kompresi uap

Analisis Karakteristik Refrigeran …………………………….................................. (Tatang Hidayat)

ANALISIS KARAKTERISTIK REFRIGERAN TERHADAP KONSUMSI ENERGI LISTRIK PADA PROTOTIPE

SISTEM PENDINGIN PEMBEKU AIR MENGGUNAKAN R-134a DAN R-290/R-600a

Tatang Hidayat

Sekolah Tinggi Teknologi Bina Tunggal (STTBT) Bekasi – Jawa [email protected]

ABSTRAKSistem pendingin untuk pembeku air menggunakan energi listrik terus menerus sehingga menyumbang komponen biaya yang signifikan terhadap produk yang didinginkan. Untuk mengetahui potensi penghematan energi listrik yang bisa dicapai telah dilakukan pengamatan pada prototipe mesin pembeku air skala laboratorium dengan melakukan penggantian media pendinginnya dari R-134a ke R-290/R-600a. Kinerja mesin pembeku air setelah dilakukan penggantian menjadi R-290/R-600a memberikan hasil : kapasitas pendinginan tetap, suhu pendinginan pada ruang pembeku mencapai – 18,8 oC dibandingkan R-134a mencapai – 17 oC, dan konsumsi energi listrik mengalami penurunan dari 0,79 Amper menjadi 0,65 Ampere berarti terjadi penghematan energi listrik sampai 18 %.

Kata Kunci : Pembeku air, refrigeran, halokarbon, hidrokarbon, penghematan energi listrik.

ABSTRACTWater cooling system for freezer use continuous electrical energy so it accounts for a significant component of the cost of the product is cooled. To find the electric potential energy savings that can be achieved has been observed in a freezer prototype laboratory scale water cooling media with replacement of R-134a to R-290/R-600a. Performance freezer after becoming R-290/R-600a results: fixed cooling capacity, cooling the temperature reaches the freezing compartment – 18.8 ° C compared to R-134a reaches – 17 ° C, and the electrical energy consumption decreased from 0 , 79 amperes to 0.65 amperes means an electrical energy savings up to 18%.

Keywords: Freezing water, refrigerants, halocarbons, hydrocarbons, electrical energy savings.

PENDAHULUAN

Perkembangan aplikasi teknologi mesin pendingin demikian pesat sejalan dengan

tuntutan peningkatan kualitas kehidupan manusia yang salah satunya ditandai dengan

kebutuhan mesin pendingin untuk keperluan pembeku dalam proses pengawetan berbagai

bahan yang dibutuhkan dalam kehidupan manusia sehari-hari. Iklim tropis seperti di

97

TORSI, Volume XII, No. 1, Januari 2014

Indonesia berpengaruh signifikan terhadap keawetan paska panen hasil produksi pertanian

seperti : buah-buahan dan sayur-mayur juga dalam perikanan. Demikian besarnya

ketergantungan pada mesin pendingin tersebut maka kebutuhan energy listrik untuk

penggerak mesin pendingin tersebut cukup besar. Upaya untuk melakukan penghematan pada

energy listrik diberbagai sector harus dilakukan guna mendukung kepedulian lingkungan

seperti global warming, penghematan biaya energy dan upaya pemerataan dalam dengan

memperluas sebaran penggunaan energy listrik di berbagai belahan wilayah Indonesia diluar

perkotaan. Penelitian aplikasi dan praktek penggantian bahan pendingin (refrigerant) dari

jenis sintetik ke jenis hidrokarbon dengan cara membandingkan hasil pengukuran penurunan

energi listrik nya sudah banyak dilakukan, namun yang menganalisis parameter yang

berpengaruh terhadap terjadinya proses penurunan energi listrik khususnya untuk penggerak

komponen kompresor pada mesin pendingin masih terbatas. Untuk itu penulis dalam

penelitian ini tertarik untuk melakukan analisis pada parameter yang memiliki pengaruh

terhadap penurunan konsumsi enerli listrik pada komponen kompresor yang dirangkai dalam

suatu unit berupa prototipe dan menggunakan refrigeran sintetik jenis R-134a untuk

digantikan dengan refrigeran hidrokarbon jenis R-290/R-600a.

TEORI DASAR MESIN PENDINGIN KOMPRESI UAPMesin pendingin yang banyak digunakan dalam aplikasinya adalah jenis mesin

pendingin kompresi uap yang bekerja menggunakan elemen utama terdiri dari : kompresor,

kondensor, katup ekspansi dan evaporator dirakit dalam suatu sistem sikulus tertutup yang

diagramnya seperti dalam gambar 1.

(a) Diagram siklus komponen (b) Siklus pada Diagram Mollier

Gambar 1. Siklus dan pemetaan pada Diagram Mollier kompresi uap

98


Setiap elemen dari sistem memiliki fungsi utama masing-masing sehingga bila dialirkan

bahan pendingin (refrigeran) di dalam sistem tersebut secara siklus akan memberikan efek

terjadinya proses pendinginan. Adapun elemen kompresor berfungsi untuk menaikan tekanan

dan mensirkulasikan refrigeran keseluruh sistem, elemen kondensor berfungsi sebagai

elemen yang melepaskan kalor dari sistem, katup ekspansi berfungsi untuk menurunkan

tekanan dan mengkabutkan refrigeran, elemen evaporator berfungsi untuk menyerap kalor

dari ruangan / media disekitarnya yang akan didinginkan. Sebagai bahan yang berfungsi

untuk membawa kalor yang akan dibuang, refrigerant yang digunakan dalam sistem

pendingin harus kompatibel dengan karakteristik elemen-elemen sistem kompresi uap, oleh

karena itu terdapat berbagai jenis refrigeran yang digunakan disesuaikan dengan karakteristik

elemen mesin pendingin terutama elemen kompresor.

RefrigerantSistem pendingin bisa menghasilkan efek pendinginan dari proses yang bekerja secara

siklus tertutup dengan menggunakan media pendingin yang disebut dengan refrigeran yang

bersirkulasi di dalam siklus tertutup tersebut dan setiap melewati suatu komponen yang ada

dalam siklus refrigeran akan mengalami perubahan wujud secara fisika. Pada komponen

kompresor refrigeran mengalami proses penekanan sehingga gas dimampatkan pada tekanan

tinggi pada suhu tinggi dan mengalir ke dalam komponen kondensor menjadi gas cair dengan

tekanan tinggi dan kalor yang dibawanya dilepas ke udara sekelilingnya melalui pipa-pipa

dan sirip-sirip yang ada di kondensor. Selanjutnya wujud cair bertekanan yang ada di

kondensor dilewatkan pada komponen katup ekspansi sehingga refrigeran yang keluar

menjadi kabut dalam keadaan suhu dingin dan tekanan rendah kemudian mengalir masuk ke

dalam komponen evaporator dalam bentuk kabut dan suhu rendah sehingga kalor yang ada

diudara sekitar evaporator akan mengalir masuk kedalam refrigeran yang ada di dalam

evaporator, untuk selanjutnya terus bersirkulasi kembali.

Adanya proses dan siklus yang dialami oleh refrigeran serta terjadinya efek

pendinginan pada evaporator yang seimbang dengan proses terjadinya pelepasan kalor pada

kondensor, maka refrigerant harus memiliki beberapa sifat fisika pokok, diantaranya :

-Tekanan penguapan di evaporator harus diatas tekanan atmosfir

-Tekanan pengembunan di kondensor tidak terlalu tinggi

99


-Kalor laten penguapan di evaporator harus tinggi

-Konduktivitas termal harus tinggi

-Viskositas fase cair maupun gas harus rendah

Persyaratan sifat fisika tersebut dibarengi dengan sifat kimia refrigeran yang tidak boleh

mudah bereaksi dengan material lainnya dan tidak bersifat korosif; demikian juga dari sifat

termodinamika siklus refrigerasi diharapkan refrigeran menghasilkan koefisien prestasi

sistem pendingin yang besar, serta dari sisi kesehatan refrigeran tidak memiliki sifat racun.

Refrigeran untuk suatu unit pendingin memiliki kelompok dan jenis yang berbeda tergantung

kepada kebutuhan dari unit pendingin tersebut. Secara garis besar unit pendingin dibedakan

dalam 2 (dua) kelompok utama, yaitu :

a.Sistem pendingin untuk kenyamanan manusia dan pendinginan diatas nol derajat Celcius

b.Sistem pendingin untuk suhu dibawah nol derajat Celcius

Dari aspek lingkungan, dibedakan dalam 2 (dua) kelompok refrigeran, yaitu :

a.Refrigeran alam, seperti Hidrokarbon, Amonia, Karbon dioksida, dll.

b.Refrigeran sintetik yang tergolong halokarbon seperti R-12, R-134a, R-22, dll.

Bila dua refrigerant untuk sistem pendingin yang sama diperbandingkan, maka parameter

sifat fisika yang mendapat perhatian adalah :

-Kandungan energi (Enthalpy)

-Kerapatan jenis (density)

-Panas jenis (specific heat)

-Hantaran panas (thermal conductivity)

-Kekentalan (Viscocity)

Refrigerant R-134aMesin pendingin pembeku air seperti halnya sistem pendingin kompresi uap lainnya

menggunakan refrigeran sebagai media pendingin dengan menggunakan refrigeran sintetik

halokarbon, salah satunya adalah kelompok Hydrochlorofluorocarbon (HFC) jenis R-134a.

Sebagai kelompok HFC refrigeran R-134a mengandung bahan Fluor (F) sebagai unsur yang

termasuk Gas Rumah Kaca (GRK) yang berkontribusi sebagai penyebab terjadinya

pemanasan global (Global Warming).

100


Gambar 2. Simbol unsur R-134a

Refrigerant HidrokarbonSejalan dengan kebijakan global juga sudah diratifikasi oleh pemerintah Indonesia

yang diikuti dengan terbitnya berbagai kebijakan dan program pemerintah untuk

menghapuskan penggunaan bahan-bahan yang berpotensi merusak lapisan ozon dan gas

rumah kaca, termasuk didalamnya penggunaan refrrigerant sintetik halokarbon, maka

penggunaan bahan ramah lingkungan kembali diperhitungkan. Salah satu jenis refrigeran

ramah lingkungan yang juga merupakan refrigeran alam, adalah jenis refrigeran hidrokarbon.

Refrigeran hidrokarbon dikategorikan sebagai ramah lingkungan karena termasuk kelompok

refrigeran alami yang kandungannya terdiri dari unsur Carbon dan Hidrogen, yang menurut

ASHRAE Standard diberi kode R-170 (etana, C2H6), R-290 (Propane, C3H8) dan R-600a

(Isobutane, C4H10), adapun jenis refrigeran hidrokarbon lainnya merupakan campuran dari

unsur-unsur tersebut, contohnya untuk kesetaraan dengan R-134a bisa diformulasikan dari

campuran R-290 dengan R-600a.

Diagram Prototipe Sistem Pendingin Pembeku Air

Untuk keperluan pengambilan data sebagai bahan melakukan analisis digunakan

suatu sistem pendingin yang dirangkai sehingga proses yang terjadi dari siklus refrigerasi

kompresi uap bisa memberikan efek pendinginan di komponen evaporator sampai

membekukan air. Komponen yang digunakan untuk merangkai suatu sistem pembeku air

mengadopsi sistem yang ada dalam pembeku suatu lemari es, terdiri dari komponen :

101

F

C

C

H

F

F H

F

F

C

C

H

F

F H

F


kompresor hermetic, kondensor terbuka keudara, katup ekspansi berupa lilitan pipa kapiler

dan evaporator ditempatkan dalam kotak terisolasi untuk menyimpan air yang akan

dibekukan.

Gambar 3. Diagram prototipe sistem pembeku air

ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN

Pengumpulan data dilakukan untuk mendapatkan bahan analisa untuk perbandingan

antara refrigeran sintetik halokarbon dan refrigeran hidrokarbon. Refrigeran R-134a

merupakan bagian dari kelompok refrigeran sintetik halokarbon, demikian juga campuran R-

290/R-600a merupakan bagian dari refrigeran hidrokarbon dengan karakteristik untuk

menggantikan R-134a.

Perbandingan data dari aspek lingkungan antara refrigeran sintetik halokarbon dengan

refrigeran hidrokarbon seperti ditunjukan dalam tabel 1. Dari data pada Tabel 1 dapat dilihat

bahwa refrigeran hidrokarbon (HCR) dibandingkan dengan R-134a memiliki angka-angka

yang menggambarkan lebih ramah lingkungan seperti terlihat dari nilai GWP nya untuk

hidrokarbon angkanya 3 yang jauh lebih kecil dibandingkan dengan R-134a yang angkanya

420.

102


Tabel 1. Perbandingan parameter aspek lingkungan HFC dan HCR

NO. PARAMETER ASPEK LINGKUNGAN

SATUAN R-34a HCR

1. Bahan alam - tidak ya

2. Umur keberadaan di atmosfir (Atmospheric life time)

tahun 16 < 1

3. Global Warming Potential (GWP)

(relatif thd CO2, basis 500 th)

tahun 420 3

4. Ozon Depletion Potential (ODP)

(relatif thd R-11 = 1.0)

- 0 0

Data perbandingan parameter karakteristik refrigeran hidrokarbon R-290 /R-600a

dengan refrigeran sintetik halokarbon R-134a yang memiliki pengaruh terhadap kinerja

sistem pendingin pendingin seperti ditunjukan dalam tabel 2.

Tabel 2. Perbandingan parameter karakteristik antara R-290 / R-600a dengan R-134a

PARAMETER SATUAN R-290/R-600a

R-134a

Enthalpy Liquid, kJ/kg 261 235Enthalpy, v, kJ/kg 601 412Density, l, kg/m3 531 1207Density, v, kg/m3 12.90 32.35Specific Heat, l, kJ/kg.K 2.53 1.42Specific Heat, v, kJ/kg.K 1.89 1.03Viscosity, l, uPa-s 128 195Viscosity, v, uPa-s 7.9 11.7Thermal Conductivity, l, mW/m-K 92 81Thermal Conductivity,v, mW/m-K 18 14

Dari tabel 2 terlihat bahwa karakteristik bahan refrigeran hidrokarbon dari enthalphy nya

lebih besar sehingga memiliki energi untuk mengangkut kalor lebih besar, dari density yang

lebih kecil memberikan keuntungan bahwa berat isi refrigeran dalam sistem lebih sedikit

yang akan memberikan efek kompresor bekerja lebih ringan. Dari panas jenis (spesific heat)

dan konduktivitas termal (thermal conductivity) refrigeran hidrokarbon lebih besar

103


memberikan keuntungan mempercepat terjadinya pemindahan kalor yang harus diangkut,

begitu juga dengan nilai kekentalan (viscosity) refrigran hidrokarbon lebih kecil memberikan

efek yang baik yaitu kecilnya pengaruh tahanan aliran refrigeran dalam instalasi perpipaan.

Perbandingan Diagram Tekanan Terhadap TemperaturData dalam bentuk grafik yang menunjukkan Diagram tekanan sebagai fungsi

temperatur dari perbandingan antara refrigeran R-290 / R-600a dengan R-134a, adapun

sample untuk R-290/R-600a nya menggunakan produk dengan kode MC-134 seperti

ditunjukkan dalam gambar 4.

Gambar 4. Diagram Tekanan versus suhu

Dari gambar 4 dapat dilihat bahwa refrigeran hidrokarbon campuran R-290/R-600a bisa

diformulasikan mirip dengan R-134a, sehingga sistem pendingin dalam merespon adanya

refrigeran hidrokarbon campuran tersebut seperti halnya refrigeran sintetik halokarbon R-

134a. Bila diamati lebih dalam, pada sisi suhu refrigeran rendah tekanan refrigeran

hidrokarbon akan sedikit lebih tinggi dibandingkan R-134a hal ini sesuai dengan salah satu

persyaratan suatu refrigeran yang menghendaki pada daerah penguapan tekanan sedikit lebih

tinggi; demikian juga bila dilihat pada sisi suhu yang lebih tinggi terlihat bahwa grafik

refrigeran hidrokarbon berada dibawah grafik R-134a hal ini juga sesuai dengan salah satu

persyaratan refrigeran bahwa pada suhu tinggi (di kondensor) tekanannya tidak terlampau

tinggi.

104


Perbandingan Nilai Parameter Kinerja Refrigeran pada Prototipe Sistem Pendingin

Pengukuran pada kinerja prototipe sistem pendingin pembeku air dilakukan dengan

cara membandingkan antara refrigerant sintetik halokarbon R-134a dengan refrigeran

hidrokarbo yang merupakan campuran antara R-290/R-600a yang menggunakan sample

dengan kode MC-134. Pengamatan dilakukan pada alat yang sama yaitu prototipe sistem

pendingin yang sebelumnya menggunakan R-134a kemudian dengan tatacara yang sesuai

standar dilakukan penggantian dengan refrigeran hidrokarbon campuran R-290/R-600a

dengan kode refrigeran sample MC-234. Data hasil pengukuran kedua jenis refrigeran

seperti ditunjukkan pada table 3.

Tabel 3 : Perbandingan data kinerja pada prototipe sistem pendingin pembeku air

PARAMETER PENGAMATAN

PERBANDINGANPENGAMATAN

SEBELUM SESUDAH

Refrigeran Isi ( gram )P suct. ( psig )T beku ( oC ) Arus ( A )

R - 134a12010

-170.79

MC-134 40 8 -18.8 0.65

a. Ada perbedaan berat isi dari 120 gram menjadi 30 gram (30%)

b. Ada Penurunan arus sebesar 0.14 A (18 %)

c. suhu beku dari – 17 oC menjadi lebih rendah yaitu – 18,8 oC (11%)

d. Tekanan kerja (P suct) turun dari 10 psig menjadi 8 psig (20%)

Dari data pada tabel 3 terlihat bahwa kinerja yang dihasilkan oleh refrigeran

hidrokarbon (kode bahan MC-134) memberikan hasil lebih baik dibandingkan dengan data

yang dihasilkan oleh R-134a. Hal ini terlihat dari isi oleh bahan MC-134 hanya seberat 30 %

dari berat R-134a hal ini sesuai dengan nilai kerapatan (density) refrigeran nhidrokarbon

lebih kecil dari refrigern R-134a. Berikutnya suhu pembekuan terendah yang dicapai oleh

MC-134 lebih rendah dibandingkan dengan R-134a hal ini ada kesesuaian dengan parameter

105


enthalpy refrigeran hidrokarbon lebih besar dari R-134a sehingga menghasilkan efek

refrigerasi pada evaporator lebih besar dibandingkan R-134a. Dari pengukuran konsumsi arus

listrik, terlihat bahwa dengan MC-134 diperoleh penurunan sebesar 18 % hal ini menunjukan

bahwa kompresor bekerja lebih ringan karena berat bahan MC-134 lebih sedikit dari R-234a

dan tekanan pada sisi kondensor lebih rendah sehingga kompresor cukup membangun

tekanan dibawah tekananya R-134a.

KESIMPULAN DAN SARAN

Berdasarkan analisis refrigeran dengan melakukan perbandingan karakteristik

refrigeran sintetik halokarbon R-134a terhadap refrigeran hidrokarbon campuran R-290/R-

600a yang datanya diambil dari prototipe sistem pendingin pembeku air, dapat diambil

beberapa kesimpulan sebagai berikut :

a. Kinerja refrigeran yang dihasilkan dari aplikasi pada suatu sistem pendingin dipengaruhi

oleh karakteristik refrigeran yang merupakan sifat bawaan dari material apakah berasal

dari bahan alam atau bahan sintetik, seperti enthalpy, panas jenis, kalor jenis,

konduktivitas termal dan viskositas refrigeran.

b. Kinerja refrigeran juga tergantung kepada sistem kompresi uap yang dirangkai menjadi

suatu siklus tertutup, terutama pada kapasitas dari tiap komponen utama yaitu :

kompresor, kondensor, katup ekspansi dan evaporator

c. Komponen sistem pendingin yang digunakan dalam penelitian disini dirakit dengan

mengadopsi sistem pada ruang pembeku pada kulkas sehingga menjadi suatu prototipe

yang memiliki kemampuan pendinginan sampai membekukan air dalam hal ini dengan R-

134a sampai – 17 oC dengan sample MC-134 sampai – 18,8 oC.

d. Dengan kinerja pembekuan yang lebih baik, penggunaan refrigeran hidrokarbon sample

MC-134 diperoleh penghematan energi sebesar 18% dibandingkan saat sistem

menggunakan R-134a. Adanya penurunan konsumsi energi ini sebagai pengaruh dari

adanya perbedaan karakteristik refrigeran.

SARANa. Untuk mendapatkan ketelitian data dengan memperkecil pengaruh komponen yang ada

dalam rangkaian siklus tertutup kompresi uap, maka diperlukan isolasi pada bagian-bagian

penghubung antar komponen, yaitu antara kompresor dan kondensor, antara kondensor

106


dan katup ekspansi, antara katup ekspansi dengan evaporator dan antara evaporator drngan

kompresor.

b. Untuk memperkecil pengaruh udara sekeliling, maka unit sistem pendingin pembeku air

agar dimasukan ke dalam ruang kondisi supaya udara sekeliling alat dijaga stabil pada

kondisi tertentu yang sama pada waktu pengambilan data R-134a maupun data MC-134.

DAFTAR PUSTAKA

Arismunandar, W, 1986, Penyegaran Udara, PT. Pradnya Paramita, Bandung.

Carrier Air Conditioning Comp., 1965, Handbook of Air Conditioning System Design, McGraw- Hill Book Co., New York.

Colbourne Daniel, 2010, Guidlines for the safe use of hydrocarbon refrigerants, GTZ Proklima,Germany.

Cool Concerns., April 1999, Safe Conversion and Servicing Practices for Refrigeration Appliances using hydrocarbon Refrigerants, Manual for Safe Conversionand Servicing of Domestic and Commercial appliances, United Kingdom.

Dossat, Roy J., 1978, Principles of Refrigeration, 2 nd edition, John Willey and Sons, New York.

J.P. Holman, 1976, Heat Transfer, fourth edition, McGraw-Hill Kogakusha, Ltd. Tokyo.

Kenneth Wark, Jr., 1995, Advanced Thermodynamics for Engineers, McGraw-Hill, Inc., Singapore.

Stocker, W.F. & Jones, J.W., 1982, Refrigeration and Air Conditioning, Mc Graw-Hill Book Co, New Delhi.

Train The Trainer Workshop Participant’s Manual, 2013, Refrigerant Management Awarness in Industrial and Commercial Application for Sustainable Energy Conservation, RAISE Indonesia.

107


108

kompresi uap

Documents

Transcript of kompresi uap