BAB II TINJAUAN PUSTAKA. Tabel 2.1 Kelompok Aplikasi Mesin Refrigerasi

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 21 Mesin Refrigerasi Refrigerasi adalah suatu proses penyerapan panas dari suatu zat atau produ sehingga temperaturnya berada di bawah temperatur lingungan Mesin refrigerasi atau disebut juga mesin pendingin adalah mesin yang dapat menimbulan efe refrigerasi tersebut, sedangan refrigeran adalah zat yang digunaan sebagai fluida erja dalam proses penyerapan panas Secara umum bidang refrigerasi mencaup isaran temperatur sampai 123 K Sedangan proses-proses dan apliasi teni yang beroperasi pada isaran temperatur di bawah 123 K disebut riogenia (cryogenics) Pembedaan ini disebaban arena adanya fenomena-fenomena has yang terjadi pada temperatur di bawah 123 K dimana pada isaran temperatur ini gas-gas seperti nitrogen, osigen, hidrogen dan helium dapat mencair (Arora, C P, 2001) Tabel 21 Kelompo Apliasi Mesin Refrigerasi Jenis Mesin refrigerasi Refrigerasi Domesti Refrigerasi Komersial Refrigerasi Industri Refrigerasi transport Contoh Lemari es, dispenser air Pendingin minuman botol, box es rim, lemari pendingin supermaret Pabri es, cold storage, mesin pendingin untu industri proses Refrigerated truc, train and containers Pengondisian udara domesti dan omersial Chiller Mobile Air Conditiong (MAC) AC window, split, dan pacage Water cooled and air cooled chillers AC mobil Saat ini apliasi refrigerasi meliputi bidang yang sangat luas, mulai dari eperluan rumah tangga, pertanian, sampai e industri gas, petroimia, perminyaan dsb Berbagai jenis mesin refrigerasi yang beerja berdasaran berbagai proses dan silus dapat ditemui dalam prate Namun demiian yang paling banya digunaan adalah mesin refrigerasi silus ompresi uap, termasu untu penggunaan ulas, 4

2 AC ruangan dan endaraan Berdasaran apliasinya mesin refrigerasi dapat dielompoan seperti yang ditunjuan pada Tabel 21 (Pase, AD,Tandian, NP, Adriansyah W, 2004) Proses pengambilan/penyerapan energi tersebut terjadi di evaporator dengan laju perpindahan panas sebesar Q e Sedangan proses pembuangan energi dalam bentu panas e lingungan terjadi di ondensor dengan laju sebesar Q (Stoecer, WF and Jones, JW 1994) 22 Mesin Refrigerasi Silus Kompresi Uap Secara prinsip untu mendinginan suatu ruangan atau benda, ita harus mendeatan ruang atau benda tersebut dengan suatu permuaan atau fluida yang bertemperatur lebih rendah dari temperatur yang didinginan Dengan demiian energi dalam bentu panas dapat dipindahan dari ruang/benda e permuaan /fluida dingin Apabila diinginan agar fluida tida terbuang, fluida harus didauran melalui sistem sedemiian rupa, sehingga energi yang diambil dari ruang dingin dapat dibuang eluar/lingungan Proses pengambilan energi tersebut terjadi di evaporator dengan laju perpindahan panas sebesar Q e Sedangan proses pembuangan energi dalam bentu panas e seeliling tersebut aan terjadi di ondensor dengan laju sebesar Q Silus ompresi uap dibedaan antara silus ompresi uap ideal dan silus ompresi uap nyata Pada silus ompresi uap ideal proses berlangsung di dalamnya dengan ondisi ideal yang tida aan ditemuan dalam penerapannya, sedangan silus ompresi sebenarnya berlangsung pada silus ompresi uap nyata 221 Silus Kompresi Uap Ideal Secara umum ada dua bagian penting dalam silus ompresi uap yaitu : 1 Bagian yang berteanan tinggi mulai dari sisi eluar ompresor hingga sisi masu atup espansi 2 Bagian yang berteanan rendah mulai sisi eluar atup espansi hingga sisi masu ompresor Sebuah silus ompresi uap memilii empat omponen utama yaitu ompresor, ondensor, atup espansi dan evaporator, seperti digambaran pada gambar 21 5

3 Keempat omponen tersebut sealigus juga mewaili 4 proses termodinamia yang dialami oleh refrigeran pada silus ompresi uap ideal, yaitu : 1 Proses 1-2 : Kompresi isentropi (adibati dan reversibel) dari uap jenuh e teanan ondensasi 2 Proses 2-3 : Pelepasan panas reversibel pada teanan onstan sampai ondisi cair jenuh 3 Proses 3-4 : Espansi irreversibel pada entalpi onstan sampai teanan evaporasi 4 Proses 4-1: Pemasuan panas reversibel pada teanan onstan dari fasa campuran e tingat eadaan uap jenuh Pada silus ompresi uap jia pemanfaatannya adalah dari sisi evaporator dimana evaporasi berlangsung pada temperatur rendah (dingin) disebut mesin refrigerasi Sedangan jia pemanfaatannya adalah dari sisi ondensor dimana ondensasi berlangsung pada temperatur yang lebih tinggi (panas) disebut mesinpompa alor Sehingga penamaan silus ompressi uap tersebut selalu diiuti oleh fungsi yang dibawaannya a b Gambar 21 Silus Kompresi Uap Ideal Untu menyataan unju erja dari suatu silus ompressi uap, yang ditinjau dampa refrigerasi, laju pelepasan alor, erja ompressi, Coefficient of 6

4 Performance (COP) dan Performance Factor (PF), yang dapat dijelasan sebagai beriut (lihat gambar 21) : 1 Dampa Refrigerasi adalah besarnya panas yang dapat diserap oleh refrigeran persatuan massa Besarnya dihitung dengan selisih entalpi refrigeran masu dan eluar ondensor q e QE m (21) h 1 h 4 2 Kerja Kompresi adalah erja yang diterima oleh refrigeran untu tiap satuan massa refrigeran w W h 2 h 1 (22) m 3 Coefficient of Performance (COP) adalah perbandingan dampa refrigerasi dengan erja ompressor qe ( h1 h4 ) Cop (23) w ( h h ) Dampa pelepasan adalah jumlah alor yang dilepasan refrigeran tiap satuan massa refrigeran q Q h 2 h 3 (24) m 5 Fator Prestasi adalah perbandingan jumlah alor yang dilepasan ondensor dengan erja ompressor q ( h2 h3 ) PF (25) w ( h h ) 2 1 Pada mesin refrigerasi hibrida,arena edua sisinya sudah dimanfaatan maa ditambahan satu lagi performansi yang menyataan jumlah total panas yang diserap dan dilepas dibandingan dengan erja ompressi, secara matemati ditulisan dengan : ( q qe ) TP (26) w 7

5 Silus ompresi uap yang diuraian di atas adalah silus ideal Sementara pada pratenya silus yang sebenarnya mengalami beberapa penyimpangan dari silus ideal ini 222 Silus Kompresi Uap Nyata Silus ompresi uap ideal yang diuraian di atas tida mungin terjadi, sehingga pada silus ompresi uap nyata terjadi beberapa terjadi Pada enyataannya silus ompresi uap mengalami penyimpangan dari ompresi uap ideal Penyimpangan dari silus yang sebenarnya ini dapat dilihat pada gambar 22 beriut : P (bars) sub dingin 3 3' 2 2' 4' 1' 4 1 panas lanjut silus ideal silus atual h( J / g) Gambar 22 Diagram P-h silus ompresi uap ideal dan atual Penyimpangan ini terjadi arena penurunan teanan di sepanjang pipa ondensor dan evaporator sehingga proses perubahan fasa tida lagi isobari Cairan mengalami proses pembawahdinginan (sub-cooling) saat meninggalan ondensor sebelum memasui alat espansi Uap refrigeran mengalami proses pemanasan lanjut saat meninggalan evaporator sebelum memasui ompresor Pada saat proses ompresi, terjadi enaian entropi (ompresi ta isentropi) Pada atup espansi, proses espansi berlangsung non-adiabati Penurunan teanan terutama disebaban oleh adanya gesean yang terjadi antara refrigeran dan dinding pipa saluran, sehingga erja ompresi aan mengalami peningatan Pendinginan lanjut di ondensor sebenarnya dianggap menguntungan arena dapat memastian fluida yang memasui atup espansi berada dalam fasa 8

6 cair dan dapat meningatan efe refrigerasi Pemanasan lanjut dianggap menguntungan arena dapat memastian refrigeran yang memasui ompresor seluruhnya berada pada fasa uap Pemanasan lanjut dibedaan menjadi pemanasan lanjut internal dan pemanasan lanjut esternal Pemanasan lanjut internal merupaan pemanasan lanjut yang terjadi di dalam evaporator, sedangan pemanasan lanjut esternal terjadi di luar evaporator Pada sistem pendinginan, pemanasan lanjut esternal cendrung berdampa negatif terhadap inerja sistem yaitu aan mengaibatan turunnya efe refrigerasi dan oefisien performansi 223 Mesin Refrigerasi Hibrida Alasan paling umum digunaan dalam usaha memodifiasi silus ompresi uap sederhana adalah efisiensi penggunaan energi Pengembangan mesin ompresi uap ideal dilauan untu mendapatan efisiensi penggunaan energi yang lebih bai sehingga dapat melayani berbagai ebutuhan untu pendinginan dan pemanasan yang memanfaatan energi buangan sistem Berdasaran eterangan ini, diambil suatu terobosan untu meningatan efisiensi maa edua sisi dingin dan panasnya dimanfaatan sealigus Silus ompressi uap seperti ini dienal sebagai mesin refrigerasi hibrida Mesin refrigerasi hibrida ini tentu saja memilii eunggulan dan eurangan salah satu yang merupaan eunggulannya adalah peningatan efisiensi penggunaan energi tetapi arena edua sisinya sudah dimanfaatan maa perubahan pada suatu sisi diharapan tida aan menggangu proses di sisi yang lainnya, sehingga umumnya dilengapi dengan penambahan omponen dummy 3 Q air 2 alat espansi ondensor evaporator ompresor W 1 4 P (bars) air Q sub Gambar 23 Silus dingin Kompressi Uap Ideal dengan Pendingin Air 3 3' 9 2'

7 Pada mesin refrifgerasi hibrida dengan silus ideal, jia prestasinya ditinjau dari sisi air (gambar 23), maa apasitas pendinginan pada evaporator adalah : Q e mae CP, ae T ae (27) dimana : Q e = dampa pendinginan evaporator (Watt) m ae = laju masa air masu evaporator (g/s) C Pae = alor jenis air (J/(gK)) T ae = perbedaan temperatur air di evaporator ( o C) Kapasitas pemanasan pada ondensor : Q m a CP, a T a (28) dimana : Q = dampa pemanasan ondensor (Watt) m a = laju masa air masu ondensor (g/s) C Pa = alor jenis air (J/(gK)) T a = perbedaan temperatur air di ondensor ( o C) Daya ompressor : W V I Cos (29) m dimana : W = daya ompresor (Watt) m = efisiensi motor = 0,7 cos = fator daya = 0,7 V I = tegangan motor listri (V) = arus motor listri (A) Untu mengetahui sampai dimana tingat eandalan sistem pendingin, dienal beberapa besaran yang biasa dipaai, yaitu COP (coefficient of performance) dan PF (performance factor) Koefisien performansi adalah perbandingan antara efe pendinginan yang diperoleh terhadap energi yang digunaan untu menggeraan ompresor 10

8 Koefisien performansi pada evaporator utama : Q e COP (210) W PF atau fator performansi didefinisian sebagai perbandingan efe pemanasan di ondensor terhadap energi yang digunaan untu menggeraan ompresor Q PF (211) W Di samping edua parameter di atas (COP dan PF), untu mesin refrigerasi ompresi uap hibrida dienalan parameter baru yaitu total performansi (TP) Totap performansi didefinisian sebagai perbandingan antara dampa pendinginan ditambah dampa pemanasanan terhadap daya yang dibutuhan ompresor 23 REFRIGERAN Refrigeran adalah fluida erja yang digunaan untu memindahan panas di dalam silus refrigerasi Berdasaran fungsinya selama refrigeran dibagi menjadi dua jenis yaitu refrigeran primer yang digunaan dalam silus ompresi uap dan refrigeran seunder yang digunaan untu membawa alor bertemperatur rendah Pada sistem ompresi uap, refrigeran menyerap alor dari suatu ruang melalui proses evaporasi dan membuang alor e ruang lain melalui proses ondensasi Sifat-sifat yang dipertimbangan dalam memilih refrigeran, adalah: sifat imia, sifat fisi dan sifat termodinami Berdasaran sifat-sifat imianya refrigeran yang bai : tida beracun, tida bereasi dengan omponen refrigerasi, dan tida mudah terbaar, serta tida berpotensi menimbulan pemanasan global (GWP rendah (Global Warming Potential)) dan tida merusa lapisan ozon (ODP rendah (Ozone Depleting Potential)) Hal ini diperluan agar elestarian lingungan terjaga, arena lapisan ozon di stratosfir berfungsi melindungi bumi dari radiasi sinar ultra violet yang berbahaya (antara lain dapat menimbulan aner ulit, dapat membunuh phytoplanton yang merupaan bagian dari rantai ehidupan laut) Berdasaran sifat fisi dan termodinaminya refrigeran yang bai mampu menghasilan apasitas refrigerasi per satuan daya ompresi yang tinggi 11

9 231 Refrigreran Alternatif untu R-22 Hidroarbon (HC) merupaan salah satu refrigeran alternatif pengganti R-22 Refrigeran HC tida berpotensi merusa ozon arena ODP = 0 dan GWP yang ecil Refrigeran HC juga tida mengalami reasi imia dengan oli pelumas yang digunaan untu refrigeran R-22 Tabel 22 Refrigeran alternatif sebagai pengganti R-22 Parameter Refrigeran R-22 R-12 Propana Iso- butana Rumus imia CHClF 2 CCl 2 F 2 C 3 H 8 C 4 H 10 Temperatur ritis [ o C] ,8 97,0 135,1 Titi didih pada 1 atm [ o C] -41,4-26,8-41,9-11,6 Massa jenis - uap jenuh pada 0 o C [g/m 3 ] 21,2 18,2 10,39 4,56 - cair jenuh pada 45 o C [g/m 3 ] Kapasitas Panas Spesifi - uap jenuh pada 0 o C [J/gK] 0,614 0,642 1,85 1,61 - cair jenuh pada 45 o C [J/gK] 1,46 1,02 2,8 2,58 Kondutifitas Termal - uap jenuh pada 0 o C [mw/mk] 9,4 8,3 15,6 12,98 - cair jenuh pada 45 o C [mw/mk] 63,4 60,7 83,7 82,4 ODP 0, GWP Pada Tabel 22 ditampilan beberapa jenis refrigeran yaitu : R-22, R-12, propana dan isobutana Kelemahan utama R-22, arena potensi perusaan ozon dan pemanasan globalnya relatif tinggi dari e tiga jenis refrigeran lainnya Berbeda dengan refrigeran hidroarbon untu mesin yang sebelumnya menggunaan refrigeran R-22 maa refrigeran hidroarbon dapat langsung menggantiannya tanpa melauan penggantian omponen Berdasaran uraian di atas, maa refrigeran yang bai pengganti R-22 adalah hidroarbon Kelemahan hidroarbon yang menonjol adalah mudah terbaar, namun hal ini tida terlalu menghawatiran jia prosedur eamanan penggunan hidroarbon diterapan dengan bai serta telah diaui dan diatur oleh berbagai 12

10 standar internasional yaitu : BS4434:1995(Inggris), AS/NZ 1677:1998 (Australia / New Zeland) dan DIN 7003 (Jerman ) 232 Hidroarbon Sebagai Refrigeran Beberapa elebihan yang dimilii refrigeran hidroarbon, campuran propanabutana-isobutana, sebagai refrigeran alternatif pengganti R-22, yaitu : 1 Pengganti langsung (drop in substitute) tanpa penggantian omponen 2 Ramah lingungan, potensi perusaan ozon nol (non-odp) dan potensi pemanasan global dapat diabaian (non-gwp) 3 Hidroarbon, gas alam yang mudah didapat di Indonesia Refrigeran hidroarbon dapat terbaar jia bercampur dengan udara pada omposisi yang tepat dan titi nyalanya tercapai Komposisi yang harus dihindari ini adalah jia hidroarbon berada pada omposisi 2% 10% volume Kedua ondisi ini, omposisi dan titi nyalanya, tida boleh terjadi secara serenta bai didalam sistem refrigerasi maupun diluar sistem Agar tida mudah terbaar refrigeran hidroarbbon dapat diberi substansi tambahan agar sifat mampu nyalanya turun (LFS Low Flammable Subtance) Penelitian refrigeran hidroarbon dengan LFS sudah mulai banya dilauan beberapa sudah mulai digunaan Refrigeran hidroarbon berasal dari campuran propana-butana-isobutana merupaan campuran zeotropi, yang sifat-sifat dari senyawa pembentunya masih terbawa (tida berubah) Campuran ini buan zat tunggal, tetapi merupaan campuran yang senyawa-senyawa pembentunya masih dapat dipisahan melalui proses distilasi Refrigeran campuran hidroarbon aan mengalami enaian atau penurunan temperatur (temperature glide) selama terjadi perubahan fasa dalam silus refrigerasi (lihat Gambar 24) Titi didih campuran berubah seiring dengan berubahnya omposisi campuran dalam fasa cair Hal ini disebaban arena laju penguapan omponen campuran tida sama Campuran fasa uap lebih aya dengan omponen yang memilii titi didih lebih rendah, sedangan campuran fasa cair lebih aya dengan omponen yang titi didihnya lebih tinggi Aibatnya apabila campuran mengalir sepanjang evaporator, maa titi didih campuran aan nai, dan temperatur evaporasi juga aan bertambah Pada teanan evaporator, titi cair jenuh aan lebih rendah daripada titi uap jenuh 13

11 Fenomena serupa juga terjadi pada ondensor, yaitu temperatur ondensasi aan menurun di sepanjang ondensor P (bars) garis isotermal 3 2 Temperatur glide di Kondensor 4 1 Temperatur glide di Evaporator h( J / g) Gambar 24 Temperatur Glide pada Campuran HC Aibat yang timbul arena adanya temperature glide adalah sebagai beriut: 1 Komposisi campuran mungin berbeda antara fasa uap dan fasa cair, oleh arena itu pengisian refrigeran e dalam sistem refrigerasi sebainya dilauan dalam fasa cair 2 Kalau sistem refrigerasi mengalami ebocoran, ada emunginan omposisi ebocoran berbeda dengan omposisi refrigeran Sebagai aibatnya omposisi refrigeran di dalam sistem berubah dan dapat mempengaruhi inerja sistem 14