Kesetimbangan Kimia
BAB IPENDAHULUAN
1.1 Latar BelakangSistem refrigerasi telah memainkan peranan
yang sangat penting saat ini. Hal ini terlihat dari semakin
banyaknya penggunaan sistem ini baik di industri maupun rumah
tangga. Sebagai contoh adalah pada pemrosesan maupun pengawetan
makanan, penyerapan kalor dari bahan-bahan kimia, pengkondisian
udara dan sebagainya.Sistem refrigerasi sangat menunjang
peningkatan kualitas hidup manusia. Kemajuan dalam bidang
refrigerasi akhir-akhir ini adalah akibat dari perkembangan sistem
kontrol yang menunjang kinerja dari sistem refrigerasi. Apalikasi
dari sistem refrigerasi tidak terbatas, tetapi yang paling banyak
digunakan adalah untuk pengawetan makanan dan pendingin suhu,
misalnya lemasi es gambar 1 freezer, cold strorage, air
conditioner/AC Window, AC split dan AC mobil. Dengan perkembangan
teknologi saat ini, refrigeran (bahan pendingin) yang di pasarkan
dituntut untuk ramah lingkungan, disamping aspek teknis lainnya
yang diperlukan. Apapun refrigeran yang dipakai, semua memiliki
kelebihan dan kekurangan masing-masing oleh karena itu, diperlukan
kebijakan dalam memilih refrigerant yang paling aman berdasarkan
kepentingan saat ini dan masa yang akan datang.Pada sistem
refrigerasi terdapat beberapa komponen utama yaitu kompresor untuk
menaikkan tekanan refrigeran, kondenser untuk membuang panas dari
refrigeran, alat ekspansi untuk menurunkan tekanan refrigeran, dan
evaporator untuk menyerap panas dari luar kedalam refrigeran.Pada
makalah ini akan dibahas lebih dalam mengenai sistem refrigerasi,
baik itu siklus siklus pada refrigerasi, macam macam refrigerant
yang digunakan dalam proses refrigerasi, dll.1.2 Tujuana. Sebagai
syarat untuk memenuhi tugas mata kuliah Termodinamika IIb. Memahami
prinsip kerja dari berbagai jenis siklus refrigerasic. Memahami
konsep dasar perubahan bentuk energi di siklus siklus refrigerasid.
Mampu mengidentifikasi, menguraikan, dan menganalisa persoalan
keseimbangan energi yang terjadi pada siklus siklus refrigerasie.
Mengetahui jenis jenis dari refrigeran serta memilih refrigeran
yang sesuai
1.3 Rumusan Masalah a. Apakah yang dimaksud dengan Refrigerasi
?b. Apakah yang dimaksud dengan siklus Refrigerasi ?c. Apa sajakah
macam macam dari siklus Refrigerasi ?d. Apa sajakah yang termasuk
kedalam refrigeran ?e. Bagaimanakah menentukan refrigeran yang
tepat dan sesuai ?
1.4 Manfaata. Mahasiswa dapat memahami prinsip kerja dari
berbagai jenis siklus refrigerasib. Mahasiswa dapat memahami konsep
dasar perubahan bentuk energi di siklus refrigerasic. Mahasiswa
mampu mengidentifikasi, menguraikan, dan menganalisa persoalan
keseimbangan energi yang terjadi pada siklus refrigerasid.
Mahasiswa dapat mengetahui jenis jenis dari refrigeran serta dapat
memilih refrigeran yang sesuai
BAB IIPEMBAHASAN
2.1 PENGERTIAN REFRIGERASI
Refrigeran merupakan bahan pendingin atau fluida yang digunakan
untuk menyerap panas melalui perubahan fase dari cair ke gas
(evaporasi) dan membuang panas melalui perubahan fase dari gas ke
cair (kondensasi), sehingga refrigeran dapat dikatakan sebagai
pemindah panas dalam sistem pendingin. Adapun pengertian lainnya
adalah Refrigerasi atau pendinginan merupakan proses pengambilan
atau pengeluaran kalor dari suatu materi atau ruangan dan
mempertahankan keadaannya sedemikian rupa sehingga temperaturnya
lebih rendah dari pada lingkungan sekitarnya. Pada prinsipnya
refrigerasi adalah terapan dari mata kuliah Perpindahan Panas dan
Thermodinamika, dimana kalor akan mengalir atau berpindah dari
suatu keadaan yang mempunyai temperatur tinggi ke suatu keadaan
yang bertemperatur rendah. Sedangkan pengkondisian udara atau
penyegaran udara adalah merupakan satu dari teknik-teknik
refrigerasi. Penyegaran udara itu sendiri adalah suatu proses
pendinginan udara sehingga dapat dicapai temperatur dan kelembaban
yang sesuai dengan yang dipersyaratkan terhadap kondisi udara dari
suatu ruangan tertentu serta mengatur aliran udara dan kebersihan
udaranya.Untuk mencapai tujuan dari penyegaran udara tersebut,
dibutuhkan suatu fluida kerja yang disebut refrigeran. Dimana
refrigeran akan dialirkan melalui sistem. Dalam sistem tersebut,
refrigeran mengalami beberapa proses atau perubahan fase (cair dan
uap), yaitu refrigeran yang mula-mula pada keadaan awal (cair),
setelah melalui beberapa proses akan kembali ke keadaan
awalnya.
2.2 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.
2.2.1 KompresorKompressor 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 = 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.
- W kompressor = H
2.2.2 KondensorKondensor 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.
2.2.3 AkumulatorMerupakan alat yang berguna untuk mengumpulkan
cairan refrigerant yang berasal dari kondensor. Dengan adanya alat
ini akan memudahkan pengaturan stock dari total refrigerant.
2.2.4 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.
2.2.5 EvaporatorJuga 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.2.3 SIKLUS REFRIGERASISiklus refrigerasi adalah siklus
kerja yang mentransfer kalor dari media bertemperatur rendah ke
media bertemperatur tinggi dengan menggunakan kerja dari luar
sistem. Secara prinsip merupakan kebalikan dari siklus mesin kalor
(heat engine). Dilihat dari tujuannya maka alat dengan siklus
refrigerasi dibagi menjadi dua yaitu refrigerator yang berfungsi
untuk mendinginkan media dan heat pump yang berfungsi untuk
memanaskan media. Ilustrasi tentang refrigerator dan heat pump
dapat dilihat pada gambar di bawah.
Prinsip terjadinya suatu pendinginan di dalam sistem refrigerasi
adalah penyerapan kalor oleh suatu zat pendingin yang dinamakan
refrigeran. Karena kalor yang berada disekeliling refrigeran
diserap, akibatnya refrigeran akan menguap, sehingga temperatur di
sekitar refrigeran akan bertambah dingin. Hal ini dapat terjadi
mengingat penguapan memerlukan kalor.Di dalam suatu alat pendingin
(misal lemari es) kalor diserap di evaporator dan dibuang ke
kondensor. Uap refrigeran yang berasal dari evaporator yang
bertekanan dan bertemperatur rendah masuk ke kompresor melalui
saluran hisap. Di kompresor, uap refrigerant tersebut dimampatkan,
sehingga ketika ke luar dari kompresor, uap refrigeran akan
bertekanan dan bersuhu tinggi, jauh lebih tinggi dibanding
temperatur udara sekitar. Kemudian uap menunjuk ke kondensor
melalui saluran tekan. Di kondensor, uap tersebut akan melepaskan
kalor, sehingga akan berubah fasa dari uap menjadi cair
(terkondensasi) dan selanjutnya cairan tersebut terkumpul di
penampungan cairan refrigeran. Cairan refrigeran yang bertekanan
tinggi mengalir dari penampung refrigeran ke katup ekspansi. Keluar
dari katup ekspansi tekanan menjadi sangat berkurang dan akibatnya
cairan refrigeran bersuhu sangat rendah. Pada saat itulah cairan
tersebut mulai menguap yaitu di evaporator, dengan menyerap kalor
dari sekitarnya hingga cairan refrigeran habis menguap. Akibatnya
evaporator menjadi dingin. Bagian inilah yang dimanfaatkan untuk
mengawetkan bahan makanan atau untuk mendinginkan ruangan. Kemudian
uap refrigeran akan dihisap oleh kompresor dan demikian seterusnya
proses-proses tersebut berulang kembali.Siklus refrigerasi dapat
diklasifikasikan sebagai berikut,1. Siklus kompresi uap (vapor
compression refrigeration cycle) dimana refrigeran mengalami proses
penguapan dan kondensasi, dan dikompresi dalam fasa uap. 2. Siklus
gas (gas refrigeration cycle), dimana refrigeran tetap dalam
kondisi gas.3. Siklus bertingkat (cascade refrigeration cycle),
dimana merupakan gabungan lebih dari satu siklus refrigerasi.4.
Siklus absorpsi (absorption refrigeration cylce), dimana refrigeran
dilarutkan dalam sebuah cairan sebelum dikompresi.5. Siklus
termoelektrik (thermoelectric refrigeration cycle), dimana proses
refrigerasi dihasilkan dari mengalirkan arus listrik melalui 2 buah
material yang berbeda.
Kinerja suatu refrigerator dan heat pump dinilai dari besarnya
koefisien kinerja (coefficient of performance COP) yang
didefinisikan sebagai berikut,
Harga COPR dan COPHP umumnya lebih besar dari satu dimana COPHP
= COPR + 1 untuk suatu rentang tekanan kerja yang sama.
2.3.1 Siklus Refrigerasi Kompresi UapGambar di bawah menunjukkan
siklus refrigerasi kompresi uap ideal secara skematis. Di sini
refrigeran dalam kondisi uap jenuh masuk ke kompresor dan keluar
sebagai uap panas lanjut. Refrigeran kemudian masuk ke kondenser
untuk melepas kalor sehingga terjadi kondensasi sampai ke kondisi
cairan jenuh. Keluar kondenser refrigeran masuk ke katup ekspansi
untuk menjalani proses pencekikan (throttling) sehingga mengalami
penurunan tekanan dan berubah menjadi campuran jenuh. Proses
terakhir ini bisa juga diganti dengan sebuah turbin isentropis
untuk menaikkan kapasitas pendinginan dan menurunkan kerja input
(dengan kompensasi kompleksnya sistem). Selanjutnya refrigeran
masuk ke evaporator untuk menyerap kalor sehingga terjadi proses
evaporasi dan siap untuk dilakukan langkah kompresi berikutnya.
Siklus refrigerasi kompresi uap ideal dapat digambarkan dalam
diagram T-s seperti gambar di atas-kanan. Proses-proses yang
terjadi adalah,1-2 : Kompresi isentropis dalam kompresor2-3:
Pembuangan kalor secara isobaris dalam kondenser 3-4: Throttling
dalam katup ekspansi atau tabung kapiler 4-1: Penyerapan kalor
secara isobaris dalam evaporator
Persamaan energi untuk komponen-komponen refrigerator bisa
dituliskan sebagai berikut:
dimana diasumsikan perubahan energi kinetik dan potensial bisa
diabaikan.
Dari notasi-notasi pada gambar di atas maka COPs dapat
dituliskan sebagai berikut:
di mana dan .
Contoh SoalRefrigerator menggunakan refrigeran R-12 dan
beroperasi dengan siklus kompresi uap ideal antara 0,14 dan 0,8
MPa. Apabila laju massa refrigeran 0,05kg/s, tentukan (a) laju
kalor dari ruangan yang didinginkan dan kerja kompresor, (b) laju
kalor yang dibuang ke lingkungan, (c) COP
SolusiDari tabel Refrigeran-12 (Tabel A-11A13)Kondisi 1 (uap
jenuh) :
Kondisi 2 (uap panas lanjut) :
Kondisi 3 (cairan jenuh) :
Kondisi 4 (campuran jenuh) :
(a) Laju kalor yang diserap dari media yang didinginkan:
Kerja kompresor:
(b) Kalor yang dibuang ke lingkungan:
(c) Coefficient of Performance:
2.3.2 Siklus Refrigerasi Kompresi Uap AktualPada kenyataannya
refrigerator atau heat pump akan bekerja dengan suatu proses yang
menyimpang dari siklus idealnya akibat ireversibilitas dalam tiap
komponennya. Ireversibilitas ini pada umumnya disebabkan oleh
gesekan fluida dan perpindahan kalor dari atau ke lingkungan
sekitar. Siklus refrigerasi kompresi uap aktual dapat digambarkan
secara skematis seperti gambar di bawah.
Hal-hal yang terjadi dalam siklus aktual:1. Refrigeran sudah
dalam kondisi uap panas lanjut sebelum masuk ke kompresor.2. Akibat
cukup panjangnya pipa penghubung kompresor-evaporator akan
mengakibatkan rugi tekanan. Rugi tekanan yang disertai peningkatan
volume spesifik dari refrigeran membutuhkan power input yang lebih
besar.3. Dalam proses kompresi ada rugi gesekan dan perpindahan
kalor yang akan meningkatkan entropi (1-2) atau menurunkan entropi
(1-2') dari refrigeran tergantung kepada arah perpindahan kalornya.
Proses (1-2') lebih disukai karena volume spesifiknya turun
sehingga power input bisa lebih kecil. Hal ini bisa dilakukan
apabila dilakukan pendinginan dalam langkah kompresi.4. Di dalam
kondenser akan terjadi juga rugi tekanan.5. Refrigeran dalam
kondisi cairan terkompresi ketika masuk dalam katup ekspansi.
Contoh SoalDalam sebuah refrigerator aktual, R-12 masuk ke
kompresor sebagai uap panas lanjut pada 0,14MPa, 20C, laju massa
0,05kg/s, dan keluar pada 0,8MPa, 50C. Refrigeran didinginkan dalam
kondenser sampai 26C, 0,72MPa dan di-throttling sampai 0,15MPa.
Dengan mengabaikan rugi kalor dan rugi tekanan dalam pipa-pipa
sambungan tentukan (a) laju kalor dari media yang didinginkan dan
kerja kompresor, (b) efisiensi adaibatik kompresor, (c) COP.
SolusiDari Tabel refrigeranKondisi 1 (uap panas lanjut) :
Kondisi 2 (uap panas lanjut) :
Kondisi 3 (cairan terkompresi)
Kondisi 4 (campuran jenuh) :
(a) Laju kalor yang diserap dari media yang didinginkan:
Kerja kompresor:
(b) Efisiensi adiabatis:
di sini
Sehingga,
(c) Coefficient of Performance:
2.3.3 Inovasi Siklus Refrigerasi Kompresi UapDalam aplikasi
sistem refrigerasi di industri, gedung bertingkat dan lain-lain,
sistem dengan siklus sederhana seperti dijelaskan sebelumnya tidak
mencukupi. Untuk itulah diperlukan modifikasi supaya memenuhi
kriteria penggunaan.
Sistem CascadeDi industri sering dibutuhkan kondisi refrigerasi
dengan temperatur yang cukup rendah dan sekaligus dalam rentang
temperatur yang lebar. Rentang temperatur yang lebar berarti bahwa
sistem refrigerasi harus bisa beroperasi dalam beda tekanan yang
besar dimana hal ini hanya bisa dipenuhi apabila tingkat
refrigerasi dibuat lebih dari satu. Di sini prinsipnya adalah
menggabungkan dua buah siklus kompresi uap di mana kondenser dari
siklus dengan tekanan kerja lebih rendah akan membuang panas ke
evaporator dari siklus dengan tekanan kerja lebih tinggi dalam
sebuah alat penukar kalor (heat exchanger). Secara skematis dapat
digambarkan sebagai berikut.
Dalam heat exchanger antara siklus bawah dan siklus atas terjadi
hubungan:
Juga,
Dalam sistem cascade maka jenis refrigeran untuk siklus tekanan
tinggi (A) dan siklus tekanan rendah (B) tidak perlu sama sehingga
pemilihan refrigeran akan bisa lebih fleksibel karena bisa
disesuaikan dengan batas bawah dan atasnya.
Contoh SoalSistem refrigerasi cascade 2 tingkat beroperasi
antara 0,8 dan 0,14 MPa. Setiap tingkat beroperasi dengan siklus
kompresi uap ideal dengan R-12 sebagai fluida kerja. Kalor dibuang
dari siklus tekanan rendah ke tekanan tinggi dilewatkan alat
penukar kalor adiabatik dimana masing-masing fluida kerja
bertekanan 0,32MPa. Apabila laju fluida kerja pada siklus tekanan
tinggi adalah 0,05 kg/s, tentukan (a) laju fluida kerja pada siklus
tekanan rendah, (b) laju kalor dari media yang didinginkan dan
kerja kompresor, (c) COP
SolusiMisal siklus tekanan tinggi diberi indeks A, siklus
tekanan rendah dengan indeks B
(a) Dari keseimbangan energi di alat penukar kalor
Dari Tabel R-12 didapatkan:
sehingga
(b) Laju kalor yang diserap dari media yang akan
didinginkan:
Dari Tabel R-12 diketahui:
sehingga
Kerja kompresor:
(c) Coefficient of Performance
Sistem Banyak Tingkat (Multistage System)Pada prinsipnya adalah
tidak berbeda dengan sistem cascade. Perbedaannya adalah digantinya
heat exchanger dengan mixing chamber dan flash chamber di mana di
sini akan terjadi pencampuran refrigeran yang melewati siklus
tekanan atas dan siklus tekanan bawah. Secara skematis sistem
banyak tingkat dapat digambarkan seperti gambar dibawah.
Disini yang perlu diperhatikan adalah dalam tiap proses akan
mempunyai jumlah laju yang berbeda walaupun dalam satu siklus yang
sama.
Sistem Multi Purpose Dengan Kompresor TunggalSeperti dalam
sebuah lemari es di rumah tinggal, beberapa jenis refrigerator
membutuhkan beberapa ruang dengan temperatur yang berbeda. Untuk
sistem seperti ini maka penggunaan beberapa katup ekspansi adalah
solusinya, dimana pada proses throttling pertama akan didapatkan
temperatur moderat (misal bagian refrigerator 5C) dan pada
throttling selanjutnya akan didapatkan temperatur yang lebih rendah
(bagian freezer -10C). Gambar di bawah menunjukkan prinsip kerja
secara skematis.
Pencairan Gas (Liquefaction of Gases)Di lapangan sering
dibutuhkan kondisi dengan temperatur yang sangat rendah (di bawah
-100C), seperti pada proses pemisahan gas oksigen dan nitrogen dari
udara, pembuatan hidrogen cair untuk bahan bakar mesin roket, riset
tentang superkonduksi dan lain-lain. Pada sebuah proses pencairan
gas, gas harus didinginkan sampai pada temperatur di bawah
temperatur kritisnya. Misal temperatur kritis untuk helium,
hidrogen, dan nitrogen adalah masing-masing 268, -240, dan -147C.
Salah satu metode refrigerasi yang memungkinkan untuk mendapatkan
temperatur sangat rendah ini adalah metode Linde-Hampson seperti
pada gambar di bawah.
Di sini gas baru yang akan dicairkan (1) dicampur dengan gas
yang tidak berhasil dicairkan pada tahap sebelumnya (9) sehingga
temperaturnya turun sampai titik (2) dan kemudian bersama-sama
masuk ke kompresor bertingkat. Pengkompresian dilakukan bertingkat
sampai titik (3) dengan dilengkapi intercooling. Gas tekanan tinggi
kemudian didinginkan sampai titik (4) dalam after-cooler dengan
menggunakan media pendingin dan didinginkan lebih lanjut sampai
titik (5) dalam alat penukar kalor regenerative dengan membuang
kalornya ke gas yang tidak berhasil dicairkan pada tahap sebelumnya
dan akhirnya di-throttled ke titik (6) sehingga berubah menjadi
campuran jenuh. Uap dipisahkan dari gas yang telah berubah menjadi
cair untuk kemudian dilewatkan melalui alat penukar kalor
regenerative untuk menjalani tahap berikutnya.
2.3.4 Siklus Refrigerasi GasDalam pembahasan mengenai siklus
Carnot diketahui bahwa apabila arah siklus dibalik akan didapatkan
siklus Carnot terbalik (reversed Carnot cycle) yang merupakan
sebuah refrigerator ideal. Hal ini menimbulkan ide bahwa siklus
mesin kalor (heat engine) dan siklus refrigerator sebenarnya adalah
mempunyai prinsip kerja sama hanya arahnya saja yang berlawanan
(perhatikan bahwa siklus refrigerasi yang dibahas di atas adalah
sangat mirip dengan siklus Rankine dengan arah terbalik). Oleh
karena itu maka apabila siklus Brayton dibalik arahnya akan
didapatkan apa yang disebut siklus refrigerasi gas (reversed
Brayton cycle).
Disini akan berlaku bahwa,
dimana,
Siklus refrigerasi gas ini akan mempunyai COP yang lebih rendah
dibandingkan dengan siklus kompresi uap. Tetapi karena konstruksi
yang sederhana dan komponen yang ringan maka siklus ini banyak
dipakai di pesawat terbang dan dapat dikombinasikan dengan proses
regenerasi.
2.3.5 Siklus Refrigerasi AbsorpsiPeningkatan COP dari mesin
refrigerasi dapat dilakukan dengan menurunkan kerja yang dibutuhkan
oleh kompresor. Dibanding dengan sebuah kompresor, pompa dapat
melakukan proses kompresi fluida cair dengan kerja input yang jauh
lebih kecil untuk laju massa yang sama. Oleh karena itu dalam
sistem refrigerasi absorpsi, refrigeran akan dilarutkan dalam
fluida cair sebagai media transport sehingga refrigeran dapat
dikompresi dengan kerja yang lebih kecil. Refrigeran yang sering
dipakai adalah amoniak dengan media transport berupa air.
Refrigeran lain yang juga dipakai adalah air dengan media transport
berupa lithium bromide atau lithium chloride. Keunggulan sistem ini
lebih terasa apabila ada sumber panas dengan temperatur 100200C
yang murah seperti misalnya energi surya, geotermal dan lain-lain.
Skema sistem refrigerasi absorpsi bisa dilihat pada gambar di
atas.Amoniak murni keluar dari evaporator dan masuk ke absorber. Di
dalam absorber, amoniak larut dalam air sehingga terbentuk larutan
air-amoniak. Karena pelarutan amoniak akan berlangsung dengan lebih
baik pada temperatur yang lebih rendah maka larutan dalam absorber
didinginkan dengan cooling water. Larutan air-amoniak kemudian
masuk ke pompa untuk mengalami proses kompresi dan masuk ke
regenerator untuk menerima panas. Pemanasan larutan air-amoniak
lebih lanjut dilakukan dalam generator dengan sumber panas,
misalnya dari energi surya, sehingga terjadi proses penguapan
larutan. Larutan yang menguap kemudian masuk ke rectifier untuk
dilakukan pemisahan amoniak dan air. Amoniak murni masuk ke
kondenser dan melanjutkan siklus refrigerasi, sedangkan air kembali
masuk generator untuk dipakai kembali sebagai media transport. Dari
gambar di atas dapat dilihat bahwa prinsip sistem absorpsi adalah
sama dengan dengan sistem kompresi uap, hanya berbeda pada bagian
dalam garis putus-putus.
2.3.6 Sistem Refrigerasi TermoelektrikTelah diketahui dari apa
yang disebut efek Seebeck bahwa dua buah logam yang berbeda apabila
ujung-ujungnya dihubungkan kemudian dipanaskan salah satu ujungnya
maka akan timbul arus listrik dalam rangkaian logam tersebut.
Efek Seebeck ini kemudian bisa dimanfaatkan untuk sebuah
generator listrik yang biasa disebut sebagai thermoelectric power
generator. Seperti pada bagian sebelumnya bahwa siklus daya dan
siklus refrigerasi adalah mempunyai prinsip kerja yang sama hanya
dengan arah yang berlawanan, maka siklus daya termoelektrik ini
bisa juga dipakai untuk siklus refrigerasi. Siklus refrigerasi
termoelektrik akan memanfaatkan efek Peltier dimana apabila
dialirkan arus listrik dalam rangkaian yang terbuat dari dua buah
logam yang berbeda, maka pada ujung yang satu terjadi penyerapan
kalor dan pada ujung yang satunya terjadi pembuangan kalor. Prinsip
kerja dan susunan sistem secara skematis dapat dilihat di gambar di
bawah.
Pada aplikasinya refrigerasi termoelektrik akan menggunakan
semikonduktor sebagai media untuk menyerap dan membuang kalor.
Walaupun sistem ini mempunyai kelemahan yaitu rendahnya efisiensi,
tetapi karena ringan, sederhana, dan tidak berisik maka dipandang
sebagai teknologi refrigerasi masa depan.
2.3.7 Sistem Heat PumpKarena heat pump biasanya dipakai di
daerah dengan iklim yang dingin maka persoalan dari manakah panas
dapat diambil menjadi persoalan. Sumber panas yang sering dipakai
dalam sebuah heat pump adalah:1. Udara atmosfer (paling umum).
Sumber panas ini paling praktis tetapi ada problem frosting pada
koil evaporator sehingga akan menurunkan laju perpindahan kalor.2.
Air tanah. Pada kedalaman tertentu air tanah mempunyai temperatur
berkisar 518C sehingga didapatkan heat pump dengan COP tinggi,
tidak ada frosting tetapi konstruksi rumit.3. Tanah
Untuk tujuan pemanasan suatu media, pemanasan dengan proses
pembakaran dari sumber energi primer (bahan bakar) secara ekonomis
lebih menguntungkan dibandingkan dengan heat pump. Oleh karena itu
jarang ditemui sebuah heat pump yang bekerja sendiri. Tetapi karena
prinsip kerja yang sama antara refrigerator dan heat pump maka
sekarang ini banyak diproduksi sistem refrigerasi yang bekerja
secara dual yaitu sebagai pendingin dalam musim panas dan sebagai
pemanas dalam musim dingin. Di sini pada prinsipnya koil (heat
exchanger) di dalam dan di luar ruangan akan berubah fungsinya
sebagai evaporator dan kondenser sesuai dengan mode kerjanya dengan
bantuan katup pembalik arah. Prinsip kerja sistem dual dapat
dilihat pada gambar di bawah.
2.4 PEMILIHAN REFRIGERANJenis refrigeran adalah sangat banyak
dimana pemilihan refrigeran secara tidak tepat akan bisa membuat
kerja refrigerator menjadi tidak optimal. Refrigeran ada dua macam
yaitu refrigeran primer dan sekunder. Adapun pengertian refrigeran
primer adalah refrigeran yang digunakan dalam sistem kompresi uap.
Dan refrigeran sekunder adalah cairan-cairan yang digunakan untuk
membawa energi kalor bersuhu rendah dari satu lokasi ke tempat
lain. Nama lain dari refrigersai sekunder adalah cairan anti beku
atau brines (larutan garam).Tabel Penggunaan
RefrigeranRefrigeranKompresorKeterangan penggunaan
R11SentrifugalPendinginan air sentrifugal
R12Torak putar SentrifugalPenyegar udara, refrigerasi, dan
pendinginanPendinginan air sentrifugal ukuran besar
R13Torak putarRefrigerasi temperatur sangat rendah
R21-Pendingin kabin alat pengangkat
R22-
Sentrifugal Penyegar udara, refrigerasi pada umumnya,
pendinginan beberapa unit refrigerasi, unit temperatur
rendahPendingin air sentrifugal temperatur rendah ukuran besar
R113SentrifugalPendingin air sentrifugal ukuran kecil
R114Torak putar sentrifugalPendingin kabin alat
pengangkatPendingin air sentrifugal
R500Torak putar
SentrifugalRefrigerasi pada umumnya dan pendinginan,misal
penyegar udara Pendingin air sentrifugal temperatur rendah
R502Torak putarLemari pamer, unit temperatur rendah, refrigerasi
dan pendinginan pada umumnya
R717Torak
SentrifugalUnit pembuat es, ruang dingin, pendinginan larutan
garam, peti es, pendinginan pabrik (prose) kimiaRing es, pendingin
larutan garam, pendingin pabrik (proses) kimia
Dibawah ini ada beberapa jenis refrigeran yang biasa
dipergunakan, antara lain :1. UdaraRefrigeran ini sangat murah,
tidak beracun dan tidak mudah terbakar. Koefisien prestasi rendah.
Biasanya digunakan pada pesawat terbang.2. Carbon Dioksida
(CO2)Senyawa ini tidak berwarna, tidak berbau dan lebih berat dari
udara. Titik didihnya -78,5C, berat jenisnya 1,56 dan hanya dapat
beroperasi pada tekanan tinggi sehingga pemakaiannya terbatas dan
biasanya dipakai pada proses refrigerasi dengan tekanan per ton
yang besar. 3. Methil Clorida (CH3Cl)Berupa cairan tidak berwarna
dan tidak berbau merangsang. Titik didihnya 23,7 0F.4. Freon atau
Cloro Fluoro Carbon (CFC)Freon merupakan refrigeran yang paling
banyak digunakan dalam sistem pendingin. Bahan dasarnya ethane dan
methane yang berisi fluor dan chlor dalam komposisinya. Karena
mengandung unsur chlor refrigeran jenis ini mempunyai dampak
penipisan ozon dimana akan berpengaruh negatif terhadap kehidupan
makhluk hidup di bumi. Selain itu, juga berdampak negatif terhadap
iklim, yaitu meningkatkan suhu rata-rata dan perubahan iklim global
serta pencemaran udara.Spesifikasi freon yang biasa digunakan dalam
pendinginanNamaRumus KimiaTitik Didih (C)
Freon 11CCl3F23,8
Freon 12CCl3F2- 29,8
Freon 13CClF3- 81,4
Freon 21CHCL2F8,9
Freon 22CHClF2- 40,8
5. Uap AirRefrigeran ini paling murah dan paling aman.
Pemakaiannya terbatas untuk pendingin suhu tinggi karena mempunyai
titik beku yang tinggi, yaitu 0C. pemakaian utamanya untuk comfort
air cionditioning dan water cooling.6. HidrocarbonDipakai pada
industri karena harganya murah. Jenisnya butana, iso butana,
propana, propylana, etana dan etylana. Semuanya mudah terbakar dan
meledak.Berikut ini macam-macam nama kimia dari hidrokarbon
:Ketentuan penomoran+Nama kimiaRumus kimia
50MetanaCH4
170EtanaC2H6
290PropanaC3H8
7. Amonia (NH3)Amonia ini digunakan secara luas pada mesin
refrigerasi industri atau refrigerasi kapasitas besar. Titik
didihnya kurang lebih - 33C. zat ini mempunyai karakteristik bau
meskipun pada konsentrasi kecil di udara. Tidak dapat terbakar,
tetapi meledak jika bereaksi dengan udara dengan prosentase 13,28
%. Oleh karena itu efek korosi amonia, tembaga atau campuran
tembaga tidak boleh digunakan pada mesin dengan refrigeran
amonia.
8. AzetropesMerupakan campuran dari beberapa refrigeran yang
mempunyai sifat berbeda. Jenis yang banyak dipakai : Correne-7Yang
terdiri dari campuran 73,8 % freon-12 dan 26,2% genetron 100.
Refrigeran-502Merupakan campuran dari 98,8 % freon-12 dan 51,2 %
freon-1159. Larutan Garam (brine)Larutan garam (brine) juga
digunakan untuk refrigeran misalnya untuk pendinginan lokasi
lapangan es (ice skating rinks).10. Sulfur Dioksida (SO2)Berupa gas
atau cairan yang tidak berwarna, sangat beracun dan berbau
merangsang. Senyawa ini tidak mudah terbakar dan tidak mudah
meledak. Dengan titik didih 10,1C. 11. Hydro Fluoro Carbon (HFC)HFC
merupakan refrigeran baru sebagai alternatif untuk menggantikan
posisi freon. Hal ini disebabkan karena refrigeran freon mengandung
zat chlor (Cl) yang dapat merusak lapisan ozon. Sedangkan HFC
terdiri dari atom-atom hidrogen, fluorine dan karbon tanpa adanya
zat chlor (Cl).Macam-macam HFC dan pemakaiannya : HFC 125
(CHF2CF3)Sebagai pengganti freon115 / R115 untuk pendingin air. HFC
134a (CH3CH2F)Merupakan alternatif pengganti freon-12 / R-12. tidak
mudah meledak dan tingkat kandungan racun rendah, digunakan untuk
pengkondisian udara, lemari es dan pendingin air. HFC 152a
(CH3CHF2)Sebagai pengganti freon-12 / R-12 digunakan untuk
penyegaran udara, pendingin air.
Karakteristik Refrigeran Karena refrigeran merupakan bahan yang
penting dalam proses refrigerasi, agar dapat menyerap panas
(evaporasi) dan mengeluarkan panas (kondensasi) dengan baik.
Karakteristik thermodinamikanya antara lain meliputi temperatur
penguapan serta temperatur pengembunan dan tekanan
pengembunan.Persyaratan refrigeran untuk unit refrigerasi adalah
sebagai berikut : Tekanan penguapan harus tinggi Tekanan
pengembunan yang tidak terlalu tinggi Kalor laten penguapan harus
tinggi Volume spesifik (refrigeran) yang cukup kecil Koefisisen
prestasinya harus tinggi Konduktifitas thermal yang tinggi
Viskositas yang rendah dalam fase cair maupun fase gas Konstanta
dielektrika dari refriegerasi yang kecil, tahanan listrik yang
besar, serta tidak menyebabkan korosi pada material Refrigerasi
tidak boleh beracun dan berbau merangsang Refrigerasi tidak boleh
mudah terbakar dan meledak Refrigerasi harus mudah didieteksi, jika
terjadi kebocoran Harganya tidak mahal dan mudah diperoleh
Hal-hal yang perlu diperhatikan dalam pemilihan refrigeran:1.
Temperatur media yang akan didinginkan.Disini perlu perbedaan
temperatur yang cukup antara media dan refrigeran (yang optimal
510C). Misal, untuk mendinginkan media pada temperatur -10C maka
temperatur refrigeran adalah sekitar -20C. Hal lain yang perlu
diperhatikan adalah tekanan minimum (tekanan dalam evaporator)
dalam sistem harus sedikit lebih besar dari tekanan atmosfer untuk
mencegah masuknya udara masuk dalam sistem perpipaan. Dengan kata
lain refrigeran harus mempunyai tekanan jenuh sedikit lebih besar
dari 1 atm pada -20C (dalam contoh di atas).
2. Temperatur media dimana panas dibuangTemperatur ini akan
menentukan temperatur minimum refrigeran. Misal, untuk refrigerator
rumah tangga maka refrigeran tidak boleh dibawah 40C (kondisi
Indonesia). Juga tekanan jenuh dari refrigeran di kondenser harus
dibawah tekanan kritisnya.
Dari semua uraian diatas, dapat diambil beberapa kesimpulan :1.
Setiap refrigeran mempunyai sifat dan karakter yang berbeda-beda,
dan juga mempunyai kelebihan dan kekurangan 2. Titik didih
refrigeran sangat mempengaruhi dalam penyerapan kalor pada suatu
ruangan. Apabila titik didih refrigeran tinggi maka kalor ruangan
akan sulit diserap oleh refrigeran dan titik didih refrigeran yang
rendah maka kalor ruangan dapat diserap oleh refrigeran.3.
Kemampuan penyerapan kalor pada ruangan semakin besar apabila titik
didih suatu fluida refrigeran semakin rendah. 4. Dalam memilih
refrigeran haruslah selektif mungkin agar tidak terjadi dampak yang
merugikan pada lingkungan sekitar.5. Freon atau HFC mempunyai sifat
yang dapat merusak lapisan ozon, oleh karena itu diciptakanlah HFC
yang lebih ramah lingkungan dan tidak merusak lapisan ozon.
7