PERFORMANSI SISTEM REFRIGERASI HIBRIDA PERANGKAT PENGKONDISIAN UDARA MENGGUNAKAN REFRIGERAN HIDROKARBON SUBSITUSI Azridjal Aziz (1), Yazmendra Rosa (2) (1) Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin Universitas Riau (2) Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Padang ABSTRACT This research was conducted to determine the performance of air conditioning device which is modified into a hybrid refrigeration machines, such as cooling capacity, heating capacity, power compression, coefficient of performance (COP) and the performance factor (PF). The study was conducted by comparing data and test results between hydrocarbon refrigerant HCR22 and halocarbon refrigerant R22. The results shown the use of hydrocarbon refrigerant mass HCR22 on hybrid vapor refrigeration machine more efficient 57.78% compared to the use of halocarbon refrigerant mass R22, because the refrigerant HCR22 have a higher latent heat than the refrigerant R22. On the use of hydrocarbons HCR22 to halocarbon R22, the cooling effects increase 18.7% while warming effect decrease 9.3%, because it occurs at a lower condenser pressure (27.73%). The compressor electric power consumption using refrigerant HCR22 more efficient 25.4% than using the refrigerant R22. Performance of a hybrid vapor refrigeration machine performance increase using Hydrocarbon HCR22: COP increase 57.38%, PF increase 2.7%, and TP increase 35.43%. The cooling rate and heating rate using halocarbon R22 and hydrocarbons HCR22 tend to the same condition. Keywords: Refrigerant, refrigeration, halocarbon, hydrocarbon, air conditioning 1. PENDAHULUAN Salah satu usaha dalam meningkatkan efisiensi pemakaian energi adalah dengan memanfaatkan kembali (recovery) energi yang selama ini dibiarkan terbuang pada suatu mesin konversi energi. Alasan paling umum digunakan dalam usaha memodifikasi mesin refrigerasi adalah efisiensi penggunaan energi. Mesin refrigerasi yang berfungsi sebagai mesin pengkondisian udara (Air Conditioning) umumnya digunakan untuk mengkondisikan ruangan dengan memanfaatkan efek pendinginan dari evaporator yang memberikan rasa nyaman dan sejuk untuk penghuni atau orang yang bekerja di dalam ruangan tersebut baik di perumahan, perkantoran dan industri. Mesin refrigerasi adalah salah satu jenis mesin konversi energi, dimana sejumlah energi dibutuhkan untuk menghasilkan efek pendinginan. Di sisi lain, panas dibuang oleh sistem ke lingkungan untuk memenuhi prinsip-prinsip termodinamika agar mesin dapat berfungsi [2]. Bertolak dari kasus mesin refrigerasi dan mesin pompa panas di atas, maka berbagai usaha telah dilakukan untuk mengembangkan suatu sistem yang menggunakan prinsip refrigerasi dan pompa panas dalam satu mesin. Pada mesin terpadu ini efek pendinginan dan efek pemanasan dapat dihasilkan dan dimanfaatkan secara bersamaan, sehingga daya guna mesin menjadi lebih tinggi. Mesin terpadu dengan fungsi ganda ini dikenal dengan mesin refrigerasi hibrida, karena mesin refrigerasi paling banyak beroperasi dengan siklus kompesi uap, maka mesin ini disebut mesin refrigerasi siklus kompresi uap hibrida [1]. Untuk mengoperasikan mesin refrigerasi hibrida dibutuhkan refrigeran sebagai fluida kerja. Refrigeran yang paling banyak digunakan adalah refrigeran halokarbon (halogenated refrigerant) salah satunya adalah jenis HCFC-22 (Hydrochlorofluorocarbon) atau. Namun dari hasil penelitian, refrigeran halokarbon menunjukkan sifat yang dapat merusak lapisan ozon dan berpotensi besar terhadap peningkatan efek pemanasan global, sehingga penggunaan refrigeran tersebut dicanangkan untuk dihapuskan pembuatan dan pemakaiannya [4]. Salah satu refrigeran alternatif pengganti refrigeran halokarbon adalah refrigeran hidrokarbon (hydrocarbon referigerant). Beberapa kelebihan yang dimiliki refrigeran hidrokarbon subsitusi yaitu dapat digunakan sebagai pengganti langsung (drop in substitute) tanpa penggantian komponen, ramah lingkungan (tidak merusak lapisan ozon), pemakaian refrigeran lebih sedikit, hemat energi, dan memenuhi standar internasional [5].
Jurnal Teknik Mesin Vol.7, No.1, Juni 21 ISSN 1829-8958 Gambar 1. Diagram p-h Siklus Kompresi Uap Ideal Performansi mesin refrigerasi kompresi uap ditentukan oleh beberapa parameter, di antaranya adalah kapasitas pendinginan, kapasitas pemanasan, daya kompresi, koefisien performansi dan performansi faktor. Diagram tekanan-entalpi (mollier diagram) pada Gambar (1) dapat membantu dalam menentukan parameter-parameter tersebut. Untuk menyatakan unjuk kerja dari suatu siklus kompresi uap, yang ditinjau dampak refrigerasi, laju pelepasan kalor, kerja kompresi, Coefficient of Performance (COP) dan Performance Factor (PF) [3,6]. 2. METODOLOGI Penelitian dilakukan di Laboratorium Perawatan dan Perbaikan, Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Riau. Mesin refrigerasi hibrida yang digunakan adalah mesin refrigerasi hasil rancangan yang terdapat di Laboratorium Perawatan dan Perbaikan [2]. Mesin ini beroperasi menggunakan refrigeran hidrokarbon pengganti (HC). Fasilitas Pengujian Fasilitas pengujian terdiri dari satu unit mesin refrigerasi, seperangkat alat ukur dan beberapa peralatan pendukung. Mesin refrigerasi beroperasi pada dua siklus yaitu siklus primer dan siklus sekunder. Siklus primer merupakan siklus refrigeran sedangkan siklus sekunder merupakan siklus air dingin (chiller). Komponen siklus primer terdiri dari satu unit evaporator, satu unit kondensor, satu unit kompresor, satu unit pipa kapiler dan beberapa komponen pendukung seperti pompa air listrik, dan blower. Sedangkan siklus sekunder terdapat satu unit koil pendingin, satu unit koil pemanas dan satu unit koil dummy. Skema sederhana fasilitas pengujian dapat dilihat pada Gambar (2). Gambar 2. Skema Mesin Refrigerasi Hibrida 12
Alat ukur yang digunakan yaitu alat ukur tekanan, temperatur, tegangan listrik, arus listrik pada titiktitik yang perlu diuji dan diambil datanya yaitu: termokopel, thermometer digital, pressure gauge dan avometer, timbangan untuk mengukur masa refrigeran optimum dan stopwatch untuk menghitung laju masa air. 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Massa Refrigeran R22 dan HCR22 Performansi 3. 2.5 2. 1.5 1..5 Massa refrigeran optimum 28 36 46 54 62 Gram 7 78 86 94 12 COP HC COP Gambar 3. Grafik massa refrigeran optimum dan COP optimum Pada Gambar (3) terlihat bahwa massa refrigeran optimum R22 sebesar 9 gram pada COP 2,42. Sedangkan massa refrigeran optimum HCR22 sebesar 38 gram pada COP 2,55. Dengan menggunakan refrigeran HCR 22 massa refrigeran lebih hemat 57 persen dari massa refrigeran R22. Laju Pendinginan dan Laju Pemanasan Pada kondisi transient yaitu kondisi saat mesin refrigerasi hibrida mulai dijalankan sampai mencapai kondisi stabil, dapat dilihat bahwa laju pendinginan HCR22 hampir sama dengan R22 Gambar (4). Dimana waktu yang dibutuhkan untuk pendinginan sampai kondisi stabil untuk HCR22 sekitar 5 pada suhu 1,4 C, dan untuk R22 dibutuhkan waktu sekitar 5 pada suhu 1,3 C. Tc out evaporator 3 25 2 15 1 5 1 2 3 Laju Pendinginan 4 5 Gambar 4. Laju pendinginan HCR22 dan R22 6 7 8 9 Hcr-22 Laju pemanasan sampai kondisi stabil pada HCR22 dan R22 juga menunjukkan laju yang hampir sama, dimana laju pemanasan untuk HCR22 sekitar 55 pada temperatur 46,5 C, dan untuk R22 sekitar 55 pada temperatur 5,4 C, seperti tampak pada Gambar (5). T out Kondensor 6 5 4 3 2 1 1 2 3 Laju Pemanasan 4 5 Gambar 5. Laju pemanasan HCR22 dan R22 6 7 8 9 Hcr-22 Dampak pendinginan, Dampak pemanasan dan Kerja Kompressor (Perhitungan sisi refrigeran sekunder) KW 2.5 2. 1.5 1..5 Dampak Pendinginan 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 55 6 65 7 Gambar 6. Dampak pendinginan HCR22 dan R22 HC Pada Gambar (6) dapat dilihat dampak pendinginan rata-rata dari HCR22 adalah 1,94 kw dan dampak pendinginan rata-rata R22 1,643 kw. Dampak pendinginan HCR22 lebih tinggi dari R22, hal ini dipengaruhi oleh kemampuan penyerapan kalor yang tinggi dari refrigeran hidrokarbon dibanding refrigeran halokarbon. Pada mesin refrigerasi hibrida yang sama HCR22 memiliki massa refrigeran yang lebih sedikit dibanding dengan R22 dengan volume pipa yang sama, karena HCR 22 memiliki kalor laten yang lebih besar dibanding dengan R22. Pada Gambar (7) dapat dilihat rata-rata dampak pemanasan HCR22 adalah 2,22 kw dan dampak pemanasan rata-rata R22 2,45 kw. Dampak pemanasan HCR22 lebih rendah dari R22. Hal ini diakibatkan tekanan kondensor pada R22 yang lebih tinggi dari pada dengan HCR22 seperti yang dapat dilihat pada Gambar (8). Pada tekanan kondensor yang lebih tinggi maka temperatur refrigeran juga lebih tinggi, sehingga kalor pemanasan air akan lebik besar pada temperatur yang lebih tinggi.
Jurnal Teknik Mesin Vol.7, No.1, Juni 21 ISSN 1829-8958 KW 3. 2.5 2. 1.5 1..5 Dampak Pemanasan 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 55 6 65 7 HC Pada Gambar (1) dapat dilihat bahwa COP dari refrigeran HCR22 lebih tinggi dari R22.COP HCR22 4,125 KW dan R22 2,621 KW. Kondisi ini karena HCR22 dapat menyerap kalor yang lebih besar dari Q R22. Sesuai dengan persamaan e COP sehingga Wk semakin tinggi dampak pendinginan (Qe) maka COP akan semakin besar pula. COP Psi KW Gambar 7. Dampak pemanasan HCR22 dan R22 4 35 3 25 2 15 1 5 1 2 3 Tekanan Kondensor 4 5 6 7 Tekanan Kondensor HC Tekanan Kondensor Gambar 8. Tekanan kondensor HCR22 dan R22.7.6.5.4.3.2.1 Daya Kompressor 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 55 6 65 7 Gambar 9. Daya kompressor HCR22 dan R22 Wk HC Wk Daya kompresor dengan menggunakan refrigeran HCR22 lebih rendah dari daya kompresor yang menggunakan refrigeran R22. Gambar (9). Dimana daya kompressor rata-rata dengan HCR22 adalah,47 kw, sedangkan daya kompresor dengan menggunakan R22 adala,63 kw. Hal ini disebabkan karena jumlah massa refrigeran yang ditekan oleh kompressor dengan HCR22 lebih sedikit jumlahnya dibandingkan dengan massa refrigeran yang ditekan kompressor yang menggunakan R22. Karena kerja kompresor dengan HCR22 lebih ringan dari R22, maka daya listrik yang digunakan untuk menggerakkan kompresor akan lebih hemat dari R22. Kinerja Performansi Mesin Refrigerasi Kompresi Uap Hibrida (COP,PF,TP) (Perhitungan Sisi Refrigeran Sekunder) Satuan 5. 4. 3. 2. 1. 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 55 6 65 7 Gambar 1. COP mesin refrigerasi hibrida dengan refrigeran HCR22 dan R22 HC Pada Gambar (11) terlihat bahwa Performance Factor dari HCR22 lebih tinggi dari R22, meskipun dampak pemanasan (Qk) dari HCR 22 lebih rendah dari R22. Hal ini di sebabkan karena daya kompresor yang dibutuhkan pada penggunaan refrigeran HCR22 lebih kecil dari R22. Hal ini sesuai dengan persamaan Satuan 6. 5. 4. 3. 2. 1. Q k PF. PF W 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 55 6 65 7 k HC Gambar 11. PF mesin refrigerasi hibrida dengan refrigeran HCR22 dan R22 Gambar (12) merupakan total performansi dari HCR22 dan R22. Pada gambar terlihat bahwa Total Performansi dari HCR22 lebih tinggi dari R22. Hal ini karena HCR22 memiliki COP dan PF yang lebih tinggi dari R22. 14
Performansi Sistem Refrigerasi Hibrida Perangkat Pengkondisian Udara Menggunakan Refrigeran Hidrokarbon Subsitusi (Azridjal Aziz) Satuan 1 8. 6. 4. 2. TP 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 55 6 65 7 HC Gambar 12. TP mesin refrigerasi hibrida dengan refrigeran HCR22 dan R22 Pada Tabel (1) dapat dilihat hasil rekapitulasi hasil penelitian dimana dapat disimpulkan bahwa penggunaan refrigeran hidrokarbon terhadap penggunaan refrigeran halokarbon pada mesin kompresi uap hibrida terjadi penghematan massa refrigeran HCR22 sebesar 57,78 %. Laju pendinginan dan laju pemanasan baik refrigeran hidrokarbon maupun refrigeran halokarbon memperlihatkan hasil yang relatif sama. Nilai performansi HCR22 meningkat, yaitu COP naik 57,38 %, PF naik 2,7 %, TP naik 35,43 %. Dampak pendinginan dengan menggunakan refrigeran HCR22 naik 18,7 % dan dampak pemanasannya turun 9,3 %, dimana terjadi pada tekanan kondensor yang lebih rendah 27,73 %. Daya kompresor dengan HCR22 lebih hemat 25,3 % dari pada menggunakan R22. Tabel 1 Rekapitulasi Hasil Pengujian dengan HCR22 dan R22 Deskripsi Nilai Hasil % Massa Refrigeran (gram) HCR22 38 R22 9 Laju Pendinginan () HCR22 5 R22 5 Laju Pemanasan () HCR22 55 R22 55 Coefficient of Performance HCR22 4,125 R22 2,621 Performance Factor HCR22 4,716 Hemat 57,78 sama Sama Naik 57,38 R22 3,97 Naik 2,7 Total Performance HCR22 8,841 R22 6,528 Dampak Pendinginan (kwatt) Naik 35,43 HCR22 1,94 R22 1,643 Dampak Pemanasan (kwatt) HCR22 2,22 Naik 18,7 R22 2,45 Turun 9,3 Tekanan Kondensor (Psig) HCR22 262,33 R22 363,33 Daya Kompresor (kwatt) HCR22,47 R22,627 4. KESIMPULAN DAN SARAN Turun 27,73 Turun 25,4 Berdasarkan hasil kajian dapat diambil kesimpulan sebagai berikut : 1. Penggunaan massa refrigeran hidrokarbon HCR22 pada mesin kompresi uap hibrida lebih hemat 57,78 % dibanding penggunaan refrigeran halokarbon R22, karena refrigeran HCR22 mempunyai kalor laten yang lebih tinggi dibanding refrigeran R22. 2. Laju pendinginan dan laju pemanasan Hidrokarbon HCR22 dan Halokarbon R22 cenderung sama. 3. Pada penggunaan hidrokarbon HCR22 terhadap halokarbon R22, dampak pendinginan naik 18,7 % sedangkan dampak pemanasan turun 9,3 %, karena terjadi pada tekanan kondensor yang lebih rendah 27,73 %. Daya kompresor dengan refrigeran HCR22 lebih hemat 25,4 % dibanding dengan menggunakan R22. 4. Kinerja performansi mesin kompresi uap hibrida meningkat dengan menggunakan Hidrokarbon HCR22. COP naik 57,38 %, PF naik 2,7 %, TP naik 35,43 %. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi Departemen Pendidikan Nasional melalui Lembaga Penelitian Universitas Riau yang telah mendanai penelitian ini dari Dana Penelitian Dosen Muda Tahun Anggaran 27. (No. Kontrak 135/J16/PL/III/27) PUSTAKA 1. Amrul, Kaji Eksperimental Karakteristik Mesin Refrigerasi Hibrid Kompresi Uap Susunan Seri dan Paralel dengan Menggunakan Refrigeran Hidrokarbon HCR-12, Tesis, Jurusan Teknik Mesin, ITB, Bandung, 21 2. Aziz, Azridjal, Penggunaan Hidrokarbon sebagai Refrigeran pada Mesin Refrigerasi 15
Jurnal Teknik Mesin Vol.7, No.1, Juni 21 ISSN 1829-8958 Siklus Kompresi Uap Hibrida dengan Memanfaatkan Panas Buang Perangkat Pengkondisian Udara, Proceding Hasil Penelitian Lembaga Penelitian Universitas Riau, Pekanbaru, 25. 3. Moran, M.J., Saphiro, H.N., Fundamental of Engineering Thermodinamycs, 3 rd ed, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1995. 4. Pasek, A.D.,Tandian, N.P., Short Course on the Applications of Hydrocarbon Refrigerants, International Conference on Fluid and Thermal Energy Conversion 2, Bandung, 2. 5. Pasek, A.D.,Tandian, N.P., Adriansyah W., Training of Trainer Refrigeration Servicing Sector, Training Manual, ITB, Bandung, 24. 6. Reynolds, William, Perkins, Henry, Engineering Thermodynamics, 2 nd ed., McGraw- Hill Co, Singapore, 1997. 16