BAB 9

REFRIGERASI DAN LIKUIFAKSI

Refrigerasi sangat banyak dipakai untuk mengkondisikan udara pada bangunan gedung,

pengolahan, transportasi dan penyimpanan bahan makanan dan minuman. Pada skala

industri yang lebih besar, refrigerasi dipakai pada pabrik-pabrik es, dan industri dehidrasi

gas. Aplikasi pada industri petroleum, termasuk pemurnian minyak pelumas, serta untuk

industri kimia yang terjadi reaksi kimia pada temperatur rendah.

Selain itu refrigerasi dipakai juga untuk proses pemisahan hidrokarbon yang bersifat

mudah menguap (volatile).

Proses yang berhubungan erat dengan refrigerasi adalah pencairan gas (gas liquifaction)

yang penting untuk aplikasi komersil.

Pada bab ini yang akan dibahas adalah analisis termodinamika yang terjadi pada

refrigerasi dan likuifaksi. Sedangkan mengenai peralatan secara detail dan desainnya

tidak dibicarakan disini .

Istilah refrigerasi menyatakan secara tidak langsung untuk menjaga temperatur agar

selalu berada dibawah temperatur sekitarnya. Hal ini , memerlukan proses penyerapan

panas secara kontinyu pada level temperatur yang diinginkan, biasanya selalu dilengkapi

dengan evaporasi likuid dengan aliran yang steady state. Uap yang terbentuk

dikembalikan ke keadaan awal (berupa likuid) untuk dievaporasi kembali.

Secara umum yang banyak dipakai adalah cara sederhana yaitu kompressi dan kondensasi

fluida nya. Sebagai pilihan pemecahannya, panas harus mudah diserap likuid yang

mempunyai volatilitas rendah, kemudian terevaporasi pada tekanan tinggi.

Untuk memahami prinsip refrigerasi, perlu dimengerti lebih dulu tentang prinsip

refrigerator Carnot .

Refrigerator Carnot

Pada proses refrigerasi kontinyu, panas yang diserap pada temperatur rendah harus

dikeluarkan kembali (rejected) secara kontinyu ke lingkungan sekitarnya(surrounding)

1

dengan suhu yang lebih tinggi. Pada dasarnya siklus refrigerasi adalah kebalikan dari

siklus heat engine. Panas di transfer dari temperatur rendah ke yang lebih tinggi,

(menurut hukum termo, adalah impossibel , kalau tidak dibantu energi dari luar sistim).

Refrigerator ideal sama seperti heat engine yang ideal yang beroperasi menurut siklus

Carnot. Siklus Carnot terdiri dari 2 langkah isotermal, yaitu (panas diserap) | | pada

suhu rendah dan (panas dilepas) | | pada suhu lebih tinggi , serta 2 langkah

proses adiabatis. Siklus memerlukan tambahan kerja bersih ( net work ) W sistim.

Karena fluida kerja = 0 untuk siklus, hukum pertama termodinamika dituliskan sbb;

…………………………………..(9.1)

Ukuran efektivitas suatu refrigerasi dinyatakan dengan “coefficient of

performance / c o p ” atau simbul , didefinisikan sebagai berikut ;

…………………(9.2)

Persamaan (9.1) bila dibagi |QC| :

Kombinasikan dengan (5.7), didapatkan persamaan berikut :

sehingga persamaan (9.2) menjadi : ………………………..(9.3)

Persamaan ini hanya digunakan pada refrigerator yang beroperasi menurut siklus Carnot.

Sebagai contoh, untuk pendinginan di level 50C, pada surronding 300C, maka harga

refrigerator Carnot adalah ;

SIKLUS KOMPRESSI UAP

2

Kompressi uap pada siklus refrigerasi ditunjukkan dalam Gambar 9.1 dibawah ini.

Diagram T – S nya digambarkan sperti berikut ;

Dalam gambar siklus refrigerator Carnot, likuid dievaporasi pada tekanan tetap, karena

ada panas yang diserap pada temperatur rendah dan konstan. Uap yang terbentuk lalu

dikompressi hingga tekanannya lebih tinggi, kemudian didinginkan dan dikondensasikan

pada kondenser dengan melepas panas pada temperatur yang lebih tinggi. Selanjutnya

likuid dari kondenser dikembalikan ke tekanan semula dengan proses ekspansi, untuk

disirkulasikan.

Pada diagram T - S ditunjukkan 4 langkah proses yaitu;

Condensor

Evaporator

KompressorThrottle Valve

T

S

1

2

3 3”

4

lnP

H

1 2

34

3

Gambar 9.1 Siklus Refrigerasi Carnot

Gambar. T- S Diagram siklus refrigerasi Carnot

Const S

Gambar. P- H Diagram siklus refrigerasi Carnot

QC

QH

Langkah ; proses evaporasi likuid pada tekanan konstan, terjadi penyerapan

panas QC pada temperatur rendah konstan. (proses isotermal)

Langkah ; proses aktual kompressi , garis 2 3’ menunjukkan

kompressi isentropis yang irrevesibel.

Langkah ; proses kondensasi , melepas panas ke surrounding QH yang

temperaturnya yang lebih tinggi

Langkah : proses ekspansi melalui Throttling process entalpi konstan .

Bila basis diambil = 1 unit massa fluida nya , maka jumlah panas diserap di eveporator

dan panas dibuang pada condenser dapat dihitung dengan persamaan :

dan

persamaan diatas mengikuti persamaan (2.32), dan bila perubahan energi potensial dan

kinetik nya diabaikan, maka kerja kompressi adalah ;

dan dengan persamaan (9.2) coefficient of performance C O P , adalah ;

……………….(9.4)

Untuk mendesain evaporator, kompressor, kondensor, dan alat pelengkap lainnya, harus

diketahui laju alir sirkulasi refrigeran . Harga ini ditentukan dari laju penyerapan panas

di evaporator dengan persamaan berikut ;

…………………(9.5)

PEMILIHAN REFRIGERAN

Pada refrigerator Carnot, coefficient of performance ( c o p ) tidak tergantung pada

refrigeran nya. Akan tetapi, pada kompressi uap dan adanya irreversibilitas tidak terlepas

dari siklus ini. Dalam prakteknya, c.o.p. , dipengaruhi oleh faktor –faktor lain yang cukup

luas termasuk refrigerannya.

Faktor-faktor tersebut merupakan karakteristik refrigeran , seperti bersifat racun

(toxicity), mudah nyala (flameability), sifat korosi, harga (cost), dan tekanan uap. Adanya

4

udara (karena ada bocor) sangat tidak diperbolehkan masuk ke dalam siklus sistim

refrigerasi.

Dengan demikian pemilihan refrigeran tergantung pada karakteristik yang perlu

dipertimbangkan dalam proses siklus.

Beberapa senyawa kimia yang dapat dipakai sebagai refrigeran antara lain , ammonia,

methyl chloride, carbon dioxide, propane, dan hidrokarbon lainnya.

Sejak tahun 1930 an hidrokarbon halogenasi dipakai sebagai refrigeran, seperti chloro

fluoro carbon, CCl3F atau CFC-11 dan CCl2F2 atau CFC-12. Molekul-molekul senyawa

kimia tersebut tetap stabil diatamosfir dalam beratus tahun, yang dapat menyebabkan

lapisan ozone semakin menipis. Karena itu bahan ini tidak diproduksi lagi dan tidak

boleh dipakai lagi berdasarkan pertimbangan lingkungan.

Sebagai gantinya yaitu senyawa yang tidak mengandung chlorin yang menyebabkan

menipisnya lapisan ozone, misalnya senyawa CHCl2CF3 (dichlorotrifluoroethane atau

HCFC-123), CF3CH2F (tetrafluoroethane atau HFC-134a), dan CHF2CF3 (penta

fluoroethane atau HFC-125). Diagram tekanan / entalpi untuk (HFC-134a) diberikan

dalam lampiran, dan tabel 9.1.

Beberapa macam refrigeran yang bisa dipakai dibrikan dalam nam dagang yaitu,

Ammonia R-717 , Methyl Chlorida R-40, Carbon dioxide R-744, Propane R-290, dan

Freon 12 – R-12 dan lain lain dapat dilihat dalam Chem Eng. Hand Book Perry.

Refrigerasi dapat dilakukan secara bertingkat yang disebut sistim Cascade, menggunakan

jenis refrigeran berbeda seperti diagram dibawah ini.

5

Gambar. Sistim refrigerasi Cascade 2 tingkat

Pada siklus Cascade terdiri dari 2 siklus , siklus 1 dengan refrigeran propylen dan siklus

2 refrigerannya HFC-134. Misalkan kondisi-kondisi yang diinginkan adalah ;

, , ,

Pada siklus 1 : tekanan input kompressor 16 psia, dan discharge 58 psia atau pressure

ratio = 3,6.

Pada siklus 2 : tekanan input kompressor 21 psia, dan discharge 112 psia atau ratio

nya = 5,3. Ratio ini masih memenuhi.

Jika dipakai siklus tunggal untuk operasi -500F dan 860F, dengan HFC -134, maka

tekanan uap masuk ke kondensor harusnya sekitar 5,6 psia, suatu tekan dibawah tekanan

atmosfir. Sedangkan tekanan discharge siklus 2 adalah 112 psia, dengan demikian jika

dihitung rasio tekanannya 112/2,6 = 20 , harga ini terlalu tinggi untuk kompressor satu

tingkat pada siklus refrigerasi tunggal.

6

REFRIGERASI ABSORBSI

Kerja pada kompressi uap refrigerant biasanya diberikan oleh motor listrik. Sumber

energi listrik untuk menggerakkan motor mungkin saja dihasilkan oleh heat engine. Oleh

karena itu dikatakan , kerja untuk refrigerasi berasal dari sumber panas yang level

temperaturnya lebih tinggi . Prinsip ini langsung diterapkan untuk menggunakan panas

sebagai sumber energi pada refrigerasi. Alat yang menggunakan prisip ini disebut Mesin

Refrigerasi Absorbsi.

Kerja yang dibutuhkan refrigerator Carnot, yaitu mengabsorb panas pada temperatur TC

dan melepas panas ke surronding , misalnya pada temperatur TS , sehingga dengan

persamaan (9.2) dan (9.3) didapatkan persamaan ;

, dimana |QC| adalah panas yang diabsorb.

Jika sumber panas yang tersedia datas temperatur misalnya = TH , → TH > TS , maka

Berarti kerja W dapat diperoleh dari beda temperatur TH dan TS . Untuk menghasilkan

kerja W dibutuhkan panas |QH|, dengan persamaan (5.8) diperoleh ;

dan , lalu substitusikan harga W,

sehingga didapat persamaan berikut ;

………………… .(9.6)

Skema diagram refrigerator absorbsi ditunjukkan pada Gambar 9.4 dibawah ini.

Pada skema dibagi dua oleh garis putus. Disisi kanan garis putus menunjukkan bagian

atau unit absorbsi , dan dibagian kiri adalah unit refrigerasi kompressi uap refrigeran.

Panas yang diberikan ke proses , kemudian dibuang ke surrounding pada TS , suatu level

temperatur terendah dari heat engine.

Likuid dari absorber yang mengandung refrigeran konsentrasi tinggi, dipompakan untuk

menaikkan tekanannya agar memenuhi tekanan di Kondenser.

Panas dari sumber pada temperatur TH ditransfer ke likuid bertekanan (fluida dari pompa)

sehingga temperaturnya naik dan menguapkan refrigeran dari pelarutnya. Uap refrigeran

7

keluar dari regenerator mengalir ke condenser, sedangkan solven yang mengandung

refrigeran konsentrasinya relatif rendah dikembalikan ke absorber.

Heat exchanger berfungsi mengkonservasi energi dan menyesuaikan temperatur arus alir

agar sesuai dengan masing-masing arah alirannya. Sumber panas untuk regenerator

biasanya digunakan steam tekanan rendah.

Pada umumnya, sistim refrigerasi absorbsi beroperasi dengan refrigeran air dan larutan

lithium bromide sebagai absorbent . Sistim sangat terbatas dipakai untuk temperatur

refrigerasi diatas titik beku air.

Alternatif sistim lain, digunakan metanol sebagai refrigeran dan polyglycolether sebagai

absorbent. Misalkan , level temperatur refrigerasi – 10 0C (TC = 263,15 K) dengan

sumber panas nya adalah steam mengkondens pada tekanan atmosferik (TH = 373,15 K).

Maka untuk temperatur surrounding 30 0C (TS = 303,15 K ), harga minimum yang

mungkin untuk didapat dari persamaan (9.6) adalah sbb ;

Pada aktual refrigerator absorbsi , harga , bisa 3 kali lebih besar.

8

THE HEAT PUMP

Heat pump, kebalikan dari heat engine, adalah suatu alat untuk pemanas di rumah tangga

dan bangunan gedung-gedung komersil di usim dingin dan sebagai alat pendingin

pada waktu musim panas. Di musim dingin, alat ini beroperasi menyerap panas dari

surrounding dan dilepaskan ke dalam bangunan. Refrigerant menguap didalam coil yang

ditempatkan didalam tanah atau diluar ruangan. Uap bertekanan (vapor compression)

disertai dengan kondensasi, berarti ada panas yang ditransfer ke aliran air atau udara.

Aliran air atau udara ini adalah fluida pemanas bangunan tersebut.

Kompressi harus pada tekanan sesuai dengan temperatur kondensasi refrigeran, yang

lebih bersar dari level temperatur yang diinginkan didalam bangunan.

Biaya operasi yang diperlukan cukup besar adalah biaya instalasi listrik untuk

menggerakkan kompressor. Bila unit mempunyai c.o.p. , panas tersedia

untuk memanaskan rumah |QH| adalah sama dengan 5 kali energi input kompressor.

Karena itu , nilai keekonomisan heat pump jika difungsikan sebagai pemanas, sangat

tergantung pada biaya listriknya.

Heat pump dapat juga difungsikan sebagai pendingin udara pada musim panas. Diagram

ali refrigerasinya kebalikan dari fungsi pemanas. Fungsi pendingin dapat terjadi dengan

menyerap panas dari bangunan gedung dan dilepas atau dikeluarkan ke koil bawah tanah

atau diluar gedung.

Contoh soal

Sebuah rumah mempunyai alat pemanas di musim dingin, memerlukan kerja 30 kJ s-1 ,

dan bila fungsi pendingin di musim panas diperlukan kerja 60 kJ s -1. Anggaplah alat ini

dipasang untuk menjaga temperatur didalam rumah pada 20 0C di musim dingin , dan

25 0C d musim panas. Dibutuhkan sirkulasi refrigeran melalui interior exchanger coil

pada 30 0C di musim dingin, dan 5 0C di musim panas. Coil bawah tanah menyediakan

sumber panas di musim dingin, dan menyimpan/menampung panas di musim panas.

Temperatur ground selama setahun adalah 15 0C , karakteristik perpindahan panas coil

megharuskan temperatur refrigeran 10 0C di musim dingin, dan 25 0C di musim panas.

Berapakah minimum kebutuhan power untuk pemanasan dimusim dingin, dan untuk

pendinginan dimusim panas.

9

Penyelesaian

Kebutuhan power minimum diberikan dalam heat pump Carnot.

Sebagai pemanas dimusim dingin, koil didalam rumah pada temperatur level tertinggi TH,

maka panas dibutuhkan |QH| = 30 kJ s1, lalu persamaan :

kJ s-1

adalah panas yang diserap koil bawah tanah.

Lalu dengan persamaan (9.1),

kJ s-1

karena itu power yang dibutuhkan adalah 1,98 kW

Sebagai pendingin dimusim panas, |QC| =60 kJ s-1, dan koil dalam rumah temperaturnya

adalah level temperatur terendah TC , kombinasikan persamaan (9.2) dan (9.3) ,

selesaikan untuk W ;

kJ s-1

power dibutuhkan pada musim panas = 4,31 kW.

PROSES LIKUIFAKSI

Gas yang dicairkan, secara umum digunakan untuk berbagai keperluan, contohnya

propan cair didalam tabung, dipakai sebagai bahan bakar untuk keperluan domestik,

oksigen cair diperlukan untuk roket, gas alam yang dicairkan untuk transportasi dilautan,

nitrogen cair dipakai untuk refrigerasi pada suhu rendah.

Sealain itu, campuran gas, (seperti udara) dicairkan untuk memisahkan komponen

menjadi masing-masing fraksinya.

Likuifaksi dihasilkan jika gas didinginkan sampai temperatur pada daerah 2 phase

region. Hal ini dapat dicapai dengan beberapa cara ;

1. Dengan heat exchange pada tekanan tetap

2. Dengan proses ekpansi (dimana bisa diperoleh kerja W)

3. Dengan proses Throttling.

10

Ketiga cara ini digambarkan dalam diagram T- S , seperti pada grafik dibawah ini.

Pada proses tekanan tetap ( 1 ), mendekati region 2 phase, dan likuifaksi sangat dekat

dengan temperatur tertentu yang harus diturunkan.

Proses throttling ( 3) tidak menghasilkan likuid, kecuali jika initial state pada tekanan

cukup tinggi , dan temperatur cukup rendah selama proses entalpi konstan , untuk

memotong region 2 phase. Hal ini tidak akan terjadi bila initial state nya dititik A. Jika

initial state di titik , dimana temperatur nya sama , tetapi tekanannya lebih tinggi dari

titik A, kemudian dengan proses ekspansi entalpi konstan (isentalpi ekspansi) proses( )

dihasilkan pembentukan likiud.

Perubahan keadaan dari A ke , sangat mudah dilakukan dengan mengkompres gas

hingga ke tekanan final di B, diikuti dengan pendinginan pada tekanan konstan hingga

titik . Likuifaksi dengan ekspansi isentropis sepanjang proses ( 2 ) dapat dilakukan

pada tekanan rendah (pada temperatur tertentu) dibanding dengan men throttlingnya.

Misalnya , lanjutan proses ( 2 ) dari keadaan awal A , akhirnya dihasilkan likuid.

Proses throttling (3) adalah cara yang umum dipakai pada pabrik komersil skala kecil

untuk pencairan gas. Temperatur gas selama ekspansi akan terus turun. Hal ini tentu saja

sesuai dengan yang terjadi pada kebanyakan gas pada kondisi tekanan dan temperatur

yang umum.

Cara yang paling ekonomis untuk mendinginkan gas untuk dicairkan adalah dengan

counter current heat exchange dengan sejumlah porsi gas yang tidak tercairkan dalam

11

proses throttling proses. Ada 2 proses likuifaksi yang dikenal yaitu proses Linde dan

proses Claude . Diagram alir proses seperti tergambar berikut .

Pada proses Linde, setelah gas dikompress lalu di pre cooled hingga temperatur

ambientnya, dan diteruskan dengan refrigerasi. Gas yang temperaturnya rendah

dialirkan ke Throttle Valve, sehingga sebagian besar fraksi gas akan mencair.

12

Pada proses Claude, agar lebih efisien, throttle valve diganti dengan expander.

Neraca energi pada proses Claude;

bila ekspander beroperasi secara adiabatis,

Selanjutnya, dari neraca massa nya : , persamaan energi diatas dibagi

dengan m4 menjadi sbb ;

jika didefinisikan : dan , maka persamaan diatas

diselesaikan untuk z , hasilnya sbb ;

………………...…(9.7)

dimana z adalah fraksi aliran masuk sistim heat exchanger yang dapat dilikuifaksi dan x

adalah fraksi yang dibelokkan diantara heat exchanger dengan yang melintas lewat

expander. Harga x adalah variabel desain mesti dispesifikasi sebelum persamaan (9.7)

diselesaikan untuk z.

Pada proses Linde ( z = 0 ) , persamaan diatas menjadi :

……………………...(9.8)

Karena itu Proses Linde merupakan juga proses Claude yang terbatas, apabila tidak ada

aliran gas tekanan tinggi yang dikirim ke ekspander.

Persamaan (9.7) dan (9.8) diperkirakan tidak ada panas yang mengalir dari surrounding

kedalam sistim. Hal ini tidak mungkin sepenuhnya benar, karena mungkin saja terjadi

kebocoran gas pada temperatur yang sangat rendah, walaupun peralatannya diisolasi

sempurna.

Contoh soal

Gas alam dianggap gas methan murni dicairkan menurut proses Claude.Dikompress

hingga 60 bar dan precooling pada 300 K. Tekanan pada expander dan throttle adalah 1

bar. Recycle methan pada tekanan itu keluar exchanger system (poi 15 pada gbr.9.7)

13

pada 295 K. Diasumsi tidak ada panas surrounding masuk ke sistem, dan efisiensi

ekspander 75 %, keluar dari ekspader adalah saturated vapor. Aliran yang dibelokkan

adalah 25 % dari methan yang masuk ke sistim heat exchanger (x = 0,25), hitunglah

fraksi z atau methan yang menjadi cair, dan berapakah temperatur aliran masuk ke

throttle valve pada tekanan tinggi.

Penyelesaian

Cari data untuk methan dari Hand Book Perry dan Green , dan interpolasi linernya

diperoleh :

H4 = 1140,0 kJ kg-1 (pada 300 K, 60 bar)

H15 = 1188,9 kj kg-1 (pada 295 K, 1 bar )

Dengan interpolasi ln P pada tabel sifat-sifat cairan dan uap saturated, untuk P = 1 bar

didapat ; Tsat = 111,5 K

H9 = 285,4 kJ kg-1 ( saturated liqiud)

H12 = 796,9 kJ kg-1 (saturated vapor)

S12 = 9521 kJ kg-1 K-1 ( saturated vapor)

Entalpi aliran yang dibelokkan diantara heat exchenger I dan II , H5 , diperlukan untuk

penggunaan persamaan (9.7), efisiensi ekspander diketahui, setara dengan entalpi H12 ,

yaitu entalpi ekshaust ekspander. Entalpi inlet ekspander H5 ( = H11) lebih kecil

dibanding kalkulasi secara langsung. Persamaan yang memasukkan efisiensi ekspander

dapat dituliskan sbb :

diselesaikan untuk didapatkan ; …..(A)

dimana adalah entalpi pada tekanan 1 bar hasil dari ekspansi isentropis dari poin 5.

Selanjutnya dengan trial and error, asumsi pertama temperatur T5, diarahkan untuk

mendapatkan H5 dan S5, lalu didapatkan. Kemudian semua kuantitas pada

persamaan (A) akan diketahui , dan terlihat apakah hasilnya memenuhi atau tidak. Jika

belum memenuhi, trial lagi , pilih harga T5 yang lain, teruskan prosedur yang sama

sampai ditemukan harga yang memenuhi.

Untuk trial T5 = 253,6 K, H5 = 1009,8 kJ kg-1 (pada 60 bar)

Substitusi ke persamaan (9.7), hasilnya sbb ;

14

artinya 11,3 % methan yang masuk ke sistim heat exchanger menjadi likuid.

Temperatur pada poin 7 tergantung pada harga entalpinya, dicari dari neraca energi pada

sistim heat exchanger, pada exchanger I ;

dengan dan , lalu persamaan diatas diubah bentuk sehingga

dihasilkan :

dimana H14 = 1042,1 kJ kg-1 T14 = 227,2 K (pada 1 bar)

Untuk exchanger II ;

, dan ,

dengan definisi z dan x , persamaan diatas diubah bentuk menjadi ;

sehingga kJ kg-1 (pada 60 bar)

Dengan naiknya x , T7 menurun, dan dengan cepat mendekati temperatur saturasi pada

separator dan areanya tanpa batas pada exchanger II.

Karena itu x dari segi cost adalah sangat tinggi pada sistim exchanger.

Batasan untuk x = 0, pada proses Linde, dengan persamaan (9.8) harga z adalah ;

, artinya hanya 5,41 % gas masuk throttle valve akan

keluar sebagai likuid. Temperatur gas pada poin 7 , diperleh dari entalpy yang dihitung

berdasarkan neraca energi ;

kJ kg-1 .

temperatur yang sesuai dengan gas methn masuk throttle valve adalah T7 = 206,6 K .

Soal untuk latihan :

Problem 9.4 , 9.6 , 9.8 , 9.13, 9.15 , 9.17, dan 9.18 , buku Smith Van Ness edisi 6.

15