 2006
Gambar 2.3 Skema dan diagram T-s Siklus Balik Carnot
pembalikan dari siklus Carnot. Membalik siklus berarti juga membalik arah
interaksi kalor dan kerja. Mesin pendingin yang menggunakan prinsip kerja siklus
balik Carnot disebut mesin pendingin Carnot.
Formula untuk menentukan Coefficient of Performance dari siklus
Carnot dapat dinyatakan dengan Persamaan (2.1) dan (2.2).
COP , = =
Dari persamaan (2.1) dan (2.2) dapat dikemukakan bahwa
COP = COP + 1 (2.3)
untuk nilai QL dan QH konstan. Dari hubungan tersebut dapat disimpulkan bahwa
nilai COPHP,Carnot selalu lebih besar daripada satu dengan catatan nilai COPR,Carnot positif. Bagaimanapun juga, sebagian dari QH terbuang ke lingkungan melalui
pipa atau perangkat lain dari mesin pendingin dan COPHP dapat turun hingga kurang dari satu saat temperatur lingkungan sangat rendah atau lebih rendah dari
titik beku refrigeran yang digunakan. Bila hal ini terjadi, maka pompa kalor akan
menjadi pemanas resistansi.
dapat diterapkan pada mesin pendingin dengan siklus kompresi uap. Proses
penyerapan kalor yang berlangsung di evaporator (1-2) dan proses pelepasan kalor
yang berlangsung di kondensor (3-4) dapat dicapai di dalam aplikasi mesin
pendingin karena dengan mempertahankan tekanan refrigeran atau membuat
refrigeran pada tekanan konstan secara otomatis akan menghasilkan temperatur
konstan. Akan tetapi, proses yang berlangsung di dalam kompresor (2-3) dan
turbin (4-1) tidak dapat didekati dalam praktek nyata. Hal ini disebabkan proses
kompresi melibatkan kompresi campuran fase cair dan uap, sedangkan proses
ekspansi melibatkan refrigeran yang mengandung kelembaban tinggi.
Keterangan pada paragraf di atas menunjukan seolah-olah persoalan fase
campuran dapat dihindari dengan menerapkan siklus balik Carnot di luar wilayah
fase campuran jenuh. Akan tetapi, pada kenyataannya tetap sulit mempertahankan
temperatur pada nilai konstan selama proses penyerapan kalor dan pelepasan
kalor. Oleh karena itu, siklus balik Carnot ini pun tidak dapat didekati oleh
perangkat mesin pendingin sesungguhnya, tetapi dapat digunakan sebagai
standard maksimal siklus pendinginan.
Nilai COPR dari mesin pendingin yang bekerja pada kondisi reversible maupun irreversible dapat ditentukan menggunakan persamaan (2.1), dengan QL
adalah jumlah kalor yang diserap dari medium bersuhu rendah dan QH adalah
jumlah kalor yang dilepaskan ke medium bersuhu tinggi. Nilai COPR dari mesin pendingin reversible dapat ditentukan dengan cara mengganti rasio perpindahan
kalor pada persamaan (2.1) dengan rasio temperatur absolut dari reservoir bersuhu
(2.4). Kemudian, persamaan untuk menentukan nilai COPR reversible adalah sebagai berikut
COP, =
⁄ (2.4)
Melalui persamaan di atas dapat diperoleh nilai COPR tertinggi yang dapat dicapai oleh setiap mesin pendingin yang bekerja di antara dua reservoir dengan
temperatur TH dan TL, keduanya dalam satuan Kelvin (K). Nilai COPR,aktual selalu lebih kecil daripada COPR,rev.
Dari Gambar 2.4, dapat dideskripsikan hubungan antara nilai COPR,aktual dan nilai COPR,rev sebagai berikut:
COP,
< COP, →mesin pendingin ir r ever sible
= COP , → mesin pendingin r ever sible
> COP, → mesin pendingin imaginer
Gambar 2.4 Perbandingan COPR dari mesin pendingin reversible,
irreversible, dan imposible.
2.1.2 Model Sistem Refrigerasi Gas: Siklus Balik Brayton
Siklus aktual refrigerasi atau pendinginan menggunakan kerja dari
substansi gas atau fluida gas tidak didasarkan pada Siklus Balik Carnot karena
sulit untuk mempraktekan proses-proses yang terjadi di dalam Siklus Balik
Carnot. Siklus ideal yang lebih mudah disimulasikan ke dalam kebutuhan
sehari-hari adalah siklus balik Brayton atau siklus refrigerasi Brayton. Pada Gambar 2.5
ditunjukkan skema siklus balik Brayton dan Gambar 2.6 ditunjukkan diagram P-v
siklus balik Brayton dan diagram T-s siklus balik Brayton.
Gambar 2.5 Skema Siklus Balik Brayton
Siklus Balik Brayton biasanya menggunakan udara sebagai refrigeran.
Refrigeran memasuki kompresor pada wilayah 1 di mana temperaturnya di bawah
temperatur TC dan dikompresi menuju wilayah 2. Refrigeran kemudian
didinginkan menuju wilayah 3 di mana temperaturnya mendekati temperatur
lingkungan panas (hot region) TH. Selanjutnya, refrigeran diekspansi menuju
wilayah 4 di mana temperatur T4 di bawah temperatur lingkungan dingin (cold
region). Proses pendinginan dicapai melalui perpindahan kalor dari lingkungan
dingin ke refrigeran yang mengalir melalui wilayah 4 ke wilayah 1.
Siklus refrigerasi Brayton ideal digambarkan pada diagram T-s yang
dilambangkan 1-2s-3-4s-1, dengan mengasumsikan semua proses yang terjadi di
dalam sistem adalah reversible dan proses di kompresor dan turbin adalah
adiabatic. Pada siklus 1-2-3-4-1 efek irreversible yang terjadi di kompresor dan
turbin dipertimbangkan, namun penurunan tekanan akibat gesekan diabaikan. Gambar 2.6 a. Diagram P-v dan b. T-s Siklus Balik Brayton
Sumber: Engineering Thermodynamics oleh J. B. Jones dan R. E. Dugan, 1996
TH dan TL adalah temperatur lingkungan di mana sejumlah kalor dilepas
dan dari mana sejumlah kalor diserap. Fluida kerja yang digunakan biasanya
udara. Udara dikompresi secara isentropic hingga menuju temperatur di atas TH,
kemudian fluida kerja didinginkan secara reversible pada tekanan konstan.
Setelah itu, fluida kerja mengalami ekspansi secara isentropic melalui sebuah
mesin atau turbin untuk memenuhi kebutuhan energi yang diserap kompresor.
Temperatur fluida kerja setelah melalui turbin turun hingga lebih rendah dari TL,
kemudian kalor dapat diserap dari lingkungan pada suhu TL melalui perpindahan
kalor yang terjadi di penukar kalor (heat exchanger) pada tekanan konstan lalu
kembali ke wilayah 1 untuk menyelesaikan rangkaian siklus.
Kerja kompresor dan kerja turbin per aliran massa refrigeran dapat
didefinisikan dengan persamaan (2.5) dan (2.6).
̇
̇ =
ℎ − ℎ
(2.5)̇
̇ =
ℎ − ℎ
(2.6)Persamaan (2.5) dan (2.6) diperoleh dengan mengabaikan adanya perpindahan
panas dengan lingkungan dan perubahan energi kinetik dan energi potensial.
Berbeda dengan Siklus Kompresi Uap, pada Siklus Balik Brayton kerja yang
dihasilkan turbin nilainya relative dengan kerja yang diserap kompresor.
Perpindahan kalor dari ruang yang hendak didinginkan ke refrigeran
terjadi pada penukar kalor (heat exchanger) bertekanan rendah. Efek dari
refrigerasi dapat dituliskan dengan Persamaan (2.7).
̇
Coefficient of Performance adalah rasio efek refrigerasi dengan input kerja bersih
yang dituliskan dengan Persamaan (2.8).
= ̇ ̇ ⁄ ̇
Skala temperatur yang digunakan di dalam ilmu Termodinamika adalah
skala Kelvin (K). dasar dari pemakaian skala Kelvin secara singkat adalah skala
Kelvin bersifat independent terhadap properti semua substansi dan pada semua
siklus daya reversible (reversible power cycles) yang beroperasi di antara dua
reservoir selalu mempunyai efisiensi termal yang sama.
Persamaan untuk konversi temperatur dari temperatur dengan skala ˚C ke
skala K dapat dinyatakan dengan persamaan (2.9).
( ) = (℃) + 273.15 (2.9)
2.1.4 Siklus Ideal Kompresi Uap
Mesin pendingin mengerjakan siklus pendinginan (refrigeration cycle).
Siklus pendinginan pada mesin pendingin biasa disebut sebagai siklus kompresi
uap (vapor compression refrigeration cycle). Pada siklus Carnot, tiap proses
berlaku internally reversible atau keadaan mula-mula di dalam sistem dapat
dikembalikan lagi tanpa mengubah keadaan di sekelilingnya. Hal itu berarti siklus
yang telah terjadi dapat kembali lagi ke keadaan awal setelah proses selesai
berlangsung. Siklus Carnot ini yang kemudian diterapkan pada siklus kompresi
pada suhu rendah (prinsip kerja evaporator) dan memindahkan kalor dari fluida
kerja pada suhu tinggi ke lingkungan di luar sistem (prinsip kerja kondensor),
sedangkan kerja diperoleh dari sumber energi dari luar sistem berupa daya listrik
(Sorensen, 1961).
Gambar 2.7 merupakan ilustrasi dari kerja mesin pendingin. Mesin
pendingin yang bekerja dengan prinsip siklus kompresi uap diilustrasikan di
dalam lingkaran berwarna merah. Pada ilustrasi tersebut dapat dilihat adanya
perpindahan panas yang terjadi dari suhu rendah ke suhu tinggi karena kerja dari
mesin pendingin. Proses yang terjadi di dalam siklus kompresi uap ada empat
macam, yaitu proses kompresi isentropic adiabatic (1-2), proses pelepasan panas
pada tekanan dan temperatur konstan atau isobaric dan isothermal (2-3), proses
penurunan tekanan pada isoenthalpy (3-4), dan proses penyerapan panas pada Gambar 2.7 Prinsip kerja mesin pendingin.
tekanan dan temperatur konstan (4-1). Proses yang terjadi di dalam siklus
kompresi uap diilustrasikan pada Gambar 2.8.
Mesin pendingin terdiri dari empat komponen utama, yaitu kompresor,
kondensor, expansion valve (katup ekspansi) atau capillary tube (pipa kapiler),
dan evaporator. Kompresormembutuhkan energi dari sumber energi di luar sistem
untuk menaikkan tekanan refrigeran dalam fase gas. Proses yang terjadi di dalam
kompresor dianggap isentropic adiabatic, artinya proses terjadi pada entropi tetap
dan tanpa perpindahan kalor, baik dari kompresor ke lingkungan maupun
sebaliknya. Dalam kondisi ini, kompresor dianggap terisolasi sempurna. Sumber
energi yang digunakan kompresor adalah energi listrik. Pada tahapan ini,
refrigeran berada dalam fase uap bertekanan tinggi dan bersuhu tinggi dengan
nilai entropi tetap, yang berubah adalah nilai enthalpi. Diasumsikan tidak ada
perpindahan kalor dari atau menuju kompresor, maka kesetimbangan energi dan
massa di dalam kompresor dapat dinyatakan dengan persamaan (2.10).
=
ℎ − ℎ
(2.10)dengan adalah kerja kompresor per satuan massa refrigeran (kJ/kg), h2 adalah
nilai enthalpy pada wilayah 2 (kJ/kg), dan h1 adalah nilai enthalpy pada wilayah 1
(kJ/kg).
Refrigerandalam uap bertekanan tinggi dan bersuhu tinggi mengalir dari
kompresor menuju kondensor. Proses yang terjadi di dalam kondensor adalah
pelepasan kalor dari sistem ke lingkungan yaitu saat uap panas lanjut (superheated
vapor) berubah menjadi gas jenuh (saturated vapor) kemudian menjadi zat cair
pengembunan yaitu perubahan fase gas menjadi fase cair. Saat uap panas lanjut
menjadi gas jenuh, tekanan dan suhu refrigeran menurun. Perubahan fase
refrigeran dari gas ke cair terjadi pada tekanan dan suhu konstan (isobaric dan
isothermal). Nilai perpindahan kalor yang terjadi di dalam kondensor dapat
diperoleh dengan persamaan (2.11).
=
ℎ − ℎ
(2.11)Fase ideal refrigeran setelah keluar dari kondensor adalah fase cair,
namun yang terjadi sesungguhnya adalah fase campuran antara cair dan gas. Pada
kondisi tersebut, rasio fase cair lebih besar daripada rasio fase gas. Dari
kondensor, refrigeran mengalir menuju pipa kapiler (capillary tube). Ukuran luas
penampang pipa tembaga berkurang tajam. Luas penampang pipa kapiler jauh
lebih kecil daripada luas penampang pipa kondensor. Debit refrigeran adalah
konstan pada siklus kompresi uap, sedangkan terjadi penurunan luas penampang
pipa yang dilalui refrigeran, maka kecepatan aliran refrigeran meningkat seiring
dengan penurunan tekanan dan suhu refrigeran. Pada tahapan ini, nilai entalpi
refrigeran adalah konstan (isoenthalpy). Berdasarkan pemahaman tersebut,
diperoleh persamaan (2.12).
ℎ
=ℎ
(2.12)Persamaan tersebut dapat dibuktikan pada p-h diagram, Gambar 2.9.
Selanjutnya refrigeran melalui evaporator setelah keluar dari pipa kapiler.
Perpindahan kalor terjadi di dalam evaporator. Perpindahan kalor dari ruang yang
Tingkat perpindahan kalor per satuan massa refrigeran didefinisikan dengan
persamaan (2.13).
=
ℎ − ℎ
(2.13)dengan ̇ adalah laju aliran massa refrigeran. Laju perpindahan kalor ̇
berkaitan dengan kapasitas pendinginan atau daya refrigerasi. Di dalam sistem
satuan SI, daya normalnya dinyatakan dalam kW. Di dalam sistem satuan Inggris
(English unit system), daya refrigerasi dinyatakan dalam BTU/ h. Satuan lain yang
lazim digunakan untuk menyatakan daya refrigerasi adalah ton r efr iger asi, yang
nilainya sama dengan 200 BTU/h atau kira-kira 211 kJ/menit.
Siklus kompresi uap tidak sepenuhnya internally reversible seperti siklus
kompresi Carnot karena di dalam siklus konpresi uap terdapat proses irreversible
yaitu pada katup ekspansi atau pipa kapiler. Katup ekspansi atau pipa kapiler
digunakan sebagai komponen pengganti turbin isentropic pada siklus pendinginan
Carnot dengan tujuan pada aplikasinya sehari-hari lebih realistis. Apabila turbin
isentropic tidak diganti dengan katup ekspansi atau pipa kapiler, maka kapasitas
pendinginan akan meningkat dan kerja yang dilakukan kompresor (net work
input) mengalami penurunan karena pengaruh dari kerja yang dilakukan turbin
isentropic (net work output). Pengaruh dari penggunaan turbin isentropic dapat
dilihat pada diagram T-s pada Gambar 2.8. Refrigeran dari titik 3 akan menuju
titik 4’ karena proses yang terjadi adalah proses penurunan tekanan pada kondisi
isentropic adiabatic.
Keempat komponen yang berhubungan dengan siklus kompresi uap
membentuk siklus kompresi uap dapat dianalisa sebagai proses-proses aliran tetap
(steady-flow processes). Perubahan energi kinetik dan energi potensial di dalam
sistem relatif kecil sehingga dapat diabaikan. Persamaan energi aliran tetap per
satuan massa dapat dinyatakan dengan persamaan (2.14).
( − ) + ( − ) = ℎ − ℎ (2.14)
Condenser dan evaporator tidak melibatkan kerja apapun dan
compressor dapat diasumsikan adiabatic. Selanjutnya, nilai COPR dalam siklus
kompresi uap dapat dinyatakan dengan persamaan (2.15).
= ,
= (2.15)
Gambar 2.8 Skema komponen mesin pendingin dan diagram T-s siklus ideal kompresi uap.
Diagram lain yang dapat dan sering digunakan untuk menggambarkan
siklus kompresi uap adalah diagram hubungan tekanan dengan enthalpi. Gambar
2.9 memberikan ilustrasi tentang hubungan P dengan h. Pada diagram P-h dapat
ditemukan empat proses yang berlangsung pada siklus kompresi uap dan tiga
proses di antaranya digambarkan dengan garis lurus, yaitu proses pelepasan panas
(2-3), proses penurunan tekanan (3-4), dan proses penyerapan panas (4-1).
2.1.5 Siklus Aktual Kompresi Uap
Siklus aktual kompresi uap berbeda dengan siklus ideal kompresi uap.
Perbedaan itu disebabkan oleh irreversibilities yang terjadi pada beberapa
komponen mesin pendingin. Dua hal yang paling umum sebagai penyebab
irreversibilities adalah gaya gesek antara fluida dengan pipa (yang menyebabkan
nilai tekanan fluida menurun) dan perpindahan kalor menuju atau dari lingkungan. Gambar 2.9 Siklus Ideal Kompresi Uap pada diagram p-h.
Diagram T-s siklus aktual kompresi uap diilustrasikan pada Gambar 2.10.
Pada siklus ideal kompresi uap, refrigeran meninggalkan evaporator dan
masuk ke dalam kompresor dalam wujud uap jenuh (saturated vapour). Pada
prakteknya, bagaimanapun juga tidak mungkin mengendalikan fase refrigeran
dengan amat akurat. Akan lebih mudah dengan merancang sistem mesin
pendingin yang mampu membuat refrigeran mendekati wilayah superheated atau
panas lanjut pada pipa saluran masuk menuju kompresor. Rancangan tersebut
dapat dipastikan mampu membuat refrigeran sepenuhnya menguap saat memasuki
kompresor. Dengan merancang pipa penghubung antara evaporator dengan
kompresor sangat panjang dapat menyebabkan gesekan yang besar pada fluida Gambar 2.10 Skema dan diagram T-s Siklus Aktual Kompresi Uap.
dan memperbesar peluang perpindahan kalor dari lingkungan ke refrigeran. Hasil
dari panas lanjut yaitu kalor yang diperoleh dari rancangan panjang pipa
meningkatkan specific volume. Peningkatan specific volume berarti peningkatan
konsumsi energi pada kompresor karena kerja aliran tetap proporsional dengan
specific volume (volume jenis).
Proses kompresi pada siklus ideal kompresi uap berlangsung internally
reversible, adiabatic, dan isentropic. Proses kompresi aktual bagaimanapun juga
melibatkan efek-efek gesekan yang meningkatkan entropy, dan perpindahan kalor
yang dapat meningkatkan maupun menurunkan nilai entropy tergantung pada
arahnya. Oleh karena itu, nilai entropy di dalam dapat meningkat (1-2) atau
menurun (1-2’) selama proses aktual kompresi berlangsung tergantung pada
pengaruh apa yang dominan. Proses kompresi 1-2’ menjadi lebih diharapkan
daripada proses kompresi isentropic karena volume jenis refrigeran dan konsumsi
kerja input lebih kecil. Oleh karena itu, refrigeran perlu didinginkan selama proses
kompresi berlangsung karena cara ini lebih praktis dan ekonomis untuk dilakukan.
Pada siklus ideal kompresi uap, refrigeran diasumsikan meninggalkan
kondensor pada fase cair jenuh (saturated liquid). Pada kenyataannya, tak dapat
dihindari terjadinya penurunan tekanan refrigeran di dalam kondensor, pipa
penghubung kompresor dan kondensor, dan pipa penghubung kondensor dengan
pipa kapiler. Selain itu, tidak mudah juga melakukan proses kondensasi secara
akurat yang menghasilkan refrigeran dalam fase cair jenuh dan tidak diharapkan
pula untuk mengalirkan refrigeran ke dalam pipa kapiler saat refrigeran belum
lanjut sebelum mengalir ke dalam pipa kapiler. Proses pendinginan lanjut ini tidak
hanya menguntungkan dalam hal proses pengembunan, tetapi juga membuat nilai
enthalpy refrigeran rendah sehingga mampu menyerap kalor lebih banyak dari
ruang yang hendak didinginkan.
2.1.6 Refrigeran
Refrigeran adalah fluida kerja pada mesin pendingin dengan siklus
kompresi uap. Ada bermacam-macam jenis refrigeran dengan karakteristiknya
masing-masing. Karakteristik refrigeran meliputi hubungan suhu dan entropi
cairan dan uap jenuh. Sistem pendinginan memakai refrigeran dengan berbagai
karakteristik tergantung tujuan pendinginannya. Karakteristik refrigeran dapat
dilihat juga pada diagram hubungan tekanan dan enthalpy, tekanan dan volume,
atau enthalpy dan entropy. Pada prakteknya, enthalpy merupakan salah satu sifat
penting dari refrigeran yang harus diketahui karena dengan mengetahui nilai
entalpi, nilai tekanan akan lebih mudah ditentukan.
Pada penelitian ini, peneliti menggunakan dua kategori refrigeran, yaitu
refrigeran primer (primary refrigerant) dan refrigeran sekunder (secondary
refrigerant). Refrigeran primer adalah fluida kerja utama yang digunakan di
dalam siklus kompresi uap, sedangkan refrigeran sekunder adalah fluida kerja
berupa cairan yang digunakan untuk membawa energi kalor yang bersuhu rendah
dari satu lokasi ke lokasi lain. Nama lain dari refrigeran sekunder adalah cairan
2.1.6.1 RefrigeranPrimer
Refrigeran termasuk dalam kelompok senyawa halokarbon yang
mempunyai satu atau lebih atom dari salah satu unsur halogen, yaitu klorin,
fluorin, dan bromin. Sistem penomoran di dalam kelompok halocarbon mengikuti
pola berikut. Angka pertama dari kanan adalah jumlah atom fluorin di dalam
ikatan. Angka kedua dari kanan adalah jumlah atom hidrogen di dalam ikatan
ditambah satu. Angka ketiga dari kanan adalah jumlah atom karbon di dalam
ikatan dikurang satu. Bila bilangan ketiga berharga nol, diperbolehkan. Berikut ini
adalah tabel senyawa halokarbon beserta bilangan, nama kimia, dan rumus
kimianya.
Tabel 2.1 Beberapa refrigeran halokarbon
Ketentuan
Penomoran +
11 trikloromonofluorometana CCl3F
12 diklorodifluorometana CCl2F2
13 monoklorotrifluorometana CClF3
22 monoklorodifluorometana CHClF2
40 metil klorida CH3Cl
113 triklorotrifluoroetana CCl2FCClF2
114 diklorotetrafluoroetana CClF2CClF2
Nama Kimia Rumus Kimia
Sumber: Refrigeration and Air Conditioning oleh W. F. Stoecker dan J. W. Jones, 1982
Banyak refrigeran terdahulu merupakan senyawa anorganik dan masih
Tabel 2.2 Beberapa refrigeran anorganik
(+ dua angka terakhir menyatakan berat molekul)
Sumber: Refrigeration and Air Conditioning oleh W. F. Stoecker dan J. W. Jones, 1982
Senyawa-senyawa hidrokarbon juga cocok digunakan sebagai refrigeran,
khususnya untuk kebutuhan industri kimia dan petrokimia. Beberapa refrigeran
dalam jenis ini dimuat dalam Tabel 2.3.
Tabel 2.3 Beberapa refrigeran hidrokarbon K etentuan
(+ Ketentuan penomoran mengikuti prinsip yang sama dengan skema halokarbon) Sumber: Refrigeration and Air Conditioning oleh W. F. Stoecker dan J. W. Jones,
1982
Refrigeran juga dapat berupa azeotrop. Azeotrop dua substansi adalah campuran
yang tak dapat dipisahkan menjadi komponen-komponennya dengan cara distilasi.
Azeotrop menguap dan mengembun sebagai suatu substansi tunggal yang
sifat-sifatnya berbeda dengan unsure pembentuknya. Azeotrop yang paling banyak
dikenal adalah adalah refrigeran R-502. R-502 merupakan campuran dari 48,8
persen R-22 dan 51,2 persen R-115. Sifat-sifat refrigeran jenuh R-502 dimuat
Pemilihan refrigeran perlu dipertimbangkan dengan baik sesuai dengan
karakteristik refrigeran yang akan digunakan. Beberapa refrigeran yang lazim
digunakan akan dibahas secara singkat di dalam sub bab ini. Contoh refrigeran
yang lazim digunakan adalah udara, ammonia, karbon dioksida, R-11, R-12, R-22,
dan R-502.
Udara lazim digunakan sebagai refrigeran untuk sistem pendingin di
dalam pesawat terbang. Sistem udara yang ringan menjadi kompensasi bagi nilai
COP yang rendah. Berbeda pada instalasi-instalasi temperatur rendah di
industri-industri besar yang umumnya menggunakan ammonia (NH3). Untuk mesin-mesin pendingin makanan, refrigeran yang digunakan adalah karbon dioksida (CO2). Karbon dioksida digunakan untuk pembekuan dengan metode sentuhan langsung
pada makanan. Tekanan pengembunannya yang tinggi membatasi penggunaannya
hanya pada suhu rendah (dalam sistem Cascade), sedangkan untuk bagian suhu
tinggi digunakan refrigeran jenis lain.
11 digunakan pada kompresor sentrifugal bersama dengan 113.
R-12 digunakan di dalam mesin pendingin untuk kebutuhan rumah tangga dan
otomotif. Dalam pertimbangan biaya, penggunaan R-22 lebih murah
dibandingkan dengan penggunaan R-12. Oleh karena itu, R-22 juga telah banyak
mengambil alih peranan R-12. Jenis refrigeran baru yang memiliki karakteristik
menyerupai R-22 adalah R-502. R-502 memiliki kelebihan dibandingkan R-22
pada sifatnya terhadap minyak dan suhu buang (discharge temperature) yang
2.1.6.2 Refrigeran Sekunder
Refrigeran sekunder adalah fluida yang mengangkut kalor dari bahan
yang ingin didinginkan ke evaporator pada sistem refrigerasi. Refrigeran sekunder
mengalami perubahan temperatur apabila menyerap kalor tetapi tidak mengalami
perubahan fase. Fluida yang sering digunakan pada sistem refrigerasi adalah
larutan garam (brine) dan larutan anti beku (anti freeze). Larutan-larutan tersebut
memiliki temperatur beku atau titik beku di bawah 0˚C.
Beberapa larutan yang biasa digunakan sebagai refrigeran sekunder
adalah larutan air dan ethylene glycol, propylene glycol, atau calcium chloride.
Propylene glycol memiliki keistimewaan tidak berbahaya apabila bersentuhan
dengan bahan makanan. Pada penelitian ini, refrigeran sekunder yang digunakan
adalah ethylene glycol.
Pada Gambar 2.11 ditunjukan hubungan antara prosentase berat dengan
titik beku ethylene glycol. Kurva titik beku menunjukan bahwa larutan dua macam
komponen tersebut mempunyai titik beku yang lebih rendah daripada titik beku
masing-masing bahan. Pada Gambar 2.12 ditunjukan fase yang dapat terjadi dan
Gambar 2.11 Titik beku larutan-larutan ethylene glycol
Sumber: Refrigeration and Air Conditioning oleh W. F. Stoecker dan J. W. Jones, 1982
Gambar 2.12 Diagram fase larutan anti beku.
Pada gambar tersebut dapat dilihat bagaimana kondisi larutan anti beku
bila terus menerus didinginkan saat berada pada temperatur A dan konsentrasi M.
Larutan tersebut akan tetap berupa cairan hingga suhunya turun mencapai B.
Pendinginan selanjutnya akan menghasilkan salju setengah cair yang disebut
slush, yang merupakan campuran antara air dan es. Larutan anti beku yang berada
pada kondisi C berkonsentrasi sendiri hingga membekukan sejumlah air menjadi
es. Persentase es dan cairan di dalam campuran tersebut pada kondisi C
dinyatakan dengan persamaan (2.14) dan (2.15).
% = × 100 (2.14)
% = × 100 (2.15)
2.1.7 Komponen-komponen Mesin Pendingin dengan Siklus Kompresi Uap
Sub bab ini memuat beragam contoh komponen-komponen mesin
pendingin dengan siklus kompresi uap beserta penjelasannya secara sederhana.
Komponen-komponen tersebut adalah kompresor, kondensor, pipa kapiler,
expansion valve (katup ekspansi), dan evaporator.
2.1.7.1 Kompresor
Jenis kompresor yang digunakan pada tiap jenis mesin pendingin ada
beragam. Misalnya pada kulkas atau freezer, jenis kompresor yang sering
digunakan adalah kompresor semi-hermetic, sedangkan pada AC (Air
torak, kompresor rotari). Berbeda dengan jenis kompresor yang digunakan pada
chiller di dalam sistem Air Handling Unit (AHU), yaitu kompresor sentrifugal.
Gambar 2.13 Hermetic compressor (section view 2D)
Gambar 2.14 Hermetic compressor (section view 3D)
Sumber: http://www.ref-wiki.com
Gambar 2.15 Semi-hermetic compressor (section view 2D)
Gambar 2.16 Semi-hermetic compressor (section view 3D)
Sumber: http://3.bp.blogspot.com
Gambar 2.17 Kompresor pada mobil.
2.1.7.2 Kondenser
Kondenser merupakan salah satu komponen mesin pendingin yang
berfungsi melepaskan kalor dari sistem ke lingkungan di sekitar sistem. Proses
pelepasan kalor tersebut dapat diuraikan menjadi dua proses, yaitu proses
penurunan suhu refrigeran dari gas panas lanjut ke gas jenuh dan proses
penurunan suhu dari gas jenuh ke cair jenuh. Kedua proses penurunan suhu
refrigeran tersebut berlangsung pada tekanan konstan, sedangkan proses
perubahan fase gas ke fase cair (pengembunan atau kondensasi) terjadi pada
temperatur konstan.
Gambar 2.18 a. Kondensoruntuk mobil; b. Kondensoruntuk freezer
Sumber: http://macsworldwide.files.wordpress.com dan http://ccgwr.globalimporter.net/
a.
2.1.7.3 Pipa kapiler dan katup ekspansi
Pipa kapiler maupun katup ekspansi mempunyai fungsi yang sama yaitu
menurunkan tekanan kerja refrigeran sebelum memasuki evaporator. Penurunan
tekanan dapat terjadi akibat gesekan antara fluida (refrigeran) dengan permukaan
pipa bagian dalam. Diameter pipa yang umum digunakan adalah 2,6 mm hingga
2,8 mm. proses penurunan tekanan refrigeran diasumsikan terjadi pada nilai
entalpi konstan. Fase refrigeran pada saat memasuki pipa kapiler adalah fase cair
jenuh, namun setelah keluar dari pipa kapiler fasenya berubah menjadi fase
campuran gas dan cair.
Gambar 2.19 Pipa kapiler (capillary tube)
2.1.7.4 Evaporator
Seperti halnya dengan komponen mesin pendingin yang lain, evaporator
pun mempunyai beragam jenis dan bentuk sesuai dengan jenis mesin
pendinginnya. Pada dasarnya, fungsi evaporator tetaplah sama, yaitu untuk
menguapkan refrigeran dengan menyerap kalor dari benda atau ruangan yang
hendak didinginkan. Berikut ini ada dua macam contoh evaporator. Gambar 2.20 Thermal Expansion Valve (TXV)
Sumber: http//:hvactutorial.wordpress.com
a.
Gambar 2.21 a. AC evaporator; b. Fridge evaporator
2.1.8 Daya Listrik
Daya adalah nilai untuk melakukan suatu kerja atau sebanding dengan
banyaknya energi yang diserap atau digunakan. Jika suatu kerja W dikerjakan
dalam waktu t, maka daya rata-rata yang diserap selama selang waktu t dinyatakan
dalam persamaan (2.16) berikut ini.
=
(2.16)Dengan P adalah daya dalam satuan watt (W), W adalah besarnya usaha atau kerja
yang diserap dalam satuan joule (J), dan t adalah selang waktu saat daya
dilakukan dalam satuan second (detik).
Energi yang diserap ketika muatan q dipindahkan melalui beda potensial
V adalah qV. Apabila sejumlah energi diserap pada waktu t, maka besarnya daya
dinyatakan dalam persamaan (2.17).
= = = = (2.17)
2.1.9 Efisiensi Hukum Kedua Termodinamika (ηII)
Pada sub-bab 2.1.1 Siklus Carnot dan Siklus Balik Carnot dicantumkan
persamaan untuk menentukan unjuk kerja mesin atau COPR, rev yaitu dinyatakan pada Persamaan (2.4). Perhitungan COPR, rev berdasarkan pada hukum pertama Termodinamika saja, sehingga COPR, rev juga didefinisikan sebagai efisiensi hukum pertama Termodinamika. Efisiensi hukum pertama Termodinamika
Sebagai contoh, perhatikan Gambar 2.22 berikut ini. Sekilas, kedua
mesin memiliki kemampuan konversi energi menjadi sejumlah kerja yang sama
atau mempunyai efisiensi yang sama berdasarkan hukum pertama
Termodinamika. Akan tetapi, setelah ditinjau menggunakan hukum kedua
Termodinamika, terlihat bahwa mesin A mempunyai efisiensi yang lebih baik
daripada mesin B. Efisiensi hukum kedua Termodinamika merupakan pengukuran
unjuk kerja mesin kalor berkaitan dengan unjuk kerja mesin pada kondisi
reversible.
Berdasarkan contoh pada Gambar 2.22 tampak jelas bahwa mesin B
memiliki potensi kerja lebih besar daripada potensi kerja mesin A, yaitu η sama
dengan 70%. Kemudian dapat disimpulkan bahwa unjuk kerja mesin B tidak lebih
baik daripada mesin A karena setelah dihitung dengan Persamaan 2.18 Gambar 2.22 Dua mesin kalor yang memiliki efisiensi termal sama, namun
efisiensi termal maksimum berbeda.
