1. SISTEM KERJA REFRIGERASI KRIOGENIK

1.1 Siklus Kompresi Uap

Dari sekian banyak jenis-jenis sistem refigerasi, namun yang paling umum digunakan adalah

refrigerasi dengan sistem kompresi uap.Komponen utama dari sebuah siklus kompresi uap

adalah kompresor, evaporator, kondensor dan katup expansi.

Pada siklus kompresi uap, di evaporator refrigeran akan ‘menghisap’ panas dari lingkungan

sehingga panas tersebut akan menguapkan refrigeran. Kemudian uap refrigeran akan

dikompres oleh kompresor hingga mencapai tekanan kondensor, dalam kondensor uap

refrigeran dikondensasikan dengan cara membuang panas dari uap refrigeran ke

lingkungannya. Kemudian refrigeran akan kembali di teruskan ke dalam evaporator. Dalam

diagram P-h siklus kompresi uap ideal dapat dilihat dalam gambar berikut ini.

Gambar 2.2 Diagram T-S dan P – h siklus kompresi uap (Himsar Ambarita,2010)

a. Proses kompresi (1-2)

Proses ini dilakukan oleh kompresor dan berlangsung secara isentropik adiabatik. Kondisi

awal refrigeranpada saat masuk ke dalam kompresor adalah uap jenuh bertekanan rendah,

setelah mengalami kompresi refrigeran akan menjadi uap bertekanan tinggi. Karena proses

ini berlangsung secara isentropik, maka temperatur ke luar kompresor pun meningkat.

b. Proses kondensasi (2-3)

Proses ini berlangsung didalam kondensor. Refrigeran yang bertekanan tinggi dan

bertemperatur tinggi yang berasal dari kompresor akan membuang kalor sehingga fasanya

berubah menjadi cair. Hal ini berarti bahwa di dalam kondensor terjadi pertukaran kalor

antara refrigeran dengan lingkungannya (udara), sehingga panas berpindah dari refrigeran ke

udara pendingin yang menyebabkan uap refrigeran mengembun menjadi cair.

c. Proses expansi (3-4)

Proses expansi ini berlangsung secara isoentalpi. Hal ini berarti tidak terjadi perubahan

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

terjadi pada katup expansi yang berbentuk pipa kapiler atau orifice yang berfungsi untuk

mengatur laju aliran refrigeran dan menurunkan tekanan.

d. Proses evaporasi (4-1)

Proses ini berlangsung secara isobar isothermal (tekanan konstan, temperatur konstan) di

dalam evaporator. Panas dari lingkungan akan diserap oleh cairan refrigeran yang bertekanan

rendah sehingga refrigeran berubah fasa menjadi uap bertekanan rendah. Kondisi refrigeran

saat masuk evaporator sebenarnya adalah campuran cair dan uap, seperti pada titik 4 dari

gambar 2.2 diatas.

Selanjutnya, refrigeran kembali masuk ke dalam kompresor dan bersirkulasi lagi.Begitu

seterusnya sampai kondisi yang diinginkan tercapai

Sistem refrigerasi kriogenik sebenarnya hampir mirip dengan kompresi uap hanya saja

kompresornya sampai 200 bar, dan dipasang secara seri. Untuk menghasilkan udara cair

dalam jumlah yang besar sehingga dapat dihasilkan CO₂, cair, O₂, Nitrogen, DLL.

1.2 Sistem Kriogenik

Kriogenik (cryogenic) merupakan salah satu teknologi pembekuan yang sebetulnya

bukan tergolong ide yang baru. Metode pembekuan pada teknologi ini menggunakan gas

yang dimanfaatkan menjadi cairan (liquid) misalnya nitrogen (N2) dan karbon dioksida

(CO2). Nitrogen cair sebagaimana telah diketahui sejak lama, dipergunakan sebagai pembeku

bahan-bahan organik untuk keperluan penyimpanan dan ekstraksi bahan-bahan penelitian

bidang biologi terapan. Karbon dioksida cair pun telah sejak lama dipergunakan untuk

pengisi tabung pemadam kebakaran.

Nitrogen cair memiliki titik didih pada suhu -195,8 derajat ºC, sedangkan karbon

dioksida cair -57 ºC. Pada suhu yang lebih tinggi dari suhu tersebut, nitrogen dan karbon

dioksida akan berbentuk gas volatil, sehingga umumnya nitrogen cair dan karbon dioksida

cair berada pada suhu lebih rendah daripada titik didihnya. Dengan suhu yang sedemikian

dingin, baik nitrogen cair maupun karbon dioksida cair mempunyai kemampuan

membekukan bahan organik yang relatif lebih efektif daripada pendingin berbahan amonia

ataupun freon.

Proses pembekuan cepat dilakukan dengan cara menyemprotkan cairan kriogenik,

dalam hal ini nitrogen cair, ke produk yang diletakkan di rak dalam lemari pembeku. Produk

dapat dibekukan pada suhu – 200 C atau – 400 C dalam waktu singkat dan dengan⁰ ⁰

pemakaian nitrogen cair yang optimum. Dengan kecepatan pendinginan yang tinggi dan

waktu pembekuan yang relatif singkat, maka proses difusi uap air dari sel dapat dikurangi

dan produk tidak banyak mengalami susut bobot. Hasil pengujian menunjukkan bahwa lemari

dapat berfungsi dengan baik dan dapat membekukan produk dalam waktu relatif singkat

sesuai dengan yang diharapkan. Mikroba pada produk yang dibekukan dengan nitrogen cair

dan disimpan dalam lemari pendingin, jika semakin lama produk beku disimpan dalam lemari

pendingin semakin sedikit jumlah sel mikroba.

Sistem refrigerasi kriogenik sebenarnya hampir mirip dengan kompresi uap hanya saja

kompresornya sampai 200 bar, dan dipasang secara seri. Untuk menghasilkan udara cair

dalam jumlah yang besar sehingga dapat dihasilkan CO₂, cair, O₂, Nitrogen, DLL.

2. SISTEM KERJA CHILLER

Komponen utama pada sistem refrigerasi chiller absorpsi  terdiri dari absorber , generator dan

pompa yang mempunyai fungsi sebagai pengganti kompresor, kondensor dan evaporator.

Sedangkan refrigeran yang digunakan adalah air murni dan larutan LiBr.

Dalam perkembangan teknologi sistem absorpsi terakhir, telah berlaku teknologi yang telah

terbukti cukup banyak meningkatkan efisiensi penggunaan energinya, yaitu peralihan dari

teknologi absorpsi efek tunggal (Single effect) ke teknologi absorpsi efek ganda (Double

effect). Perbedaan dari kedua teknologi ini hanya terletak pada jumlah generator, dimana pada

sistem absorpsi double effect ada dua, yaitu generator temperatur tinggi dan generator

temperatur rendah. Peningkatan efisiensi yang diperoleh adalah penurunan penggunaan

energi sebesar lebih dari 30 % untuk mendapatkan daya pendinginan yang sama. selain itu,

ukuran dari unit absorpsi pada tahun belakangan ini berukuran lebih kecil dibandingkan

generasi sebelumnya.

2.1 Siklus Refrigerasi Chiller Absorbsi  Sederhana (Single Effect Absorption Chiller)

Seperti pada siklus pendingin kompresi uap, untuk pendapatkan efek pendinginan pada

sistem absorpsi juga dilakukan pemanfaatan kalor laten dari proses evaporasi refrigeran untuk

menyerap kalor dari air yang hendak didinginkan (Entering Chilled water). Pada sistem

kompresi uap, refrigeran bersirkulasi dengan menggunakan kompresor, sedangkan pada

sistem absorpsi refrigeran bersirkulasi dengan memanfaatkan panas yang diperoleh di

generator dan dibantu dengan larutan penyerap (absorbent) untuk menyerap uap refrigeran

(water vapor) dari evaporator dan dibantu oleh pompa untuk kembali ke generator.

Secara lengkap sistem absorpsi sederhana terdiri dari generator, kondensor, evaporator, dan

absorber dapat dilihat pada gambar 1. Sedangkan larutan kerja yang dipakai adalah air

sebagai refrigeran dan larutan LiBr sebagai larutan penyerap. Alat mekanik yang dipakai

sebagai alat bantu sirkulasi hanyalah pompa. Generator memanfaatkan panas yang diperoleh

dari hasil  pembakaran, uap panas ataupun air panas untuk menguapkan atau memisahkan air

(refrigeran) dari larutan LiBr. Kemudian uap air dikondensasikan di kondensor dengan

memanfaatkan air dingin dari Cooling Water. Uap air yang telah berubah menjadi cair

kemudian di semprotkan (sprayed) pada permukaan koil air yang akan didinginkan (chilled

water tubes), sehingga refrigeran air akan menguap sambil menyerap kalor dari koil air yang

akan didinginkan. Uap refrigeraan air akan segera di tangkap atau diserap oleh larutan kaya

LiBr yang juga disemprotkan dari generator ke arah koil air dingin dari cooling water dan

jatuh menjadi cairan lebih encer (diluted lithium bromide solution) yang merupakan

campuran LiBr dan air pada absorber. Larutan encer pada absorber ini kemudian dipompakan

kembali ke generator untuk kemudian sirkulasi akan dimulai lagi.

2.2 Siklus Refrigerasi Chiller Absorbsi  Effek Ganda (Double Effect Absorption Chiller)

Generator pada sistem pendingin absorpsi efek ganda terbagi menjadi dua, yaitu generator

dengan temperatur tinggi dan generator dengan temperatur rendah. Pada generator temperatur

tinggi larutan encer dari evaporator yang dilewatkan melalui penukar kalor dipanaskan oleh

steam atau panas dari hasil  pembakaran sehingga refrigeran steam akan terpisah. Garis dari

D’ ke titik E (gambar 3) menampilkan pemanasan dan proses perubahan konsentrasi larutan

pada temperatur tinggi. Larutan encer pada titik D’ dipanaskan pada konsentrasi tetap sampai

titik D, dimana uap refrigeran dilepaskan dan larutan tertinggal menjadi agak encer atau 60,8

% konsentrasi larutan (titik E). Larutan agak encer ini dilewatkan ke penukar kalor

temperatur tinggi seperti terlihat pada garis antara titik E ke F’ pada gambar 3.

Uap panas refrigeran dari generator temperatur tinggi akan disirkulasikan terlebih dahulu ke

generator temperatur rendah di dalam sebuah koil, dimana koil ini juga masih dapat

menguapkan larutan encer dari absorber yang disemprotkan di atas koil uap panas refrigeran

sehingga temperaturnya akan sedikit rendah sebelum dikondensasikan pada kondensor. Pada

generator temperatur rendah ini juga mengalir larutan konsentrasi cukup tinggi dari generator

temperatur tinggi, sehingga pada generator temperatur rendah ini akan terakumulasi larutan

konsentrasi tinggi LiBr sekitar 63,7 %. Larutan konsentrasi tinggi LiBr dari generator

temperatur rendah ini digunakan untuk menangkap atau menyerap uap refrigeran dari

evaporator. Proses ini ditampilkan melalui titik F’ ke F dan kemudian ke titik G (gambar 3),

dimana terlihat perubahan konsentrasi larutan. Sedangkan garis dari titik G ke A’

menampilkan proses penurunan temperatur larutan konsentrasi tinggi melewati penukar kalor

temperatur rendah.

Pada kondensor, dengan adanya generator temperatur rendah membuat energi kalor

dari cooling water yang diperlukan untuk mengkondensasikan uap refrigeran jadi sedikit

berkurang. Cairan dari hasil  kondensasi uap refrigeran kemudian disemprotkan pada

permukaan koil evaporator yang didalamnya mengalir air yang akan didinginkan (water

chiller) sehingga cairan refrigeran menguap dengan menggunakan energi kalor latennya. Uap

refrigeran dari evaporator ini kemudian ditangkap atau diserap oleh cairan konsentrasi tinggi

LiBr yang berasal dari generator temperatur rendah dan disemprotkan di atas permukaan koil

cooling water di atas absorber. Penyerapan uap refrigeran dari evaporator ini menyebabkan

tertampungnya larutan encer rendah konsentrasi LiBr ( sekitar 57,7 %) pada absorber (Titik A

ke titik B gambar 3). Larutan encer ini kemudian disirkulasikan kembali generator temperatur

tinggi dan generator temperatur rendah masin-masing dengan melewati alat penukar kalor

terlebih dahulu (dimana masing-masing mengambil panas dari larutan kental konsentrasi

tinggi LiBr dari masing-masing generator) untuk kemudian memulai sirkulasi awal kembali.

Pada kedua alat penukar kalor, baik penukar kalor temperatur tinggi dan penukar kalor

temperatur rendah membuat kerja unit absorpsi jadi lebih efisien, karena akan menyebabkan

larutan encer dari absorber akan mencapai temperatur mendekati temperatur pada generator,

sehingga mengurangi energi panas yang dibutuhkan oleh generator. Sebaliknya larutan kental

konsentrasi tinggi dari generator akan rendah sesuai dengan yang diharapkan.

2.3 Air Cooled Chiller

Pada dasarnya prinsip kerja pendingin air atau air-cooled chiller sama seperti sistem

pendingin yang lain seperti AC dimana terdiri dari beberapa komponen utama yaitu

evaporator, kondensor, kompresor serta alat ekspansi. Pada evaporator dan kondensor terjadi

pertukaran kalor. Pada air-cooled chiller terdapat air sebagai refrigeran sekunder untuk

mengambil kalor dari bahan yang sedang didinginkan ke evaporator. Air ini akan mengalami

perubahan suhu bila menyerap kalor dan membebaskannya di evaporator.

Gambar 2.1 diperlihatkan skema air-cooled chiller dimana air dingin yang dihasilkan

digunakan untuk mendinginkan ruangan dengan media aliran angin dari sebuah fan.

Secara umum prinsip kerjanya adalah sebagai berikut. Refrigeran didalam kompresor

dikompresikan kemudian dialirkan ke kondensor. Refrigeran yang mengalir ke kondensor

mempunyai tekanan dan temperatur yang tinggi. Di kondensor refrigeran didinginkan oleh

udara luar disekitar kondensor sehingga terjadi perubahan fase dari uap menjadi cair.

Kemudian refrigeran mengalir menuju pipa kapiler dan terjadi penurunan tekanan.

Setelah keluar dari pipa kapiler, refrigeran masuk ke dalam evaporator. Di dalam evaporator

refrigeran mulai menguap, hal ini disebabkan karena terjadi penurunan tekanan yang

mengakibatkan titik didih refrigeran menjadi lebih rendah sehingga refrigeran menguap.

Dalam evaporator terjadi perubahan fase refrigeran dari cair menjadi uap. Pada evaporator ini

terjadi perpindahan kalor yang bersuhu rendah, dimana air didinginkan oleh refrigeran.

Kemudian refrigeran dalam bentuk uap tersebut dialirkan ke kompresor kembali.

Di dalam evaporator, air sebagai bahan pendingin sekunder yang telah didinginkan sampai

temperatur tertentu kemudian dialirkan oleh sebuah pompa menuju koil-koil pendingin dalam

ruangan. Air ini akan bersirkulasi terus menerus selama sistem pendingin bekerja.

2.4 Water Colled Chiller

Siklus refrigerasi dari water chiller system secara sederhana. Air masuk kedalam cooler

(evaporator) dan didinginkan oleh cairan refrigeran yang menguap pada temperatur rendah.

Uap refrigeran dihisap masuk ke kompresor dan tekanannya dinaikan sehingga dapat mencair

kembali pada temperatur tinggi di kondenser. Pada proses ini temperatur medium pendingin

kondenser (air atau udara) mengalami kenaikan. Refrigeran cair tersebut kemudian mengalir

ke evaporator melalui alat kontrol refrigeran (katup ekspansi) dan siklus terus berulang

seperti semula).

Sebagai contoh suatu sistem water chiller berpendingin air (water cooled), air masuk ke

cooler pada 54oF (12oC) dan keluar pada 44oF(7oC) sedangkan air pendingin masuk

kondenser pada 85oF(30oF) dan keluar kondenser pada 95oF(35oC).

DAFTAR PUSTAKA

Setiawan,isnandarcecep (2012). Sistem kriogenik (online). Tersedia :

http://www.slideshare.net/manoelhakim/newsfeed (diunduh pada 29 Desember 2012)

De_ar (2008). Pendingin dengan menggunakan sistem kriogenik (online). Tersedia :

http://blognyaorangrefac.blogspot.com/2008/02/pendinginan-dengan-menggunakan-

sistem.html (diunduh pada 29 Desember 2012)

Anonim (2012). Bab II (online). Tersedia : http://www.google.com/url?

sa=t&rct=j&q=sistem%20kerja%20refrigerasi

%20kriogenik&source=web&cd=3&cad=rja&ved=0CEEQFjAC&url=http%3A%2F

%2Frepository.usu.ac.id%2Fbitstream%2F123456789%2F30782%2F4%2FChapter

%2520II.pdf&ei=m2TeUPS8HIWIrAeKvYGIDw&usg=AFQjCNH83sqSzQfzl06Djw

-olDoTHFOhcw&bvm=bv.1355534169,d.bmk (diunduh pada 29 Desember 2012)

Anonim (2012). Chiller absorbsi (online). Tersedia : http://www.chiller.co.id/chiller-

absorpsi/ (diunduh pada 29 Desember 2012)

Anonim (2012). Unit pendingin air sistem tata udara (online). Tersedia :

http://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=sistem%20kerja%20refrigerasi%20water

%20cooled%20chiller&source=web&cd=5&cad=rja&ved=0CF4QFjAE&url=http%3A%2F

%2Fkk.mercubuana.ac.id%2Ffiles%2F13043-9-

777692085296.doc&ei=knzeUP7BGsqxrAfd9oC4DQ&usg=AFQjCNHpoHYneWwV5Wjhlw7vk-

OaI8f4kQ&bvm=bv.1355534169,d.bmk (diunduh pada 29 Desember 2012)

Syaiful (2005). Unit kerja Sistem Air Cooled Chiller Dengan Evaporator Jenis Spiral Menggunakan Refrigeran HCR-22 (online). Tersedia : http://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=sistem%20kerja%20refrigerasi%20chiller&source=web&cd=15&cad=rja&ved=0CJEBEBYwDg&url=http%3A%2F%2Feprints.undip.ac.id%2F1712%2F1%2FUNJUK_KERJA_SISTEM_AIR-COOLED_CHILLER___.pdf&ei=BnLeUMm6A4LZrQeStYHwAQ&usg=AFQjCNHNXXHJX3XzFZ_TzB926frBexYkUw&bvm=bv.1355534169,d.bmk (diunduh pada 29 Desember 2012)