PENGANTAR TEKNIK REFRIGERASI INDRA S. DALIMUNTHE Program Studi Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara 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 (0 2 dan N 2 ). 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: 2004 Digitized by Usu digital library 1
Motor listrik Motor bakar Diesel Mesin uap Turbin gas Pada kompressor, berlaku persamaan neraca energi; - W kompressor = H W kompressor = H 1 H 2 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 didinginkan. 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 2004 Digitized by Usu digital library 2
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 rendah. 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). 2004 Digitized by Usu digital library 3
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. 2004 Digitized by Usu digital library 4
Panas diserap pada temperatur rendah T2= Q2 Panas dibuang pada temperatur tinggi T1= Q1 Energi eksternal Efek refrigenerasi Q2 = T2 S Q1 = T1 S Menurut Hukum I Thermodinamika, U = Q - W Untuk panas siklus U = 0, maka : Q = W W eksternal = Q akhir Q awal = Q1 - Q2 = T1 S T2 S W ekternal = (T 1 T 2 ) S Coefisient of Performance, COP ; Efek Refrigerasi COP = ------------------ W eksternal Q 2 T2 S = ------------------ = ----------------- W eksternal (T1 T2) S T 2 COP = ----------- T 1 T 2 T 1 > T 2 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 P 2 (P 2 > P 1 ). Udara keluar cooler dikembalikan ke keadaan awal oleh mesin ekspansi untuk dapat melakukan langkah awal pada siklus berikutnya. Diagram Alir Siklus Refrigenerasi Udara 2004 Digitized by Usu digital library 5
Siklus terdiri dari langkah langkah : AB = udara panas dikompressi secara isentropis BC = Udara panas membuang panasnya pada tekanan konstan P 2 ke lingkungan CD = Udara dikembalikan ke keadaan awalnya melalui proses ekspansi pada mesin ekspansi. Selain terjadi penurunan tekanan dari P 2 ke P 1, juga dihasilkan sejumlah energi W ekspansi. Energi ekspansi, W ekspansi, ini digunakan untuk sebagian kerja kompressi AB, kekurangan daya kompressi diperoleh dari W eksternal. DA = Udara dingin menyerap panas dari ruangan rendah (refrigerator). Misal : m = kecepatan aliran refrigerant udara. Panas diserap pada ruangan temperatur rendah (refrigerator), Q 2 Q 2 = m C p (T A -T D ) Panas dibuang pada ruangan temperatur tinggi (cooler), Q 1 Q 1 = m Cp (T B -T C ) Energi ekstemal, W eksternal = Q 1 -Q 2 W eksternal = [mcp(t B -T C ) mcp (T A -T D )] = m Cp [ ( T B -T C ) - ( T A - T D ) ] Q2 mcp(ta-td) COP = ------------- = ----------------------------- W eksternal m Cp [ ( T B T C ) - ( T A -T D ) ] TA-TB = --------------------- (T B -T C ) -(T A -T D ) 2004 Digitized by Usu digital library 6
2004 Digitized by Usu digital library 7
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/cm 2, 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/cm 2. Pertanyaan : Nyatakan COP teoritis dan efek refrigerasi / kg udara secara teoritis. Asumsi : Proses kompressi dan ekspansi berlangsung secara isentropis. γ = 1,41 Cp = 0,241 kkal / kg C T A = 10 C = 283 K T C = 25 C = 298 K Dari persamaan : (T C /T D ) = (T B /T A ) = (P 2 /P 1 ) (γ-1)/γ = (5/1) (1,41 1)/1,41 (T B /T A ) = 1,597 T B = 452 K Dari persaman : (T C /T D ) = 1,597 T D = 187 K Efek refrigasi /Kg udara = Q 2 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 = Q 1 Q1 = 1kg (0,241) kkal/kg C (452 298) C = 37,11 kkal/kg udara 2004 Digitized by Usu digital library 8
W eksternal / kg udara = Q 1 -Q 2 = 13,97 kkal Q2 23,14 COP = ------------------ = ----------------- W ekstemal 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. 2. Dengan menggunakan katup ekspansi 2004 Digitized by Usu digital library 9
Analisa Thermodinamika: Panas diserap pada mangan temperatur rendah = Q2 Persamaan neraca energi: H 2 H + ----- + zg = Q2 - W s 2 Pada refrigerator; Perubahan energi-energi kinetik, potensial, dan kerja mekanis dapat diabaikan, maka : H = Q 2 Q 2 = H A -HD Panas dilepas ke lingkungan temperatur tinggi = Q 1 Dengan cara yang sama, pada kondensor didapat: Q1 = H = H B H c Kerja ekstemal = W ekstemal Weksternal = Q 1 -Q 2 = (H B H C )- (H A - H D ) Q 2 COP = ------------ W ekstemal H A -H D COP = -------------------------- (H B - H C ) - (H A - H D ) 2004 Digitized by Usu digital library 10
Di mana: H A = Entalpi uap refrigerant jenis pada P1. H B = Entalpi uap pada titik B, uap adalah superheated. = Entalpi uap jenuh pada tekanan kondensor + C p ( T sup -T sat ). H B = HE + C p (T sup -T sat ) T superheated dihitung dengan: T SUP S B = S A = S E + C p 1n------- T sat H C = Entalpi cairan jenuh refrigerant pada P 2. H D = Entalpi pada titik D (uap basah) pada P 1. Jika siklus kompressi uap menggunakan katup ekspansi (proses isentropis), maka H C = H D, sehingga : H A - H D COP = -------- H B - H A Untuk kapasitas 1 ton refrigerasi: Q2 = 12.000 Btu/jam = ( H A - H D ) Btu/lbm refr. 12.000 m = --------- H A - H D 12.000 Btu / jam Ibm refr. --------------------- = ------------ = m H A - H D Btu/1bm rfer jam m = Laju alir refrigerant per jam untuk 1 ton refrigerasi Atau, 12.000 m = -------------- C p (T A.T D ) 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: 2004 Digitized by Usu digital library 11
T 2 = 32 F = 0 C T 1 = 70 F = 21 C H a = 621 Btu/1bm H C = HD = 120,5 Btu/1bm Lajur alir refrigerant, m : Q2 m = ------------ H A - H D 12000 Btu/ ton.jam X 250 ton m = ---------------------------------------- (621 120,5 ) Btu/1bm m = 99,90 1bm/menit Kerja eksternal, W eksterna : 99,90 1bm/menit (621 120,5 ) Btu/1bm W eksterna = -------------------------------------------------- 3 x 0,90 1 HP = 18.518,50 Btu/menit x -------------------- 42,42 Btu/menit = 436,55 HP W eksterna Maka 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. 2004 Digitized by Usu digital library 12
Pembahasan Kapasitas pabrik = 10 ton T 2 = 40 F = C4,4 C T 1 = 70 F = 21,1 C C p = 0,5 Btu/1bm. R Dari total uap (saturated steam) : H a = 1078,6 Btu/ibm H C = 38,05 Btu/1bm H D = HC = isentalpi = 38,05 Btu/1bm H E = 1091,5 Btu/1bm S A = 2,1585 Btu/1bm. R S E = 2,0632 Btu/1bm. R I. Menghitung COP dan m : Tsat = TE = 70 + 460 = 530 R T sup S A = S B = S E + C p 1n ------- T sat T sup 2,1585 = 2,0632 + 0,5 1n --------- 530 T sup = 641 R HB = HE + Cp (Tsup Tsat) = 1091,5 + 0,5 (641 530) = 1147 Btu/1bm H A - H D 1078,6 38,05 COP = -------- = ------------------------ H B - H A 1,47 1078,6 COP = 15,18 Laju sirkulasi refrigerant, m : 2004 Digitized by Usu digital library 13
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 KESIMPULAN 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] 2004 Digitized by Usu digital library 14