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

refrigeran. Refrigeran akan bertindak sebagai media penyerap dan pemindah panas dengan cara

merubah fasanya. Refrigeran adalah suatu zat yang mudah berubah fasanya dari cair menjadi uap

dan sebaliknya apabila kondisi tekanan dan temperaturnya diubah.

Dalam kehidupan sehari-hari, sistem refrigerasi memiliki peran yang penting untuk air

conditioning dan penyimpanan makanan. Banyak sekali contoh penggunaan refrigerasi baik

secara komersial maupun untuk industri, termasuk penyulingan udara untuk mendapatkan

oksigen cair dan nitrogen cair, liquifaksi gas alam dan produksi es.

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 murni (02 dan N2).

Sistem Refrigerasi Kompresi Uap

Sistem refrigerasi bertujuan untuk menjaga daerah dingin dengan temperatur di bawah

temperature sekitarnya. Hal tersebut biasanya dicapai dengan menggunakan sistem refrigerasi

uap.

Kinerja sistem pendingin

Performansi suatu sistem refrigerasi disebut dengan Coefficient of Performance (COP). Besaran

ini menyatakan kemampuan sistem untuk menarik kalor dari ruangan (dievaporator) per satuan

daya kompresor.

1) COPcarnot atau COPideal

COPcarnot atau COPideal ialah COP maksimum yang dapat dimiliki oleh suatu sistem.

COPcarnot dapat dicari dengn menggunakan persamaan :

COPcarnot=T evaporasi

(Tkondensasi –T evaporasi)

2) COPsebenarnya atau COPactual

COPsebenarnya atau COPaktual ialah COP sebenarnya yang dimiliki oleh suatu sistem. COPaktual

ini dapat dicari dengan menggunakan persamaan :

COPaktual=Energi diserap dievaporator (Watt )

Kerja Kompresor (Watt )

Perbandingan besaran COPaktual dan COPcarnot menunjukkan efisiensi sistem refrigerasi dengan

persamaan sebagai berikut :

ηref =COPaktual

COPCarnot×100 %

Dalam beberapa hal, kinerja sistem dinyatakan juga dengan EER (Energy Efficiency Ratio).

Berikut adalah beberapa besarnya nilai EER Berdasarkan fungsi dari unit refrigerasi.

Pada grafik tersebut, Nampak bahwa semakin rendah ruang penyimpanan semakin kecil pula

nilai EER.

Penerapan Siklus Refrigerasi Kompresi Uap

Prinsip kerja mesin pendingin adalah jika motor penggerak berputar maka akan memutar

kompresor. Dengan berputar kompresor, refrigeran akan naik suhu maupun tekanannya. Hal ini

disebabkan molekul-molekul dari refrigeran bergerak lebih cepat akibat proses kompresi. Gas

dari refrigeran akan merambat pada pipa–pipa kondensor dan media pendinginan.

Pada bagian kondensor diusahakan adanya media pendinginan yang baik, sebab dengan

adanya pendinginan yang baik pada bagian kondensor akan membantu memperlancar terjadinya

proses kondensasi. Temperatur dan tekanan gas refrigeran akan naik sampai keseimbangan

dicapai. Setelah terjadi keseimbangan proses kondensasi (pengembunan) gas refrigeran mengalir

menerusi saluran cairan tekanan tinggi menuju refrigeran control setelah melewati drier strainer

(saringan).

Untuk menurunkan tekanan refrigeran cair dari kondensor, digunakan katup ekspansi atau pipa kapiler, alat tersebut dirancang untuk suatu penurunan tekanan tertentu. Melalui katup ekspansi refrigerant mengalami evaporasi yaitu proses penguapan cairan refrigerant pada tekanan dan temperatur rendah, proses ini terjadi pada evaporator. Selama proses

evaporasi refrigerant memerlukan atau mengambil bentuk energi panas dari lingkungan atau sekelilingnya sehingga temperature sekeliling turun dan terjadi prose pendinginan.

Untuk memahami proses – proses yang terjadi pada mesin pendingin kompresi uap, diperlukan pembahasan siklus termodinamika yang digunakan. Pembahasan diawali dengan siklus carnot yang merupakan siklus ideal hingga siklus kompresi uap nyata.

1. Siklus CarnotSiklus carnot adalah siklus reversibel yang didefinisikan

oleh dua proses isothermal dan dua proses isotropik. Karena proses reversible dan adiabatik, maka perpindahan panas hanya terjadi selama proses isotermal. Dari kajian termodinamika, siklus carnot dikenal dengan sebagai mesin kalor carnot yang menerima energi kalor pada suhu tinggi, sebagian diubah menjadi kerja dan sisanya dikeluarkan sebagai kalor pada suhu rendah.

Apabila siklus mesin kalor carnor dibalik, yaitu proses pengembalian panas dari daerah yang bersuhu rendah ke daerah yang bersuhu tinggi. Skematis peralatan dan diagram T – S siklus refrigerasi carnot :

Keterangan proses :

1 – 2 : kompresi adiabatik2 – 3 : pelepasan panas isotermal3 – 4 : ekspansi adiabatik

4 -1 : pemasukan panas isotermal

2. Sistem Refrigerasi Kompresi Uap

Sistem kompresi uap merupakan dasar sistem refrigerasi yang terbanyak digunakan, dengan

komponen utamanya adalah kompresor, evaporator, alat ekspansi dan kondensor. Keempat

komponen tersebut melakukan proses yang saling berhubungan dan membentuk siklus tertentu

siklus refrigerasi kompresi uap.

Sistem refrigerasi kompresi uap

Pada diagram P-h, siklus refrigerasi kompresi uap dapat digambarkan sebagai berikut :

Penggambaran siklus refrigerasi uap pada diagram P – h

Proses yang terjadi pada siklus refrigerasi kompresi uap

1. Proses Kompresi (1-2)

Proses ini berlangsung di kompresor secara isotropik adiabatik. Kondisi awal refrigeran

menjadi uap bertekanan tinggi. Oleh karena proses ini dianggap isotropic, maka

temperature ke luar kompresor pun meningkat. Besarnya kerja kompresi per satuan massa

refrigeran bisa dihitung dengan rumus :

qw = h1 – h2

Dimana :

qw = besarnya kerja kompresi yang dilakukan (kJ/kg)

h1 = entalpi refrigeran saat masuk kompresor (kJ/kg)

h2 = entalpi refrigeran saat keluar kompresor (kJ/kg)

2. Proses kondensasi (2 – 3)

Proses ini berlagsung di kondensor. Refrigeran yang bertekanan dan berubah menjadi

cair. Hal ini berarti bahwa di kondensor terjadi penukaran kalor antara refrigeran dengan

udara, sehingga panas berpindah dari refrigerant ke udara pendingin dan akirnya

refrigerant mengembun menjadi cair.Besarnya panas per satuan massa refrigeran yang

dilepaskan di kondensor dinyatakan sebagai :

qc= h2 – h3

dimana :

qc = besarnya panas dilepas di kondensor (kJ/kg)

h2 = entalpi refrigeran saat masuk kondensor (kJ/kg)

h3 = entalpi refrigeran saat keluar kondensor (kJ/kg)

3. Proses ekspansi (3 – 4)

Proses ini berlangsung secara isoentalpi, hal ini berarti tidak terjadi penambahan entalpi

tetapi terjadi drop tekanan dan peurunan temperatur. Proses penurunan tekanan terjadi

pada katup ekspansi yang berbentuk pipa kapiler atau orifice yang berfungsi mengatur

laju aliran refrigerant dan menurunkan tekanan.

h3 = h4

4. Proses evaporasi (4 – 1)

Proses ini berlangsung di evaporator secara isobar isothermal. Refrigeran dalam wujud

cair bertekanan rendah menyerap kalor dari lingkungan / media yang didingikan sehingga

wujudnya berubah menjadi gas bertekanan rendah.

Besarnya kalor yang diserap oleh evaporator adalah :

qe = h1 – h4

dimana :

qe = besar kalor yang diserap di evaporator (kJ/kg)

h1 = harga entalpi ke luar evaporator (kJ/kg)

h2 = harga entalpi masuk ke evaporator (kJ/kg)

Selanjutnya, refrigeran kembali masuk ke kompresor dan bersirklasi, begitu seterusnya

sampai kondisi yang dinginkan tercapai.

3. Siklus Kompresi Uap Nyata Siklus kompresi uap nyata mengalami pengurangan efisiensi dibandingkan dengan siklus uap standart. Pada siklus kompresi uap nyata proses kompresi berlangsung tidak isotropik, selam fluida berkerja melewati evaporator dan kondensor akan mengalami penurunan tekanan. Fluida kerja mendinginkan kondensor dalam keadaan sub dingin dan meninggalkan evaporator dalam keadaan panas lanjut. Penyimpangan siklus kompresi uap nyata dari siklus uap ideal dapat diperhatikan gambar dibawah ini :

Gambar perbandingan antara siklus kompresi uap standart dan nyata.

Pada siklus kompresi uap nyata preses kompresi berlangsung tidak isotropik, hal ini disebabakan adanya kerugian mekanis dan pengaruh suhu lingkungan selama prose kompresi. Gesekan dan belokan pipa menyebebkan penurunan tekanan di dalam alat penukar panas sebagai akibatnya kompresi pada titik 1 menuju titik 2 memerlukan lebih banyak kerja dibandingkan dengan siklus

ideal (standart). Untuk menjamin seluruh refrigerant dalam keadaan cair dalam sewaktu memasuki alat ekspansi diusahakan refrigerant meniggalkan kondensor dalam keadaan sub dingin. Kondisi panas lanjut yang meninggalkan evaporator disarankan untuk mencegah kerusakan kompresor akibat terisap cairan.

Instalasi Sistem Refrigerasi

Model mesin pendingin sistem 2 evaporator (multistage)

Komponen pada refrigerator multistage (2 evaporator)

1. Kompressor

2. Kondensor

3. Liquid receiver

4. Filter Drier

5. Sight glass

6. Solenoid valve

7. TXV

8. Evaporator II

9. Capilary tube

10. Evaporator I

11. EVR

12. Thermostat I

13. Thermostat II

14. Pressure Gauge

15. Manual Valve

Komponen utamanya adalah kompressor, kondensor, kapiler (sebagai “throttling device”) dan

evaporator.

Catatan : Sebelum mengisi refrigerant, sistem harus di vakum terlebih dahulu agar tidak ada gas

yang non kondensibel.

1. Kompressor

Kompresor pada refrigerator adalah sebuah alat

yang berfungsi untuk menaikkan tekanan

refrigerant dan menyalurkan gas refrigeran ke

seluruh system refrigerator.

2. Kondensor

Kondensor merupakan alat penukar panas

yang berguna untuk mendinginkan uap

refrigeran dari kompresor agar dapat

mengembun menjadi cairan. Pada saat

pengembunan ini, refrigeran

mengeluarkan sejumlah kalori (panas

pengembunan) yang mana panas ini

diterima oleh media pendingin di dalam kondensor.

3. Liquid Receiver

Sebagai alat penampung cairan dari sisa proses kompresi. Alat ini

berfungsi untuk menampung sementara cairan refrigeran yang keluar dari kondensor agar

refrigerant yang mngalir ke katup ekspans semuanya berbentuk cairan. Cairan

refrigerannya bertempat di bawah liquid receiver, sementara uap terletak di atasnya.

4. Filter Drier

Sebagai penyaring kotoran pada sistem. Dalam alat ini terdapat silica gel yang dapat

menyaring kotoran dari sistem.

5. Sight glass

Alat ini mempunyai fungsi untuk melihat keadaan refrigerant dalam sistem. Pada alat ini

terdapat 2 indikator, yaitu yang kuning dan hijau. Yang kuning mengindikatorkan ada

uap air dalam sistem dan yang hijau mengindikatorkan tidak ada uap air.

6. Solenoid valve

Solenoid valve atau solvalve merupakan katup elekrik yang

menggunakan sistem magnetik. Dipakai pada sistem multistage

yang berfungsi untuk membuka dan menutup saluran evaporasi

yang mau diaktifkan atau dimatikan.

7. Thermostatic Expansion Valve (TXV)

Sebagai alat ekspansi

8. Kapiler (Capilary tube)

Sebagai alat ekspansi

9. Evaporator Pressure Regulator

Digunakan pada sistem multistage, fungsinya untuk menjaga tekanan antara kedua

evaporator.

10. Termostat

Berfungsi untuk mengatur kerja kompresor secara otomatis berdasar batasan pada setiap

bagian refrigerator

11. Pressure gauge

Sebagai pengukur tekanan

pada sistem setelah melalui

proses kondensasi pada

kondensor dan sesudah kompresi pada kompresor. Pada gambar, terlihat ada dua pressure

gauge, yaitu low pressure (berwarna biru) dan high pressure (berwarna merah). Low

pressure mengukur tekanan uap setelah melalui proses di kondensor. Sementara high

pressure mengukur tekanan uap setelah melalui proses di kompresor.

12. Evaporator Pressure regulator

Untuk menjaga tekanan antara dua evaporator pada system multistage 2 evaporator

13. Evaporator

Sebagai menyerap kalor pada objek yang ingin didinginkan

14. Manual Valve

Terjadinya Dingin Pada Ruang mesin

Proses dingin di dalam mesin pendingin karena adanya pemindahan panas. Setiap mesin

pendingin mampu menghasilkan suhu dingin dengan cara menyerap panas dari udara yang

ada dalam ruang pada mesin pendingin itu sendiri. Bahan yang digunakan untuk

menghasilkan penguapan yang begitu cepat sehingga mampu menghasilkan udara dingin.

Biasanya untuk keperluan ini digunakan gas Freon. Gas ini dalam sistem pendinginan

memiliki bentuk yang berubah-ubah, yaitu dari bentuk cairan menjadi bentuk gas (uap). Pada

kompresor, gas yang telah berubah menjadi uap tadi takanan dan panasnya dinaikkan untuk

selanjutnya uap panas yan berasal dari gas itu diturunkan atau didinginkan pada bagian

kondensor sampai membentuk cairan. Kemudian sesampainya pada evaporator cairan itu

diturunkan tekanannya sehingga menguap dan menyerap panas yang ada di sekitarnya.

Kemudian dalam bentuk uap refrigerant tadi dihisap kembali oleh bagian kompresor dan

dikeluarkan lagi seperti semula. Proses seperti ini berlangsung secara berulang. Dalam sistem

mesin pendingin jumlah refrigerant yang digunakan adalah tetap, yang berubah adalah

bentuknya karena adanya proses seperti diatas.

Keuntunga dari sistem refrigerasi:

a. Fleksibel dalam operasi, kapasitas pendinginan dapat dengan mudah dan cepat berubah

b. Tidak memiliki bagian yang bergerak seperti itu adalah getaran bebas

c. Dapat di instal keluar dari pintu

d. Berat dari sistem per ton kapasitas pendingin kurang

e. Sangat handal dan biaya pemeliharaan terjangkau

f. Bisa disesuaikan dengan pengolahan air dingin digunakan dalam pabrik karet,

penyulingan, pabrik kertas, pabrik pengolahan makanan,dll.

g. Terutama digunakan dalam instalasi AC, karena keselamatan lengkap air sebagai

pendinginan dan kemampuan untuk menyesuaikan diri dengan cepat untuk memuat

variasi dan tidak ada bahaya dari kebocoran refrigeran.

Kekurangan siklus refrigerasi:

a. Penggunaan penguapan langsung untuk memproduksi air dingin biasanya terbatas sebagai

volume yang luar biasa dari uap yang harus ditangani

b. Tentang dua kali lebih banyak panas harus dikeluarkan dalam kondensor jet steam per ton

pendinginan dibandingkan dengan sistem kompresi uap

c. Berguna untuk kenyamanan AC, tetapi tidak praktis untuk suhu air di bawah 4°C