Post on 30-Nov-2015
BAB 1 MESIN REFRIGERASI
Pada bab ini akan dibahas jenis-jenis siklus refrigerasi, klasifikasi, karakteristik
serta aplikasinya. Siklus Refrigerasi Kompresi uap yang paling banyak digunakan
akan dibahas lebih rinci dibandingkan dengan jenis siklus refrigerasi lainnya.
1.1. PENDAHULUAN
Refrigerasi adalah suatu proses penyerapan panas dari suatu zat atau produk
sehingga temperaturnya berada dibawah temperatur lingkungan. Mesin refrigerasi
atau disebut juga mesin pendingin adalah mesin yang dapat menimbulkan efek
refrigerasi tersebut. Sedangkan refrigeran adalah zat yang digunakan sebagai
fluida kerja dalam proses penyerapan panas. Secara umum bidang refrigerasi
mencakup kisaran temperatur sampai dengan 123 K. Sedangkan proses-proses dan
teknik yang beroperasi pada kisaran temperatur di bawah 123 K disebut
Kriogenika (cryogenics)[1]. Pembedaan ini disebabkan karena adanya fenomena-
fenomena khas yang terjadi pada temperatur dibawah 123K di mana pada kisaran
temperatur ini gas-gas seperti nitrogen, oksigen, hidrogen, dan helium dapat
mencair.
Saat ini aplikasi refrigerasi meliputi bidang yang sangat luas, mulai dari keperluan
rumah tangga, pcrtanian, sampai ke industri gas, petrokimia, perminyakan dsb.
Mesin refrigerasi dapat dikelompokan berdasarkan jenis siklusnya dan jenis
pemakaiannya.
Berdasarkan jenis siklusnya mesin refrigerasi dapat dikelompokan menjadi:
1. Mesin refrigerasi siklus termodinamika.
2. Mesin refrigerasi silus termo-elektrik. (26)
3. Mesin refrigerasi siklus termo-magnetik. (27)
Yang termasuk mesin refrigerasi siklus termodinamika antara lain:
1. Mesin refrigerasi Siklus Kompresi Uap (SKU).
2. Mesin refrigerasi Siklus Absorbsi (SA). (28)
1
3. Mesin refrigerasi Siklus Jet Uap (SJU). (29)
4. Mesin refrigerasi Siklus Udara (SU). (30)
5. Mesin refrigerasi Tabung Vorteks (TV). (31)
Berdasarkan aplikasinya mesin refrigerasi dapat dikelompokan seperti yang
ditunjukan pada
Tabel 1.1
Tabel 1.1 Kelompok aplikasi mesin refrigerasi
Jenis Mesin refrigerasi Contoh Refrigerasi Domestik Lemari es(32), dispenser air (33) Refrigerasi Komersial Pendingin minuman botol (34), box es
krim, (35)lemari pendingin supermarket (36)
Refrigerasi lndustri Pabrik es (37), cold storage (38), mesin pendingin untuk industri proses (39)
Refrigerasi transport Refrigerated truck (40), train (41) and Pengkondisian udara domestik dan komersial
AC window (42), split 44), dan package (45).
Chiller (46) Water cooled and air cooled chillers Mobile Air Condition (MAC) AC mobil (47)
1.2 PRINSIP KERJA MESIN REFRIGERASI KOMPRESI UAP
Mesin refrigerasi Siklus Kompresi Uap merupakan jenis mesin refigerasi yang
paling banyak digunakan saat ini. Mesin refrigerasi ini terdiri dari empat
komponen utama, yaitu kompresor, kondensor, alat ekspansi dan evaporator.
Susunan empat komponen tersebut secara skematik ditunjukan pada Gambar 1.1.a
dan sketsa proses Siklus Kompresi Uap Standar dalam diagram T-s ditunjukan
pada Gambar 1.1.b
Di dalam siklus kompresi uap standar ini, refrigeran mengalami empat proses
(mengacu pada Gambar 1.1. b), yaitu:
1. Proses 1-2: refrigeran meninggalkan evaporator dalam wujud uap jenuh
dengan temperatur dan tekanan rendah, kemudian oleh kompresor uap
tersebut dinaikkan tekanannya menjadi uap dengan tekanan yang lebih
tinggi (tekanan kondensor). Kompresi ini diperlukan untuk menaikkan
temperatur refrigeran, sehingga temperatur refrigeran di dalam kondensor
2
lebih tinggi daripada temperatur lingkungannya. Dengan demikian
perpindahan panas dapat terjadi dari refrigeran ke lingkungan. Proses
kompresi ini berlangsung secara isentropik (adiabatik dan reversibel).
2. Proses 2-3: setelah mengalami proses kompresi, refrigeran berada dalam
fasa panas lanjut dengan tekanan dan temperatur tinggi. Untuk mengubah
wujud-nya menjadi cair, kalor harus dilepaskan ke lingkungan. Hal ini
dilakukan pada penukar kalor yang disebut kondensor. Refrigeran
mengalir melalui kondensor dan pada sisi lain dialirkan fluida pendingin
(udara atau air) dengan temperatur lebih rendah daripada temperatur
refrigeran. Oleh karena itu kalor akan berpindah dari refrigeran ke fluida
pendingin dan sebagai akibatnya refrigeran mengalami penurunan
temperatur dari kondisi uap panas lanjut menuju kondisi uap jenuh,
selanjutnya mengembun menjadi wujud cair. Kemudian keluar dari
kondensor dalam wujud cair jenuh. Proses ini berlangsung secara
reversibel pada tekanan konstan.
3. Proses 3-4: refrigeran, dalam wujud cair jenuh (tingkat keadaan 3,
Gambar 2.1 (b)), mengalir melalui alat ekspansi. Refrigeran mengalami
ekspansi pada entalpi konstan dan berlangsung secara tak-reversibel.
Selanjutnya refrigeran keluar dari alat ekspansi berwujud campuran uap-
cair pada tekanan dan temperatur sama dengan tekanan serta temperatur
evaporator.
4. Proses 4-1: refrigeran, dalam fasa campuran uap-cair, mengalir melalui
sebuah penukar kalor yang disebut evaporator. Pada tekanan evaporator,
titik didih refrigeran haruslah lebih rendah daripada temperatur
lingkungan (media kerja atau media yang didinginkan), sehingga dapat
terjadi perpindahan panas dari media kerja ke dalam refrigeran.
Kemudian refrigeran yang masih berwujud cair menguap di dalam
evaporator dan selanjutnya refrigeran meninggalkan evaporator dalam
fasa uap jenuh. Proses penguapan tersebut berlangsung secara reversibel
pada tekanan yang konstan.
3
1.3 PRINSIP KERJA MESIN REFRIGERASI ABSORBSI
Komponen utama mesin refrigerasi absorbsi terdiri dari enam buah seperti yang
ditunjukan pada Gambar 1.2. Fungsi kompresor pada mesin refrigerasi SKU
digantikan oleh absorber, pompa dan generator. Fluida kerja yang digunakan
adalah campuran tak bereaksi seperti air (H20) – ammonia (NH3), atau Lithium
Bromida (LiBr2) – Air (H20). Pada sistem H20 – NH3, air berfungsi sebagai
absorben dan amonia berfungsi sebagai refrigeran. Sedangakan pada sistem LiBr2
- H20, LiBr2 berfungsi sebagai absorben dan H20 berfungsi sebagai refrigeran.
Gambar 1.1 Siklus kompresi uap standar
(a) Diagram alir proses (b) Diagram temperatur-entropi
Campuran refrigeran – absorben dipanaskan di dalam generator sehingga
refrigeran menguap dan terpisah dari absorben. Uap refrigeran selanjutnya
dimumikan dalam rectifier dengan mendinginkannya sehingga uap absorben yang
terbawa akan mengembun dan mengalir kembali ke generator. Uap refrigeran
murni kemudian diembunkan di kondensor; kondensatnya kemudian
diekspansikan dan menyerap panas dengan penguapan di evaporator. Uap
refrigeran yang keluar dari evaporator dicampur dengan absorben (larutan lemah)
yang keluar dari generator; melewati katup ekspansi agar tekanannya sama
dengan tekanan evaporator. Proses absorbsi refrigeran biasanya berlangsung
secara eksotermal; hasil dari proses ini akan menghasilkan campuran refrigeran -
absorben (larutan kuat) yang selanjutnya dipompakan ke generator.
4
1.4 PRINSIP KERJA MESIN REFRIGERASI EJEKTOR UAP
Pada mesin refrigerasi ejektor uap, air digunakan sebagai refrigeran. Air
dididihkan di boiler, uap yang terbentuk dilewatkan dalam ejektor. Seksi tekanan
rendah dalam ejektor dihubungkan dengan evaporator dengan demikian tekanan
evaporator menjadi rendah dan uap yang terbentuk tertarik oleh aliran uap
berkecepatan tinggi dalam ejektor dan dibawa ke kondensor untuk diembunkan.
Kondensat yang terjadi dalam kondensor sebagian dialirkan ke eavaporator
setelah melewati katup ekspansi dan sisanya masuk ke dalam boiler untuk
diuapkan kembali.
Gambar 1.3 menunjukkan skema mesin yang dimaksud.
Gambar 1. 2 Skema mesin refrigerasi ejektor uap
5
Gambar 1. 3 Skema mesin refrigerasi ejektor uap
1.5 PRINSIP KERJA MESIN REFRIGERASI SlKLUS UDARA
Mesin refrigerasi siklus udara biasanya digunakan pada pesawat terbang, dan
sistem ini baru bekerja apabila pesawat telah terbang. Udara luar dengan
kecepatan tinggi ditangkap oleh difusor sehingga kecepatannya menjadi lebih
lambat ketika memasuki sistem. Proses ini akan menyebabkan temperatur dan
tekanan udara meningkat. Untuk menurunkan temperatumya maka udara
dilewatkan pada ekspander turbo sebelum memasuki kabin pesawat dan menyerap
panas yang timbul di sana. Udara kemudian dialirkan ke luar pesawat dengan
menggunakan kompresor.
6
Gambar 1.4 Skema mesin refrigerasi Siklus Udara
1.6. PRINSIP KERJA TABUNG VORTEKS
Tabung vorteks yang biasa juga disebut sebagai Tabung Ranque-Hilsch[2].
Peralatan ini terdiri dari tabung lurus yang salah satu ujungnya dipasang oritis
(orifice), sedangkan ujung lainnya dipasang katup trotel (throttle valve). Nosel
tangensial dipasang pada dinding luar pipa diujung pipa yang dipasang oritis (lihat
Gambar 1.5).
Gambar 1.5 Tabung Vorteks
Gas bertekanan dimasukkan melalui nosel tangensial sehingga membentuk aliran
vorteks dalam tabung. Vorteks bagian luar akan bertemperatur lebih tinggi dari
temperatur masuk dan mengalir kearah kanan (ujung panas). Vorteks bagian
dalam yang bertemperatur lebih rendah dari temperatur masuk, karena kehilangan
energi kinetik, akan mengalir ke kiri dan keluar melalui ofrifis. Gas yang
7
bertemperatur lebih rendah inilah yang akan dimanfaatkan untuk pendingian.
Bukaan katup trotel akan mengatur temperatur dan banyaknya gas dingin yang
Keluar dari ujung kiri (ujung dingin). Semakin besar bukaan katup semakin
rendah temperatur gas dingin tetapi semakin sedikit jumlahnya, demikian pula
sebaliknya.
1.7 ANALISIS KINERJA MESIN REFRIGERASI KOMPRESI UAP
Parameter-parameter prestasi mesin refrigerasi kompresi uap, antara lain: kerja
kompresi, laju pengeluaran kalor, efek refrigerasi, dan koefisien performansi
(coefficient of performance, COP). Penentuan parameter-parameter tersebut dapat
dibantu dengan penggunaan sketsa proses pada diagram tekanan-entalpi (Gambar
1.6) dan tabel sifat-sifat refrigeran.
Gambar 1. 6 Sketsa proses Siklus Refrigerasi Kompresi Uap Standar
Kerja kompresi persatuan massa refrigeran ditentukan oleh perubahan entalpi
pada proses 1-2 (Gambar 1.6) dan dapat dinyatakan sebagai:
(1.1)
Hubungan tersebut diturunkan dari persamaan energi dalam keadaan tunak, pada
proses kompresi adiabatik reversibel dengan perubahan energi kinetik dan energi
potensial diabaikan.
8
Perbedaan entalpinya merupakan besaran negatif yang menunjukkan bahwa kerja
diberikan kepada sistem.
Kalor yang dibuang melalui kondensor dari refrigeran ke lingkungan yang lebih
rendah temperaturnya terjadi pada proses 2-3, yaitu:
(1.2)
Besaran ini bernilai negatif, karena kalor dipindahkan dari sistem refrigerasi ke
lingkungan.
Pada proses 3-4 merupakan proses ekspansi refrigeran menuju tekanan
evaporator. Proses ini biasanya dimodelkan dengan proses cekik tanpa adanya
perpindahan kalor (adiabatik) dan proses berlangsung tak-reversibel, sehingga
diperoleh hubungan: h3 = h4
Efek refrigerasi (qrc) adalah kalor yang diterima oleh sistem dari lingkungan
melalui evaporator per satuan laju massa refrigeran. Efek refrigerasi merupakan
parameter penting, karena merupakan efek yang berguna dan diinginkan dari
suatu sistem refrigerasi.
(1.3)
Sedangkan kapasitas refrigerasi (Qrc) merupakan perkalian antara laju massa
refrigeran dengan
efek refrigerasi.
Koefisien performansi, COP, adalah besarnya energi yang berguna,
yaitu efek refrigerasi, dibagi dengan kerja yang diperlukan sistem, yaitu kerja
kompresi.
Koefisien performasi (COP) = (1.4)
9
1.8 SIKLUS KOMPRESI UAP AKTUAL
Pada kenyataannya siklus kompresi uap mengalami penyimpangan dari kompresi
uap standar,. sebagaimana yang ditunjukkan pada Gambar 1.3. Perbedaan penting
siklus kompresi uap aktual dari siklus standar, adalah:
1. Terjadi penurunan tekanan di sepanjang pipa kondensor dan
evaporator.
2. Adanya proses pembawahdinginan (sub-cooling) cairan yang
meninggalkan kondensor sebelum memasuki alat ekspansi
3. Pemanasan lanjut uap yang meninggalkan evaporator sebelum me-
masuki kompresor.
4. Terjadi kenaikan entropi pada saat proses kompresi (kompresi tak
isentropik).
5. Proses ekspansi berlangsung non-adiabatik
Walaupun siklus aktual tidak sarna dengan siklus standar, tetapi proses ideal
dalam siklus standar sangat bermanfaat, dan diperlukan untuk mempermudah
analisis siklus secara teoritik.
10
Gambar 1. 7 Siklus kompresi uap aktual dan siklus standar
1.9 MESIN REFRIGERASI SIKLUS KOMPRESI UAP (SKU)
Susunan komponen mesin refrigerasi ini secara skematik diperlihatkan pada
Gambar 4.8. Komponen utama yang akan dibahas adalah: (a) Kompresor, (b)
Kondensor, (c) Filter-drier, (d) Pipa kapiler, (e) Evaporator.
1.9.1 Kompresor
Kompresor berfungsi untuk mensirkulasikan refrigeran dan menaikan tekanan
refrigeran agar dapat mengembun di kondensor pada temperatur di atas
temperatur udara sekeliling.
Berdasarkan letak motomya kompresor dapat dikelompokan menjadi dua jenis
yaitu kompresor jenis terbuka dan kompresor jenis hermetik. Pada kompresor
jenis terbuka motor terpisah dengan kompresor dan daya dari motor
ditransmisikan melalui sabuk (belt) atau sistem transmisi daya lainnya. Pada
kompresor hermetik, motor dan kompresor berada dalam satu cangkang
(selubung) yang kedap udara. Terdapat juga jenis kompresor yang lain yaitu sermi
hermetik. Berbeda dengan kompresor hermetik yang selubungnya disambung
dengan las, maka pada kompresor semi hermetik selubungnya disambung dengan
baut sehingga bisa dibuka untuk berbagai keperluan servis termasuk untuk
menggulung ulang kumparan motor listrik.
11
Gambar 1. 8 Skema susunan komponen utama mesin refrigerasi SKU
Pada mesin refrigerasi rumah tangga dan komersial jenis kompresor yang biasa
digunakan adalah kompresor tipe hermetik. Kompresomya dapat menggunakan
kompresor jenis torak, atau rotari seperti kompresor sudu (vane type), roller atau
schroll.
Gambar 1.9 Kompresor tipe terbuka, hermetik dan semi hermetic
Untuk melindungi bagian-bagian yang bergesek seperti torak dan dinding selinder
serta bantalan, maka kompresor diberi pelumas. Pelumas ini bisanya bercampur
dengan refrigeran. Pada kompresor hermetik yang digunakan untuk mesin
refrigerasi rumah tanggal dan komersial, biasanya digunakan pelumas yang larut
dengan baik dalam refrigerannya.
1.9.2 Kondensor dan Evaporator
Kondensor adalah alat di mana refrigeran didinginkan sehingga mengembun.
Pada mesin refrigerasi rumah tangga dan komersial, panas pengembunan dibuang
ke udara sekeliling secara alami karena adanya perbedaan temperatur refrigeran
12
dengan udara sekeliling.
Jenis kondensor yang digunakan pada mesin refrigerasi rumah tangga dan
komersial pada umurnnya adalah jenis pipa polos dengan pendinginan alami.
Dalam hal ini panas yang berpindah secara alami dari refrigeran yang mengembun
ke udara sekeliling akibat adanya perbedaan temperatur.
Evaporator adalah alat tempat refrigeran menguap. Panas yang diperlukan untuk
penguapan diperoleh dari benda/media yang akan didinginkan. Proses penyerapan
panas ini menyebabkan penurunan temperatur pada benda/media yang akan
didinginkan.
Jenis evaporator yang biasa digunakan adalah jenis evaporator permukaan pelat
dan pipa polos. Gambar 4.3 diperlihatkan contoh-contoh kondensor dan
evaporator yang dibahas. Pada mesin dengan kapaistas yang besar digunakan
kondensor pipa bersirip.
1.9.3 Filter-drier dan Pipa Kapiler
Fungsi utama Filter-drier adalah menyerap uap air yang terlarut dalam refrigeran
dan menyaring padatan terlarut jika ada. Air dicegah masuk ke dalam pipa kapiler
dan evaporator, karena dapat menyebabkan penyumbatan oleh air yang menjadi es
pada temperatur evaporator yang rendah.
13
Gambar 1. 10 Kondensor dan evaporator mesin refrigerasi domestik dan
komersial
Terdapat dua jenis filter drier yaitu alumina aktif (bukan silica gel) dan molecular
sieve. Alumina aktif terbuat dari A1203 dapat menyerap uap air lebih banyak dari
silica gel dan juga dapat menyerap asam baik dari refrigeran maupun pelumas.
Molecular sieves terbuat dari logam alumina silikat, memiliki kemampuan
menyerap uap air yang sangat tinggi. Saat ini filter-drier yang banyak digunakan
adalah jenis molecular sieves. Berdasarkan tingkatan kemampuannya dalam
menyerap uap air molecular sieve dibuat dalam 3 grade yaitu XH-5, XH-7, dan
XH-9. Semakin tinggi gradenya semakin tinggi kemampuannya dalam menyerap
uap air. Mesin dengan refrigeran R-12 bisanya menggunakan XH-5 sedangkan
mesin dengan refrigeran R -134a menggunakan XH -7 atau XH -9.
Pipa kapiler berfungsi untuk menurunkan tekanan refrigeran agar dapat menguap
di evaporator pada temperatur yang rendah. Tekanan refrigeran dapat diturunkan
sebagai akibat adanya gesekan pada pipa kapiler yang panjang dan berdiameter
kecil.
Ukuran pipa kapiler biasanya dinyatakan dengan angka 10, 20 dan seterusnya
hingga 90. Angka tersebut menunjukkan diameter pipa tersebut, grade 10
menunjukkan diameter pipa 0,010 inci.
Gambar 1.11 Filter-drier dan pipa kapiler pada mesin refrigerasi domestik dan
komesial
REFERENSI
14
1. Barron, Randall F., Cryogenic System, Oxford University Press, New York
1985.
2. Arora, C. P, Refrigeration and Air Conditioning, Mc. Graw-Hill International
Editions, Second Edition, 2001.
15