PERFORMANSI MESIN REFRIGERASI KOMPRESI UAP TERHADAP MASSA REFRIGERAN OPTIMUM MENGGUNAKAN REFRIGERAN HIDROKARBON Azridjal Aziz (1) (1)
Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin Universitas Riau ABSTRAK
Jumlah massa refrigeran sangat berpengaruh terhadap performansi mesin refrigerasi kompresi uap. Untuk suatu mesin refrigerasi baru atau yang telah dimodifikasi, agar dapat memberikan performansi terbaiknya, perlu ditentukan massa optimumnya. Refrigeran hidrokarbon digunakan pada penelitian ini sebagai refrigeran alternatif pengganti refrigeran halokarbon, karena lebih ramah terhadap lingkungan, efek pemanasan global sangat kecil dan efek perusakkan ozon nol, dan mendukung program penghapusan penggunaan refrigeran halokarbon sesuai dengan Protokol Montreal 1987. Hasil penelitian menunjukkan bahwa performansi optimum mesin refrigerasi kompresi uap yang dibuat pada penelitian ini dicapai pada massa optimum sebesar 1250 sampai 1290 gram, pada daya kompresor 1174 kW, dengan daya pendinginan 3,143 kW dan pemanasan 4,025 kW, COP 2,678 dan PF 3,506. ABSTRACT The quantity of refrigerant mass very influence to performance of refrigeration machine vapor compression. A new refrigeration machine or modified, can give a better performance at certain optimum mass. Hydrocarbon refrigerant used in this research as alternative refrigerant for substitute halogenated refrigerant, because it environmental friendly, global warming potential lower and zero ozone depleting potential, and supporting for phase out halogenated refrigerant from Montreal Protocol 1987. This research shows that optimum performance achieved at optimum mass 1250 to 1290 grams, at compressor work 1,174 kW, with cooling capacity 3,143 kW and heating capacity 4,025 kW, COP 2,678 and PF 3,506. Keywords: performance, optimum, refrigerant. 1. PENDAHULUAN Refrigerasi adalah suatu proses penyerapan panas dari suatu zat atau produk sehingga temperaturnya berada di bawah temperatur lingkungan. Mesin refrigerasi atau disebut juga mesin pendingin adalah mesin yang dapat menimbulkan efek refrigerasi tersebut, sedangkan refrigeran adalah zat yang digunakan sebagai fluida kerja dalam proses penyerapan panas. Secara umum bidang refrigerasi mencakup kisaran temperatur sampai 123 K. Sedangkan proses-proses dan aplikasi teknik yang beroperasi pada kisaran temperatur di bawah 123 K disebut kriogenika (cryogenics). Pembedaan ini disebabkan karena adanya fenomena-fenomena khas yang terjadi pada temperatur di bawah 123 K dimana pada kisaran temperatur ini gas-gas seperti nitrogen, oksigen, hidrogen dan helium dapat mencair [1].
Siklus Kompresi Uap Sebuah siklus kompresi uap ideal [4,7] memiliki empat komponen utama yaitu kompresor, kondensor,
katup ekspansi dan evaporator, seperti digambarkan pada “Gambar (1)“. Qk 2
3 Kondensor Katup ekspansi
Wkom Kompresor
Evaporator
1 4
Qe
Gambar 1. Siklus Kompresi Uap Ideal
Performansi mesin refrigerasi kompresi uap ditentukan oleh beberapa parameter, di antaranya adalah kapasitas pendinginan, kapasitas pemanasan, daya kompresi, koefisien performansi dan performansi faktor. Diagram tekanan-entalpi (mollier diagram) pada “Gambar (2)” dapat membantu dalam menentukan parameter-parameter tersebut.
Jurnal Teknik Mesin
Vol.2, No1, Juni 2005
2.
3.
4. Gambar 2. Diagram Fasa p-h Kompresi Uap Ideal.
Siklus Kompresi Uap Nyata Siklus kompresi uap ideal tidak mungkin diwujudkan dalam praktek sehari-hari, untuk itu digunakan siklus kompresi uap nyata. Siklus kompresi uap nyata mengalami penyimpangan dari siklus kompresi uap standar, sebagaimana ditunjukkan pada “Gambar (3)“. Siklus standar ditunjukkan oleh garis putusputus yang melewati titik 1’, 2’, 3’ dan 4’, sedangkan siklus nyata ditunjukkan oleh garis tebal yang melewati titik 1, 2, 3 dan 4.
5.
ISSN 1829-8958
Kerja Kompresi adalah kerja yang diterima oleh refrigeran untuk tiap satuan massa refrigeran W wk k h2 h1 m (2) Coefisien of Performance (COP) adalah perbandingan dampak refrigerasi dengan kerja kompressor q (h h ) Cop e 1 4 wk (h2 h1 ) (3) Dampak pelepasan adalah jumlah kalor yang dilepaskan refrigeran tiap satuan massa refrigerant Q qk k h2 h3 m (4) Faktor Prestasi adalah perbandingan jumlah kalor yang dilepaskan kondensor dengan kerja kompressor q (h h ) PF k 2 3 wk (h2 h1 ) (5)
Refrigeran Sub dingin
p
3
2'
3'
4' 4
1'
2
siklus standar
1
siklus nyata
panas lanjut
h Gambar 3. Diagram p-h Siklus Kompresi Uap Standar dan Nyata.
Meskipun terjadi penyimpangan antara siklus standar dan siklus nyata, namun dalam prakteknya, proses standar tetap digunakan untuk mempermudah perhitungan dan analisis pada siklus nyata. Untuk menyatakan unjuk kerja dari suatu siklus kompresi uap [4,7] yang ditinjau dampak refrigerasi, laju pelepasan kalor, kerja kompresi, Coefficient of Performance (COP) dan Performance Factor (PF), yang dapat dijelaskan sebagai berikut “gambar (2)“ : 1.
Dampak Refrigerasi adalah besarnya panas yang dapat diserap oleh refrigeran persatuan massa. Besarnya dihitung dengan selisih entalpi refrigeran masuk dan keluar kondensor Q qe E h1 h4 m (1)
Refrigeran adalah fluida kerja yang digunakan untuk mentransfer panas di dalam siklus refrigerasi. Pada sistem kompresi uap, refrigeran menyerap kalor dari suatu ruang melalui proses evaporasi dan membuang kalor ke ruang lain melalui proses kondensasi. Sifatsifat yang dipertimbangkan dalam memilih refrigeran, adalah: sifat kimia, sifat fisik dan sifat termodinamik. Berdasarkan sifat-sifat kimianya refrigeran yang baik : tidak beracun, tidak bereaksi dengan komponen refrigerasi, dan tidak mudah terbakar, serta tidak berpotensi menimbulkan pemanasan global (non-GWP(Global Warming Potential)) dan tidak merusak lapisan ozon (nonODP (Ozone Depleting Potential)). Refrigeran hidrokarbon merupakan salah satu refrigeran alternatif pengganti refrigeran halokarbon (CFC). Refrigeran hidrokarbon tidak berpotensi merusak ozon karena ODP = 0 dan GWP yang kecil. Refrigeran hidrokarbon juga tidak mengalami reaksi kimia dengan oli pelumas yang digunakan untuk refrigeran halokarbon [5]. Refrigeran hidrokarbon adalah refrigeran yang ramah lingkungan, hal ini diperlukan agar kelestarian lingkungan terjaga, karena lapisan ozon di stratosfir berfungsi melindungi bumi dari radiasi sinar ultra violet intensitas tinggi yang berbahaya (antara lain dapat menimbulkan kanker kulit, katarak mata, menurunkan immunitas tubuh, dapat membunuh phytoplankton yang merupakan bagian dari rantai kehidupan laut) [6]. 30
Performansi Mesin Refrigerasi Kompresi Uap Terhadap Massa Refrigeran Optimum Menggunakan Refrigeran Hidrokarbon (Azridjal Aziz)
Jumlah massa refrigeran sangat berpengaruh terhadap performansi mesin refrigerasi kompresi uap. Untuk suatu mesin refrigerasi baru atau yang telah dimodifikasi, agar dapat memberikan performansi terbaiknya, perlu ditentukan massa optimumnya. Penentuan massa optimum ditentukan dengan menimbang jumlah refrigeran yang dimasukkan ke dalam sistem (berdasarkan berat).
Katup Ekspansi
Qcd
Qp
Wk
Qc
Gambar 4. Fasilitas Pengujian Mesin Refrigerasi
Prosedur Pengujian Prosedur yang dilakukan pada pengujian ini meliputi tahapan berikut ini: 1. Pengurasan instalasi dengan melakukan proses pemvakuman. 2. Pemeriksaan kebocoran instalasi dengan melakukan pemvakuman. 3. Pengisian Refrigeran. Pengisian refrigeran dilakukan dalam fasa cair melalui saluran isap kompresor. Pengisian dilakukan dalam fasa cair karena hidrokarbon merupakan campuran zeotropik. Pengisian refrigeran dilakukan sedikit demi sedikit sampai dicapai massa refrigeran optimum, dan terus ditambahkan untuk melihat apakah performansinya naik atau turun. Massa optimum refrigeran adalah jumlah massa refrigeran tertentu ke dalam sistem yang memberikan performansi terbaiknya.
2. METODOLOGI
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Fasilitas Pengujian
Perubahan Daya Kompresor Penambahan Massa Refrigeran
Fasilitas pengujian terdiri dari satu unit mesin refrigerasi, seperangkat alat ukur dan beberapa peralatan pendukung. Mesin refrigerasi beroperasi pada dua siklus yaitu siklus primer dan siklus sekunder. Siklus primer merupakan siklus refrigeran sedangkan siklus sekunder merupakan siklus air (chiller). Komponen siklus primer terdiri dari dua unit evaporator, dua unit kondensor, satu buah kompresor, satu buah alat ekspansi dan beberapa komponen pendukung seperti pompa air listrik, blower. Sedangkan pada siklus sekunder terdapat satu unit kabin pendingin, satu unit kabin pengering, sebuah koil pendingin dan pemanas serta satu buah katup solenoid. Skema sederhana fasilitas pengujian dapat dilihat pada “gambar (4)“ [3].
R pengering utama
Qkd
R dingin utama
1. Berdasarkan berat Mengisi berdasarkan dengan jumlah bahan pendingin sesuai dengan name plate dari sistem refrigerasi yang ada. 2. Berdasarkan suhu dan tekanan Jika tidak diketahui jumlah berat bahan pendingin yang harus diisikan, maka dapat diisi dengan membandingkan suhu dan tekanan dari sistem tersebut, biasanya batas-batas suhu dan tekanan sudah diketahui sebelumnya sesuai dengan jenis refrigerannya. 3. Berdasarkan frost line Pengisian dilakukan pada suhu kamar, evaporator harus ditutup atau diberi penghalang agar tidak mendapat aliran udara dari blower atau roda blowernya dilepas saat pengisian, tetapi fan blade dari kondensor jangan dilepas. Saat pengisian nantinya akan timbul bunga es (frost) mulai dari evaporator inlet, pengisian terus dilakukan sedikit-sedikit sampai kondensor panasnya merata dan evaporator seluruhnya tertutup bunga es, pengisian dihentikan jika evaporator seluruhnya telah tertutup bunga es sampai suction line.
Kond dummy
Untuk menentukan massa refrigeran yang memberikan performansi optimum ada tiga cara yaitu:
Evapo dummy
Massa Refrigeran
terhadap
Pada penambahan massa refrigeran dengan selang penambahan massa setiap 40 gram, terlihat bahwa daya kompresor naik sebanding dengan kenaikan massa refrigeran. Kenaikan daya kompresor cenderung stabil tanpa perubahan yang berarti setelah massa refrigeran mencapai 930 gram, daya kompresor tertinggi dicapai pada massa refrigeran 1250 gram dengan daya kompresor 1,174 kW. (“Gambar (5)“). Penambahan massa refrigeran dihentikan sampai massa 1410 gram, karena kenaikan daya kompresor cenderung tetap tanpa perubahan berarti, sehingga daya kompresor maksimal dianggap telah tercapai.
31
Jurnal Teknik Mesin
Vol.2, No1, Juni 2005
ISSN 1829-8958
Daya Kom pressor
Grafik Daya Kom pressor - Masa Refrigeran 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0 0.9 0.8 450
610
770 930 1090 1250 Masa Refrigeran (gr)
1410
Gambar 5. Perubahan Daya Kompresor terhadap Penambahan Massa Refrigeran
Gambar 7. Perubahan Daya Kondensor terhadap Kenaikan Massa Refrigeran
Perubahan Daya Pendinginan pada Evaporator terhadap Penambahan Massa Refrigeran
Perubahan PF terhadap Penambahan Massa Refrigeran
Daya pendinginan (Daya Evaporator)pada evaporator baik evaporator dummy maupun evaporator utama naik seiring dengan kenaikan massa refrigerant. Kenaikan terjadi karena makin banyak massa refrigeran yang terlibat dalam menyerap panas dari lingkungan. Daya pendinginan total pada evaporator berbentuk parabola, dimana daya pendinginan optimum dicapai pada massa refrigeran 1250 gram. Ini berarti dengan penambahan refrigeran selanjutnya daya pendinginan cenderung turun, karena daya pendinginan sebagian akan diserap sendiri oleh refrigeran, sehingga tidak seluruhnya menyerap kalor dari lingkungan.(“Gambar (6)”)
Penambahan massa refrigeran setelah mencapai massa 1250 gram tidak begitu berpengaruh terhadap kenaikan PF (Performance Factor), kenaikan yang terjadi relatif sangat kecil, sehingga penambahan massa refrigeran selanjutnya cenderung memiliki harga PF yang relatif tetap, dimana harga PF optimum dicapai pada massa refrigeran1290 gram.
Gambar 8. Perubahan PF terhadap Kenaikan Massa Refrigeran
Perubahan COP terhadap Penambahan Massa Refrigeran
Gambar 6. Perubahan Daya Evaporator terhadap Kenaikan Massa Refrigeran
Perubahan Daya Pemanasan pada Kondensor terhadap Penambahan Massa Refrigeran Daya pemanasan (daya kondensor) pada kondensor naik pada penambahan massa refrigerant, dan membentuk grafik setengah parabola. Penambahan massa refrigeran setelah melampaui massa refrigeran 1250 gram terhadap kenaikan daya pemanasan cenderung tetap, tanpa perubahan berarti, sehingga penambahan massa cenderung tidak mempengaruhi daya pemanasan (“Gambar (7)“). Daya pemanasan optimum 4,025 dicapai pada massa refrigeran 1290 gram .
Penambahan massa refrigeran mengakibatkan kenaikan harga COP, hal ini disebabkan penambahan massa refrigeran berarti terjadi penambahan laju perpindahan panas ke lingkungan. Kondisi optimum, dimana harga COP tertinggi dicapai pada massa refrigeran optimum 1250 gram, dan setelah itu penambahan massa refrigeran selanjutnya cenderung mengakibatkan turunnya COP, karena sebagian kalor cenderung diserap oleh refrigeran. Dari “Gambar (9)” terlihat bahwa massa optimum mesin refrigerasi ini adalah 1250 gram dengan COP 2,678. Massa optimum ini merupakan puncak grafik dari gambar di atas, dimana penambahan massa refrigeran selanjutnya terjadi penurunan COP.
32
Performansi Mesin Refrigerasi Kompresi Uap Terhadap Massa Refrigeran Optimum Menggunakan Refrigeran Hidrokarbon (Azridjal Aziz)
5. Daya pemanasan optimum kondensor sebesar 4,025 kW dicapai pada massa optimum refrigeran 1290 gram. 6. PF (Performance Factor) optimum sebesar 3,506 dicapai pada massa refrigerant 1290 gram. 7. Massa optimum sistem mesin refrigerasi ini berkisar 1250 sampai 1290 gram, dengan performansi yang relatif sama.
Gambar 9. Perubahan COP terhadap Penambahan Massa Refrigeran
Massa Refrigeran Optimum Dari uraian di atas dapat dianalisis bahwa kenaikan daya kompresor, daya pendinginan di evaporator, coefficient of performance (COP) dengan penambahan massa refrigeran, mencapai kondisi optimumnya pada 1250 gram. Sedangkan daya pemanasan di kondensor, performance factor (PF) mencapai kondisi optimumnya pada 1290 gram. Dimana pada kondisi ini, mesin refrigerasi pada pengujian ini memberikan daya kompresor, daya pendinginan di evaporator, dan coefficient of performance (COP) pada 1250 gram massa refrigeran serta daya pemanasan di kondensor, performance factor (PF) optimum pada 1290 massa refrigerant. Jadi massa refrigeran optimum yang memberikan performansi terbaik dari mesin refrigerasi ini dicapai pada massa refrigeran 1250 – 1290 gram. Karena kondisi optimum lebih banyak dicapai pada massa refrigeran 1250 gram, dan agar kerja kompresor tidak terlalu berat, maka massa optimum mesin refrigerasi yang digunakan pada penelitian ini ditetapkan sebesar 1250 gram. 4. KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan yang dapat diambil dari dari penelitian ini adalah : 1. Prosedur penentuan massa optimum dapat digunakan, dan secara umum dapat pula digunakan untuk menentukan massa optimum refrigeran pada mesin refrigerasi dengan siklus kompresi uap lainnya. 2. COP (Coefficient of Performance) optimum untuk mesin refrigerasi ini adalah 2,678 dengan massa optimum 1250 gram. 3. Pada massa refrigeran 1250 gram, kompresor optimum adalah 1,174 kW.
daaya
Penentuan massa optimum refrigeran untuk mesin pendingin untuk penelitian selanjutnya sebaiknya dilakukan menggunakan alat ukur dengan data akuisisi, sehingga hasil penelitian lebih akurat Untuk menjaga kondisi kompresor tetap berjalan dengan baik, saat pengisian refrigeran hidrokarbon yang dilakukan dari sisi cair, usahakan agar selang pemasukan lebih panjang, sehingga refrigeran yang masuk dapat dipastikan berupa uap. PUSTAKA 1.
Arora, C. P, Refrigeration and Air Conditioning, Mc. Graw-Hill International Edition, 2001.
2.
Aziz, Azridjal, Kaji Eksperimental Pengaruh Perubahan Suhu pada Siklus Sekunder dan Siklus Primer terhadap Performansi Mesin Refrigerasi Hibrid dengan Refrigeran Hidrokarbon HCR12, Padang, Jurnal Saintek UNP, 2004.
3.
Aziz, Azridjal, Pembuatan dan Pengujian Mesin Refrigerasi Kompresi Uap Hibrida dengan Refrigeran HCR-12 yang Sekaligus Bertindak Sebagai Mesin Refrigerasi pada Lemari Pendingin (Cold Storage) dan Pompa Kalor pada Lemari Pengering (Drying Room), Tesis, Jurusan Teknik Mesin, ITB, Bandung, 2001.
4.
Moran, M.J., Saphiro, H.N., Fundamental of Engineering Thermodinamycs, 3rd ed, New York, John Wiley & Sons, Inc., 1995.
5.
Pasek, A.D.,Tandian, N.P., 2000, Short Course on the Applications of Hydrocarbon Refrigerants, International Conference on Fluid and Thermal Energy Conversion 2000, Bandung.
6.
Pasek, A.D.,Tandian, N.P., Adriansyah W., 2004 Training of Trainer Refrigeration Servicing Sector, Training Manual, ITB, Bandung.
7.
Reynolds, William., Perkins, Henry., Engineering Thermodynamics, 2nd ed., Singapore, McGraw-Hill Co, 1977.
4. Daya pendinginan optimum sebesar 3,143 kW dicapai pada massa refrigerant 1250 gram.
33
