BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Tinjauan Pustaka Refrigeran merupakan media pendingin yang bersirkulasi di dalam sistem refrigerasi kompresi uap. ASHRAE 2005 mendefinisikan refrigeran sebagai fluida kerja di dalam mesin refrigerasi, pengkondisian udara, dan sistem pompa kalor. Refrigeran tersebut mudah berubah fasa dari cair menjadi fasa uap dengan menyerap kalor dari produk yang didinginkan di evaporator. Atau akan berubah fasa dari uap menjadi cair dengan cara membuang kalor ke lingkungan di kondenser. Terdapat berbagai jenis refrigeran yang digunakan dalam sistem kompresi uap. Suhu refrigerasi yang dibutuhkan sangat menentukan dalam pemilihan fluida. 2.1.1 Refrigeran Konvensional R-22 Perkembangan mutakhir di bidang refrigeran utamanya didorong oleh dua masalah lingkungan, yakni lubang ozon dan pemanasan global. Sifat merusak ozon yang dimiliki oleh refrigeran utama yang digunakan pada periode ke-dua, yakni CFCs, dikemukakan oleh Molina dan Rowland (1974) yang kemudian didukung oleh data pengukuran lapangan oleh Farman dkk. (1985). (http://web.ipb.ac.id, 2011) Melihat hal tersebut, para peneliti berpikir kembali untuk mengganti refrigeran CFCs dengan yang lebih ramah lingkungan agar bisa mengatasi masalah lapisan ozone dan pemanasan global. Powell (2002) menerangkan beberapa syarat yang harus dimiliki oleh refrigeran pengganti, yakni: 1. Memiliki sifat-sifat termodinamika yang berdekatan dengan refrigeran yang hendak digantikannya, utamanya pada tekanan maksimum operasi refrigeran baru yang diharapkan tidak terlalu jauh berbeda dibandingkan dengan tekanan refrigeran lama yang ber-klorin. 2. Tidak beracun. 4
3. Bisa bercampur (miscible) dengan pelumas yang umum digunakan dalam mesin refrigerasi. 4. Setiap refrigeran CFC hendaknya digantikan oleh satu jenis refrigeran ramah lingkungan. Setelah periode CFCs, R22 (HCFC) merupakan refrigeran yang paling banyak digunakan di dalam mesin refrigerasi dan pengkondisian udara. Saat ini beberapa perusahaan pembuat mesin-mesin refrigerasi masih menggunakan refrigeran R22 dalam produk-produk mereka. R-22 adalah salah satu refrigeran yang termasuk dalam golongan halokarbon. Refrigeran kelompok halokarbon merupakan refrigeran sintetik karena tidak terdapat di alam secara langsung. Refrigeran ini mempunyai satu atau lebih atom dari golongan halogen; khlorin, fluorin dan bromin. Meskipun dari segi teknik refrigeran ini mempunyai sifat yang baik, seperti kestabilan yang tinggi, tidak mudah terbakar dan tidak beracun, refrigeran ini termasuk ODS (Ozone Depleting Substance). Jika gas CFC yang memiliki dua atom khlorin terlepas ke udara dan terkena sinar ultraviolet akan terurai. Atom khlorin (Cl) akan terlepas dan bereaksi dengan ozon (O3) mengambil satu atom oksigen dari ozon untuk membentuk khlorin monoksida dan oksigen. Khlorin monoksida akan bereaksi dengan atom oksigen lainnya membentuk molekul oksigen dan atom khlorin membentuk oksigen. Atom khlorin hanya beraksi sebagai katalis dalam reaksi. Oleh karena itu satu atom khlorin mampu terus menerus mengubah ozon menjadi oksigen melalui ribuan reaksi sejenis. Dengan menipisnya lapisan ozon, lapisan pelindung yang terletak pada ketinggian sekitar 15-50 km di atas permukaan bumi, radiasi ultraviolet dari matahari akan langsung sampai ke bumi yang dapat menyebabkan gangguan kesehatan dan gangguan keseimbangan ekosistem. R-22 atau Monoklorodifluorometan mempunyai rumus kimia CHClF2. Refrigeran ini memiliki berat molekul 86,5 dan titik didih -40,76 C serta titik beku -160,0 C pada standar tekanan atmosfir (101,325 kpa). (Arora, C.P., 2000). R-22 mempunyai 5
nilai GWP (Global Warming Potential) dan ODP (Ozone Depletion Pottential) yang cukup tinggi yaitu 1700 dan 0,055. 2.1.2 Refrigeran Hidrokarbon R-290 Sebagai alternatif untuk melindungi ozon dari kerusakan adalah dengan menggunakan refrigeran yang mengandung hidrokarbon menggantikan CFC dan HCFC. Sebenarnya hidrokarbon sebagai refrigeran sudah dikenal masyarakat sejak 1920 di awal teknologi refrigerasi bersama fluida kerja natural lainnya seperti ammonia, dan karbon dioksida. Hidrokarbon yang sering dipakai sebagai refrigeran adalah propana (R-290), isobutana (R-600a), n-butana (R-600). Hidrokarbon memiliki beberapa kelebihan seperti ramah lingkungan, yang ditunjukkan dengan nilai Ozon Depleting Potential (ODP) nol, dan GWP yang dapat diabaikan, properti termofisika dan karakteristik perpindahan kalor yang baik, kerapatan fasa uap yang rendah, dan kelarutan yang baik dengan pelumas mineral. Pemakaian hidrokarbon dengan isu hemat energi dan ramah lingkungan masih belum bisa diterima secara luas seperti pemakaian freon sebagai refrigeran. Hal ini disebabkan oleh kekhawatiran masyarakat akan sifat hidrokarbon yang bisa terbakar. Sifat ini sebenarnya tidak membahayakan jika digunakan sesuai prosedur yang benar. Untuk memahami bekerja dengan prosedur yang benar, mau tidak mau diperlukan pengetahuan tentang karakteristik hidrokarbon. Pemilihan hidrokarbon sebagai refrigeran alternatif ramah lingkungan pengganti CFC dan HCFC harus memperhatikan beberapa hal diantaranya titik didih pada tekanan normal, kapasitas volumetrik dan efisiensi energi. Titik didih harus diperhatikan untuk menjamin apakah tekanan operasi sama dengan CFC untuk menghindari keperluan penggantian peralatan tekanan tinggi seperti kompresor. (Astro, 2011) Seiring perkembangan zaman, para peneliti berhasil menemukan refrigeran hidrokarbon yang bisa mengganti refrigeran CFC dan HCFC tanpa harus mengganti 6
komponen mesin refrigerasi, karena mempunyai titik didih yang hampir sama. Diantaranya adalah refrigeran hidrokarbon R-290 sebagai pengganti R-22. R290 adalah propana murni, merupakan hidrokarbon atau refrigeran alami dengan sifat yang mirip dengan R22. Tidak menimbulkan penipisan lapisan ozon, karena nilai ODP nya adalah 0 atau tidak ada. Sedangkan nilai GWP untuk R-290 adalah 3. Sangat rendah untuk menimbulkan pemanasan global. Refrigeran ini sangat ramah lingkungan, tapi jika dilihat dari sisi keamanan R-290 sangat mudah terbakar. Harus dengan pertimbangan yang hati-hati apabila ingin menggunakan R-290. 2.2 Landasan Teori 2.2.1 Sistem Refrigerasi Freezer umumnya menggunakan sistem refrigerasi kompresi uap, menggunakan kompresor sebagai alat pemompa refrigeran bertekanan rendah yang masuk pada sisi hisap (suction). Di kompresor refrigeran dikompresi, kemudian dikeluarkan pada sisi keluaran (discharge) dan masuk ke kondenser. Dari kondenser refrigeran mengalir ke alat ekspansi. Setelah melalui alat ekspansi refrigeran mengalami penurunan tekanan sehingga temperaturnya turun. Dari alat ekspansi refrigeran masuk ke evaporator. Di evaporator refrigeran menarik kalor dari lingkungan sekitarnya (kabin dan produk) sehingga kabin menjadi dingin. Dari evaporator refrigeran akan masuk kembali ke kompresor melalui saluran hisap. Proses yang dialami refrigeran berulang, membentuk siklus tertutup yang dikenal sebagai siklus refrigerasi kompresi uap. Sistem refrigerasi yang dipakai pada freezer ini merupakan sistem refrigerasi kompresi uap biasa atau konvensional seperti halnya pada lemari es dimana terdapat kompresor, kondenser, alat ekspansi dan evaporator serta komponen pendukung lainya, yang membedakan hanya temperatur kerja serta alat ekspansi yang digunakan adalah TXV bukan pipa kapiler. 7
Kompresor sebagai alat pemompa refrigeran bertekanan rendah yang masuk pada sisi hisap (suction). Di kompresor refrigeran dikompresi, kemudian dikeluarkan pada sisi keluaran (discharge) dan masuk ke kondenser. Dari kondenser refrigeran mengalir ke alat ekspansi. Setelah melalui alat ekspansi refrigeran mengalami penurunan tekanan sehingga temperaturnya turun. Dari alat ekspansi refrigeran masuk ke evaporator. Di evaporator refrigeran menarik kalor dari lingkungan sekitarnya (kabin dan produk) sehingga kabin menjadi dingin. Dari evaporator refrigeran akan masuk kembali ke kompresor melalui saluran hisap. Proses yang dialami refrigeran berulang, membentuk siklus tertutup yang dikenal sebagai siklus refrigerasi kompresi uap. Gambar berikut berikut menunjukan diagram skematik dari sistem refrigerasi kompresi uap. Qk Discharge Line Liquid Line Kondensor Alat Ekspansi Kompresor Sisi Tekanan Tinggi Sisi Tekanan Rendah Expansion Line Evaporator Qo Suction Line Gambar 2.1 Skema Sistem Refrigerasi Kompresi Uap Proses sistem refrigerasi pada Gambar 2.1 dapat digambarkan pada diagram pressure-enthalpy (p-h diagram), seperti pada Gambar 2.2 berikut ini. 8
P (bar) 3 kondensasi 2 ekspansi Kompresi 4 Evaporasi 1 h (kj/kg) Gambar 2.2 Diagram P-h Siklus Sistem Refrigerasi Kompresi Uap Sederhana 1) Proses 1 2 yaitu proses kompresi. Refrigeran berfasa gas di kompresi hingga tekanan dan temperaturnya naik (Dossat,1981). 2) Proses 2 3 yaitu proses kondensasi. Proses ini terjadi di kondenser secara isobar dan isothermal. Karena terjadi pembuangan kalor, refrigeran berubah fasa dari gas menjadi cair jenuh (Dossat,1981). 3) Proses 3 4 yaitu proses ekspansi. Refrigeran bertekanan dan temperatur tinggi di ekspansi sehingga tekanan dan temperaturnya turun. Proses ini terjadi di alat ekspansi (Dossat,1981). 4) Proses 4 1 yaitu proses evaporasi. Proses ini terjadi di evaporator secara isobar dan isothermal. Karena terjadi penyerapan kalor dari produk yang didinginkan ke evaporator, maka refrigeran berubah fasa menjadi uap jenuh (Dossat,1981). 9
2.2.2 Proses kompresi Proses ini terjadi di kompresor di mana uap refrigeran dengan tekanan dan temperatur rendah yang masuk ke kompresor melalui suction line dikompresi di dalam silinder kompresor sehingga temperatur dan tekanan uap refrigeran yang keluar dari kompresor melalui discharge line mengalami kenaikan. Proses yang terjadi di dalam kompresor diasumsikan sebagai proses isentropic. Proses kompresi berlangsung di kompresor adalah: W =. w w = ( h 2 h 1 ) W =. ( h 2 h 1 )....(2.1) dengan: W = Kerja kompresi (kw) = Laju aliran massa refrigeran (kg/s) h 1 = Enthalpy refrigeran masuk kompresor (kj/kg) h 2 = Enthalpy refrigeran keluar kompresor (kj/kg) 2.2.3 Proses kondensasi Proses ini terjadi di kondenser, dimana uap refrigeran bertemperatur dan bertekanan tinggi yang masuk ke kondenser melalaui discharge line dikondensasikan di dalam kondenser sehingga refrigeran yang keluar dari kondenser diharapkan berubah fasa dari fasa uap ke fasa cair jenuh. Perpindahan panas tersebut terjadi karena temperatur refrigeran lebih tinggi dari temperatur lingkungan. Besarnya kalor yang dilepas di kondenser dapat dinyatakan dengan persamaaan berikut Kalor yang dilepas di kondenser : Q c =. q c 10
q c = h 2 - h 3 Q c =. (h 2 -h 3 ) (2.2) dengan: Q c = Kalor yang dilepas di kondenser (kw) = Laju aliran massa refrigeran (kg/s) h 2 = Enthalpy refrigeran keluar kompresor (kj/kg) h 3 = Enthalpy refrigeran keluar kondenser (kj/kg) 2.2.4 Proses ekspansi Proses ini terjadi di alat ekspansi. Refrigeran cair yang berasal dari kondenser diekspansi sehingga tekanan dan temperatur refrigeran yang keluar dari alat ekspansi turun sampai dibawah temperatur lingkungan dan selanjutnya masuk evaporator untuk menyerap kalor dari ruangan atau media yang hendak didinginkan. 2.2.5 Proses evaporasi Proses ini terjadi di evaporator dimana refrigeran cair yang masuk ke evaporator menyerap kalor dari ruangan atau media yang hendak didinginkan dengan adanya penyerapan kalor tersebut maka refrigeran diharapkan berubah fasa dari fasa cair menjadi fasa uap jenuh. Besarnya kalor yang diserap oleh refrigeran di evaporator dinyatakan dengan persamaan berikut : Kalor yang diserap di evaporator : Q e =. q e q e = h 1 h 4 Q e =. (h 1 h 4 ). (2.3) dengan: Q e = Kalor yang diserap di evaporator (kw) 11
= Laju aliran massa refrigeran (kg/s) h 1 = Enthalpy refrigeran keluar evaporator (kj/kg) h 4 = Enthalpy refrigeran masuk evaporator (kj/kg) 2.2.6 Coefficient of performance Coefficient of performance diartikan sebagai perbandingan antara jumlah kalor yang diserap di evaporator dengan kerja yang dilakukan oleh kompresor. 1. COP Aktual COP Aktual adalah perbandingan antara efek refrigerasi dan kerja kompresi. (Dossat, 1981)..(2.4) 2. COP Carnot COP Carnot atau juga disebut COP teoritis adalah perbandingan antara temperatur evaporasi absolut dan selisih temperatur kondensasi absolut dengan temperatur evaporasi absolut...(2.5) 3. Efisiensi refrigerasi adalah perbandingan antara COP Aktual dengan COP Carnot (COP teoritis). 12
... (2.6) 4. Rasio kompresi adalah perbandingan antara tekanan discharge dengan tekanan suction.. (2.7) 5. Daya input sistem adalah daya yang diberikan ke sistem untuk mengoperasikan seluruh sistem. Besarnya daya input sistem dapat ditentukan dengan persamaan sebagai berikut :..(2.8) dengan : 13