Sistem Refrigerasi

 

            Refrigerasi adalah proses pengambilan kalor atau panas dari suatu benda atau ruang untuk menurunkan temperaturnya. Kalor adalah salah satu bentuk dari energi, sehingga mengambil kalor suatu benda ekuivalen dengan mengambil sebagian energi dari molekul-molekulnya. Pada aplikasi tata udara (air conditioning), kalor yang diambil berasal dari udara. Untuk mengambil kalor dari udara, maka udara harus bersentuhan dengan suatu bahan atau material yang memiliki temperatur yang lebih rendah. Suatu mesin refrigerasi akan memiliki tiga sistem terpisah yakni:

1.   Sistem refrigerasi.

2.   Sumber daya untuk menggerakkan kompresor, yang berupa motor listrik.

3.   Sistem kontrol untuk menjaga suhu benda atau ruangan seperti di inginkan.

            Mesin refrigerasi dapat berupa lemari es pada rumah tangga, mesin pembeku (freezer), pendingin sayur dan buah-buahan pada supermarket, mesin pembeku daging dan ikan, dan sebagainya. Peralatan ini dapat dijumpai mulai dari skala kecil pada rumah tangga hingga skala besar pada aplikasi komersial dan industri. Di samping itu, sistem refrigerasi komputer uap jugga digunakan pada aplikasi tata udara. Pada aplikasi tata udara untuk hunian manusia, mesin yang digunakan dapat ditemui mulai dari skala kecil seperti AC window dan AC split, sampai dengan skala menengah dan besar seperti packaget rooftop air conditioner, water-cooled chiller, dan air-cooled chiller.

 

 Jenis-jenis mesin pendingin

            Jenis dan tipe mesin pendingin disesuaikan dengan kegunaan dan daya yang dimilikinya. Misalnya AC untuk kantor-kantor besar berbeda dengan AC untuk rumah tangga. Begitu juga untuk jenis kulkas.Karena di pasaran sudah tersedia berbagai jenis dan tipe mesin pendingin. Dari berbagai mesin pendingin yang ada, serta ditinjau dari segi kegunaan dan fungsinya, pada dasarnya yang umum kita kenal ada 3 macam mesin pendingin,  yaitu : refrigerator, freezer dan air conditioner.

A. Refrigerator

     Jenis ini lebih dikenal dengan sebutan kulkas atau lemari es. Tipe dan kapasitasnya bermacam-macam, dan umumnya digunakan untuk rumah tangga. Fungsinya untuk mendinginkan minuman, mengawetkan bahan makanan, menghasilkan es. Suhu untuk lemari es umumnya dipertahankan 3° -10° C.

B. Freezer

     Jenis yang satu ini tidak berbeda dengan kulkas, hanya saja kapasitas lebih besar, dan suhunya lebih rendah. Mesin ini umumnya banyak digunakan sebagai lemari pendingin di restoran dan kapal laut.

C. Air Conditioner (AC)

     Manusia selalu berusaha untuk membuat keadaan disekelilingnya menjadi lebih baik dan suasana lebih nyaman. Air Conditioner adalah salah satu yang dapat memenuhi kebutuhan itu. Dengan membuat keadaan menjadi lebih sejuk. Mesin pendingin jenis ini umumnya dipakai untuk menyejukkan hawa atau udara di dalam ruangan dan dalam kendaraan seperti kantor, rumah, mobil, kapal laut, dsb.

 

  Penjelasaan sistem kompresi uap dan sistem absorbsi

A. Siklus Kompresi Uap

     Sistem refrigerasi       kompresi         uap      merupakan      suatu   sistem menggunakan kompresor sebagai alat kompresi refrigeran, yang dalam keadaan bertekanan rendah akan menyerap kalor dari tempat yang didinginkan, kemudian masuk pada sisi penghisap (suction) dimana uap refrigeran tersebut ditekan didalam kompresor sehingga berubah menjadi uap bertekanan tinggi yang dikeluarkan pada sisi keluaran (discharge). Dari proses ini kita menentukan sisi bertekanan tinggi dan sisi bertekanan rendah.

     Siklus refrigerasi kompresi uap  merupakan suatu sistem yang memanfaatkan aliran perpindahan kalor melalui refrigeran.

Proses utama dari sistem refrigerasi kompresi uap adalah :

1.   Proses kompresi

2.   Proses kondensasi

3.   Proses ekspansi

4.   Proses evaporasi

Proses tersebut apabila berlangsung terus – menerus menghasilkan suatu siklus, seperti pada gambar berikut:

Gambar Diagram Blok Sistem Refrigerasi Uap

 

B. Siklus Absorbsi

     Siklus absorpsi memanfaatkan ikatan kimia antara dua zat. Zat yang dapat diserap (diikat) oleh zat lain akan disebut absorbate, sementara zat yang bertugas menyerap (mengikat) akan dinamakan absorbent. Karena zat yang diikat ini juga sekaligus bertindak sebagai fluida kerja yang melakukan pendinginan, maka absorbate akan bertugas sebagai refrijeran, atau biasa disebut fluida utama (primer), sementara fluida skunder adalah absorbent. Sifat absorbent-absorbate ini dapat dimanfaatkan menjadi mesin refrigerasi siklus absorbsi sederhana seperti yang ditampilkan pada Gambar 2.21 Komponen utama siklus absorbsi sederhana ini adalah evaporator, kondensor, generator, absorber, dan pompa. Prinsip kerja siklus ini dapat dibagi atas dua bagian siklus, yaitu siklus pertama merupakan siklus refrrigeran setelah terpisah dari absorbent, pada gambar ditunjukkan dengan titik 2-3-4-1. Siklus kedua adalah siklus absorbent dimana di dalamnya juga termasuk refrijeran yang terlarut atau terikat dengan absorbent,pada gambar 2.1 ditunjukkan pada titik 5-6-7-8. Prinsip kerja siklus ini akan dijelaskan berdasarkan pembagian siklus ini.

Gambar  Siklus Absorbsi Sederhana

 

Gambar  Diagram p-h Siklus Kompresi Uap dan  Siklus Absorbsi

 

     Pada siklus pertama, setelah refrijeran menguap dari evaporator di titik 1. Uap ini akan masuk ke siklus kedua dan keluar ke titik 2 pada kondisi uap kering (super heat) dan tekanan tinggi. Setelah di titik 2, uap refrijeran masuk masuk ke kondensor dan melepas panas ke lingkungan. Proses pelepasan panas ini terjadi secara isobarik, dan akhirnya refrijeran berubah menjadi cair di titik 3. Kemudian terjadi penurunan tekanan secara adiabatik. Pada saat tekanan tekanan turun temperatur juga akan turun dan sebagian cairan akan berubah menjadi uap di titik 4. Selanjutnya refrijeran akan melakukan fungsi refrigerasi di evaporator dan akhirnya menguap, kembali ke titik 1, dan siklus akan berulang.

     Sebagai catatan siklus absorbsi akan sama dengan SKU pada siklus dari titik 2-3-4-1. Perbedaannya adalah bagaimana memindahkan refrijeran dari kondisi titik 1 ke kondisi titik 2. Pada SKU tugas ini dilakukan oleh kompresor dengan menggunakan energi mekanik, sementara pada siklus absorbsi tugas ini dilakukan oleh generator dan absorber dengan menggunakan panas sebagai energi masukan utama dan sebagian kecil kerja melalui pompa. Pada siklus kedua, uap refrijeran yang selesai melakukan tugasnya dari siklus pertama akan masuk ke absorber. Uap ini akan diikat oleh larutan yang pekat (absorbent konsentrasi tinggi), di titik 5. Proses ikatan kimia ini akan melepas sejumlah panas ke lingkungan. Sebagai hasilnya akan dihasilkan larutan yang lebih encer di titik 6. Larutan ini kemudian akan dipompakan ke generator oleh pompa sehingga tekanannya akan naik.

 

   Penjelasaan siklus ideal dan actual sistem kompresi uap

A. Siklus Kompresi Uap Standar

     Siklus Kompresi Uap Standar merupakan siklus teoritis, dimana pada siklus tersebut mengasumsikan beberapa proses sebagai berikut :

a)   1–2

Merupakan proses kompresi adiabatik dan reversibel, dari uap jenuh menuju tekanan kondensor.

b)   2–3

Merupakan proses pelepasan kalor reversibel pada tekanan konstan, menyebabkan penurunan panas lanjut (desuper heating) dan pengembunan refrigerasi.

c)   3-4

Merupakan proses ekspansi unreversibel pada entalpi konstan, dari fasa cairan jenuh menuju tekanan evaporator.

d)   4-1

Merupakan proses penambahan kalor reversible pada tekanan konstan yang menyebabkan terjadinya penguapan menuju uap jenuh.

Gambar Diagram Tekanan–Entalpi Siklus Kompresi Uap

 

 

Gambar Sistem Refrigerasi Kompresi Uap

Beberapa proses yang bekerja pada siklus ini adalah :

a)   Proses Kompresi

Proses kompresi berlangsung dari titik 1 ke titik 2. Pada siklus sederhana diasumsikan refrigeran tidak mengalami perubahan kondisi selama mengalir di jalur hisap.

b)   Proses Kondensasi

Proses 2-3 terjadi pada kondensor, uap panas refrigeran dari kompresor didinginkan oleh udara luar sampai pada temperatur kondensasi dan uap tersebut dikondensasikan. Pada titik 2 merupakan titik refrigeran pada kondisi uap jenuh dengan tekanan dan temperatur kondensasi.

c)   Proses Ekspansi

Proses ekspansi berlangsung dari titik 3 ke titik 4. Pada proses tersebut terjadi suatu proses penurunan tekanan refrigeran dari tekanan kondensasi (titik 3) menjadi tekanan evaporasi (titik 4).

 

 

d)   Proses Evaporasi

Proses 4-1 adalah proses penguapan refrigerasi pada evaporator serta berlangsung pada tekanan konstan. Pada titik 1 seluruh refrigeran berada pada kondisi uap jenuh.

 

B. Siklus Kompresi Uap Aktual

     Siklus kompresi uap yang sebenarnya (aktual) berbeda dari siklus standar (teoritis). Pada siklus aktual terjadi pamanasan lanjut uap refrigeran yang meninggalkan evaporator sebelum masuk ke kondensor. Pemanasan lanjut ini terjadi akibat tipe peralatan ekspansi yang digunakan atau dapat juga karena penyerapan kalor di jalur masuk (suction line) antara evaporator dan kompresor. Begitu juga dengan refrigeran cair mengalami pendinginan lanjut atau bawah dingin sebelum masuk ke katup ekspansi atau pipa kapiler.

Gambar Daur Kompresi Uap Nyata di Banding Daur Standar

     Garis 4-1’ menunjukkan penurunan tekanan yang terjadi pada refrigeran saat melewati suction line dari evaporator ke kompresor. Garis 1-1’ menunjukkan terjadinya panas lanjut pada uap refrigeran yang ditunjukkan dengan garis yang melewati garis uap jenuh. Proses 1’-2’ adalah proses kompresi uap refrigeran di dalam kompresor. Pada siklus teoritis proses kompresi diasumsikan isentropik, yang berarti tidak ada perpindahan kalor antara refrigeran dan dinding silinder. Pada kenyataannya proses yang terjadi bukan isentropik tetapi politropik. Garis 2’-3 menunjukkan adanya penurunan tekanan yang terjadi pada pipa-pipa kondensor. Sedangkan pada garis 3-3’ menunjukkan penurunan tekanan yang terjadi di jalur cair (liquid line).

 

 

 Persamaan unjuh kerja sistem pendinginan kompresi uap

A. COP_carnot atau COP_ideal

     COP_carnot yaitu COP maksimum yang dapat dimiliki oleh suatu sistem. COP_carnot dapat diketahui dengan menggunakan persamaan:

COPcarnot = Tevaporasi / Tkondensasi - Tevaporasi

 

 

B. COP_sebenarnya atau COP_aktual

     COP_aktual yaitu COP yang sebenarnya yang dimiliki oleh suatu sistem.

COP_aktual ini dapat diketahui dengan menggunakan persamaan:

COPaktual = Energi diserap di Evaporator (Watt) / Kerja Kompresor (Watt)

 

 

ŋ  = COPaktual  / COPcarnot x 100%

Hasil dari perbandingan nilai COP_aktual dan COP_carnot menghasilkan nilai efisiensi sistem refrigerasi dengan persamaan sebagai berikut:

 

 

   Fenomena kerugian pada sistem refrigerasi uap

            Daur kompresi uap nyata mengalami pengurangan efisiensi dibandingkan dengan daur uap standar. Pada daur kompresi uap nyata proses kompresi berlangsung tidak isentropic, selam fluida berkerja melewati evaporator dan kondensor akan mengalami penurunan tekanan.

Gambar  Perbandingan Antara Siklus Kompresi Uap Standar dan Nyata