INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNGFAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI PROGRAM STUDI LABORATORIU

MOPERASI TEKNIK

Telp. 022-2500989Faks.

1

REFRIGERASI

I. Pendahuluan

Refrigerasi mulai muncul pada awal abad ke-19 tertulis dalam London Practical

Mechanics Journal oleh penulis anonim. Paten pertama mesin refrigerasi tercatat atas

nama Thomas Harris dan John Long yang dipublikasikan di Great Britain pada tahun

1790. Siklus refrigerasi merupakan kebalikan dari siklus carnot yang membutuhkan kerja

untuk memindahkan kalor dari sistem bertemperatur rendah ke

memiliki temperatur lebih tinggi.

lingkungan yang

Gambar I.1 Perbedaan Siklus Refrigerasi dan Siklus Carnot

Sistem refrigerasi ini sering dimanfaatkan untuk mengkondisikan keadaan udara dalam

suatu ruang tertentu, seperti ruang kantor, atau ruang penyimpanan barang. Selain

berfungsi sebagai pengkondisi udara manfaat lain bisa dirasakan selama bertahun – tahun

pada berbagai bidang industri seperti industri manufaktur, industri perminyakan, industri

kimia, dan industri pangan. Contoh aplikasi sistem refrigerasi untuk industri manufaktur

adalah dalam proses pendinginan baja. Aplikasi sistem refrigerasi utama pada industri

kimia yaitu proses pencairan atau likuefaksi gas alam sedangkan refrigerasi dalam

bidang pangan antara lain untuk pengawetan makanan (food preserving) seperti daging,

telur, es krim, atau pengawetan makanan di dalam storage maupun pengawetan makanan

ketika makanan didistribusi atau ditransportasikan di dalam sebuah truk atau trailer.

Banyaknya aplikasi sistem refrigerasi di dunia industri ini menjadikan sistem refrigerasi

sebagai topik yang sangat penting untuk dibahas. Pemahaman dan pengamatan lebih jauh

mengenai prinsip kerja refrigerasi dan parameter yang mempengaruhi kinerja dari sistem

refrigerasi juga sangat diperlukan.

II. Tujuan

Tujuan praktikan melakukan percobaan Refrigerasi adalah sebagai berikut:

a. Mempelajari siklus refrigerasi mekanik khususnya siklus kompresi uap.

b. Mengetahui unjuk kerja alat refrigerasi berdasasarkan beban di evaporator dan

kondensor

III. Sasaran

a. Mengukur kinerja peralatan refrigerasi, dinyatakan dengan COP (Coefficient of

Performance) evaporator dan kondensor.

b. Menghitung kebutuhan listrik kompresor.

IV. Tinjauan Pustaka

a. Refrigerasi

Refrigerasi adalah proses pemindahan panas dari temperatur rendah ke temperatur

tinggi dengan menjaga temperatur tetap berada di bawah temperatur lingkungan.

Siklus refrigerasi ini pada dasarnya adalah kebalikan dari siklus mesin panas (siklus

Carnot). Efek dari siklus seperti itu adalah adanya absorbsi energi kerja dan transfer

energi panas dari heat reservoir temperatur rendah ke heat reservoir temperatur

tinggi. Kerja dari suatu kompresor refrigerator ini didefinisikan sebagai selisih

antara panas yang dilepas refrigeran di kondensor (QH) dengan panas yang diterima

refrigeran di evaporator (QL), dapat dilihat pada persamaan berikut :

Win = QH - QL (II.1)

E

Perpindahan panas pada sistem refrigerasi ini mengikuti hukum kedua

termodinamika, yang menurut Clausius, menyatakan bahwa tidak mungkin suatu

self-acting machine, tanpa adanya kerja luar, untuk mentransfer panas dari satu

tempat ke temperatur yang lebih tinggi. Siklus refrigerasi ini dapat dilihat pada

gambar II.1 berikut.

P

TQH

C BKA

QL

N D A

A N

Win

H ENTALPI

Gambar IV.1 Siklus Refrigerasi

Keterangan Proses :

Proses A – B : Refrigeran dikompresi secara isentropik dan fasa

berubah dari saturated vapor menjadi superheated vapor.

Proses B – C : Energi panas dikeluarkan dari siklus dengan

mengkondensasi refrigerant. Fasa berubah menjadi saturated

liquid.

Proses C – D: Ekspansi isentalpi pada refrigerant yang menyebabkan fasa

berubah menjadi campuran liquid – vapor.

Proses D – A: Pemasukan energi panas ke dalam siklus dengan

mengevaporasi refrigerant. Fasa berubah menjadi saturated

vapor.

Fasa superheated vapor dikehendaki dalam praktek karena fasa ini menampilkan

vaporisasi yang sempurna dari cairan refrigeran sebelum masuk ke kompresor. Salah

satu efek dari superheated vapor ini adalah meningkatkan volume spesifik dari

suction vapor. Efek lainnya adalah meningkatnya entalpi fasa uap yang

meningkatkan kegunaan dari refrigerasi. Kedua efek ini saling mempengaruhi dan

memberikan pengaruh pada kapasitas sistem yang berbeda untuk tiap refrigeran.

Penyerapan panas terjadi di evaporator, sedangkan pengeluaran panas terjadi di

kondensor. Energi panas ini didapatkan dengan mengalikan massa refrigeran dengan

perubahan entalpi yang terjadi, menurut persamaan :

QL = mref (HA-HD) (II.2)

QH = mref (HB-HC) (II.3)

Massa refrigeran dapat diperoleh dengan mengalikan laju alir refrigeran dengan

massa jenis refrigeran (ρref).

b. Coefficient of Performance

Suatu pengukuran keefektifan dari sebuah refrigerator adalah koefisien prestasi

(COP – Coeficient of Performance) didefenisikan sebagai energi yang dibuang dari

sumber dibagi dengan kerja yang diperlukan untuk membuang sejumlah energi,

yang diekspresikan pada persamaan berikut :

COP =

panas yang diserap

panas ekivalen dari suplai kerja neto

” Coefficient of Performance” ini serupa dengan ”efisiensi” pada mesin panas

Carnot, sehingga terkadang dapat digunakan sebagai rasio dari ”efek yang

diinginkan” dalam Btu per pound dengan energi neto yang disuplai dalam Btu per

pound. Bagian terpenting dalam suatu refrigerasi adalah evaporatornya sehingga

COP dapat dihitung menggunakan panas yang diserap oleh evaporator, yaitu :

c. Refrigeran

COPevaporator =Q eva po r a tor

Wkompresor

= Q LWin

(II.4)

Efisiensi mesin Carnot bergantung pada kerja dari medium mesin. Serupa dengan

hal itu, Coefficient of Performance dari refrigerator Carnot bergantung pada

refrigerannya. Refrigeran yang diinginkan adalah yang memiliki sifat kimia, fisik,

dan termodinamik yang dapat memberikan aplikasi yang efisien dan servis dalam

praktek desain peralatan refrigerasi. Karakteristik refrigeran seperti toksisitas,

kemudahan terbakar, harga, sifat korosi, ataupun tekanan uapnya sangat penting

dalam pemilihan refrigeran. Namun belum ada satu pun refrigeran yang terbukti

memberikan kinerja yang ideal dibawah berbagai kondisi operasi. Refrigeran yang

sering dipakai untuk suatu percobaan sederhana tentang refrigerasi adalah refrigeran

22, selain itu adalah udara, amonia, karbon dioksida, metil klorida, sulfur dioksida,

hidrokarbon, dan lain-lain.

Refrigeran-22 (R-22) atau CHClF2 atau Chlorodifluoromethane tidak mudah

terbakar pada temperatur ruang dan tekanan atmosferik. Walaupun refrigeran ini

akan mudah terbakar saat bercampur dengan udara bertekanan rendah dan saat

berada didekat sumber api.

Refrigeran-22 memiliki sifat fisik dan sifat kimia yang khusus, yang memberikan

kelebihan dan kekurangan pada penggunaannya. Selain sifat-sifat yang telah disebut

sebelumnya, sifat fisik dan kimia R-22 lainnya adalah :

• Tampilan : Jernih, cairan dan uap yang tak berwarna

• Kondisi fisik : Gas pada temperatur ruang

• Formula kimia : CHClF2

• Spesifik gravity (air=1.0) : 1.21 @ 21.1°C (70°F)

• Kelarutan dalam air (%-berat) : 0.3 wt% @ 25°C dan 1 atmosfer

• pH : Netral

• Titik didih : -40.8°C (-41.40°F)

• Titik beku : -160°C (-256°F)

• Tekanan uap : 136.1 psia @ 70°F dan 311.4 psia @ 130°F

• Densitas uap (udara=1.0) : 3.0

• Laju evaporasi : lebih besar dari 1 (>1) dibandingkan CCl4 (=1)

• Persen Volatilitas : 100

V. Rancangan Percobaan

a. Alat dan Bahan

Dalam percobaan refrigerasi ini bahan yang digunakan adalah refrigerant-22 yang

formula kimianya CHClF2 atau Chlorodifluoromethane. Peralatan yang digunakan

antara lain kompresor, kondensor, penampung uap, rotameter, sightglass, filter drier,

thermal expantion valve, kerangan ekspansi kapiler, evaporator, high-low

pressurestat, dan manometer. Skema alat yang digunakan dalam percobaan dapat

dilihat pada gambar V.1 berikut.

E-3

8

6

7

Expansion valve

9

11

12 12

KETERANGAN :1. Kompresor2. Kondensor3. Recevier 54. Flowmeter5. Sightglass6. Filter Drier7. Katup Manual8. Ekspansi kapiler9. TXV (Thermal expansion 4

Valve)10. Evaporator11. High Low Pressurestat12. Manometer

10

Evaporator

Kompresor1

2

kondensor 3

Gambar V.1 Skema alat percobaan refrigerasi

b. Prosedur Kerja

Hal yang pertama kali dilakukan adalah memasang alat percobaan pada sumber

listrik yang sesuai, dan memulai start up peralatan dengan membuka kerangan

ekspansi. Kemudian mengalirkan refrigerant dengan membuka katupnya hingga

tidak terdapat aliran udara dalam alat. Hal ini dapat diketahui dengan melihat

melalui sightglass, karena bila terdapat uap yang lolos dari receiver cairan dalam

sightglass akan terlihat memiliki gelembung-gelembung. Ini terus dilakukan hingga

gelembung tidak ada dan hingga peralatan mencapai keadaan steady state, yang

ditandai dengan nilai tekanan (P) dan temperature (T) yang konstan.

Setelah keadaan steady state tercapai dilakukan variasi. Variasi ini dilakukan pada

beberapa titik laju alir pada flowmeter (dalam alat berupa rotameter) dan mengukur

tekanan discharge dan tekanan suction serta temperatur pada tiga titik yaitu sebelum

masuk kondensor, sebelum masuk kerangan ekspansi, dan sebelum masuk

evaporator. Hal ini dilakukan pada tiap variasi kerangan ekspansi. Variasi juga dapat

dilakukan dalam bentuk gangguan eksternal pada kedua penukar kalor yaitu

evaporator maupun kondensor. Gangguan yang diberikan dapat berupa pemanasan

maupun pendinginan.

Diagram alir percobaan dapat dilihat pada gambar V.2 berikut.

Start up peralatan(keran ekspansi dibuka)

Refrigeran dialirkan(perhatikan sightglass)

Peralatan mencapai steady state( P dan T konstan)

Lakukan variasi

Ukur P dan T untuk tiapvariasi

Gambar V.2 Diagram alir percobaan

c. Perhitungan

• Laju alir massa refrigeran

m = Q x r

• Perpindahan panas

qcond = m x (hB – hC)

qevap = m x (hA – hD)

• Kerja kompresor

Wkomp = qcond – qevap

• COP (Coefficient of Performance)

q

COP evap

evap,teoretik =W

COPcond, teoretik

• Daya Listrik

= q cond

W

Wlistrik = V.I.cos θ (cos θ = 0,8)

VI. Daftar Pustaka

Daubert, T.E., (1985), Chemical Engineering Thermodynamics, International Edition, Singapore : Mc-Graw Hill, Inc.

H t tp :// www . refr i g e ra n t s . c om / M S D S/ r 22.pd f , (2004), Material Safety Data Sheet, Internet Edition, New Jersey : National Refrigerants, Inc.

Jordan, R.C. dan Priester, G.B., 1956, Refrigeration and Air Conditioning, SecondEdition, Englewood Cliffs, N.J.: Prentice Hall, Inc.

Smith, J. M.,. Van Ness, H. C dan Abbot, MM, (1996), Introduction to ChemicalEngineering Thermodynamics, Fifth Edition, New York : Mc-Graw Hill, Inc.