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