CAMPURAN KARBONDIOKSIDA DAN PROPANE SEBAGAI REFRIGERAN TEMPERATUR RENDAH RAMAH LINGKUNGAN PADA SISTEM REFRIGERASI CASCADE

ISSN 1978 - 2365 Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan, Vol. 9 No. 1 Juni 2010 : 61 – 68

CAMPURAN KARBONDIOKSIDA DAN PROPANE SEBAGAI REFRIGERAN TEMPERATUR RENDAH RAMAH LINGKUNGAN PADA SISTEM REFRIGERASI CASCADE Darwin Rio Budi Syaka, Nasruddin dan Lasman Saputra Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik, Universitas Indonesia Kampus Baru UI Depok 16424 E-mail: [email protected]

ABSTRAK Dalam pengobatan dan penelitian biomedis diperlukan cold storage yang dapat mencapai temperatur sangat rendah dan untuk mencapai temperatur rendah tersebut digunakan sistem refrigerasi cascade. Selama ini sirkuit temperatur rendah menggunakan sistem refrigerasi cascade dan menggunakan refrigeran yang mengandung zat perusak ozon atau penyebab pemanasan global. Karena itu, diperlukan alternatif refrigeran alamiah, yang salah satunya adalah karbondioksida. Namun, tingginya tekanan dan temperatur triple (-56,6 oC) menghalangi penggunaan karbondioksida untuk temperatur rendah. Salah satu solusinya adalah dengan mencampur karbondioksida dengan propane. Pengujian ini dilakukan dengan memvariasikan komposisi massa karbondioksida dari 0% s/d 100%. Data yang diperoleh dari pengujian berupa temperatur evaporasi, temperatur kondenser, temperatur kondenser penukar kalor cascade, tekanan hisap (suction) dan keluar (discharge) kompresor serta daya sehingga dapat menentukan performa sistem refrigerasi yang diukur dalam COP (coefficient of Performance). Hasil pengujian diketahui bahwa peningkatan komposisi karbondioksida akan meningkatkan daya pemakaian listrik sedangkan temperature evaporasi terendah terjadi pada temperatur -72,5oC dengan komposisi massa karbondioksida : propane sebesar 60%:40%. Kata kunci : cascade, COP, triple, karbondioksida, propane ABSTRACT Biomedical research and treatment needed cold storage that can achieve ultra-low temperature used cascade refrigeration system. During this low-temperature circuit in the cascade refrigeration system, used refrigerant that damage the ozone layer or global warming potential. Thus, there is a preference for an alternative refrigerant that is natural, and one of them is carbon dioxide. However, it has some disadvantages such as high pressure and high triple-point temperature (-56.6 ° C), which prevents it for used at lower. One way to overcome this deficiency is to mix carbon dioxide with propane. The experiment is performed by varying the mass composition of carbon dioxide from 0% to 100%. Data obtained from experiment such as evaporating temperature, condensing temperature, condensing temperature of the cascade heat exchanger, suction and discharge pressure and power, so it can determine the performance of refrigeration system, which is measured in COP (coefficient of performance). Experiment result shows that the increase of carbon dioxide will increase electricity consumption while the lowest evaporating temperatures of -72.5° C with a mass composition of carbon dioxide: propane at 60%: 40%. Key word: cascade, COP, Triple, Carbon dioxide, Propane

Naskah diterima : 31 Mei 2010, revisi kesatu: 7 Juni 2010, revisi kedua: 20 Juni 2010

61

ISSN 1978 - 2365

Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan, 62 Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan, Vol. 9 No. 1 Juni 2010 : 61 – 68 Vol. 9 No. 1 Juni 2010 : 61 – 68

dan sangat rendah berpotensi pada pemanasan

PENDAHULUAN Kegiatan

pengobatan

dan

penelitian

global[4].

Namun

tingginya

tekanan

dan

biomedis membutuhkan cold storage untuk

temperatur triple menghalangi penggunaan

menyimpan spesimen biomedis seperti sel

karbondioksida bila digunakan untuk sirkuit

induk (stem cells), sperma, darah dan organ-

temperatur rendah[5]. Solusi untuk mengatasi

organ lainnya. Untuk mencegah specimen

kekurangan ini adalah dengan mencampurkan

biomedis dari kerusakan disyaratkan ruang

karbondioksida dengan refrigeran alamiah yang

-70oC[1].

lain yaitu hidrokarbon. Indonesia sebagai salah

Penggunaan sistem refrigerasi siklus tunggal

satu negara penghasil gas alam terbesar

hanya mampu mencapai pendinginan efektif

didunia, memiliki cadangan hirokarbon yang

sekitar -40oC, dan efisiensinya memburuk di

luar

pendingin

dibawah

temperatur

biasa

besar.

Sebagai

refrigeran,

tekanan

hidrokarbon memiliki sifat thermofisik yang

evaporasi. Sehingga, untuk dapat menjangkau

baik, tidak beracun dan ramah lingkungan[6].

temperatur yang lebih rendah, digunakan

Propane merupakan salah satu hidrokarbon

sistem refrigerasi cascade[2].

yang umum digunakan sebagai refrigeran,

bawah

-35oC

karena

turunnya

Sistem refrigerasi cascade minimal terdiri

namun selama ini penggunaannya banyak

dari dua sistem refrigerasi yang bekerja secara

dihambat karena propane dikenal sebagai bahan

mandiri.

dapat terbakar. Oleh karena itu, diharapkan

Dua

sistem

refrigerasi

ini

dihubungkan penukar kalor cascade di mana

apabila

kalor yang dilepaskan kondenser di sirkuit

karbondioksida maka akan dapat mengurangi

temperatur

flammability-nya sekaligus memperbaiki sifat

rendah

(low

temperature

circuit/LTC) diserap evaporator dari sirkuit temperatur

tinggi

(high

temperature

propane

dicampur

dengan

thermofisik karbondioksida. Studi mengenai refrigeran campuran

circuit/HTC)[3]. Selama ini di sirkuit temperatur

karbondioksida

rendah digunakan refrigeran CFC seperti R13

temperatur

atau R503 yang dalam waktu dekat (tahun

melakukan dan diantaranya dilakukan oleh Niu

2010) dilarang karena merusak lapisan ozon.

(2006) yang melakukan eksperimental terhadap

Sementara itu, refrigeran alternatif HFC seperti

campuran biner karbondioksida dan propan[7].

R23 walaupun tidak mengandung zat perusak

Namun penelitian yang dilakukan hanya pada

ozon, tetapi menyebabkan pemanasan global.

satu komposisi tertentu saja, sehingga pengaruh

Sehingga, dicari refrigeran alternatif yang

perubahan

diarahkan pada refrigeran alamiah dan salah

energi (performa) sistem refirgerasi cascade

satunya adalah karbondioksida [4].

masih belum diketahui.

Karbondioksida

memiliki

dan

rendah

hidrokarbon masih

komposisi

sedikit

terhadap

untuk yang

kebutuhan

keungulan

karena tidak beracun, tidak dapat terbakar (nonflamable), mudah didapat, tidak merusak ozone

Tujuan Penelitian


ini

bertujuan

untuk

ISSN 1978 - 2365 Campuran Karbondioksida dan Propane Sebagai 63 Ketenagalistrikan Dan Energi Temperatur Terbarukan,Rendah Ramah Lingkungan Pada Sistem Refrigerasi Cascade Refrigeran Vol. 9 No. 1 Juni 2010 : 61 – 68

pengembangan

prototype

cold

storage

temperatur rendah untuk aplikasi di bidang 7

biomedis dengan mencari komposisi optimal campuran karbondioksida dan propane yaitu

Sirkuit temperatur tinggi

Kondenser

discharge line

liquid line

komposisi yang memiliki temperatur evaporasi

suction line

Tk

Expansion device

yang cukup rendah, COP (coefficient of

5

Performance) tinggi dan aman yakni memiliki

Kompresor temperatur tinggi

Tcas,E

flammability yang rendah dan tidak beracun

6

8 Penukar kalor cascade

untuk dipergunakan dalam sirkuit temperatur rendah pada sistem refrigerasi cascade.

3

Tcas,K Expansion device

METODOLOGI

discharge line

2

suction line

1

TE

Tempat dan Waktu Penelitian

4

Kompresor temperatur rendah

Penelitian dilaksanakan di Laboratorium

Evaporator Sirkuit temperatur

Teknik Pendingin dan Tata Udara Departemen

rendah

Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas (a)

Indonesia, serta dilakukan sejak bulan Juli 2009 hingga bulan Januari 2010. Sampling dan Analisa Sample

P

7

Alat uji yang akan digunakan untuk melakukan pengujian terdiri dari dua sirkuit sirkuit

temperatur

rendah.

Pada

8

(R290).

temperatur

rendah

Sementara akan

diisi

itu,

4

lima

variasi

22 5

d

1

T

(b)

sirkuit

h

campuran

karbondioksida (R744) dan propane (R290), dengan

Tca

sirkuit

temperatur tinggi akan diisi dengan refrigeran propane

Tc

3

refrigerasi, yaitu sirkuit temperatur tinggi dan

6

T

komposisi

Gambar 1. Sistem

refrigerasi

cascade

(a)

Skema sederhana, (b)Diagram P-h

massa

karbondioksida:propane yakni 100:0, 70:30,

Refrigeran pada sirkuit temperatur tinggi

66:34, 60:40 dan 0:100 dengan menggunakan

dikompresi dengan menggunakan kompresor

timbangan refrigerant digital .

hermetic

Tecumseh/

AJB5515EXD

untuk

refrigeran R22 dengan daya sebesar 1 HP, sedangkan sirkuit temperatur tinggi dikompresi dengan menggunakan kompresor hermetic Tecumseh/ AJA7494ZXD untuk refrigeran


ISSN 1978 - 2365


m& h h2 - h3 = m& l h5 - h8

R404A dengan daya sebesar 1 HP. Gambar 1 memperlihatkan skema alat uji yang digunakan. Katup

ekspansi

yang

dapat

diatur

(Variable expansion valve) jenis Sporlan/ASHS-B20.133 2X3 ODF digunakan baik pada sirkuit temperatur tinggi maupun rendah. Temperatur sirkuit refrigeran diukur dengan thermokopel tipe k pada lokasi tertentu, dimana 4 buah pressure transmitter merk Druck PTX 1400 digunakan untuk mengukur tekanan saluran masuk (suction) maupun sisi keluar (discharge)

tiap

kompresor.

Daya

listrik

kompresor diukur menggunakan powermeter

(4)

Daya yang dibutuhkan untuk sirkuit temperatur tinggi :

W& h = m& h (h6 - h5 )

(6)

dan, kalor yang dibuang ke lingkungan oleh kondenser yaitu :

Q& K = m& h ( h6 - h7 )

(7)

Sehingga performa sistem refrigerasi cascade diukur dengan menggunakan COP (Coefficient of Performance) :

COP =

Yokogawa W1010. Semua Masukan data ini

Q& E W& h + W&l

(8)

dicatat dalam melalui data Acquisition National

COP dapat dinyatakan dalam entalpy dengan

Instrumen 9211 & 9203 tiap interval 2 detik

mensubtitusikan persamaan (1),(2),(4) dan (6)

hingga sistem steady state (tunak).

ke dalam persamaan (8) maka, diperoleh :

Semua property thermophysik refrigeran

COP =

diperoleh dari perangkat lunak (software)

( h5 - h8 )(h1 - h4 ) (9) ( h6 - h5 )( h2 - h3 ) + ( h5 - h8 )( h2 - h1 )

REFPROP 8[8], dan berdasarkan beberapa titik keadaan pada gambar 1, dilakukan analisa thermodinamika

dengan

HASIL DAN PEMBAHASAN Pada sirkuit temperature rendah sistem

menggunakan

persamaan sebagai berikut :

refrigerasi cascade antara –40oC s/d –70oC,

Kapasitas evaporasi sistem refrigerasi cascade

dipilih

refrigeran

tekanan

tinggi

dengan

[3]

densitas uap yang tinggi . Tetapi hanya sedikit

didefinisikan sebagai :

Q& E = m& l (h1 - h4 )

(1)

Daya yang dibutuhkan kompresor untuk sirkuit temperatur rendah yaitu :

pilihan yang memenuhi syarat itu. Selama ini R13 atau R23 merupakan refrigeran yang umum dipakai. Namun, refrigeran ini dalam waktu dekat tidak dapat dipergunakan lagi.

W&l = m& l ( h2 - h1 )

(2)

Sehingga, refrigeran alternatif harus segera

Laju perpindahan kalor yang terjadi di penukar

ditemukan untuk menggantikannya. Beberapa

kalor cascade dapat dinyatakan sebagai :

perbandingan

Q& cas = m& h (h5 - h8 ) = m& l (h2 - h3 ) (3)

Gambar 2

Sehingga dari persamaan diatas, rasio laju aliran

massa

refrigeran

dapat

ditentukan

sebagai :


refrigeran

ditunjukkan

pada


Gambar 2. Diagram P-T perbandingan properti thermodinamik refrigeran sirkuit temperatur rendah.

Gambar 3. Diagram temperature evaporasi pada beberapa variasi komposisi karbondioksida:propane

Agar dapat menggantikan R13 atau R23, maka

property thermodinamik,

khususnya

tekanan pada temperatur evaporasi

tidaklah

Hasil pengujian temperatur evaporasi pada

beberapa

komposisi

karbondioksida:propane

campuran

ditunjukkan

pada

terlampu jauh perbedaannya. Pada gambar 2

gambar 3. Pada gambar 3 dapat dilihat bahwa

terlihat

alamiah

temperatur evaporasi semakin menurun dengan

memiliki tekanan evaporasi

menurunnya komposisi karbondioksida pada

bahwa

karbondioksida

[4]

refrigeran

yang tinggi dan dihalangi oleh temperatur triple

campuran,

sehingga hanya mampu mencapai temperatur

terendah -72.5oC dicapai pada komposisi 60:40.

o

dimana

temperature

evaporasi

evaporasi -56.6 C. apabila CO2 dipaksa berada

Namun,

dibawah tekanan dan temperatur triple maka,

temperature evaporasi naik mencapai -42oC.

dry ice karbondioksida akan terbentuk dan hal

Hal ini dikarenakan tekanan evaporasi dibatasi

ini

tentu

sangat

[5]

tidak

diinginkan .

Penggunaan refrigeran propane

[9]

dibawah

o

temperatur -42 C akan menyebabkan tekanan evaporasi

dibawah

atmosfir,

komposisi

100%

propane

paling rendah sama dengan tekanan atmosfir (100 kPa) dimana propane memang memiliki boiling point sekitar -42,5oC.

hal

Gambar 4 memperlihatkan daya yang

menimbulkan kakawatiran masuknya udara ke

dibutuhkan oleh kompresor pada beberapa

dalam sistem refrigerasi.

variasi komposisi. Dari komposisi yang ada

Penggunaan

tekanan

saat

campuran

diketahui bahwa penggunaan daya paling besar

karbondioksida:propane yakni 70:30, 66:34,

saat mempergunakan karbondioksida, hal ini

dan 60:40 dalam fraksi massa dibandingkan

karena

dengan

temperatur

evaporasi yang paling tinggi. Karena itu,

tekanan

semakin kecl komposisi karbondioksida dalam

evaporasi tidak lebih dari 150 kPa dimana hal

campuran, maka daya yang dibutuhkan juga

ini masih dalam batas toleransi tekanan

semakin

evaporasi kompresor.

karbondioksida:propane yang menggunakan

evaporasi

R13

atau

memiliki

refrigeran

R23

pada

perbedaan

karbondioksida

kecil.

memiliki

Refrigeran

tekanan

campuran

daya terkecil terjadi pada komposisi 60:40 Naskah diterima : 31 Mei 2010, revisi kesatu: 7 Juni 2010, revisi kedua: 20 Juni 2010

ISSN 1978 - 2365


sementara itu, ini juga merupakan komposisi

komposisi terbaik didapat pada campuran

dimana temperature evaporasi yang dihasilkan

karbondioksida:propane pada komposisi 60:40

mencapai minimum.

dimana COP campuran yang paling tinggi mencapai 0,405 dan temperatur evaporasi yang paling rendah. Studi mengenai refrigeran campuran biner karbondioksida dan hidrokarbon sebagai refrigeran alternatif R13 untuk temperatur rendah pada sistem refrigerasi cascade juga sudah mulai dilakukan. Salah satunya yakni dilakukan oleh Baolian Niu dan Yufeng Zhang

Gambar 4. Diagram daya pada beberapa variasi komposisi karbondioksida:propane

(2006) yang mengusulkan suatu campuran

Nilai COP yang dihasilkan dari beberapa

dalam fraksi mole/70:30 dalam fraksi massa)

komposisi dapat dilihat pada diagram batang

sebagai refrigeran alternatif alami pengganti

dibawah ini. Penentuan nilai COP pada gambar

R13. Studi eksperimental untuk R13 dan

5 didapatkan dari persamaan (9). Dari diagram

campuran ini dilakukan sistem refrigerasi

diatas juga terlihat bahwa semakin banyak

cascade hanya dengan modifikasi pipa kapiler

karbondioksida

maka

pada bagian yang bertemperatur rendah. Hasil

efisiensinya menurun karena tekanan kerja

dari studi ini cukup menjanjikan dimana

yang

didapatkan

tinggi

dalam dari

campuran,

karbondioksida,

yang

biner karbondioksida dengan propane (79:21

bahwa

COP

dan

kapasitas

menyebabkan daya yang dibutuhkan menjadi

pendinginan dari campuran biner ini lebih

lebih besar.

tinggi dibanding yang menggunakan refrigeran R13 dimana temperatur evaporasi terendah pada –72oC [7]. Hasil eksperimen beberapa campuran karbondioksida dan propane pada penelitian ini memperoleh hasil evaporasi yang tidak jauh berbeda dari Niu el.all[7] yaitu disekitar temperatur –72oC, namun pada komposisi yang

Gambar 5 Diagram COP pada beberapa variasi komposisi karbondioksida:propane Berdasarkan gambar 5 diketahui bahwa walaupun propane memiliki COP yang paling tinggi

yakni

1,17,

namun

temperatur

evaporasinya hanya -42oC. Oleh karena itu,

berbeda yaitu pada 60:40 dalam fraksi massa. Hal ini terjadi berkaitan dengan fakta bahwa campuran karbondioksida dan propane ini tidak dengan sempurna tercampur (Zeotropis). Sehingga

menghasilkan glide temperature

yakni perbedaan temperatur antara permulaan



dan akhir dari proses perubahan fase[10], hal ini

Saran

menyebabkan masalah penurunan kemampuan

Dalam upaya meningkatkan performa

penukaran panas yaitu pada kondenser dan

sistem refrigerasi cascade perlu dicari suatu

evaporator.

refrigeran

campuran

karbondioksida

dan

meningkatkan

hidrokarbon yang memiliki glide temperatur

performa sistem refrigerasi cascade perlu dicari

seminimal mungkin dan masih cukup aman

suatu refrigeran campuran karbondioksida dan

untuk dipergunakan (flammability-nya rendah).

Karena

itu,

untuk

hidrokarbon yang memiliki glide temperatur seminimal mungkin dan masih cukup aman untuk dipergunakan (flammability-nya rendah).

DAFTAR ACUAN [1] Tianing. Ni Wayan, Sumitro, Sulistyowati dan

KESIMPULAN DAN SARAN Berdasarkan

Gambaran

Histopatologi Dan Amplifikasi Gen Atpase 6, 8 Serta Cox Iii Pada mtDNA Dari

campuran karbondioksida dan ethane sebagai

Jaringan Kanker Payudara, Biosain, Vol.

refrigeran temperatur rendah pada sistem

2, No. 2, Agustus;

cascade

dan

2002,

pembahasan

refrigerasi

hasil

Muliartha,

maka

dapat

ditarik

kesimpulan antara lain :

Yu, 2007, Refrigerant mixtures used in the

(1) Semakin banyak karbondioksida dalam campuran,

maka

[2] `Wu. Jianfeng, Gong. Maoqiong, Zhang.

efisiensi

lower temperature stage of two-stage

sistem

cascade refrigeration systems, USPTO

refrigerasi cascade akan turun, hal ini

Applicaton #: 20070007487 - Class:

dikarenakan tekanan kerja yang tinggi dari

252067000 (USPTO);

karbondioksida menyebabkan daya yang dibutuhkan menjadi lebih besar.

System and Applications (SI), American

(2) Campuran karbondioksida:propane pada komposisi 60 : 40 memiliki performa yang baik bila dibandingkan dengan campuran lain karena

pada

[3] ASHRAE Handbook, 2006, Refrigeration Society of Heating, Refrigerating, and AirConditioning Engineer, Atlanta, Georgia; [4] Lee. Tzong. Shing, Liu. Cheng-Hao, Chen.

komposisi tersebut

Tung-Wei, 2006, Thermodynamic Analysis

memiliki temperatur evaporasi paling

Of Optimal Condensing Temperature Of

rendah dan nilai COP yang tinggi.

Cascade-Condenser In CO2/NH3 Cascade

(3) Berkaitan dengan fakta bahwa campuran karbondioksida dan propane merupakan campuran Zeotropis yang memiliki glide

Refrigeration Systems, International Jurnal Of Refrigeration, 29 (2006):1100-1108; [5] Campbell,

A,

Missenden,

J.F,.

and

temperature, hal ini menyebabkan masalah

Maidment, G.G, 2007, carbon Dioxide for

penurunan

supermarkets, the institute of refrigeration,

kemampuan

penukaran panas.

pada

alat

U.K, Session 2006-2007. [6] Cox.N, 2007, Working towards more



environmentally

friendly

Refrigerant

Blends, 12th European Conference, Milano, Italy, Juni 8 – 9; [7] Niu,

Boulian,

Zhang,

Yufeng,

2007,

Experimental Study of the Refrigeration Cycle

Performance

Mixtures,

for

International

R744/R290 Jurnal

Of

Refrigeration, 30(2007):37-42; [8] NIST Standard Reference Database 23, 1998,NIST Thermodynamics and Transport Properties of Refrigerans and Refrigeran Mixtures, REFPROP, Version 8.0; [9] Bhattacharyya, Souvik, S. Mukhopadhyay, A. Kumar, R.K. Kurana, dan J. Sarkar, 2005, Optimization Of CO2-C3H8 Cascade System for Refrigeration and Heating, International Jurnal Of

Refrigeration,

28:1284-1292; [10]Kim. Ju Hyok, Cho. Jin Min, Kim. Min Soo, 2008, Cooling performance of several CO2/propane mixtures and glide matching with

secondary

heat

transfer

fluid,

International Jurnal Of Refrigeration, 31 (2008):800-806;


ISSN 1978 - 2365

CAMPURAN KARBONDIOKSIDA DAN PROPANE SEBAGAI REFRIGERAN TEMPERATUR RENDAH RAMAH LINGKUNGAN PADA SISTEM REFRIGERASI CASCADE

Recommend Documents