Universitas Mercubuana 4
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Sistem Pendingin (Refrigerasi)
Teknik pendingin (refrigerasi) adalah suatu ilmu yang mempelajari suatu sistem pendingin dengan jalan perpindahan panas dari suatu tempat yang bertemperatur rendah ke suatu tempat yang bertemperatur lebih tinggi. Secara garis besar teknik pendingin (refrigerasi) bertujuan antara lain :
a. Untuk mengurangi atau menurunkan temperature dari suatu zat.
b. Mengubah phasa suatu zat dari suatu keadaan menjadi keadaan lain, misalnya :
Uap → Air → Es
c. Memelihara suatu zat atau ruangan di dalam suatu kondisi tertentu.
Teknik pendingin (refrigerasi) dapat di manfaatkan pada berbagai bidang, antara lain :
1. Industri :
a. Gudang pendingin
b. Industri pembuatan balok Es 2. Rumah tangga (domestic)
a. Pengkondisisan udara unit (AC) b. Lemari/ruang pendingin (kulkas) 3. Sistem pengkondisian udara
Universitas Mercubuana 5 b. Transpotasi laut
c. Hotel
2.2 Evaporator
Gambar 2.1 Evaporator
2.2.1 Beberapa Macam Evaporator
Evaporator adalah alat penukar kalor yang memegang peranan penting dalam siklus refrigerasi, yaitu mendinginkan media sekitarnya. Pada evaporator terjadi proses penguapan dimana refrigerant berubah dari fasa cair menjadi fasa uap. Proses ini terjadi serentak dengan penyerapan panas dari udara dan objek pendingin sekitar evaporator, sehingga suhu udara dan objek pendingin menjadi turun.
1. Evaporator Jenis Ekspansi Kering
Dalam jenis ekspansi kering, cairan refrigeran yang diekspansikan melalui katub ekspansi, pada waktu masuk kedalam evaporator sudah dalam keadaan
Universitas Mercubuana 6 campuran cair dan uap, sehingga keluar dari evaporator dalam keadaan uap kering. Oleh karena sebagian besar dari evaporator terisi oleh uap refrigerant, maka perpindahan kalor yang terjadi tidak terlalu besar jika dibandingkan dengan keadaan dimana evaporator terisi oleh refrigerant cair. Akan tetapi evaporator jenis ekspansi kering tidak memerlukan refrigerant dalam jumlah besar. Disamping itu jumlah minyak pelumas yang tertinggal didalam evaporator sangat kecil.
2. Evaporator Jenis Ekspansi Setengan Basah
Evaporator jenis setengah basah adalah evaporator dengan kondisi refrigerant diantara evaporator jenis ekspansi kering dan evaporator jenis ekspansi basah. Dalam evaporator ini selalu terdapat refrigerant cair dalam pipa penguapnya. Oleh karena itu, laju perpindahan kalor dalam evaporator jenis setengah basah lebih tinggi dari pada jenis ekspansi kering, tetapi lebih rendah dari pada yang diperoleh dari jenis setengah basah.
Pada jenis ekspansi kering, refrigerant masuk dari bagian atas koil, sedangkan pada evaporator jenis setengah basah refrigerant dimasukan dari bagian bawah koil evaporator.
3. Evaporator Jenis Ekspansi Basah
Dalam evaporator jenis basah sebagian besar dari evaporator terisi oleh cairan refrigerant. Proses penguapannya terjadi seperti pada ketel uap. Gelembung refrigerant yang terjadi karena pemanasan akan naik, pecah pada permukaan cairan atau terlepas dari permukaannya. Sebagian refrigarant kemudian masuk kedalam akumulator yang memisahkan uap dari cairan. Maka refrigerant yang ada dalam bentuk uap sajala yang masuk kedalam kompressor. Bagian refrigerant cair
Universitas Mercubuana 7 yang dipisahkan didalam akumulator akan masuk kembali kedalam evaporator, bersama-sama dengan refrigerant (cair) yang berasal dari kondensor.
Jadi, tabung evaporator terisi oleh cairan refrigerant. Cairant refrigerant menyerap kalor dari fluida yang hendak didinginkan, yang mengalir didalam pipa. Uap refrigerant yang terjadi dikumpulkan dibagian atas dari evaporator sebelum masuk ke kompressor.
Tinggi permukaan cairan refrigerant yang ada didalam evaporator diatur oleh katub pelampung, biasanya sedikit lebih tinggi dari setengah tinggi tabung. Jumlah refrigran yang dimasukkan kedalam tabung evaporator disesuaikan dengan beban pendinginan yang harus dilayani.
2.2.2 Perpindahan Kalor di Dalam Evaporator
Jumlah kalor yang diserap oleh refrigerant dari benda atau fluida yang hendak didinginkan, dapat dituliskan sebagai :
atau ( pers.1 )
Dimana :
Q = Jumlah kalor yang diserap oleh refrigerant dalam evaporator ( kapasitas pendingin dari evaporator ) (kcal/jam)
K = Koefisien perpindahan kalor (kcal/ ) A = Luas bidang perpindahan kalor (
Universitas Mercubuana 8
2.2.3. Kapasitas Evaporator
Kapasitas evaporator biasanya dinyatakan dalam watt. Agar dapat memindahkan energi panas sesuai dengan keinginan, maka permukaan perpindahan panas evaporator harus mempunyai kapasitas perpindahan panas yang cukup, agar semua refrigerant yang akan diuapkan di dalam evaporator dapat berlangsung dengan optimal dan menghasilkan pendinginan yang maksimum pula. Pemindahan panas yang berlangsung di evaporator dapat terjadi dalam dua cara, yaitu konveksi dan konduksi.
Maka dapat dihitung koefisien pendingin (ho), dimana sifat –sifat refrigerant ditentukan pada suhu film (tc) :
tf = 2
1 tEvap
t
( pers.2 )
Menurut J. P. Holman (1991) koefisien diluar pipa (h0) :
h0 = 0,62
4 / 1 1 3 . . . . 4 , 0 . T d T Cpg hfg g k g f g ( pers.3 ) g = density refrigerant fasa uap
f
= density refrigerant fasa cair
k = konduktivitas panas
hfg = panas laten penguapan
Cpg = panas jenis refrigerant fasa uap pada tekanan konstan d0 = 0,01 m
Universitas Mercubuana 9 di = 0,02 m g = gravitasi = 9,81 m/s2 = viskositas t = t1 - teva
Besaran bilangan renold tergantung berapa besarnya kecpatan aliran fluida diluar pipa. Untuk aliran fluida dalam selongsong, kecepatan harus cukup tinggi untuk menghasilkan kecepatan turbulen, sebab keadaan ini memberikan perpindahan panas yang lebih baik. Sehingga bilangan renoldnya :
Re = . .di v ( pers.4 ) Maka : Nu = C x Re0,8 x Prn ( pers.5 )
Dimana : C = kostanta bilangan Nu = 0,023
Sehingga koefisien perpindahan panas dalam pipa (hi) :
hi = Nu 1 d k
Menurut J. P. Holman (1991) factor pengotoran pipa (1/hff = 0,000176 m2 0C/W), sehingga koefisien total refrigerant dan udara (U0) adalah :
i i o i o m o o o h d d hff x d d d k d t h U . . . 1 1 ( pers.6 )
Universitas Mercubuana 10 Untuk mencari nilai LMTD nya adalah sebagai berikut :
LMTD =
out eva
eva in eva out eva in t t t t t t t t ln ( pers.7 )Dimana: tin = temperature udara masuk evaporator Teva = temperature evaporator
Tout = temperature udara keluar evaporator Luas penampang : Ak = LMTD U Q o kond . ( pers.8 ) Np = LMTD d Ak . 0 ( pers.9 ) L T
Gambar 2.2 Tabung baris segaris
Sehingga panjang pipa (L) : L = (Ak + Np ) d0
Lebar = jumlah pipa tiap baris x 3 xOD Tinggi = jumlah pipa tiap baris x 3 xOD
Universitas Mercubuana 11
2.3 Pemilihan Siklus Refrigerasi
Dalam siklus refrigerasi, refrigerant dalam menjalankan fungsinya sebagai fluida kerja mengalami perubahan phasa dari cair menjadi uap, kemudian dari phasa uap kembali menjadi phasa cair, sehingga merupakan suatu siklus aliran yang tertutup, kecuali siklus refrigerasi yang menggunakan udara sebagai refrigerannya, dimana phasa refrigerant tetap dalam phasa gas.
Berdasarkan proses yang dialami refrigerant, siklus dapat di bedakan atas : 1. Siklus refrigerasi kompresi uap (Vapor compression refrigeration cycle) 2. Siklus refrigerasi pancaran uap (steam jet refrigeration cycle)
3. Siklus refrigerasi udara (air refrigeration cycle)
4. Siklus refrigerasi penyerapan (absorbtion refrigeration cycle)
2.3.1 siklus refrigerasi kompresi uap (Vapor compression refrigeration cycle)
Pada sistem ini kompressor mengkompresikan dalam phasa uap sehingga tekanan dan temperaturnya naik, sehingga refrigerant mudah mengembun (kondensasi) di dalam kondensor. Lalu tekanan dan temperatur di turunkan oleh katup ekspansi agar cairan tersebut dapat menguap kembali (evaporasi), sambil menyerap panas dari objek yang di inginkan, siklus dari aliran refrigerant tersebut dapat kita lihat pada gambar 2.3 dalam menjalankan fungsinya refrigerant mengalami proses :
a. Evaporasi (penguapan) di evaporator b. Kompressi (pemompaan) di kompressor c. Kondensasi (pengembunan) di kondensor d. Ekspansi (penurunan tekanan) di katup ekspansi
Universitas Mercubuana 12
Gambar 2.3 siklus kompresi uap
2.3.2. Siklus refrigerasi pancaran uap (steam jet refrigeration cycle)
Pada sistem ini digunakan pancaran uap yang berasal dari ketel uap melewati nozel yang merubah (mengkonversikan) energi tekanan uap menjadi energi kinetis sehingga dapat menarik kabut air dari flash chamber dan menguapkan di evaporator sambil menyerap panas dari air yang berada di ruang flash chamber sehingga temperature air ini turun. Berarti dalam hal ini kabut air yang berubah menjadi uap berfungsi sebagai refrigerant. Pancaran uap dari ketel uap dan refrigerant uap akan bercampur dan di tekan kedalam kompressor sehingga terjadi kondensasi (pengembunan), air kondensat di pompakan ke ketel uap. Gambar 2.4 menunjukan siklus dari system pancaran uap tersebut.
Universitas Mercubuana 13 7 b a 2 3 4 c 5 7 8 Refrigerant ke II 6 1 Ke boiler
Gambar 2.4 Siklus pancaran uap Keterangan gambar :
1. Nozel a. Pancaran Uap air dari boiler
2. Evaporator b. Pancaran air dari flash chamber
3. Tenggorok c. Air kondensat
4. Reducer 5. Kondensor
6. Pompa air kondensat 7. Pompa air pendingin 8. Flash chamber
2.3.3. Siklus refrigerasi udara (air refrigeration cycle)
Sistem pendingin ini berbeda dengan system pendingin lainya, yaitu selama proses pendinginan refrigerant tetap berbentuk gas. Refrigerant udara menghasilkan koefisien prestasi (COP) yang rendah, tetapi system ini cocok digunakan padapesawat udara kerena ringan.
Universitas Mercubuana 14 Ruangan yang
didinginkan
kompressor
Air pendingin keluar Air pendingin masuk Cooler
Proses yang di alami refrigerann adalah kompressi, pendingin (cooling) dan ekspansi (penurunan tekanan).Gambar 2.3 menunjukkan siklus dari refrigerasi udara.
Gambar 2.5 siklus udara
2.3.4. Siklus refrigerasi penyerapan (absorbtion refrigeration cycle)
Siklus refrigerasi penyerapan dapat dilihat pada gambar 2.4. dalam siklus ini digunakan penyerapan untuk menyerap refrigerant yang di uapkan didalam evaporator, sehingga menjadi suatu larutan absorbs. Pada system ini kompressor tidak digunakan dan sebagai gantinya digunakan absorbs dan generator. Larutan absorbs tersebut dimasukkan kedalam sebuah generator untuk memisahkan refrigerant dari larutan absorbsi tersebut dengan cara di panaskan.
Dalam menjalankan fungsinya refrigerant mengalami proses: a. Pemanasan di generator
b. Pemisahan di separator c. Pengembunan di kondensor
Universitas Mercubuana 15 d. Penyerapan di absorber
Gambar 2.6 Siklus penyerapan satu sasaran
Dari ke empat siklus di atas, siklus yang digunakan dalam analisa ini adalah siklus refrigerasi kompressi uap. Adapun alasannya adalah :
a. Perawatannya mudah b. Kontruksinya sederhana
c. Daya yang dibutuhkan lebih kecil
d. Kapasitas pendingin dari ukuran kecil sampai besar
2.4. Siklus Pendingin / Siklus Refigerasi
Siklus refrigerasi adalah siklus kerja yang mentransfer kalor dari media bertemperatur rendah ke media bertemperatur tinggi dengan menggunakan kerja dari luar sistem. Secara prinsip merupakan kebalikan dari siklus mesin kalor (heat
engine). Dilihat dari tujuannya maka alat dengan siklus refrigerasi dibagi menjadi
dua yaitu refrigerator yang berfungsi untuk mendinginkan media dan heat pump yang berfungsi untuk memanaskan media
Universitas Mercubuana 16 Ilustrasi tentang siklus pendingin / siklus refrigerasi.
Gambar 2.7 Refrigerasi/ siklus pendingin
Siklus refrigerasi kompresi mengambil keuntungan dari kenyataan bahwa fluida yang bertekanan tinggi pada suhu tertentu cenderung menjadi lebih dingin jika dibiarkan mengembang. Jika perubahan tekanan cukup tinggi, maka gas yang ditekan akan menjadi lebih panas daripada sumber dingin diluar (contoh udara diluar) dan gas yang mengembang akan menjadi lebih dingin daripada suhu dingin yang dikehendaki. Dalam kasus ini, fluida digunakan untuk mendinginkan lingkungan bersuhu rendah dan membuang panas ke lingkungan yang bersuhu tinggi.
Ilustrasi Siklus Refrigerasi Kompresi Uap.
Universitas Mercubuana 17 1 – 2. Cairan refrigeran dalam evaporator menyerap panas dari sekitarnya, biasanya udara, air atau cairan proses lain. Selama proses ini cairan merubah bentuknya dari cair menjadi gas, dan pada keluaran evaporator gas ini diberi pemanasan berlebih/ superheated gas.
2 – 3. Uap yang diberi panas berlebih masuk menuju kompresor dimana tekanannya dinaikkan. Suhu juga akan meningkat, sebab bagian energi yang menuju proses kompresi dipindahkan ke refrigeran.
3 – 4. Superheated gas bertekanan tinggi lewat dari kompresor menuju kondenser. Bagian awal proses refrigerasi (3-3a) menurunkan panas superheated gas sebelum gas ini dikembalikan menjadi bentuk cairan (3a-3b). Refrigerasi untuk proses ini biasanya dicapai dengan menggunakan udara atau air. Penurunan suhu lebih lanjut terjadi pada pekerjaan pipa dan penerima cairan (3b - 4), sehingga cairan refrigeran didinginkan ke tingkat lebih rendah ketika cairan ini menuju alat ekspansi.
4 - 1 Cairan yang sudah didinginkan dan bertekanan tinggi melintas melalui peralatan ekspansi, yang mana akan mengurangi tekanan dan mengendalikan aliran menuju
2.4.1 Definisi Entropi dan Entalpi
Entropy adalah ukuran tingkat ketidakpastian suatu zat dengan tinjauan molekuler. Entropy merupakan sifat dari zat karena itu tidak tergantung proses. salah satu besaran termodinamika yang mengukur energi dalam sistem per satuan temperatur yang tak dapat digunakan untuk melakukan usaha. Mungkin manifestasi yang paling umum dari entropi adalah (mengikuti hukum
Universitas Mercubuana 18 termodinamika), entropi dari sebuah sistem tertutup selalu naik dan pada kondisi transfer panas, energi panas berpindah dari komponen yang bersuhu lebih tinggi ke komponen yang bersuhu lebih rendah. Pada suatu sistem yang panasnya terisolasi, entropi hanya berjalan satu arah (bukan proses reversibel/bolak-balik). Entropi suatu sistem perlu diukur untuk menentukan bahwa energi tidak dapat dipakai untuk melakukan usaha pada proses-proses termodinamika. Proses-proses ini hanya bisa dilakukan oleh energi yang sudah diubah bentuknya, dan ketika energi diubah menjadi kerja/usaha, maka secara teoritis mempunyai efisiensi maksimum tertentu. Selama kerja/usaha tersebut, entropi akan terkumpul pada sistem, yang lalu terdisipasi dalam bentuk panas buangan.
Pada termodinamika klasik, konsep entropi didefinisikan pada hukum kedua termodinamika, yang menyatakan bahwa entropi dari sistem yang terisolasi selalu bertambah atau tetap konstan. Maka, entropi juga dapat menjadi ukuran kecenderungan suatu proses, apakah proses tersebut cenderung akan "terentropikan" atau akan berlangsung ke arah tertentu. Entropi juga menunjukkan bahwa energi panas selalu mengalir secara spontan dari daerah yang suhunya lebih tinggi ke daerah yang suhunya lebih rendah.
Entropi termodinamika mempunyai dimensi energi dibagi temperatur, yang mempunyai Satuan Internasional joule per kelvin (J/K). Secara matematis, perubahan entalpi dapat dirumuskan sebagai berikut:
ΔH = ΔU + PΔV di mana:
H = entalpi sistem ( joule ) U = energi internal ( joule )
Universitas Mercubuana 19 P = tekanan dari sistem ( Pa )
V = volume sistem ( m3 )
Entalpi = H = Kalor reaksi pada tekanan tetap = QpPerubahan entalpi adalah perubahan energi yang menyertai peristiwa perubahan kimiapada tekanan tetap.
Entalpy adalah ukuran ketidakteraturan sistem atau secara sederhana bisa dikatakansebagai derajat ketidakberaturan atau derajat kehancuran.Sebuah proses alami yang bermula di dalam satu keadaan kesetimbangan dan berakhir didalam satu keadaan kesetimbangan lain akan bergerak di dalam arah yang menyebabkanentropi dari sistem dan lingkungannya semakin besar".Jika entropi diasosiasikan dengan kekacauan maka pernyataan hukum keduatermodinamika di dalam proses-proses alami cenderung bertambah ekivalen denganmenyatakan, kekacauan dari sistem dan lingkungan cenderung semakin besar.
2.5. Penjelasan Beberapa Jenis Refrigeran
Refrigeran adalah suatu media pendingin di dalam mesin pendingin yang berfungsi sebagai pemindahan panas. Panas yang di pindahkan tersebut diambil dari tempat yang bertemperatur rendah ( Evaporator ) ke tempat yang bertemperatur lebih tinggi ( Kondensor ). Pemilihan refrigeran pada suatu mesin pendingin merupakan faktor yang sangat penting, karena hal ini akan mempengaruhi efisiensi dari mesin pendingin tersebut. Adapun syarat-syarat umum untuk refrigeran adalah :
1. Tidak beracun dan tidak berbau merangsang
2. Tidak dapat terbakar atau meledak bila bercampur dengan udara, pelumas dan sebagainya
Universitas Mercubuana 20 3. Tidak menyebabkan korosi terhadap bahan logam yang dipakai pada
sistem pendingin
4. Bila terjadi kebocoran mudah dicari
5. Mempunyai titik didih dan tekanan kondensasi yang rendah
6. Mempunyai susunan kimia yang stabil, tidak terurai setiap kali dimampatkan, diembunkan dan diuapkan
7. Perbedaan antara tekanan penguapan dan tekanan pengembunan (kondensasi )
8. Mempunyai panas laten penguapan yang besar, agar panas yang diserap evaporator sebesar-besarnya
9. Tidak merusak tubuh manusia 10. Konduktivitas thermal yang tinggi
11. Viskositas dalam fase cair maupun fase gas rendah agar tahanan aliran refrigeran dalam pipa sekecil mungkin
12. Konstanta dielektrika dari efrigeran tahanan listrik yang besar, serta tidak menyebabkan korosi pada material isolator listrik
Universitas Mercubuana 21
Gambar 2.9 Refrigeran R – 134 a dan R – 12
2.5.1 Sifat Regfrigeran.
Dalam pemilihan refrigeran, sifat refrigeran yang penting antara lain sifat termodinamika, kimia, dan fisik. Sifat termodinamika yang penting antara lain titik didih, tekanan penguapan dan pengembunan, tekanan dan suhu kritis, titik
Universitas Mercubuana 22 beku, volume uap, COP, tenaga per ton refrigerasi. Sifat kimia berhubungan dengan reaksi refrigeran terhadap keadaan sekitar, antara lain tidak mudah terbakar, tidak beracun, tidak bereaksi dengan air, minyak dan bahan konstruksi. Sedangkan sifat fisik refrigeran berhubungan dengan bahan itu sendiri,antara lain konduktivitas dan kekentalan.
Sifat-sifat refrigeran antara lain :
Tekanan penguapan harus cukup tinggi sebab dapat dihindari kemungkinan terjadinya vakum pada evaporator dan turunnya efisiensi volumetrik karena naiknya perbandingan kompresi
Tekanan pengembunan yang tidak terlampau tinggi, apabila tekanan pengembunannya terlalu rendah, maka perbandingan kompresinya menjadi lebih rendah, sehingga penurunan prestasi kondensor dapat dihindarkan, selain itu dengan tekanan kerja yang lebih rendah, mesin dapat bekerja lebih aman karena kemungkinan terjadinya kebocoran, kerusakan, ledakan dan sebagainya menjadi lebih kecil.
Kalor laten penguapan harus tinggi, refrigerant yang mempunyai kalor laten penguapan yang tinggi lebih menguntungkan karena untuk kapasitas refrigerasi yang sama, jumlah refrigerant yang bersirkulasi menjadi lebih kecil
Volume spesifik ( terutama dalam fasa gas ) yang cukup kecil, Refrigerant dengan kalor laten penguapan yang besar dan volume spesifik gas yang kecil (berat jenis yang besar) akan memungkinkan penggunaan kompresor dengan volume langkah torak yang lebih kecil. Dengan demikian untuk kapasitas refrigerasi yang sama ukuran unit refrigerasi yang bersangkutan
Universitas Mercubuana 23 menjadi lebih kecil Koefisien prestasi harus tinggi, dari segi karakteristik termodinamika dari refrigerant, koefisien prestasi merupakan parameter yang terpenting untuk menentukan biaya operasi.
Konduktivitas termal yang tinggi, konduktivitas termal sangat penting untuk menentukan karakteristik perpindahan kalor.
dapat dihindari kemungkinan terjadinya vakum pada evaporator dan turunnya efisiensi volumetrik karena naiknya perbandingan kompresi Tekanan pengembunan yang tidak terlalu tinggi, apabila tekanan
pengembunannya terlalu rendah, maka perbandingan kompresinya menjadi lebih rendah, sehingga penurunan prestasi kondensor dapat dihindarkan, selain itu dengan tekanan kerja yang lebih rendah, mesin dapat bekerja lebih aman karena kemungkinan terjadinya kebocoran, kerusakan, ledakan dan sebagainya menjadi lebih kecil.
Dengan kalor laten penguapan yang besar dan volume spesifik gas yang kecil (berat jenis yang besar) akan memungkinkan penggunaan kompresor dengan volume langkah torak yang lebih kecil. Dengan demikian untuk kapasitas refrigerasi yang sama ukuran unit refrigerasi yang bersangkutan menjadi lebih kecil.
Viskositas yang rendah dalam fasa cair maupun fasa gas, dengan turunnya tahanan aliran refrigeran dalam pipa, kerugian tekanannya akan berkurang Konstanta dielektrika dari refrigerant yang kecil, tahanan listrik yang
besar, serta tidak menyebabkan korosi pada material isolator listrik.
Refrigerant hendaknya stabil dan tidak bereaksi dengan material yang dipakai, jadi juga tidak menyebabkan korosi.
Universitas Mercubuana 24 Refrigerant tidak boleh beracun.
Refrigerant tidak boleh mudah terbakar dan mudah meledak.
Sebaiknya refrigerant menguap pada tekanan sedikit lebih tinggi dari pada tekanan atmosfir. Dengan demikian dapat dicegah terjadinya kebocoran udara luar masuk sistem refrigerant karena kemungkinan adanya vakum pada seksi masuk kompresor (pada tekanan rendah).
Titik didih refrigerant merupakan salah satu faktor yang sangat penting:
Refrigerant yang memiliki titik didih rendah biasanya dipakai untuk keperluan operasi pendinginan temperatur rendah (refrigerasi)
Refrigerant yang memiliki titik didih tinggi digunakan untuk keperluan pendinginan temperatur tinggi (pendinginan udara).
Titik didih refrigerant merupakan indikator yang menyatakan apakah refrigerant dapat menguap pada temperatur rendah yang diinginkan, tetapi pada tekanan yang tidak terlalu rendah.
Tekanan atmosfir. Dengan demikian dapat dicegah terjadinya kebocoran udara luar masuk sistem refrigerant karena kemungkinan adanya vakum pada seksi masuk kompresor (pada tekanan rendah).
Titik didih refrigerant merupakan indikator yang menyatakan apakah refrigerant dapat menguap pada temperatur rendah yang diinginkan, tetapi pada tekanan yang tidak terlalu rendah. Dari segi termodinamika R12, R22, R114, R500, R502, R717, R718, R134-a, ammonia dapat dipakai untuk daerah suhu yang luas, dari keperluan pendinginan udara sampai ke refrigerasi. Sifat termofisik dari beberapa refrigerant disajikan pada tabel 2.1
Universitas Mercubuana 25
Tabel 2.1 Sifat termofisik Beberapa Refrigerant
Parameter R-12 R-22 R-114 R-500 R-502 R-717 R-718 R-134a Simbol kimia CCl2F2 CHClF2 CClF2 - - NH3 H20 CF3CH2F Berat molekul 120.9 86.5 170.9 99.29 112 17 18 102,03 Titik didih ( 0 C, 1 atm) -29.8 -40.8 3.6 -33.3 -45.6 -33.3 100 -26,1 Titik beku (0C, 1 atm) -157.8 -160.0 -77.8 -103,3 Cp/Cv (g) 1.13 1.18 1.31 1.40 Suhukritik (0C) 112.2 96.1 132.8 101,1 Tekanankritik (kPa) 4115.7 4936.1 1423.4 4060 Panas l laten penguapan (kJ/kg) 161.7 217.7 1314.2 217,2
Sumber : google, Refrigerasi dan Pengkondisian Udara, W.F. Stoecker Dan Jerold W. Jones
2.5.2 Atribut Lingkungan dan Atribut Kerja
Pemilihan refrigerant lainnya dibuat berdasarkan atribut kerja dan lingkungan. Atribut kerja refrigerant adalah sifat yang berkaitan dengan penggunaan refrigerant. Sifat ini dibandingkan dengan beban kerja yang sama atau suhu evaporasi dan suhu kondensasi yang sama. Sifat yang dibandingkan antra lain COP, efek pendinginan, serta tekanan kondensasi dan evaporasi. Tabel
Universitas Mercubuana 26 2.2 menampilkan karakteristik termodinamik sejumlah refrigerant dengan suhu Evaporator -150C dan suhu Kondensor 300C
Tabel 2.2 Karakteristik Termodinamika Sejumlah Refrigerant
Refrigerant Tekanan evaporasi (kPa) Tekanan kondensasi (kPa) Rasio tekanan Efek refrigerasi (kJ/kg) Laju aliran massa per kW refrigerasi (L/det) COP 11 20.4 125.5 6.15 155.4 4.9 5.03 12 182.7 744.6 4.08 116.3 0.782 4.7 22 295.8 1192.1 4.03 162.8 0.476 4.66 502 349.6 1308.6 3.74 106.2 0.484 4.37 717 236.5 1166.6 4.93 1103.4 0.462 4.76 134-a 666.1 1473 4,7 3.43
Sumber : Hal 281, Refrigerasi dan Pengkondisian Udara, W.F. Stoecker Dan Jerold W. Jones.
Tabel 2.3 Penggunan Refrigerant
Refrigerant Inorganik Penggunaan
Amonia (NH3) Untuk cold storage, pabrik es, pendinginan bahan pangan
Air (H2O) Pendinginan tipe ejektor
CO2 Sebagai karbondioksida padat atau es kering dan hanya digunakan untuk refrigerasi angkutan
Universitas Mercubuana 27 Refrigerant 11 (CCL3F) Pendinginan dengan kompresor sentrifugal untuk
sistem AC berkapasitas besar
Refrigerant 12 (CCL2F) Pendinginan dengan kompresor piston untuk refrigerasi unit kecil terutama water cooler, kulkas Refrigerant 22 (CHCLF2) Pendinginan dengan kompresor tipe piston untuk
unit refrigerasi kapasitas besar seperti pengemasan dan central AC
Refrigerant 502 Untuk bahan pangan beku dalam kabinet, terutama untuk pendinginan di pasar swalayan
Refrigerant 134-a (CF3CH2F)
Untuk pendinginan bahan pangan dan kendaraan otomotif.
Sumber : Google, Refrigerasi dan Pengkondisian Udara, W.F. Stoecker Dan Jerold W. Jones
Berikut ini adalah pengulangan ringkas tentang penggunaan utama sejumlah refrigeran
1. Udara
Penggunaan umum udara sebagai refrigeran adalah dipesawat terbang, sistem udara ringan menjadi kompensasi bagi COP-nya yang rendah.
2. Ammonia (R-717)
Instalasi-instalasi suhu rendah pada industri besar kebanyakan menggunkan amonia. Banyak sistem ammonia yang baru, mulai untuk digunakan pada setiap tahun.
Universitas Mercubuana 28 Refrigeran ini kadang-kadang digunakan untuk pembekuan dengan cara sentuhan langsung dengan bahan makanan. Tekanan pengembunannya yang tinggi biasanya membatasi penggunaannya hanya pada bagian suhu rendah dalam sistem kaskada (cascade), yang untuk bagian suhu tingginya digunakan refrigeran lain.
4. Refrigeran 11
Bersama dengan refrigeran 113, refrigeran ini populer untuk sistem-sistem kompressor sentrifugal.
5. Refrigeran 12
Refrigeran ini terutama digunakan dengan kompressor torak untuk melayani rumah tangga dan didalam pengkondisian udara kendaraan otomotif.
6. Refrigeran 22
Karena biaya kompressor dapat lebih murah jika menggunakan refrigeran 22 dibandingkan dengan refrigeran 12, maka refrigeran ini telah banyak mengambil alih peranan refrigeran 12 untuk keperluan pengkondisian udara. 7. Refrigeran 502
Ini adalah jenis refrigeran yang terbaru, dengan sejumlah keuntungan seperti yang dimiliki refrigeran 22, tetapi mempunyai kelebihan dari sifatnya terhadap minyak, dan suhu buang (discharge temperature) yang lebih rendah dibanding dengan refrigeran 22.
2.6. Pengaruh Refrigerant Terhadap Permasalahan Lingkungan Global
Permasalahan lingkungan global adalah persoalan kerusakan lingkungan hidup yang dampaknya dirasakan di seluruh wilayah di bumi (global). Penyebab kerusakan lingkungan tersebut bisa saja berasal dari satu lokasi tetapi dampaknya
Universitas Mercubuana 29 dirasakan di tempat lain atau di seluruh tempat di muka bumi. Saat ini terdapat dua masalah lingkungan global yang dianggap paling mengancam kehidupan di muka bumi yaitu penipisan lapisan ozon dan efek pemanasan global.
Rusaknya lapisan ozon disebabkan karena banyaknya zat-zat sintetik buatan manusia yang digunakan dalam berbagai aplikasi industri. Zat-zat yang umumnya berbentuk gas tersebut terlepas ke atmosfir dan merusak lapisan ozon yang ada di stratosfer. Zat yang dilepas di Indonesia dapat mengakibatkan rusaknya lapisan ozon di tempat lain. Dengan demikian masalah ini dianggap sebagai masalah global dan penanganannya juga harus dilakukan secara global dan bersama-sama oleh seluruh rakyat di berbagai negara.
Pengaruh terhadap permasalah lingkungan ini ditunjukkan dengan istilah ODP ( Ozone Depletion potential ) dan GWP ( Global Warming Potential ). Contoh beberapa refrigeran dengan tingkat ODP dan GWP tertentu.
Universitas Mercubuana 30 Sehingga sesuai dengan protokol montreal dan konvensi tentang pemanasan global maka di masa yang akan datang refrigeran yang akan digunakan adalah tingkat ODP = 0 dan GWP = 0.
2.6.1 Kerusakan Lapisan Ozon
a. Lapisan atmosfer bumi
Lapisan atmosfer yang menyelimuti bumi dapat dibagi menjadi lima lapisan atmosfer. Lapisan tersebut dari yang terendah (dekat permukaan bumi) sampai tertinggi berturut-turut adalah troposfer, stratosfer, mesosfer, termosfer dan eksosfer. Kelima lapisan atmosfer tersebut memiliki karakter yang berlainan dan bervariasi sesuai ketinggiannya dari permukaan bumi.
Gambar 2.10 Lapisan atmosfer bumi (UNDP-KLH, 2007)
b.Manfaat lapisan ozon
Lapisan ozon yang melindungi makhluk di bumi dari sengatan sinar Ultra Violet B dan C yang berbahaya. Konsentrasi ozon tertinggi terdapat di lapisan
Universitas Mercubuana 31 stratosfer yang berjarak 25 - 30 km. Lapisan ozon berada dalam situasi kritis manakala konsentrasinya turun di bawah 220 DU (Dobson Unit). Hipotesis mengenai rusaknya lapisan ozon akibat gas chlorofluoromethane (atau dikenal juga dengan nama chlorofluorocarbon = CFC) pertama kali disampaikan oleh Rowland dan Molina pada tahun 1974 di Jurnal Nature . Verifikasi kerusakan lapisan ozon ini mencapai puncaknya manakala Farman et al . (1985) mempublikasikan hasil pengukuran yang menunjukkan rendahnya konsentrasi ozon di atas antartika di jurnal yang sama. Istilah ozone hole berkembang sejak saat itu.
Gambar 2.11 Manfaat lapisan ozon (Bratasida, 2003; KLH, 2003)
Ozon adalah zat yang terdiri dari tiga atom oksigen, sedangkan molekul gas oksigen hanya terdiri dari dua atom oksigen serta bersifat sebagai senyawa pengoksidasi kuat.
Universitas Mercubuana 32
Gambar 2.12 Distribusi ozon di atmosfer (UNDP-KLH, 2007)
Lapisan ozon sebenarnya hanyalah merupakan suatu ungkapan, karena sesungguhnya ozon di atmosfer tidak membentuk suatu lapisan tersendiri, tetapi terdapat dan tersebar di dalam lapisan troposfer dan stratosfer antara ketinggian 0 - 50 km di atas permukaan bumi dengan konsentrasi yang bervariasi. Jika seluruh ozon yang terdapat pada tiang atmosfer di atas suatu lokasi pada permukaan bumi dikumpulkan di permukaan bumi pada temperatur 0 C dan tekanan 1 atm maka akan diperoleh suatu lapisan ozon dengan ketebalan tertentu. Ketebalan lapisan ozon yang didapat ini menyatakan jumlah ozon dalam atmosfer di atas tempat tersebut. Setiap ketebalan 0,01 mm lapisan ozon tersebut dinyatakan sebagai satu dobson unit. Ketebalan lapisan ozon rata-rata 260 DU. Jika ketebalan lapisan ozon kurang dari 220 DU maka dikatakan telah terjadi lubang ozon (penipisan lapisan ozon) di tempat tersebut.
c.Reaksi pembentukan dan penguraian ozon.
Molekul gas oksigen (O ) yang ada di bagian atas lapisan stratosfer terkena radiasi ultra ungu dalam intensitas tinggi yang berasal dari radiasi surya sehingga
Universitas Mercubuana 33 terurai menjadi dua atom oksigen bebas (radikal oksigen). Radikal oksigen ini dapat mengalami beberapa kemungkinan reaksi yaitu :
Bereaksi dengan molekul oksigen sehingga kembali membentuk molekul ozon.
Menarik satu atom oksigen dari molekul ozon sehingga terbentuk dua molekul oksigen , atau
Bereaksi dengan radikal oksigen dan membentuk molekul oksigen.
Rekasi pembentukan dan penguraian ozon secara alami di lapisan stratosfer ini menyerap banyak energi sinar ultra ungu, sehingga mengurangi intensitasnya yang sampai ke permukaan bumi. Dengan kata lain lapisan ozon yang terdapat di atmosfer melindungi bumi dari sinar ultra ungu intensitas tinggi. Jumlah ozon di atmosfer berkurang akibat adanya zat-zat sintetis buatan manusia yang merusak. Zat-zat tersebut disebut bahan perusak ozon (BPO). Diantara BPO tersebut adalah refrigeran CFC. Proses perusakan lapisan ozon oleh .
CFC yang sangat stabil dan tidak mudah bereaksi dengan zat apapun, menyebabkan zat ini mampu naik sampai ke lapisan stratosfer. Pada lapisan ini terdapat radiasi sinar ultra ungu dengan intensitas tinggi yang berasal dari matahari. Radiasi yang kuat ini mampu memutuskan ikatan atom-atom chlor pada CFC. Atom chlor yang terputus akan menjadi radikal bebas yang sangat reaktif dan akan bereaksi dengan ozon yang banyak terdapat di stratosfer. Rekasi ini menyebabkan ozon rusak dan terurai menjadi molekul chlorin monoksida (ClO).
Universitas Mercubuana 34 Ilustrasi kerusakan Ozon (O3)
Gambar 2.13 Proses kerusakan ozon oleh klorin (KLH, 2007).
dan molekul oksigen (O2) Molekul chlorin monoksida (ClO) masih bersifat radikal dan bereaksi dengan atom oksigen (O2) yang seharusnya dapat membentuk ozon dengan molekul oksigen (O2). Reaksi ini mengakibatkan tercegahnya pembentukan ozon (O3 ). Hasil reaksi adalah molekul oksigen (O2) dan atom chlor (Cl). Atom chlor ini menjadi radikal lagi dan kembali akan merusak ozon yang lain. Reaksi ini terjadi berulang-ulang sehingga satu atom chlor dapat merusak puluhan ribu molekul ozon. Disamping itu puluhan ribu ozon juga gagal terbentuk sebagai akibat digandengnya atom oksigen (O) oleh chlorin monoksida (ClO) Karena banyaknya molekul CFC yang terlepas ke atmosfer maka jumlah ozon semakin lama semakin berkurang dan timbul lubang ozon khususnya di daerah kutub dan utamanya di kutub selatan.
d.Lubang ozon
Universitas Mercubuana 35 bersepakat dalam Konvensi Wina (1985) yang selanjutnya menghasilkan Protokol Montreal (1987) untuk mengurangi emisi gas-gas yang berpotensi merusak lapisan ozon. Dua gas utama yang merusak lapisan ozon adalah gas chlorine yang utamanya berasal dari senyawa CFC dan gas bromine yang utamanya berasal dari senyawa methyl bromide dan halon. Pemerintah Indonesia telah turut meratifikasi Konvensi Wina dan Protokol Montreal berikut amandemen-amandemennya melalui beberapa Keputusan Presiden.
Gambar 2.14 Lubang ozon (KLH, 2008)
Sementara itu, sejak diketemukannya fenomena penipisan lapisan ozon, luas daerah yang memiliki konsentrasi ozon kurang dari 220 DU terus membesar Untuk Tahun 2004, NASA melaporkan bahwa lubang ozon di atas kutub selatan telah mencapai 28 juta km , yang berarti lebih dari dua kali lipat luas antartika itu sendiri (atau lebih besar dari daratan Amerika Utara). Jika hal ini tidak segera ditanggulangi, tidak tertutup kemungkinan bahwa lubang ozon ini bisa menjadi
Universitas Mercubuana 36 malapetaka global bagi kehidupan di muka bumi.
Gambar 2.15 Ketebalan Lapisan Ozon
CFC pada umumnya digunakan di sektor pendingin (refrigerasi), busa pelarut/pembersih ( solvent ), dan zat pendorong ( propellant ) seperti pada parfum. Saat ini, pengguna CFC terbesar adalah pada sektor refrigerasi. CFC, seperti R-12 atau Freon 12, masih banyak digunakan pada pendingin udara (AC) kendaraan dan chiller (mesin pendingin udara pada gedung). CFC jenis R-11 juga masih banyak digunakan pada chiller. Masyarakat bisa berperan besar dalam program perlindungan lapisan ozon ini dengan menggunakan produk-produk yang tidak menggunakan CFC. Di Indonesia, pemerintah akan menghentikan import CFC pada akhir tahun 2007. Karena tidak ada satu pun industri yang menghasilkan CFC di tanah air, maka penghentian import CFC akan menyebabkan kelangkaan CFC di dalam negeri. Hal ini perlu segera diantisipasi oleh para pengguna CFC; antara lain dengan menggunakan bahan-bahan non-CFC dan berbagai teknologi yang tidak menggunakan CFC.
Universitas Mercubuana 37 e.Bahaya akibat adanya lubang ozon
Jika lapisan ozon rusak atau terjadi lubang ozon maka radiasi sinar ultra ungu (UV-B) dengan intensitas tinggi akan mencapai permukaan bumi. Radiasi intensitas tinggi (UV-B) inilah yang berbahaya dan mematikan, terutama terhadap kehidupan organisme bersel satu seperti bakteria dan protozoa. Jika dosisnya berlebihan maka mikroorganisme seperti plankton akan terhambat seluruh kegiatannya, hal ini sangat berbahaya terhadap kesetimbangan ekosistem mengingat plankton adalah sumber makanan kehidupan laut.
Kerusakan mata Penurunan Produktivitas tanaman
Kangker kulit ekosistem laut
Gambar 2.16 Dampak kerusakan lapisan ozon (KLH, 2007)
2.6.2 Pemanasan Global
Sinar matahari yang berhasil menerobos atmosfir (setelah sebagiannya langsung dipantulkan oleh atmosfir ke angkasa) sebagian akan dipantulkan oleh permukaan
Universitas Mercubuana 38 bumi ke atmosfir dan sebagiannya lagi akan diserap oleh permukaan bumi. Terserapnya sinar matahari tersebut akan memanaskan permukaan bumi dan menyebabkan permukaan tersebut mampu memancarkan energi ke atmosfir (berupa sinar infra merah yang memiliki panjang gelombang relatif besar). Keberadaan Gas Rumah Kaca (GRK) menyebabkan tidak semua sinar infra merah yang dipancarkan bumi bisa lolos ke angkasa, sebagian besar sinar tersebut diserap oleh GRK dan selanjutnya dipancarkan kembali ke permukaan bumi Proses tersebut berulang dan menyebabkan kenaikan temperatur bumi. Gas Rumah Kaca (GRK) pada dasarnya berfungsi menjaga temperatur bumi pada tingkat yang sesuai untuk kebutuhan makhluk hidup. Ketiadaan, atau kurangnya, GRK akan menyebabkan temperatur di permukaan sebuah planet akan sangat rendah (seperti permukaan Mars yang memiliki temperatur rata-rata -50 C);0 namun terlalu banyak GRK juga akan menyebabkan kenaikan temperatur (seperti permukaan Venus yang temperatur rata-ratanya 420 C). Syukur kepada Tuhan bahwa kecukupan GRK di bumi menyebabkan temperatur rata-rata bumi berada pada kisaran yang sesuai untuk kehidupan, yakni sekitar 15 C (Hamilton dalam Indartono, 2007).
Selimut yang terlalu tebal dan rapat menyebabkan ketidaknyamanan Lonjakan jumlah GRK di atmosfer bumi tidak saja menimbulkan ketidaknyamanan, namun berpotensi menyebabkan bencana global. Dalam Konvensi PBB tentang Perubahan Iklim, beberapa jenis gas telah diidentifikasi sebagai GRK, yakni karbondioksida (CO ), dinitroksida (N O), metana (CH ), sulfurheksafluorida (SF ), perfluorocarbon (PFCs), dan hidrofluorocarbon (HFCs).
Universitas Mercubuana 39 Setiap gas rumah kaca mempunyai potensi pemanasan global ( Global Warming Potential - GWP) yang diukur secara relatif berdasarkan emisi CO dengan nilai 1. Makin besar nilai GWP makin bersifat merusak. Berdasarkan perhitungan untuk beberapa tahun belakangan ini dapat disimpulkan bahwa kontribusi CO terhadap pemanasan global mencapai lebih dari 60% (Mimuroto and Koizumi, 2003).
Gambar 2.17 Kontribusi gas rumah kaca terhadap pemanasan global
Berdasarkan uraian diatas dalam penelitian ini yang dimaksud dengan unjuk kerja (COP) mesin pendingin adalah besarnya energi yang berguna, yang ditunjukkan oleh perbandingan antara efek refrigerasi (ER) sistem dengan kerja (Wk) yang dibutuhkan untuk mengkompresi refrigeran di kompresor Efek refrigerasi (ER) merupakan selisih dari enthalpi sisi buang (h1) dengan enthalpi sisi isap (h4) pada evaporator. Sedangkan kerja kompresi (Wk) adalah selisih dari enthalpi sisi buang (h2) dengan enthalpi sisi isap (h1) pada kompresor. Secara matematis dirumuskan sebagai berikut :
Untuk kerja = Efer Refrigerasi COP = ER = h1 – h4 Kerja kompresor WK h2 – h1
Universitas Mercubuana 40 Data yang diperoleh pada hasil pengujian adalah data primer berupa data tekanan (P, psig), temperatur (T, C), frekwensi (f, Hz), tegangan (V, volt), kelembaban evaporator (Rh, %), Arus (I, Ampere), didapat dengan jalan pengukuran langsung pada setiap kali jenis pengujian, yaitu pengujian pada massa optimum.
Berdasarkan data hasil pengukuran tekanan (P) dan tempertur (T) pada masing-masing titik pengujian pada mesin pendingin dan dengan bantuan P-h diagram refrigeran CFC (R-12) kita dapat menentukan besaran enthalpi (h) pada masing-masing titik. Data akan diolah dan dianalisis dengan menggunakan sifat- sifat termodinamika refrigeran CFC (R-12) untuk dapat menentukan besarnya unjuk kerja (COP) mesin pendingin (AC mobil). Berdasarkan hasil pengujian konsumsi arus listrik kompresor untuk masing-masing refrigeran CFC hasil recovery dan recycle dengan CFC murni, akan dapat diketahui konsumsi daya listrik kompresor untuk refrigeran hasil recovery dan recycle dan refrigeran murni . Selanjutnya efisiensi energi dari mesin pendingin (AC mobil) dapat ditentukan .
