BAB II DASAR TEORI. 2.1 Sistem Refrigerasi Kompresi Uap

Laporan Tugas Akhir 2012

BAB II

DASAR TEORI

2.1 Sistem Refrigerasi Kompresi Uap

Refrigerasi adalah ilmu yang memepelajari metode perpindahan panas dari suatu benda atau produk sehingga temperaturnya berada dibawah temperatur lingkungan.

Pada dasarnya sistem refrigerasi kompresi uap merupakan sistem yang menggunakan kompresor sebagai alat pengkompresi refrigeran. Refrigeran uap

bertekanan rendah masuk ke suction kompresor, dimana uap refrigeran dikompresi sehingga berubah menjadi uap bertekanan tinggi dan bertemperatur tinggi yang dikeluarkan pada sisi keluaran kompresor discharge, refrigeran uap bertekanan tinggi dan bertemperatur tinggi tersebut lalu masuk ke dalam kondensor untuk melepas panas. Sehingga pada out kondensor refrigeran berubah fasa menjadi cair yang masih bertekanan tinggi, kemudian refrigeran berfasa cair bertekanan tinggi itu masuk atau melewati alat ekspansi, di alat ini refrigeran akan berubah fasa menjadi cair jenuh dan tekanannya akan menjadi turun, setelah itu refrigeran yang berfasa cair jenuh dan bertekanan rendah tersebut akan masuk ke evaporator,di evaporator refrigeran menyerap panas sehingga fasanya berubah menjadi uap bertekanan rendah. Dari siklus ini kita dapat mengetahui sisi bertekanan rendah dan sisi bertekanan tinggi. Proses yang terjadi dari sistem refrigerasi kompresi uap adalah:  Proses Kompresi  Proses Kondensasi  Proses Ekspansi  Proses Evaporasi

5


Kondensor Kondenser

Liquid Line Liquid Line

Discharge Line Discharge Line

Qk

Sisi Tekanan Tinggi Sisi Tekanan Rendah

Alat Ekspansi

Kompresor

Evaporator

Suction Line Suction Line

Gambar 2.1 Siklus refrigerasi kompresi uap sederhana

Siklus refrigerasi diatas apabila digambar dalam diagram p-h : Pressure (bar absolute)

Qe

Expansion Line

Pc

Pe

3

4 h3 = h4

2

1

h1 h2 Enthalpy (kJ/kg)

Gambar 2.2 Diagram p-h siklus refrigerasi kompresi uap sederhana

Proses yang terjadi diatas adalah sebagai berikut: 1-2 Proses Kompresi Refrigeran masuk kompresor dalam keadaan uap jenuh dengan temperatur rendah dan tekanan rendah. Refrigeran yang masuk kompresor ditekan sehingga tekanannya naik dari tekanan suction menjadi tekanan discharge. Uap refrigeran yang keluar dari kompresor dalam keadaan temperatur tinggi dan tekanan tinggi.

6


Kerja yang dilakukan kompresor adalah :



Qw = m (h2 – h1)

Dengan : Qw 

= Kerja Kompresi (kW)

m

= Laju aliran massa refrigeran (kg/s)

h1

= entalphi refrigeran masuk kompresor ( kJ/kg)

h2

= entalphi refrigeran keluar kompresor ( kJ/kg)

Atau Dalam bentuk kerja Spesifik : qw = h2 – h1 Sedangkan rasio kompresi dapat dihitung dengan persamaan :

Rasio kompresi : r =

Pd Ps

Dengan : Pd = Tekanan discharge (bar) Ps = Tekanan suction (bar) 2-3 Proses Kondensasi Refrigeran masuk kondenser dalam keadaan uap jenuh superheat. Di kondenser refrigeran melepaskan kalor kelingkungan sehingga terjadi penurunan temperatur sampai batas uap jenuh, setelah itu refrigeran berubah fasa dari uap menjadi cair jenuh. Proses ini terjadi dalam keadaan tekanan konstan (Isobar) dan besar kalor yang dilepaskan di kondenser atau heat rejection adalah: 

Qk = m (h2 – h3) Dengan : Qk = Besarnya kalor yang dilepaskan di kondenser (kW) 

m = Laju aliran massa refrigeran (kg/s)

h2 = Entalphi refrigeran masuk kondenser ( kJ/kg) h3 = Entalphi refrigeran keluar kondenser ( kJ/kg) Atau Kalor dilepas spesifik adalah: qk = h2 - h3 7


3-4 Proses Ekspansi

Pada proses ini refrigeran mengalami penurunan tekanan. Dengan terjadinya tekanan maka temperatur refrigeran akan turun. Dalam hal ini refrigeran tidak penurunan mengalami penambahan atau pengurangan energi sehingga prosesnya dalam kondisi

entalphi konstan (isentalphy) yaitu h3 = h4.

Dengan : h3 = Entalphi refrigeran masuk ekspansi ( kJ/kg)

h4 = Entalphi refrigeran keluar ekspansi ( kJ/kg)

Umumnya refrigeran yang masuk dalam keadaan cair jenuh dan setelah

diekspansi refrigeran dalam keadaan campuran sesuai dengan kondisi beban pendinginan. 4-1 Proses Evaporasi Proses ini terjadi pada tekanan konstan (isobar). Refrigeran yang keluar dari alat ekspansi masuk ke evaporator lalu menyerap kalor dari bahan atau media yang akan didinginkan. Kalor yang diserap tersebut digunakan refrigeran untuk berubah fasa dari campuran menjadi uap jenuh. Refrigeran yang keluar dari evaporator dalam bentuk uap jenuh dan besar kalor yang diserap evaporator disebut beban pendinginan atau kapasitas pendinginan. Kalor yang diserap evaporator dapat dihitung dengan persamaan : 

Qe = m (h1 – h4) Dengan : Qe = Beban Pendinginan (kW) 

m = Laju aliran massa refrigeran (kg/s)

h4 = Entalphi refrigeran masuk evaporator ( kJ/kg) h1 = Entalphi refrigeran keluar evaporator ( kJ/kg) Sedangkan penarikan kalor spesifik disebut efek refrigerasi, dinyatakan sebagai berikut : qe = h1 – h4. Berdasarkan besaran-besaran diatas maka akan didapat prestasi siklus kompresi uap standar atau yang biasa disebut dengan COP (Coefficient of Perfoemance) sistem. 8


COP didapat dari perbandingan antara efek refrigerasi dengan kerja yang dilakukan

kompresor.

Untuk menghitung besarnya COP dapat digunakan persamaan sebagai berikut: a. COPactual adalah perbandingan efek refrigerasi terhadap kerja kompresi.

COP =

qe Efek Refrigerasi = qw Kerja Kompresi

b. COPcarnot atau COPideal adalah perbandingan temperatur evaporasi

dibandingkan dengan selisih temperatur kondensasi dan evaporasi.

COP =

Tevap Tkond - Tevap

c. Efisiensi refrigerasi adalah perbandingan antara COPactual dan COPcarnot. efisiensi 

2.2

COPactual COPcarnot

Metoda Pump Down Metode Pump down adalah suatu cara untuk menyelamatkan komponen-

komponen sistem refrigerasi, sangat sederhana tetapi mempunyai manfaat yang sangat besar yaitu dengan mengumpulkan refrigeran di liquid receiver pada saat mesin berhenti, sehingga mencegah refrigeran cair kembali ke crankcase kompresor, selain itu juga agar pada saat mesin bekerja kembali tidak perlu memerlukan tenaga yang besar pada saat pertama bekerja. 2.2.1 Kelebihan Pump down Dalam sistem refigerasi tentu kita tidak hanya melihat bagus atau tidaknya sistem pada saat mesin bekerja saja, tetapi harus dilihat pula pada saat berhenti, apakah sistem aman dari kemungkinan-kemungkinan dari yang tidak diinginkan. Seperti Pump down yang mempunyai kelebihan pada saat mesin sedang berhenti, dengan mengontrol refrigeran sehingga semua refrigeran terjebak di liquid. Keuntungan metode Pump down dibandingkan dengan metode biasa pada sistem refrigerasi:

9






Mencegah liquid back / rattling noise pada kompresor Mengontrol refrigeran pada saat mesin sedang berhenti bekerja Tidak perlu membutuhkan tenaga yang besar pada saat mesin kembali bekerja



2.3 Ozon Depletion

Lapisan ozon adalah lapisan pelindung bumi dari radiasi UV-B ini semakin

menipis. Hal ini disebabkan karena adanya zat-zat pencemar udara yang merusak lapisan

ozon. Zat-zat perusak ozon tersebut dikenal dengan nama Bahan Perusak Ozon (BPO),

contohnya yaitu : 1) Chlorofluorocarbon (CFC) dan Hydrochlorofluorocarbons (HCFC). CFC yang berlebihan dikonsumsi oleh masyarakat modern dunia sejak berpuluh-puluh tahun yang lalu. CFC dapat melepaskan atom Chlorine dan dapat merusak lapisan ozon. CFC digunakan oleh masyarakat di dunia dengan cara yang tidak terkira banyaknya, misalnya dengan penggunaan Refrigeran pada alat AC, lemari es, dan alat pendingin lainnya merupakan salah satu bentuk yang turut andil dalam penipisan lapisan ozon, karena alat ini menggunakan CFC-11, CFC-12, CFC 114 dan HCFC-22 dalam proses kerjanya. Catatan : Penentuan Rumus Kimia suatu CFC (Menggunakan Aturan 90) Contoh

:

CFC-11 (Nama Dagang : Refrigeran-11 atau R-11) CFC-11 : 11 + 90 = 101 101 merupakan 3 digit angka, dimana :

·

Digit Pertama menunjukkan jumlah atom Karbon (a)

·

Digit Kedua menunjukkan jumlah atom Hidrogen (b)

·

Digit Ketiga menunjukkan jumlah atom Fluorin (c)

·

Menghitung jumlah atom klorin dengan Rumus (2.a + 2) - b –c Sehingga CFC-11 dengan jumlah atom karbon adalah 1, jumlah atom hidrogen

adalah nol, jumlah atom fluorin adalah 1, dan jumlah atom klorin (2.1 + 2 - 0 - 1 =3). Jadi rumus kimia CFC-11 adalah CFCl3. Artinya, ia memiliki 1 atom karbon, tidak memiliki hidrogen, 1 atom fluorin, dan 3 atom klorin. 10


2) Penggunaan CFC-11, CFC-12 dan CFC-114 secara luas juga digunakan pada

produk dengan alat kerja penyemprot atau disebut aerosol spray seperti kaleng semprot

untuk pengharum ruangan, penyemprot rambut (hair spray), minyak wangi/parfum, insektisida, pembersih kaca (jendela), pembersih oven, produk-produk farmasi, cat, minyak pelumas dan oli.

3) Penggunaan CFC-113 sebagai cairan pembersih (cleaning solvent) pada

proses pembuatan peralatan elektronik, penghilangan lemak (degreasing) logam selama proses fabrikasi.

Selain

itu

CFC-113

digunakan

untuk dry-cleaning dan spot-

cleaning pada industri tekstil.

4) Haloncarbon yang digunakan dalam zat cair pemadam kebakaran (aerosol fire

extinguiser) seperti Methyl Bromide, Carbon Tetrachloride, dan Methyl Chloroform. 5) Penggunaan methyl chloroform dan carbon tetrachloride sebagai bahan pelarut (solvent). 2.4

Mekanisme Penipisan Lapisan Ozon Pada lapisan Stratosfer radiasi matahari memecah molekul gas yang mengandung

khlorin atau bromin yang dihasilkan oleh zat/bahan perusak ozon seperti CFC dan Haloncarbon yang akan menghasilkan radikal khlor dan brom. Radikal-radikal khlorin dan bromin kemudian melalui reaksi berantai memecahkan ikatan gas-gas lain di atmosfer, termasuk ozon. Molekul-molekul ozon terpecah menjadi oksigen dan radikal oksigen. Dengan terjadinya reaksi ini akan mengurangi konsentrasi ozon di stratosfer. Semakin banyak senyawa yang mengandung khlor dan brom perusakan lapisan ozon semakin parah. Dalam waktu kira-kira 5 tahun, CFC bergerak naik dengan perlahan ke dalam stratosfer (10 – 50 km). Molekul CFC terurai setelah bercampur dengan sinar UV dan membebaskan atom Chlorine. Bahan kimia ini menipiskan lapisan ozon dengan bertindak sebagai katalis dalam suatu reaksi kimia yang merubah ozon (O 3) menjadi oksigen (O2). Reaksi ini dipercepat dengan adanya kristal-kristal es di stratosfer yang merupakan salah satu dari sumber bagi kerugian besar ozon di Antartika. Karena CFC bertindak sebagai katalis, maka mereka tidak dikonsumsi dalam reaksi yang merubah ozon menjadi

11


oksigen, tetapi tetap ada di stratosfer dan terus menerus merusak ozon selama bertahuntahun.

Menurut hasil penelitian, satu atom Cl dapat menguraikan sampai 100.000 senyawa ozon dan bertahan sampai 40-150 tahun di atmosfer. Padahal stratosfer hanya bisa menyerap sejumlah atom klorin, sehingga pada akhirnya meskipun penggunaan CFC

ditekan, jumlah yang ada dalam atmosfer masih cukup besar dan perlu waktu yang sangat

lama untuk diserap. 2.4.1

Reaksi Penipisan Ozon Stratosfer karena CFC

Fotodisosiasi CFC :

CFCl3 + UV ==> CFCl2 + Cl

Reaksi dengan O3 : O3 + Cl

==> ClO + O2

ClO + O

==> Cl + O2

Hasil : O3 + O 2.4.2

==> 2O2

Reaksi Perusakan Ozon oleh Bromine Senyawa Bromine dipecah oleh sinar UV sehingga melepaskan Bromin, dan

meng-katalisa perusakan Ozon : O3 + Br ==> BrO + O2 BrO + O ==> Br + O2 Hasil : O3 + O ==> 2O2 2.5

Dampak Penipisan Lapisan Ozon Apabila lapisan ozon semakin tipis, praktis akan mengakibatkan beberapa hal

sebagai berikut : 1) Lapisan ozon akan membentuk lubang sehingga makin banyaknya sinar UV yang mencapai bumi, karena untuk tiap 10 persen penipisan lapisan ozon akan terjadi kenaikkan radiasi UV sebesar 20 persen. Hal ini sangat berbahaya terhadap kelangsungan makhluk hidup di bumi. Sinar ultraviolet dalam jumlah banyak dapat menyebabkan : a. Kanker kulit pada manusia 12


b. Penyakit katarak pada mata manusia

c. Rusaknya sistem imunisasi tubuh

d. Perusakan genetik atau sel-sel hidup pada manusia dan hewan e. Kehidupan laut, ekosistem, dan hutan pun akan terganggu bila volume sinar melebihi batas normal ultra ungu

f. Menurunkan produktifitas pertanian.

g. Dengan banyaknya radiasi gelombang pendek UV-B maka akan memicu reaksi kimiawi di atmosfer bawah, yang dapat mengakibatkan penambahan jumlah reaksi

fotokimia yang menghasilkan asap beracun, terjadinya hujan asam dan berakibat naiknya

gangguan saluran pernapasan pada manusia.

2) Gunung-gunung es di kutub utara akan mencair yang mengakibatkan naiknya permukaan air laut dunia. Sehingga lambat laun daratan di bumi pun akan tenggelam 3) Kerusakan lapisan ozon juga memiliki pengaruh langsung pada pemanasan bumi yang sering disebut sebagai Ozon Depletion. Sebagian besar ozon stratosfer dihasilkan di kawasan tropis dan diangkut ke ketinggian yang tinggi dengan skala besar putaran atmosfer semasa musim salju hingga musim semi. Umumnya kawasan tropis memiliki ozon yang rendah.

2.6 Penanggulangan Lapisan Ozon Menggunakan Refrigerant Hydrocarbon R-290 Kekhawatiran pengrusakan lapisan ozon akibat Refrigeran CFC yang turut andil dalam proses lapisan ozon, sehingga radiasi sinar ultra violet tidak tersaring. Oleh karena itu penggunaan Refrigeran hidrokarbon sangat cocok untuk menanggulangi penipisan ozon dan penghemat energi karena unsur dari hidrokarbon tidak mengandung unsur kimia Cl (cloure) dan hidrokarbon pun mempunyai tekanan kerja yang lebih rendah dari Refrigeran sintetis. Berikut

perbandingan refrigeran sintetis dan Hidrokarbon

mengandung unsur unsur yang memiliki parameter index yang mempengaruhi lingkungan seperti di tunjukan pada Tabel 2.1.

13


Tabel 2.1 Parameter Lingkungan Refrigeran

No Parameter

1

R-

R-

12

22

134

Ozon Depletion 1,0

0,06 0

HC 0

Potential (ODP)

2

R-

Global

1500 510

420

3

16

<1

Warming

Potential

(GWP) 3

Atsmosfer

Life 130

15

Time (ALT) Pilihan para ahli pada refrigeran hidrokarbon bukanlah hal baru. Hidrokarbon sebagai refrigeran telah dikenal sejak tahun 1920-an, bahkan Albert Einstein (1926) menyebutkan bahwa hidrokarbon adalah refrigerant terbaik dalam sistem refrigerasi. Sintetis Refrigeran, seperti : 

Chloro Fluoro Carbon, dikenal dengan CFC



Hydro Chloro Fluoro Carbon, dikenal dengan HCFC



Hydro Fluoro Carbon, dikenal dengan HFC

Di indonesia sering disebut dengan nama refrigeran. Refrigeran sudah diaplikasikan di Indonesia selama lebih dari 70 tahun, yang ternyata kemudian ditemukan bahwa dari ketiga jenis gas ini mempunyai kelemahan, baik secara teknik, lingkungan dan ekonomi, dan yang paling penting dari semua itu, refrigeran sintetis sangat membahayakan mahluk hidup baik dalam jangka panjang maupun jangka pendek. Pemerintah Indonesia telah melarang dan membatasi penggunaan ketiga jenis refrigeran ini, yang, yang secara praktek dimulai dari tahun 2007. Akibat adanya peraturan baru ini, maka harus ada alternatif pengganti refrigeran yang ramah lingkungan, maka dibuatlah refrigeran alami yang ramah lingkungan, yaitu Hydrocarbon Refrigeran. Hydrocarbon Refrigerant dibuat untuk menggantikan refrigeran-refrigeran lain yang sangat merusak lingkungan.

14


Berikut refrigeran yang aman untuk lingkungan :  

HC-12 diproduksi sebagai pengganti refrigeran CFC R-12 yang dapat merusak lapisan ozon dan dapat mengakibatkan pemanasan global. HC-134a

diproduksi

sebagai

pengganti

refrigeran HFC

R-134a yang

dapat

mengakibatkan pemanasan global. 



HC-290 diproduksi sebagai pengganti refrigeran HCFC R-22 yang

dapat merusak

lapisan ozon. HC-600 diproduksi sebagai pengganti refrigeran CFC R-600 yang dapat merusak lapisan ozon.

15

BAB II DASAR TEORI. 2.1 Sistem Refrigerasi Kompresi Uap

Recommend Documents