PERFORMANSI SISTEM REFRIGERASI HIBRIDA PERANGKAT PENGKONDISIAN UDARA MENGGUNAKAN REFRIGERAN HIDROKARBON SUBSITUSI R-22 Azridjal Aziz (1), Yazmendra Rosa(2) (1)
Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin Universitas Riau Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Padang
(2)
ABSTRACT This research was conducted to determine the performance of air conditioning device which is modified into a hybrid refrigeration machines, such as cooling capacity, heating capacity, power compression, coefficient of performance (COP) and the performance factor (PF). The study was conducted by comparing data and test results between hydrocarbon refrigerant HCR22 and halocarbon refrigerant R22. The results shown the use of hydrocarbon refrigerant mass HCR22 on hybrid vapor refrigeration machine more efficient 57.78% compared to the use of halocarbon refrigerant mass R22, because the refrigerant HCR22 have a higher latent heat than the refrigerant R22. On the use of hydrocarbons HCR22 to halocarbon R22, the cooling effects increase 18.07% while warming effect decrease 9.3%, because it occurs at a lower condenser pressure (27.73%). The compressor electric power consumption using refrigerant HCR22 more efficient 25.04% than using the refrigerant R22. Performance of a hybrid vapor refrigeration machine performance increase using Hydrocarbon HCR22: COP increase 57.38%, PF increase 20.7%, and TP increase 35.43%. The cooling rate and heating rate using halocarbon R22 and hydrocarbons HCR22 tend to the same condition. Keywords: Refrigerant, refrigeration, halocarbon, hydrocarbon, air conditioning 1. PENDAHULUAN Salah satu usaha dalam meningkatkan efisiensi pemakaian energi adalah dengan memanfaatkan kembali (recovery) energi yang selama ini dibiarkan terbuang pada suatu mesin konversi energi. Alasan paling umum digunakan dalam usaha memodifikasi mesin refrigerasi adalah efisiensi penggunaan energi. Mesin refrigerasi yang berfungsi sebagai mesin pengkondisian udara (Air Conditioning) umumnya digunakan untuk mengkondisikan ruangan dengan memanfaatkan efek pendinginan dari evaporator yang memberikan rasa nyaman dan sejuk untuk penghuni atau orang yang bekerja di dalam ruangan tersebut baik di perumahan, perkantoran dan industri. Mesin refrigerasi adalah salah satu jenis mesin konversi energi, dimana sejumlah energi dibutuhkan untuk menghasilkan efek pendinginan. Di sisi lain, panas dibuang oleh sistem ke lingkungan untuk memenuhi prinsip-prinsip termodinamika agar mesin dapat berfungsi[2]. Bertolak dari kasus mesin refrigerasi dan mesin pompa panas di atas, maka berbagai usaha telah dilakukan untuk mengembangkan suatu sistem yang menggunakan prinsip refrigerasi dan pompa panas dalam satu mesin. Pada mesin terpadu ini efek pendinginan dan efek pemanasan dapat dihasilkan dan dimanfaatkan secara bersamaan, sehingga daya
guna mesin menjadi lebih tinggi. Mesin terpadu dengan fungsi ganda ini dikenal dengan mesin refrigerasi hibrida, karena mesin refrigerasi paling banyak beroperasi dengan siklus kompesi uap, maka mesin ini disebut mesin refrigerasi siklus kompresi uap hibrida[1]. Untuk mengoperasikan mesin refrigerasi hibrida dibutuhkan refrigeran sebagai fluida kerja. Refrigeran yang paling banyak digunakan adalah refrigeran halokarbon (halogenated refrigerant) salah satunya adalah jenis HCFC-22 (Hydrochlorofluorocarbon) atau R-22. Namun dari hasil penelitian, refrigeran halokarbon R-22 menunjukkan sifat yang dapat merusak lapisan ozon dan berpotensi besar terhadap peningkatan efek pemanasan global, sehingga penggunaan refrigeran tersebut dicanangkan untuk dihapuskan pembuatan dan pemakaiannya[4]. Salah satu refrigeran alternatif pengganti refrigeran halokarbon R-22 adalah refrigeran hidrokarbon (hydrocarbon referigerant). Beberapa kelebihan yang dimiliki refrigeran hidrokarbon subsitusi R-22 yaitu dapat digunakan sebagai pengganti langsung (drop in substitute) tanpa penggantian komponen, ramah lingkungan (tidak merusak lapisan ozon), pemakaian refrigeran lebih sedikit, hemat energi, dan memenuhi standar internasional[5].
Jurnal Teknik Mesin
Vol.7, No.1, Juni 2010
ISSN 1829-8958
2. METODOLOGI Penelitian dilakukan di Laboratorium Perawatan dan Perbaikan, Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Riau. Mesin refrigerasi hibrida yang digunakan adalah mesin refrigerasi hasil rancangan yang terdapat di Laboratorium Perawatan dan Perbaikan[2]. Mesin ini beroperasi menggunakan refrigeran hidrokarbon pengganti R-22 (HCR-22).
Fasilitas Pengujian
Gambar 1. Diagram p-h 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 (1)” dapat membantu dalam menentukan parameter-parameter tersebut. Untuk menyatakan unjuk kerja dari suatu siklus kompresi uap, yang ditinjau dampak refrigerasi, laju pelepasan kalor, kerja kompresi, Coefficient of Performance (COP) dan Performance Factor (PF) [3,6] .
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 dingin (chiller). Komponen siklus primer terdiri dari satu unit evaporator, satu unit kondensor, satu unit kompresor, satu unit pipa kapiler dan beberapa komponen pendukung seperti pompa air listrik, dan blower. Sedangkan siklus sekunder terdapat satu unit koil pendingin, satu unit koil pemanas dan satu unit koil dummy. Skema sederhana fasilitas pengujian dapat dilihat pada ”Gambar (2)”.
Gambar 2. Skema Mesin Refrigerasi Hibrida 12
3. HASIL DAN PEMBAHASAN Massa Refrigeran R22 dan HCR22
55 menit pada temperatur 50,40C, seperti tampak pada “Gambar (5)”. Laju Pemanasan 60 T out Kondensor
Alat ukur yang digunakan yaitu alat ukur tekanan, temperatur, tegangan listrik , arus listrik pada titiktitik yang perlu diuji dan diambil datanya yaitu: termokopel, thermometer digital, pressure gauge dan avometer, timbangan untuk mengukur masa refrigeran optimum dan stopwatch untuk menghitung laju masa air.
50 40 Hcr-22
30
R-22
20 10
90
80
70
60
50
40
30
20
0
10
0
Massa refrigeran optimum
Menit
3.000 Performansi
2.500 2.000
Gambar 5. Laju pemanasan HCR22 dan R22
COP HCR-22
1.500
COP R-22
1.000
Dampak pendinginan, Dampak pemanasan dan Kerja Kompressor (Perhitungan sisi refrigeran sekunder)
0.500
94 0 10 20
86 0
78 0
70 0
62 0
54 0
46 0
36 0
28 0
0.000
Gram
Dampak Pendinginan
Gambar 3. Grafik massa refrigeran optimum dan COP optimum
2.500
Pada ”Gambar (3)” terlihat bahwa massa refrigeran optimum R22 sebesar 900 gram pada COP 2,42. Sedangkan massa refrigeran optimum HCR22 sebesar 380 gram pada COP 2,55. Dengan menggunakan refrigeran HCR 22 massa refrigeran lebih hemat 57 persen dari massa refrigeran R22.
1.500
HCR-22
1.000
R-22
Laju Pendinginan dan Laju Pemanasan
Laju Pendinginan
Tc out evaporator
30 25 20 Hcr-22 R-22
10 5
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
KW
0.500 0.000 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Menit
Gambar 6. Dampak pendinginan HCR22 dan R22
Pada kondisi transient yaitu kondisi saat mesin refrigerasi hibrida mulai dijalankan sampai mencapai kondisi stabil, dapat dilihat bahwa laju pendinginan HCR22 hampir sama dengan R22 ”Gambar (4)”. Dimana waktu yang dibutuhkan untuk pendinginan sampai kondisi stabil untuk HCR22 sekitar 50 menit pada suhu 1,40C, dan untuk R22 dibutuhkan waktu sekitar 50 menit pada suhu 1,30C.
15
2.000
Menit
Gambar 4. Laju pendinginan HCR22 dan R22
Laju pemanasan sampai kondisi stabil pada HCR22 dan R22 juga menunjukkan laju yang hampir sama, dimana laju pemanasan untuk HCR22 sekitar 55 menit pada temperatur 46,50C, dan untuk R22 sekitar
Pada ”Gambar (6)” dapat dilihat dampak pendinginan rata-rata dari HCR22 adalah 1,94 kW dan dampak pendinginan rata-rata R22 1,643 kW. Dampak pendinginan HCR22 lebih tinggi dari R22, hal ini dipengaruhi oleh kemampuan penyerapan kalor yang tinggi dari refrigeran hidrokarbon dibanding refrigeran halokarbon. Pada mesin refrigerasi hibrida yang sama HCR22 memiliki massa refrigeran yang lebih sedikit dibanding dengan R22 dengan volume pipa yang sama, karena HCR 22 memiliki kalor laten yang lebih besar dibanding dengan R22. Pada ”Gambar (7)” dapat dilihat rata-rata dampak pemanasan HCR22 adalah 2,22 kW dan dampak pemanasan rata-rata R22 2,45 kW. Dampak pemanasan HCR22 lebih rendah dari R22. Hal ini diakibatkan tekanan kondensor pada R22 yang lebih tinggi dari pada dengan HCR22 seperti yang dapat dilihat pada ”Gambar (8)”. Pada tekanan kondensor yang lebih tinggi maka temperatur refrigeran juga lebih tinggi, sehingga kalor pemanasan air akan lebik besar pada temperatur yang lebih tinggi.
Jurnal Teknik Mesin
Vol.7, No.1, Juni 2010 Dampak Pemanasan
3.000 2.500
KW
2.000 HCR-22
1.500
R-22
1.000 0.500 0.000 0
ISSN 1829-8958
Pada ”Gambar (10)” dapat dilihat bahwa COP dari refrigeran HCR22 lebih tinggi dari R22.COP HCR22 4,125 KW dan R22 2,621 KW. Kondisi ini karena HCR22 dapat menyerap kalor yang lebih besar dari Q R22. Sesuai dengan persamaan COP e sehingga Wk semakin tinggi dampak pendinginan (Qe) maka COP akan semakin besar pula.
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Menit
COP 5.000
Gambar 7. Dampak pemanasan HCR22 dan R22
4.000 Satuan
Tekanan Kondensor 400 350 Tekanan Kondensor HCR-22
200 150 100
R-22
0.000 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70
Tekanan Kondensor R-22
menit
Gambar 10. COP mesin refrigerasi hibrida dengan refrigeran HCR22 dan R22
70
60
50
40
30
20
10
50 0
0
HCR-22
2.000 1.000
300 250 Psi
3.000
Menit
Gambar 8. Tekanan kondensor HCR22 dan R22 Daya Kompressor 0.700 0.600
Pada “Gambar (11)” terlihat bahwa Performance Factor dari HCR22 lebih tinggi dari R22, meskipun dampak pemanasan (Qk) dari HCR 22 lebih rendah dari R22. Hal ini di sebabkan karena daya kompresor yang dibutuhkan pada penggunaan refrigeran HCR22 lebih kecil dari R22. Hal ini sesuai dengan persamaan
KW
0.500 0.400
Wk HCR-22
0.300
Wk R-22
PF
0.200
Qk Wk
.
0.100 0.000 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 menit
PF
Gambar 9. Daya kompressor HCR22 dan R22
Hal ini disebabkan karena jumlah massa refrigeran yang ditekan oleh kompressor dengan HCR22 lebih sedikit jumlahnya dibandingkan dengan massa refrigeran yang ditekan kompressor yang menggunakan R22. Karena kerja kompresor dengan HCR22 lebih ringan dari R22, maka daya listrik yang digunakan untuk menggerakkan kompresor akan lebih hemat dari R22. Kinerja Performansi Mesin Refrigerasi Kompresi Uap Hibrida (COP,PF,TP) (Perhitungan Sisi Refrigeran Sekunder)
5.000 4.000 Satuan
Daya kompresor dengan menggunakan refrigeran HCR22 lebih rendah dari daya kompresor yang menggunakan refrigeran R22. ”Gambar (9)”. Dimana daya kompressor rata-rata dengan HCR22 adalah 0,47 kW, sedangkan daya kompresor dengan menggunakan R22 adala 0,63 kW.
6.000
HCR-22
3.000
R-22
2.000 1.000 0.000 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 menit
Gambar 11. PF mesin refrigerasi hibrida dengan refrigeran HCR22 dan R22
”Gambar (12)” merupakan total performansi dari HCR22 dan R22. Pada gambar terlihat bahwa Total Performansi dari HCR22 lebih tinggi dari R22. Hal ini karena HCR22 memiliki COP dan PF yang lebih tinggi dari R22.
14
Performansi Sistem Refrigerasi Hibrida Perangkat Pengkondisian Udara Menggunakan Refrigeran Hidrokarbon Subsitusi R-22 (Azridjal Aziz) TP 10.000
1,94
R22
1,643
Naik 18,07
Dampak Pemanasan (kWatt)
8.000 Satuan
HCR22
6.000
HCR-22
4.000
R-22
HCR22
2,22
R22
2,45
Turun 9,3
Tekanan Kondensor (Psig)
2.000 0.000 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70
Gambar 12. TP mesin refrigerasi hibrida dengan refrigeran HCR22 dan R22
Pada ”Tabel (1)” dapat dilihat hasil rekapitulasi hasil penelitian dimana dapat disimpulkan bahwa penggunaan refrigeran hidrokarbon terhadap penggunaan refrigeran halokarbon pada mesin kompresi uap hibrida terjadi penghematan massa refrigeran HCR22 sebesar 57,78 %. Laju pendinginan dan laju pemanasan baik refrigeran hidrokarbon maupun refrigeran halokarbon memperlihatkan hasil yang relatif sama. Nilai performansi HCR22 meningkat, yaitu COP naik 57,38 %, PF naik 20,7 %, TP naik 35,43 %. Dampak pendinginan dengan menggunakan refrigeran HCR22 naik 18,07 % dan dampak pemanasannya turun 9,3 %, dimana terjadi pada tekanan kondensor yang lebih rendah 27,73 %. Daya kompresor dengan HCR22 lebih hemat 25,03 % dari pada menggunakan R22. Tabel 1 Rekapitulasi Hasil Pengujian dengan HCR22 dan R22 Nilai
Hasil %
Massa Refrigeran (gram) HCR22
380
R22
900
Hemat 57,78
HCR22
50
sama
R22
50
Laju Pendinginan (menit)
R22
363,033
Turun 27,73
HCR22
55
R22
55
Sama
Coefficient of Performance HCR22
4,125
R22
2,621
HCR22
0,47
R22
0,627
Turun 25,04
4. KESIMPULAN DAN SARAN Berdasarkan hasil kajian dapat diambil kesimpulan sebagai berikut : 1. Penggunaan massa refrigeran hidrokarbon HCR22 pada mesin kompresi uap hibrida lebih hemat 57,78 % dibanding penggunaan refrigeran halokarbon R22, karena refrigeran HCR22 mempunyai kalor laten yang lebih tinggi dibanding refrigeran R22. 2. Laju pendinginan dan Hidrokarbon HCR22 dan cenderung sama.
laju pemanasan Halokarbon R22
3. Pada penggunaan hidrokarbon HCR22 terhadap halokarbon R22, dampak pendinginan naik 18,07 % sedangkan dampak pemanasan turun 9,3 %, karena terjadi pada tekanan kondensor yang lebih rendah 27,73 %. Daya kompresor dengan refrigeran HCR22 lebih hemat 25,04 % dibanding dengan menggunakan R22. 4. Kinerja performansi mesin kompresi uap hibrida meningkat dengan menggunakan Hidrokarbon HCR22. COP naik 57,38 %, PF naik 20,7 %, TP naik 35,43 %. UCAPAN TERIMA KASIH
Laju Pemanasan (menit)
Naik 57,38
Penulis mengucapkan terima kasih kepada Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi Departemen Pendidikan Nasional melalui Lembaga Penelitian Universitas Riau yang telah mendanai penelitian ini dari Dana Penelitian Dosen Muda Tahun Anggaran 2007. (No. Kontrak 135/J16/PL/III/2007) PUSTAKA
Performance Factor HCR22
4,716
R22
3,907
Naik 20,7
HCR22
8,841
R22
6,528
Naik 35,43
1.
Amrul, Kaji Eksperimental Karakteristik Mesin Refrigerasi Hibrid Kompresi Uap Susunan Seri dan Paralel dengan Menggunakan Refrigeran Hidrokarbon HCR-12 , Tesis, Jurusan Teknik Mesin, ITB, Bandung, 2001
2.
Aziz, Azridjal, Penggunaan Hidrokarbon sebagai Refrigeran pada Mesin Refrigerasi
Total Performance
Dampak Pendinginan (kWatt)
262,33
Daya Kompresor (kWatt)
menit
Deskripsi
HCR22
15
Jurnal Teknik Mesin
Vol.7, No.1, Juni 2010
ISSN 1829-8958
Siklus Kompresi Uap Hibrida dengan Memanfaatkan Panas Buang Perangkat Pengkondisian Udara, Proceding Hasil Penelitian Lembaga Penelitian Universitas Riau, Pekanbaru, 2005. 3.
Moran, M.J., Saphiro, H.N., Fundamental of Engineering Thermodinamycs, 3rd ed, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1995.
4.
Pasek, A.D.,Tandian, N.P., Short Course on the Applications of Hydrocarbon Refrigerants, International Conference on Fluid and Thermal Energy Conversion 2000, Bandung, 2000.
5.
Pasek, A.D.,Tandian, N.P., Adriansyah W., Training of Trainer Refrigeration Servicing Sector , Training Manual, ITB, Bandung, 2004.
6.
Reynolds, William, Perkins, Henry, Engineering Thermodynamics, 2nd ed., McGrawHill Co, Singapore, 1997.
16
