sistem refrigerant

BABI
PENDAHULUAN

1.1. Refrigerasi

Refrigerasi adalah metode pengkondisian temperatur ruangan agar tetap berada di bawah temperatur lingkungan. Karena temperatur mangan yang terkondisi tersebut selalu berada di bawah temperatur lingkungan, maka ruangan akan menjadi dingin, sehingga refrigerasi dapat juga disebut dengan metode pendinginan.

Metode pendinginan (refrigerasi) ini akan berhasil dengan menggunakan bantuan zat refrigerant. Refrigerant akan bertindak sebagai media penyerap dan pemindah panas dengan cara merubah fasanya. Refrigerant adalah suatu zat yang mudah berubah fasanya dari cair menjadi uap dan sebaliknya apabila kondisi tekanan dan temperaturnya diubah.

1.2. Manfaat Refrigerasi

Operasi refrigerasi mempunyai manfaat yang banyak, antara lain:

1.    Pengkondisian udara pada mangan          dalam bangunan/rumah, sehingga
temperatur di dalam bangunan/rumah lebih dingin dibanding di luar rumah.

2.    Pengolahan/transportasi/penyediaan        bahan-bahan       makanan/minuman
menjadi legis terhadap aktivitas mikro organisme.

3.      Pembuatan batu es dan dehidrasi gas dalam skala besar .

4.      Pemurnian minyak pelumas pada industri minyak bumi.

5.      Melangsungkan reaksi-reaksi kimia pada temperatur rendah.

6.      Pemisahan terhadap komponen-komponen hidrokarbon yang mudah menguap.

7. Pencairan gas untuk mendapatkan gas mumi (02 dan N2).

BAB II
PERALATAN - PERALATAN POKOK REFRIGERASI

Operasi refrigerasi butuh suatu mesin yang disebut dengan refrigerator. Refrigerator merupakan kumpulan serangkaian peralatan, seperti:

1.  Kompressor.

2.  Kondensor.

3 Akumulator.

4.  Mesin ekspansi / katup ekspansi.

5.  Evaporator.

II.1. Kompressor

Kompressor adalah alat yang digunakan untuk menghisap uap refrigerant dan mengkompresinya sehingga tekanan uap refrigerant naik sampai ke tekanan yang diperlukan untuk pengembunan (kondensasi) uap regrigerant di dalam kondensor. Kompressor ini digerakkan oleh sumber tenaga dari mesin penggerak, seperti:

·            Motor listrik

·            Motor bakar

·            Diesel

·            Mesin uap

·            Turbin gas

Pada kompressor, berlaku persamaan neraca energi;

- W kompressor = ∆H

W kompressor = H1 – H2

Karena kompressi, fluida kerja (uap refrigerant) terkompressi menjadi naik entalpinya (H2 > H J, sehingga dapat dikatakan energi dari sumber digunakan untuk menaikkan entalpi fluida kerja.

II.2.  Kondensor

Kondensor merupakan alat penukar panas yang berguna untuk mendinginkan uap refrigerant dari kompressor agar dapat mengembun menjadi cairan. Pada saat pengembunan ini, refrigerant mengeluarkan sejumlah kalori (panas pengembunan) yang mana panas ini diterima oleh media pendingin di dalam kondensor.

II.3.  Akumulator

Merupakan alat yang berguna untuk mengumpulkan cairan refrigerant yang berasal dari kondensor. Dengan adanya alat ini akan memudahkan pengaturan stock dari total refrigerant.

II.4.  Mesin Ekspansi atau Katup Ekspansi

Mesin atau katup ekspansi ini berfungsi untuk menurunkan tekanan dari cairan refrigerant sebelum masuk ke evaporator, sehingga akan memudahkan refrigerant menguap di evaporator dan menyerap kalori (panas) dari media yang did i ng in ka n.

II.5.  Evaporator

Juga merupakan alat penukar panas. Refrigerant cair dengan tekanan rendah setelah proses ekspansi, diuapkan dalam alat ini. Untuk penguapan refrigerant cair ini tentunya diperlukan sejumlah kalori, yang mana diambil dari media yang akan didinginkan oleh sistem refrigerasi. Misalnya pada mesin Air Conditioning (AC), media yang didinginkan adalah udara di dalam ruangan (kamar). Begitu pula pada kulkas, media yang didinginkan adalah ruangan dalam kulkas dan segala sesuatu yang berada dalam kulkas. Uap refrigerant yang terbentuk di evaporator langsung dihisap oleh kompressor, demikian seterusnya mengulangi langkah pertama tadi sehingga membentuk suatu siklus, yang disebut dengan siklus refrigerasi.

BAB III
SIKLUS-SIKLUS REFRIGERASI

III. I. PrinsiRp/ Esensi Refrigerasi

Agar didapatkan kondisi temperatur selalu berada di bawah temperatur lingkungan, maka temperatur rendah yang diperoleh tersebut harus dijaga dengan cara menyerap panas yang dimiliki waduk/ reservoar / ruangan bertemperatur

rendah secara kontinu. Untuk itu diperlukan suatu proses aliran panas yang berasal dari ruangan ini secara kontinu.

Penyerapan panas dilakukan dengan cara penguapan ( evaporasi) refrigerant cair. Refrigerant ini akan menguap pada evaporator pada tekanan evaporasi, untuk itu refrigerant harus memiliki titik didih yang rendah. Panas yang diserap uap refrigerant ini dibuang / dilepas pada ruangan bertemperatur tinggi (kondensor). Uap refrigerant ini secara kontinu dikembalikan ke keadaan awalnya (refrigerant cair) agar dapat menyerap panas dari ruangan temperatur rendah lagi. Untuk itu perlu suatu proses siklus, yang disebut dengan situs refrigerasi.

Esensi dari siklus refrigerasi ini adalah pemindahan kalori / panas dari ruangan temperatur rendah ke ruangan temperatur tinggi. Agar proses pemindahan panas ini terjadi, perlu adanya kompensasi / pengorbanan energi dari luar / ekstemal energi (menurut Hukum II Thermodinamika). Energi ekstemal tersebut dipasok oleh kompressor.

Siklus refrigerasi terdiri dari langkah-langkah:

1.      Penyerapan panas pada ruangan temperatur rendah, oleh refrigerant cair pada evaporator.

2.      Kompressi uap refrigerant pada kompressor.

3.      Pembuangan / pelepasan panas pada ruangan temperatur tinggi, oleh refrigerant pada kondensor.

4.      Ekspansi, pengembalian kondisi uap refrigerant seperti semula (refrigerant cair), oleh mesin atau katup ekspansi.

III.2. lstilah-lstilah Penting Pada Refrigerasi

1.      Situs refrigerasi adalah apabila yang menjadi tujuan adalah pemindahan panas dari ruangan temperatur rendah.

Contoh : kulkas, AC.

2.      Situs pompa kalor adalah apabila yang menjadi tujuan adalah penerimaan  panas yang mana panas tersebut berasal dari ruangan, bertemperatur renda h.

Contoh : Pompa kalor sebagai penghangat ruangan.

3.      Efek Refrigerasi (Refrigerating Effect) adalah jumlah panas yang diserap diambil dari ruangan temperatur rendah.

4.      Efek Pemanasan (Heat Effect) adalah jumlah panas yang diterima oleh ruangan temperatur tinggi.

5. Ton Refrigerasi adalah laju efek refrigerasi pada suatu operasi pabrik refrigerasi (pabrik es), yang merupakan laju penyerapan panas sebesar 288.000 Btu per hari (24 jam).

1 ton refrigerasi         = 288.000 Btu / hari

= 200 Btu / menit

= 50 kkal / menit

III.3. Tipe- TiDe Siklus Refrigerasi

Ada beberapa tipe dari siklus refrigerasi, antara lain:

1.      Siklus refrigerasi carnot.

2.      Siklus refrigerasi udara.

3. Siklus kompressi uap, terdiri dari:

a.       Dengan mesin ekspansi.

b.       Dengan katup ekspansi (konvensional).

III.4. Siklus Refrigerasi Carnot

Merupakan kebalikan dari siklus mesin kalor carnot.

Terdiri dari 2 (dua) proses isothermal dan 2 (dua) proses adiabatis, dan penambahan energi ekstemal ke sistem.

Panas diserap pada temperatur rendah T2= Q2 Panas dibuang pada temperatur tinggi T1= Q1 Energi eksternal

Efek refrigenerasi        Q2 = T2 AS

Q1 = T1 AS

Menurut Hukum I Thermodinamika,

AU = AQ - W

Untuk panas siklus —* AU = 0, maka : AQ = W

Weksternal                   = Qakhir – Q awal

= Q1 - Q2

= T1 AS – T2 AS

W ekternal = (T1 –T2) AS

Coefisient of Performance, COP ;

Efek Refrigerasi

COP =

W eksternal

Q2                           T2 AS

=                                                              =

W eksternal                                  (T1 – T2) AS

T1 > T2

T2 COP = ----------- T1 – T2

III.5. Siklus Refrigerasi Udara

Pada siklus ini, udara bertindak sebagai refrigerant, yang menyerap panas pada tekanan konstan P, di dalam refrigerator. Udara panas keluar refrigerator, dikompressi untuk dibuang panasnya ke lingkungan melalui cooler pada tekanan konstan P2 (P2 > P1). Udara keluar cooler dikembalikan ke keadaan awal oleh mesin ekspansi untuk dapat melakukan langkah awal pada siklus berikutnya.

Diagram Alir Siklus Refrigenerasi Udara

Siklus terdiri dari langkah – langkah :

AB      =       udara panas dikompressi secara isentropis

BC      =      Udara panas membuang panasnya pada tekanan konstan P2 ke
lingkungan

CD = Udara dikembalikan ke keadaan awalnya melalui proses ekspansi pada mesin ekspansi. Selain terjadi penurunan tekanan dari P2 ke P1, juga dihasilkan sejumlah energi _Wekspansi. Energi ekspansi, Wekspansi, ini digunakan untuk sebagian kerja kompressi AB, kekurangan daya kompressi diperoleh dari Weksternal.

DA      =       Udara dingin menyerap panas dari ruangan rendah (refrigerator).

Misal   : m = kecepatan aliran refrigerant udara.

Panas diserap pada ruangan temperatur rendah (refrigerator), Q2

Q2 = m Cp (TA-TD)

Panas dibuang pada ruangan temperatur tinggi (cooler), Q1

Q1 = m Cp (TB-TC)

Energi ekstemal, Weksternal = Q1 -Q2

Weksternal                 = [mCp(TB-TC) – mCp (TA-TD)]

= m Cp [ ( TB -TC ) - ( TA - TD ) ]

Q2                        mCp(TA-TD)

COP = -------------  =                                            

^Weksternal                           m Cp [ ( TB – TC ) - ( TA -TD ) ]

TA-TB

=

(TB-TC) -(TA-TD)

Siklus refrigerasi udara ini disebut juga dengan siklus Bell-Coleman, pertama sekali digunakan sebagai dasar siklus mesin pendingin pada kapal laut yang mengangkut daging beku. Siklus pendingin ini sudah tidak memadai lagi karena kandungan uap air yang terdapat pada udara akan membeku selama proses ekspansi, sehingga membentuk batu es dan dapat menyumbat katup ekspansi.

Contoh Kasus Situs Refrigerasi Udara :

Suatu mesin pendingin menggunakan siklus Bell-Coleman, udara kelua ruang pendingin (refrigerator) pada tekanan 1 kg/cm², 10°C, lalu dikompressi sehingga tekanannya menjadi 5 kg/cm2. Udara terkompressi ini didinginkan pada tekanan tetap sampai temperatur 25°C di dalam cooler. Udara keluar cooler diekspansikan sampai ke tekanan ruang pendingin 1 kg/cm².

Pertanyaan : Nyatakan COP teoritis dan efek refrigerasi / kg udara secara teoritis. Asumsi : Proses kompressi dan ekspansi berlangsung secara isentropis. ã = 1,41 Cp = 0,241 kkal / kg °C

TA       =       10 °C =         283°K

TC       =       25 °C =         298°K

Dari persamaan : (TC/TD)     = (TB/TA)       =       (P2/P1) (ã-1)/ã

= (5/1) (1,41 – 1)/1,41

(TB/TA)      = 1,597

TB       = 452 °K

Dari persaman : (TC/TD)      = 1,597

TD       = 187 °K

Efek refrigasi /Kg udara = Q2

Q2      =       m Cp (TA – TD)

=         1 Kg (0,241)kkal/kg °C (283 – 187) °C

Q2      =       23,14 kkal/kg udara

panas dilepas pada cooler/kg udara = Q1

Q1      =       1kg (0,241) kkal/kg °C (452 –298) °C

=         37,11 kkal/kg udara

Weksternal / kg udara              = Q1 -Q2

= 13,97 kkal

Q2                           23,14

COP =

Wekstemal                                           13,97

COP = 1,66

III. 6. Siklus Kompressi Uap

Selama proses siklus, fluida kerja (refrigerant) diuapkan pada refrigerator karena menyerap panas pada temperatur konstan. Uap yang terbentuk dikompressi sehingga tekanannya menj adi naik. Uap refrigerant tekanan tinggi ini dialirkan ke kondensor, dengan berkondensasi panas akan dilepas ke lingkungan temperatur tinggi (kondensor). Langkah siklus disempurnakan dengan mengembalikan keadaan refrigerant ke keadaan awal melalui langkah ekspansi.

Untuk langkah ekspansi ini, dilakukan dengan 2 (dua) cara:

1. Dengan menggunakan mesin ekspansi.

Analisa Thermodinamika:

Panas diserap pada mangan temperatur rendah = Q2 Persamaan neraca energi:

∆H2

∆H + + ∆zg = Q2 - Ws
2

Pada refrigerator;

Perubahan energi-energi kinetik, potensial, dan kerja mekanis dapat d ia ba i ka n,

maka : ∆H = Q2

Q2 = HA -HD

Panas dilepas ke lingkungan temperatur tinggi = Q1 Dengan cara yang sama, pada kondensor didapat:

Q1 = ∆H = HB – Hc

Kerja ekstemal = Wekstemal

Weksternal = Q1 -Q2

= (HB – HC)- (HA - HD)

Q2

·            COP =

Wekstemal

HA-HD ·         COP = (HB - HC) - (HA - HD)

Di mana:

Entalpi uap refrigerant jenis pada P1.

Entalpi uap pada titik B, uap adalah superheated.

Entalpi uap jenuh pada tekanan kondensor + Cp ( T _sup -T sat). HE + Cp (T _sup -T sat)

T superheated dihitung dengan:

TSUP

SB = SA = SE + Cp 1n------

Tsat

HC       =       Entalpi cairan jenuh refrigerant pada P2.

HD       =       Entalpi pada titik D (uap basah) pada P1.

Jika siklus kompressi uap menggunakan katup ekspansi (proses isentropis), maka HC= HD, sehingga :

HA - HD COP = -------- HB - HA

Untuk kapasitas 1 ton refrigerasi:

Q2      =       12.000 Btu/jam        =       ( HA - HD) Btu/lbm refr.

12.000 Btu / jam                Ibm refr.

--------------------  =                                   =      m

HA - HD Btu/1bm rfer                 jam

12.000 m = ---------- HA - HD

m = Laju alir refrigerant per jam untuk 1 ton refrigerasi

12.000

Ata u,      m = ----------

Cp(TA.TD)

Contoh Kasus Siklus Kompressi Uap:

Suatu pabrik es memproduksi 250 ton es per hari, dengan menggunakan siklus kompressi uap, dengan NH3 sebagai refrigerant. Hitung kecepatan sirkulasi dari refrigerant, dan daya yang dibutuhkan untuk kompressi, jika temperatur evaporator dan kondensor adalah 32°F dan 70°F. Uap keluar evaporator adalah jenuh. COP dari pabrik adalah 3, dan efisiensi elektris mekanis = 90 %.

Data:

Entalpi NH3 pada 32°F (uapjenuh) = 621 Btu / Ibm Entalpi NH3 pada 70°F (liq. Jenuh) = 120,5 Btu / Ibm

Pembahasan:

32°F = 0°C

70°F = 21°C

621 Btu/1bm

HD                         =        120,5 Btu/1bm

·            Lajur alir refrigerant, m : Q2

m       = -----------

HA - HD

m        =        99,90 1bm/menit

·                   Kerja eksternal, Weksterna :

99,90 1bm/menit (621 – 120,5 ) Btu/1bm

Weksterna        =

3 x 0,90

1 HP

= 18.518,50 Btu/menit x -----------------

42,42 Btu/menit

Weksterna         = 436,55 HP

Ma ka

·                   Laju sirkulasi refrigerant   =          99,90 1bm/menit

·                   Daya untuk kompressi               =          436,55 HP

2.Sutau pabrik mempunyai instalasi pendingin kompressi uap konvensional dengan kapasitas 10 ton. Mesin pendiongin tersebut menggunakan air sebagai refrigrant. Temperatur pada evaporator dan konsendor adalah 40 °F dan 70°F. Uap keluar evaporator adalah jenuh dan proses kompressi adalah isentropis.

Hitunglah :

a.       Cop dan laju sirkulasi refrigerant.

b.       Apakah ada perbedaan COP dan laju sirkulasi refrigant denga siklus carnot.

Pembahasan

Kapasitas pabrik        =       10 ton

T2 =    40°F    =       C4,4 °C

T1 =    70°F    =       21,1°C

Cp =    0,5 Btu/1bm. °R

Dari total uap (saturated steam) :

Ha =    1078,6 Btu/ibm

HC =    38,05 Btu/1bm

HD =    HC      =       isentalpi        = 38,05 Btu/1bm

HE =    1091,5 Btu/1bm

SA =    2,1585 Btu/1bm. °R

SE =    2,0632 Btu/1bm. °R

I.        Menghitung COP dan m :

Tsat    =        TE      =       70 + 460       = 530°R

Tsup

SA       =        SB       =       SE + Cp 1n ------

Tsat

^Tsup

2 ,1585 =       2 ,0632 + 0,5 1n -----

Tsup = 641 °R                             530

HB      = HE + Cp (Tsup – Tsat)

= 1091,5 + 0,5 (641 –530) = 1147 Btu/1bm

HA - HD           1078,6 – 38,05

COP = -------  =                                 

HB - HA           1,47 – 1078,6

COP = 15,18

Laju sirkulasi refrigerant, m :

12000 x 10

m       =
(1078,6 – 38,05)

=         115,3 1bm/jam

40 + 460

II. COP Carnot = ---------------------------

(70 +460 ) – (40 – 460)

= 11, 67

Laju sirkulasi refrigerant tetap sama, yaitu 115,3 1bm/jam

BAB IV

KESIM PULAN

1.    Refrigerasi adalah   metode pendinginan ruangan dengan jalan menyerap
panas ruangan dengan ke lingkungan yang tempertaurnya lebih tinggi.

2.    Refririgant dengan     titik didih rendah digunakan sebagai media pembawa
panas tersebut

3.      Penyerapan dan pelepasan panas tersebut berlangsung dalam suatu siklus yaitu siklus refrigerasi.

4.      Siklus – siklus refrigerasi terdiri dari :

·            Siklus refregerasi carnot

·            Siklus refregerasi udara

·            Siklus refregerasi uap

DAFTAR PUSTAKA

Bett, Rowluism [dan] Saville. Thermodynamics for chemical engineers. London : The Artlone Press, [s.a]

Daubert. Chemical engineering thermodynamics.Singapore : Mc.Graw Hill, [s.a]

Smith [dan] Van Ness. Introduction to chemical engineering thermodynamics. Singapore : Mc. Graw Hill, [s,a]