ISSN 0852 - 2979
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahlln 2006
STUDI TEKNIK PENDINGIN UNTUK INSTALASI DEKONTAMINASI ELEKTROLITIK BERMEDIA TOR Ag2+ Ratiko Pusat Teknologi Limbah Radioaktif, BATAN
ABSTRAK STUD! TEKNIK PENDINGIN UNTUK INSTALASI DEKONT AMI NASI ELEKTROLITIK BERMEDIATOR Ag2+. Oalam Penelitian ini dikaji beberapa konsep sistem pending in yang diperlukan Instalasi Oekontaminasi Elektrolitik bermediator Ag2+. Sistem pendingin diperlukan Instalasi Oekontaminasi Elektrolitik bermediator Ag2+ karena temperatur anolyte mempengaruhi efisiensi kerja instalasi. Pada suhu tertentu akan dicapai efisiensi kerja instalasi yang optimal. Oari perkembangan teknologi pendingin terkini, sistem Refrigerasi Absorpsi dan sistem Kompresi Uap merupakan sistem refrigerasi yang lebih menguntungkan untuk Instalasi Oekontaminasi Elektrolitik. ABSTRACT STUDY OF COOLING SYSTEM FOR THE ELECTROLYTIC DECONTAMINATION PLANT WITH Ag2+ MEDIATOR. Some cooling concepts for the electrolytic decontamination plant with Ag2+ mediator have been investigated. Cooling system is needed, due to the fact that temperature of the anolyte solution creates a change of the plant efficiency. The optimally efficiency will be reached in the certain temperature. In the actual refrigeration technology, absorption refrigeration and compression refrigeration system are favorable for the electrolytic decontamination plant with Ag2+mediator. PENDAHULUAN Industri nuklir yang memproses bahan uranium, plutonium, americium beserta turunanya menghasilkan limbah terkontaminasi alfa yang membahayakan manusia serta makhluk
hidup
lainnya.
Salah
satu cara
pengelolaan
limbah
radioaktif
terkontaminasi alfa adalah dengan mendekontaminasi limbah tersebut dengan teknik dekontaminasi elektrolitik hingga mencapai batas yang diperbolehkan untuk dibuang ke lingkungan atau didaur ulang. Teknik Oekontaminasi Elektrolitik yang telah diaplikasikan untuk pengelolaan limbah
radioaktif
ada
dua
metode,
yaitu:
metode
elektroplising
dan
metode
elektrodisposisi. Oalam metode elektropolising limbah radioaktif dioksidasi secara langsung. Limbah langsung diberlakukan sebagai salah satu elktroda. Metode ini efektif hanya untuk limbah metal. Oalam metode elektrodisposisi
limbah radioaktif dioksidasi secara tidak
langsung, yaitu dengan menggunakan mediator seperti Cesium, Cobalt dan Perak yang dapat dielektroregenerasi menjadi Ce4+, Co3+, Ag2+sebagai katalisator. Metode ini
196
ISSN 0852 - 2979
Hasi/ Penelitian dan Kegiatan PTLR Talwn 2006
efektif untuk mendekontaminasi Karena memiliki dibanding
potensal
limbah metal dan juga non metal.
oksidasi
paling tinggi, Ag2+ memiliki
hasil yang lebih efektif
mediator Cesium dan Cobalt. Metode dekontaminasi
mempunyai
beberapa
elektrolitik
keuntungan
dengan elektoregenerasi
sebagai
dan mediator Ag2+
berikut: peralatannya
diinstal didalam glove box, pengopersaiannya
kompak
dan dapat
mudah, kondisi operasi pad a temperatur
dan tekanan udara rendah, material radioaktif berada dalam kondisi cair. Untuk
mendapatkan
dekontaminasi temperatur
elktrolitik
operasi
mendapatkan pendingin
efisiensi
dengan
tertentu.
dekontaminasi
elektoregenerasi
yang
dan mediator
Untuk itu diperlukan
Sistem
optimal,
Ag2+ memerlukan
pengatur
temperatur
efisiensi yang optimal. Dalam penelitian ini dikaji beberapa
untuk
mendapatkan
instalasi
dekontaminasi
gambaran
dan
elektrolitik
landasan
pemilihan
dengan beberapa
teknik
untuk
konsep teknik
mediator
Ag2+ untuk
parameter
yang
bisa
diaplikasikan.
KARAKTERISTIK BERMEOIATOR
REAKSI
potensial
dan pada elektrode
disinggung
dekontaminasi
elektrolitik
nitrat,
Pad a oksidasi
Ag2+ akan
perpindahan
didasarkan
pada perpindahan
listrik. Pada elektrode
diatas,
teknik
bermediator elektrokimia
dibangkitkan
elektron yang dikendalikan
positif (anode) terjadi reaksi oksidasi
elektrokimia
Ag2+ adalah
yang
metode
dipakai oksidasi
di
instalasi
secara
tidak
dengan media perak dan pengembannya
oleh
reaksi
elekrolisis
di
anode
asam
melalui
reaksi
elektron sebagai berikut:
Ag+
~
Ag2+ + e- (anode)
(1 )
2H+ + N03- + e-
~
N02 + H20 (katode)
(2)
NOx + 2H20 (katode)
(3)
4W + N03- + 3e- ~ Pad a dekontaminasi radioaktif
ELEKTROLITIK
negatif (katode) terjadi reaksi reduksi.
Sebagaimana
langsung.
OEKONTAMINASI
Ag2+
Teknik elektrokimia oleh perbedaan
01 INSTALASI
yang
akan
elektrokimia,
Ag2+ di dalam anolyte akan mengoksidasi
didekontaminasi.
Misalnya,
menjadi Pu2+ ion yang larut. PU022+ 2 e-(anode) PU02+ 2 Ag2+ ++Ag+ 2ePuO/+ ~Aq+ ~ 2 Ag+
PU02 akan
(5) (4) (6) (7)
197
dioksidasi
limbah
oleh
Ag2+
ISSN 0852 - 2979
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahlln 2006
Oari contoh
reaksi
terbentuknya
Ag2+ akan semakin besar hasil dekontaminasi
Selain
diatas
bergantung
kecepatan
pada
bisa dikatakan,
faktor
besar
bahwa
arus
dengan
listrik
didapatkan
bahwa,
k= didapatkan
4 Ag2+ + 2 H20 Oari penelitian
dengan
pada anode
Ag2+ justru
akan
akan
Padahal dari persamaan:
bertambah
reaksi pembentukan
dengan
bertambahnya
Ag2+ terjadi pula reaksi
kembali Ag+:
~
4 Ag+ + O2 + 4 H+
didapatkan
Ag2+ dengan
dengan pengaruhnya temperatur
pembangkitan
reaksi akan semakin
Namun bersamaan
antara
alat,
(8)
antara Ag2+ dengan air membentuk
reaksi
desain
Ae-EaJRT
bahwa kecepatan
temperatur.
kwantitas
pada temperatur.
kecepatan
semakin bertambah dengan turunnya temperatur.
2 elektrode,
larutan yang terdapat
dan katode, kecepatan terjadinya Ag2+juga bergantung Oari hasil penelitian
besar
limbah radioaktif.
dari
kontak Ag2+ ke elektrode dan konsentrasi
semakin
bahwa
pengaruh
air (membentuk
terhadap
kenaikan
kenaikan
kembali
reaksi pembentukan
didapatkan
(9) temperatur
terhadap
Ag+) lebih
kuat dibandingkan
Ag2+. Sehingga
dengan penurunan
kecepatan
reaksi
pembentukan
Ag2+, yang
berarti akan semakin besar kwantitas limbah yang bisa didekontaminasi. Oi sisi lain kenaikan temperatur itu dalam
prakteknya
dekontaminasi
perlu dipilih temperatur
yang maksimal.
tentunya diperlukan
akan meningkatkan
faktor dekontaminasi,
optimal,
oleh karena
yang menghasilkan
Untuk keperluan pemilihan temperatur
efisiensi
optimal tersebut
sistem pengatur suhu (Teknik Pending in).
SISTEM PENDINGIN
UNTUK INSTALASI
DEKONTAMINASI
ELEKTROLITIK
BERMEDIA TOR Ag2+ Beberapa diaplikasikan
kemungkinan
Konsep
Pendingin/Refrigerasi
yang saat ini banyak
atau potensial untuk diaplikasikan:
Sistem Refrigerasi Konvensional Saat ini mesin refrigerasi jenis siklus kompresi penggunaan, pemanas/pompa
yakni
(Kompresi Uap) yang paling banyak digunakan
uap. Mesiri refrigerasi bisa
berfungsi
siklus kompresi
sebagai
mesin
kalor (heat pump) dengan mengubah
refrigerasi jenis ini juga berukuran
cukup kompak,
di dunia adalah dari
uap memiliki
pendingin
fleksibilitas
(AC)
arah aliran refrigerannya.
sehingga
tidak memerlukan
ataupun Mesin ruang
yang besar. Mesin
refrigerasi
kompresi
uap terdiri
atas em pat komponen
kompresor, kondensor, katup ekspansi, dan evaporator. Kondensor
198
utama, yakni dan evaporator
ISSN 0852 - 2979
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahlln 2006
sesungguhnya
merupakan
mempertukarkan (bisa
berupa
penukar
kalor diantara air ataupun
kalor
(heat
exchanger)
yang
berfungsi
dua fluida, yakni antara refrigerant dengan fluida luar
udara).
Skema
mesin
refrigerasi
ini dapat
dilihat
pada
Gambar 1 di bawah ini.
We
Katup ekspansi
Gambar
refrigerasi
Kompresor
1 Skema mesin refrigerasi siklus kompresi uap
Sedangkan diagram tekanan-entalpi yang menjelaskan siklus kompresi uap bisa dilihat pada Gambar 2.
proses
pada mesin
Tekanan
Entalpi
Gambar 2 Diagram Tekanan-Entalpi Pad a proses tekanan (TK)
ini diikuti dengan
2, uap refrigerant
refrigerant Pendinginan luar
memasuki ini terjadi
(misalnya
kondensor dingin.
1-2, kompresor
udara
kenaikan
menaikkan
tekanan
uap refrigerant. Kenaikan
uap refrigerant. Pada tingkat keadaan
temperatur
berada pada kondisi uap super-panas. kondensor
dan
akibat pertukaran lingkungan
mendapatkan
Pada proses
pendinginan
dari
2-3, uap
kondensor.
panas antara uap refrigerant dengan
ataupun
air pendingin).
Refrigerant keluar
fluida dari
pada TK 3 dalam kondisi cair jenuh, atau bisa juga pada kondisi cair sub-
Refrigerant kemudian
prinsipnya
pad a proses refrigerasi siklus kompresi uap
berupa penyempitan
memasuki
katup
ekspansi.
daerah aliran yang berakibat
199
Katup
ekspansi
pad a penurunan
ini pada tekanan
ISSN 0852 - 2979
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2006
fluida secara drastis. Idealnya, refrigerant melalui katup ekspansi (proses iso-entalpi (isentalpl).
3-4) secara
Pada TK 4, refrigerant berada dalam kondisi campuran cair dan
uap. Karena refrigerant
berada pada tekanan jenuhnya (tekanan penguapan). maka
dia akan mengalami
penguapan;
hukum alam menyatakan
bahwa penguapan
membutuhkan energi, terjadilah penyerapan energi termal dari luar evaporator yang menyebabkan
efek
Sistem Refrigerasi
pendinginan
oleh
mesin
refrigerasi.
Absorpsi
Untuk menggantikan fungsi kompresor (yang memerlukan energi terbesar dalam kompenen sistem kompresi uap)
seperti yang digunakan di dalam siklus
kompresi uap, digunakan tiga komponen di dalam siklus absorpsi; yakni absorber, pompa, dan generator.
Sehingga
bila dibandingkan
dengan
sistem
refrigerasi
konvensional, energi mekanik yang diperlukan oleh refrigerasi absorpsi sangat keci!. Diagram refrigerasi absorpsi efek tunggal dapat dilihat pada Gambar 3 berikut ini:
Qc
rethgera n
Gambar 3 Diagram siklus refrigerasi absorpsi efek tunggal Pada Gambar 3, yang diperlukan generator,
Qc
pompa,
QA
QG
adalah perpindahan panas dari absorber, adalah perpindahan
WPump
kerja
panas yang diperlukan
oleh
adalah perpindahan panas dari kondenser, dan
QE
adalah panas yang
diserap oleh evaporator. Penukar kalor yang terdapat di dalam siklus absorpsi berfungsi untuk meningkatkan temperatur
larutan sebelum memasuki
generator,
sehingga bisa menghemat energi. Seperti halnya siklus refrigerasi kompresi uap, efek pendinginan pada siklus absorpsi juga terjadi pada sisi evaporator. Untuk menggantikan kompresor seperti yang digunakan di dalam siklus kompresi uap, digunakan tiga komponen di dalam siklus absorpsi; yakni absorber, pompa, dan generator. Absorber berfungsi untuk
200
ISSN 0852 - 2979
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2006
menyerap uap refrigeran ke dalam absorben, sehingga keduanya bercampur menjadi larutan. Karena reaksi di dalam absorber adalah eksotermik (mengeluarkan panas), maka perlu dilakukan proses pembuangan panas dari absorber. Tanpa dilakukannya proses pembuangan absorben
akan
panas, maka kelarutan (solubility) uap refrigeran ke dalam
rendah.
Selanjutnya,
larutan
tersebut
dipompa
ke generator.
Dalam perjalanan menuju generator, larutan dilewatkan di dalam penukar kalor untuk meningkatkan temperatur (preheating). Daya pompa yang diperlukan sangat kecil, sehingga dalam perhitungan COP siklus absorpsi, daya ini biasanya diabaikan. Di dalam generator, larutan dipanaskan hingga terjadi pemisahan refrigeran dari larutan. Selanjutnya, uap refrigeran tersebut akan memasuki kondensor. Proses selanjutnya tidak berbeda dengan siklus kompresi uap, yakni kondensasi, penuruan tekanan (melalui
mekanisme
Sistem Refrigerasi
penghambat
Adsorpsi
aliran
-
flow
restrictor),
dan
evaporasi.
Padatan
Efek pendinginan pada siklus solid adsorption menggunakan prinsip yang sama dengan sistem refrigerasi lainnya: bahwa proses evaporasi memerlukan suplai energi (menyerap energi). Proses adsorpsi melibatkan pemisahan suatu zat dari cairan dan pengakumulasiannya pada permukaan sebuah zat padat. Zat yang menguap dari fasa cair disebut sebagai adsorbat, sedangkan zat padat yang menyerap adsorbat disebut
sebagai
adsorben.
Molekul-molekul
yang diserap
oleh adsorben
bisa
dilepaskan kembali dengan cara memanaskan adsorben; dengan demikian proses ini bersifat reversibel. Terdapat dua macam adsorben, yakni hydrophilic seperti gel silika, zeolit dan alumina aktif atau alumina berpori; dan hydrophobic seperti karbon aktif, polimer dan silikat (Sumathy dkk., 2003). Adsorben hydrophilic memiliki kemampuan ikat yang tinggi dengan zat yang bersifat polar (seperti air), sedangkan adsorben hydrophobic dengan zat yang bersifat non-polar (seperti minyak). 1~1P
c
B
D
1 T
Gambar 4 Diagram Clapeyron untuk siklus adsorpsi ideal
201
ISSN 0852 - 2979
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR ralll/n 2006
Siklus adsorpsi dasar bisa dilihat pada Gambar 4. Siklus ideal dimulai dari titik A: adsorben berada pada temperatur rendah,
TA'
dan tekanan rendah,
PE
(tekanan
evaporasi). A - B menunjukkan pemanasan adsorben bersamaan dengan adsorbat. Pada saat ini, wadah adsorben (kolektor) dihubungkan dengan kondensor. Pemanasan lanjut pada adsorben dari B ke
0
menyebabkan sebagian adsorbat mengalami
desorpsi dan selanjutnya uapnya terkondensasi di kondensor (titik C). Pada saat adsorben mencapai temperatur maksimum, To, proses desorpsi berhenti. Selanjutnya cairan adsorbat dikirimkan ke evaporator dari C ke E; kemudian kolektor ditutup dan mending in. Penurunan temperatur dari Pc ke
PE.
0 ke
F menyebabkan penurunan tekanan dari
Setelah kolektor dihubungkan dengan evaporator; evaporasi dan adsorpsi
terjadi pada saat adsorben didinginkan dari temperatur F ke A. Efek pendinginan muncul
pada
saat
terjadinya
evaporasi
adsorbat.
Sistem Refrigerasi Efek Magnetokalorik Efek
magnetokalorik,
yang
merupakan
sifat
intrinsik
seluruh
material
magnetik, menyebabkan material yang bersifat magnetik akan membuang panas dan tingkat entropi magnetiknya turun pada saat dikenai medan magnet secara isotermal. Efek yang berkebalikan akan terjadi manakala medan magnet dihilangkan. Dengan demikian, efek magnetokalorik ini bisa digunakan untuk mendinginkan suatu zat. Prinsip ini telah digunakan dalam refrigerasi kriogenik sejak tahun 1930-an (Yu dkk., 2003). Refrigerasi magnetik dipandang sebagai teknologi hijau (green technology) yang memiliki potensi untuk menggantikan siklus konvensional kompresi uap. Efisiensi refrigerasi magnetik bisa mencapai 30 - 60% terhadap siklus Carnot, sedangkan siklus kompresi uap hanya mencapai 5 - 10% terhadap siklus Carnot (Yu dkk., 2003). Oleh karena itu, refrigerasi magnetik diperkirakan memiliki potensi yang bagus di masa mendatang. Siklus dasar refrigerasi magnetik adalah siklus Carnot magnetik, siklus Stirling magnetik, siklus Ericcson magnetik, dan siklus Brayton magnetik. Mekanisme kerja siklus refrigerasi magnetik, misalnya siklus Ericcson magnetik, dijelaskan di bawah ini.
202
ISSN 0852 - 2979
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahzln 2006
s
A
T
Gambar 5 Diagram siklus Ericcson magnetik. S:Entropi, T:Temperatur
•
Proses magnetisasi isothermal (A-B). Pada saat terjadi kenaikan medan magnet (dari
ke
Ho
panas dipindahkan dari refrigeran magnetik ke fluida regenerator
H1),
untuk menjaga refrigeran dalam keadaan isotermal. Note: yang dimaksud dengan refrigeran adalah material magnetik itu sendiri. •
Proses pendinginan pada medan-konstan (B-C). Pada keadaan medan magnet konstan
•
(H1),
panas dipindahkan dari refrigeran magnetik ke fluida regenerator.
Proses demagnetisasi isotermal (C-D). Pada saat medan magnet diturunkan (dari H1
ke
Ho),
panas diserap dari fluida regenerator ke refrigeran magnetik untuk
menjaga kondisi isotermal pada refrigeran. •
Proses pemanasan
pada medan-konstan
(D-A). Temperatur
akhir refrigeran
magnetik kembali ke kondisi semula (A). HASIL DAN PEMBAHASAN Beberapa
Parameter
Positif dan Negatif Sistem Refrigerasi
Setiap Sistem Refrigerasi yang diuraikan sekilas diatas (Bab 3), tentunya memiliki kelebihan namun juga kekurangan bila diadakan komparasi antara sistem yang satu dengan yang lain. Sistem Refrigerasi
Beberapa
Efek Magnetokalorik:
peneliti
mengeksplorasi
kemungkinan
penggunaan
refrigerasi
magnetik sebagai pengganti sistem refrigerasi konvensional. Pada 1976, di Lewis Research Center of American National Aeronautics and Space Administration, Brown menggunakan
logam tanah jarang
(rare-earth
metal)
gadolinium
(Gd) sebagai
refrigeran magnetik untuk refrigerasi pada temperatur ruang (Yu dkk., 2003). Dengan menambahkan
berbagai
variasi
silika dan germanium
203
ke latis (lattice)
kristal
ISSN 0852 - 2979
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahlln 2006
gadolinium,
Vitalij Peeharsky
State University enam
menemukan
kali lebih banyak
refrigerasi
dan Karl Gsehneidner
jenis material baru yang bisa mendinginkan
dalam
siklus magnetik
ini bisa menggunakan
lebih keeil (Glanz,1998). sejumlah
kecil
mengurangi
besi,
memadukan
Provenzano
dkk.
histerisis
refrigeran
ruang
(yang
magnetik
menyebabkan
refrigeran
paduan berbasiskan
gadolinium,
seeara umum sa at ini pengembangan
kurang
Tegus dkk.
masih
be/um matang.
refrigerasi
Yu dkk. (2003)
medan magnet yang kuat
3.
Diperlukannya
sifat regenerasi dan perpindahan
tenaga
yang besar
panas yang istimewa.
Padatan:
Beberapa peneliti telah menyelidiki udara
bahwa
refrigerasi magnetik adalah:
Diperlukannya
Adsorpsi
magnetik
menekankan
2.
refrigerator
bisa
logam transisi, MnFePo.4s,Aso.ss,
material magnetik dengan efek magnetokalorik
2006a),
mereka
magnetik
Diperlukannya
pengkondisian
mesin
GdSGe2Si2 dan
bahwa
1.
seperti
bahwa
ruang dengan hasil refrigerasi yang seeara signifikan
kesulitan utama dalam pengembangan
Sistem Refrigerasi
dua hingga
dengan GdSGe2Si2.
Namun demikian, pada temperatur
berarti
melaporkan
magnetik berbasiskan
untuk refrigerasi pada temperatur lebih besar dibandingkan
yang
refrigeran
(2004)
efisien) hingga 90%. Selain menggunakan (2002) menggunakan
tunggal,
di Iowa
medan magnet yang lebih lemah atau material yang
Dengan
kehilangan
dari the Ames Laboratory
di dalam surya
aplikasi siklus adsorpsi di berbagai bidang,
kabin
untuk
masinis
gedung
(Lu dkk.,
(Lemmini
dan
2004;
Wang
dkk.,
Errougani,
2005),
pendingin air (Liu dkk., 2005), dan pembuat es (ice maker) untuk kapal nelayan (Wang dkk., 2006b). Namun
dibandingkan
jauh lebih keeil. Sumathy dilakukan
pad a siklus
dengan
siklus kompresi
dkk. (2003) menjelaskan
adsorpsi
uap, prestasi
beberapa
untuk meningkatkan
prestasi
siklus adsorpsi
modifikasi siklus
yang perlu
terse but. COP
tertinggi siklus adsorpsi yang didata oleh Sumathy dkk. (2003) adalah 1,06. Sistem Refrigerasi
Absorpsi:
Dua keuntungan menggunakan
refrigeran
utama penggunaan yang merusak
siklus absorpsi adalah: (1) Siklus ini tidak
lapisan ozon dan menimbulkan
global, dan (2) Siklus ini bisa menggunakan digunakan
dalam
panas/termal. pemanas
siklus
Siklus
kombinasi
kombinasi
dan pendingin
bersama
ini sangat
di Shinjuku,
panas buangan,
Jepang,
204
dengan
berpotensi
sehingga
sangat coeok
pembangkitan menghemat
diklaim oleh operatornya
pemanasan
listrik
energi.
dan
Sistem
(Tokyo
Gas)
ISSN 0852 - 2979
Hasi/ Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahlln 2006
bisa menghasilkan penghematan energi pendinginan sebesar 20% (Tokyo Gas, 2002). Performansi sistem ini bisa didefiniskan dengan cara yang sama seperti halnya dalam siklus kompresi uap, yakni: QE
(10)
COP = Q(,- + hr.r1'lImp .
Namun karena daya pompa siklus ini umumnya sangat kecil dibandingkan dengan komponen yang lain, maka Dalam aplikasinya,
performa
WPump
(COP)
seringkali dihilangkan dari Persamaan (10). siklus
absorpsi
masih
lebih
rendah
bila
dibandingkan dengan siklus kompresi uap. Dalam artikel reviewnya, Shrikhirin (2001) menjelaskan beberapa teknik yang bisa digunakan untuk meningkatkan prestasi siklus absorpsi. Holmberg dan Berntsson (1990) menerangkan beberapa kriteria yang perlu dipenuhi oleh fluida kerja (campuran antara refrigeran dan absorben), yakni: 1. Perbedaan titik didih antara refrigeran dan larutan pada tekanan yang sama (boiling elevation)
haruslah sebesar mungkin.
2. Refrigeran perlu memiliki panas penguapan yang tinggi dan konsentrasi yang tinggi di dalam absorben untuk menekan laju sirkulasi larutan diantara absorber dan generator persatuan kapasitas pendinginan. 3. Memiliki sifat-sifat transport, seperti viskositas, konduktivitas termal, dan koefisien difusi, yang baik sehingga dapat menghasilkan perpindahan panas dan massa yang juga baik. 4. Baik refrigeran dan absorbennya harus bersifat non-korosif, ramah lingkungan, dan murah. Kriteria lain untuk fluida kerja sistem absorpsi serupa dengan kriteria untuk refrigeran siklus kompresi uap, seperti stabil secara kimiawi, tidak beracun, tidak mudah terbakar, dan tidak mudah meledak. Hingga saat ini, fluida kerja yang paling banyak digunakan di dalam sistem refrigerasi absorpsi adalah Air/NH3 dan LiBr/Air (Srikhirin dkk., 2001). Dua keuntungan utama penggunaan sistem Absorpsi: •
tidak menggunakan
refrigeran yang merusak lapisan ozon dan menimbulkan
pemanasan global.
205
ISSN 0852 - 2979
Hasi/ Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2006
•
Sistem ini bisa menggunakan panas matahari dan panas buangan, sehingga cocok digunakan dalam siklus kombinasi bersama dengan pembangkitan listrik dan panas/termal.
Beberapa catatan penting untuk sistem Absorpsi adalah: •
Biaya investasi yang diperlukan relativ lebih besar dibanding Sistem Kompresi Uap
•
Oimensi (masa dan luas) Instalasi Sistem Absorpsi lebih besar dibanding Sistem Kompresi Uap.
Sistem Refrigerasi
Kompresi
Uap:
Pada mesin refrigerasi siklus kompresi uap, fungsi kondensor dan evaporator bisa dibalik dengan mengubah arah aliran refrigerant. Oengan demikian, mesin ini bisa berfungsi sebagai pendingin di musim panas dan pemanas (heat pump) di musim dingin. Prestasi AC dapat dinyatakan dengan:
(\ ])
COP (tak bersatuan) singkatan dari Coefficient adalah perpindahan
of Performance,
QE
panas pada evaporator, dan We adalah kerja kompresor.
Persamaan (11) menyatakan prestasi AC pada satu saat tertentu. Prestasi AC dalam kurun waktu yang lama, misalnya selama musim panas, dinyatakan dalam SEER (Seasonal
Energy
Efficiency
Ratio).
SEER memiliki bentuk yang sama dengan
Persamaan (11), hanya berbeda pada satuan SEER, yakni Btu.hlWatt. Kelemahan utama Sistem ini adalah bahwa Refrigeran (fluida utama di mesin Pendingin) menimbulkan masalah lingkungan, yaitu lobang ozon dan pemanasan global. Sifat merusak ozon yang dimiliki oleh refrigeran utama yang digunakan pada periode 1930 hingga 1990, yakni CFCs (Chloro Fluoro Carbons), dikemukakan oleh Molina dan Rowland (1974) yang kemudian didukung oleh data pengukuran lapangan oleh Farman dkk. (1985). Setelah keberadaan lubang ozon di lapisan atmosfer diverifikasi secara saintifik, perjanjian internasional untuk mengatur dan melarang penggunaan zat-zat perusak ozon disepakati pada 1987 yang terkenal dengan sebutan Protokol Montreal. CFCs dan HCFCs merupakan dua refrigeran utama yang dijadwalkan untuk dihapuskan masing-masing pada tahun 1996 dan 2030 untuk negara-negara maju (United Nation Environment Programme, 2000). Sedangkan untuk negara-negara berkembang, kedua refrigeran utama tersebut masing-masing dihapus (phased-out)
dijadwalkan untuk
pada tahun 2010 (CFCs) dan 2040 (HCFCs, Hydro Chloro Fluoro
206
/SSN 0852 - 2979
Hasi/ Pene/ilian dan Kegiatan PTLR Tahlln 2006
Carbons) (Powell, 2002). Pada tahun 1997, Protokol Kyoto mengatur pembatasan dan pengurangan gas-gas penyebab rumah kaca, termasuk HFCs /Hydro Fluoro Carbons, (United
Nation
Framework
Convention
on
Climate
Change,
2005).
Powell (2002) menerangkan beberapa syarat yang harus dimiliki oleh refrigeran pengganti, yakni: 1. Memiliki sifat-sifat termodinamika yang berdekatan dengan refrigeran yang hendak digantikannya, utamanya pada tekanan maksimum operasi refrigeran baru yang diharapkan tidak terlalu jauh berbeda dibandingkan dengan tekanan refrigeran lama yang ber-klorin. 2. Tidak mudah terbakar. 3. Tidak beracun. 4. Bisa bercampur (miscible)
dengan pelumas yang umum digunakan dalam mesin
refrigerasi. 5. Setiap refrigeran CFC hendaknya digantikan oleh satu jenis refrigeran ramah lingkungan. Setelah periode CFCs, R22 (HCFC) merupakan refrigeran yang paling banyak digunakan di dalam mesin refrigerasi dan pengkondisian udara. Saat ini beberapa perusahaan pembuat mesin-mesin refrigerasi masih menggunakan refrigeran R22 dalam produk-prod uk mereka. Meski refrigeran ini, termasuk juga refrigeran jenis HCFCs lainnya, dijadwalkan untuk dihapuskan pada tahun 2030 (untuk negara maju), namun beberapa negara Eropa telah mencanangkan jadwal yang lebih progresif, misalnya Swedia telah melarang penggunaan R22 dan HCFCs lainnya pada mesin refrigerasi baru sejak tahun 1998, sedangkan Denmark dan Jerman mengijinkan penggunaan HCFCs pada mesin-mesin baru hanya hingga 31 Desember 1999 (Kruse,2000). Protokol Montreal memaksa para peneliti dan industri refrigerasi membuat refrigeran sintetis baru, HFCs (Hydro Fluoro Carbons) untuk menggantikan refrigeran lama yang ber-klorin
yang dituduh menjadi penyebab rusaknya lapisan ozon.
Weatherhead dan Andersen (2006) mengemukakan bahwa sejak 8 tahun terakhir, penipisan kolom lapisan ozon tidak terjadi lagi. Kedua peneliti ini meyakini akan terjadinya pemulihan lapisan ozon. Meski demikian, keduanya tidak secara jelas merujuk turunnya penggunaan zat perusak ozon sebagai penyebab pulihnya lapisan ozon. Powell (2002) menyebutkan bahwa adanya kerjasama yang sangat baik antara produser refrigeran
dan perusahaan
pengguna refrigeran telah
memungkinkan
terjadinya transisi mulus dari era penggunaan CFCs secara besar-besaran di 1986
207
ISSN 0852 - 2979
Hasil Pene/ilian dan Kegialan PTLR Tahun 2006
hingga penghapusan dan penggantiannya dengan R134a di tahun 1996. Banyak kalangan menyebutkan internasional
di
bahwa Protokol Montreal adalah salah
bidang
lingkungan
yang
paling
satu perjanjian
berhasil
diterapkan.
Saat ini, HCFCs (yang pada dasarnya merupakan pengganti transisional untuk CFCs) telah memiliki 2 kandidat pengganti, yakni R410A (campuran dengan sifat mendekati zeotrop) dan R407C (campuran azeotrop) (Kruse, 2000). Hidrokarbon Propana (R290) juga berpotensi menjadi pengganti R22 (Kruse, 2000). R407C merupakan campuran antara
R32/125/132a
dengan
komposisi
23/25/52,
sedangkan
R410A
adalah
campuran R32/125 dengan komposisi 50/50 (ASHRAE, 2005). Saat ini, beberapa perusahaan
terkemuka
menggunakan
di
bidang
R410A
refrigerasi
dan
dalam
pengkonsian
udara
produk
telah
mereka.
Jika Protokol Montreal dan Kyoto dilaksanakan secara penuh dan konsisten, maka secara umum pada saat ini belum ada pilihan refrigeran komersial selain refrigeran alami. Meskipun perlu dicatat bahwa baru-baru ini terdapat produsen refrigeran yang mengklaim keberhasilannya membuat refrigeran yang tidak merusak ozon dan tidak menimbulkan pemanasan global (ASHRAE. 2006). Beberapa refrigeran alami yang sudah digunakan pada mesin refrigerasi adalah: amonia (NH3), hidrokarbon (HC). karbondioksida
(C02),
air. dan udara (Riffat dkk., 1997). Kata "alami" menekankan
keberadaan zat-zat terse but yang berasal dari sumber biologis atapun geologis; meskipun saat ini beberapa produk refrigeran alami masih didapatkan dari sumber daya alam yang tidak terbarukan, misalnya hidrokarbon yang didapatkan dari cracking,
oi/-
serta amonia dan CO2 yang didapatkan dari gas alam (Powell, 2002).
Penggunaan
karbondioksida,
air, dan udara pada refrigerator
komersial
masih
memerlukan riset yang mendalam, sedangkan penggunaan amonia dan hidrokarbon. meskipun sudah cukup banyak dilakukan, masih memiliki peluang riset yang cukup banyak (Riffat dkk., 1997). Amonia bersifat racun (toxic) dan cukup mudah terbakar, sedangkan hidrokarbon termasuk dalam zat yang sangat mudah terbakar; oleh karena itu refrigeran tersebut secara umum sulit digunakan pada sistem ekspansi langsung. Sistem refrigerasi tak-Iangsung bisa digunakan untuk mengatasi kelemahan kedua refrigeran terse but. Beberapa
peneliti berusaha
menekan
tingkat
keterbakaran
refrigeran hidrokarbon dengan cara mencampurkannya bersama refrigeran lain yang tak mudah terbakar (Pasek dkk., 2006; Sekhar dkk., 2004; Dlugogorsky dkk., 2002). Granryd (2001) menekankan bahwa pada dasarnya sudah tersedia teknologi untuk meningkatkan
keamanan pada sistem refrigerasi yang menggunakan
refrigeran
hidrokarbon, namun cara yang ekonomis untuk membuat sistem tersebut aman dan
208
ISSN 0852 - 2979
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2006
terbukti dapat digunakan dalam skala luas masih perlu dikembangkan lebih lanjut. Komparasi Sistem bermediator Ag2+
Pendingin
untuk
Instalasi
Dekontaminasi
Elektrolitik
Oari 4 Sistem Refrigerasi diatas, sistem Refrigerasi Magnetokalorik dan sistem Refrigerasi Adsorpsi Padatan memiliki kekurangan yang cukup signifikan. Sistem Refrigerasi Adsorpsi Padatan dan juga sistem Refrigerasi Magnetokalorik memiliki COP yang relatif jauh lebih kecil dibanding Sistem Kompresi Uap. Kekurangan lain yang dimiliki kedua Sistem ini adalah biaya investasi yang lebih tinggi, proses belum bisa kontinyu dan masih terbatas kapasitasnya (belum mampu mendinginkan dengan daya besar). Sistem Refrigerasi Absorpsi memang memiliki COP yang lebih kecil dibanding Sistem Kompresi Uap, namun bila user memiliki panas buang sisa (seperti panas buang dari pembangkit listrik, atau panas buang dari proses industri lainnya), maka biaya operasional untuk operasi Refrigerasi Absorpsi akan jadi sangat murah. Energi utama yang diperlukan Refrigerasi Absorpsi adalah energi pemanas untuk GeneratorlDesorber (OG). OG tersebut bisa dipenuhi beberapa persen (atau bahkan 100 persen) dengan energi panas buangan sisa yang dimiliki user. Energi ntuk memompa refrigeran
(WPump)
relatif sangat kecil (atau bahkan bisa diabaikan dalam
perhitungan) bila dibandingkan dengan
OG.
(Iihat Persamaan (10). Untuk suatu daerah
yang minim pasokan energi listrik, maka Sistem Refrigerasi Absorpsi lebih unggul dibanding Sistem Kompresi Uap. Sistem Absorpsi tidak memiliki masalah untuk diaplikasikan dalam kapasitas (daya) besar, bahkan semakin besar daya semakin kecil periode payback (balik modal). Namun, dilihat dari biaya Investasi, Sistem Refrigerasi Absorpsi memang lebih besar (1,5 - 2 kali) dibanding Sistem Kompresi Uap. Sistem Konvesional (Kompresi Uap) yang memang saat ini merupakan sistem pendingin yang paling banyak dipakai didunia, jelas memiliki beberapa kelebihan: biaya investasi yang paling murah dibanding sistem lainnya, memiliki COP yang paling tinggi, memerlukan dimensi yang lebih kecil untuk kapasitas daya yang sama. Kelemahan
sistem ini adalah refrigerannya
memiliki efek negatif bagi
lingkungan (Iubang ozon dan pemanasan global). Namun sebagaimana disinggung diatas (Bab 4.1.4) telah dilakukan beberapa perbaikan untuk mengurangi (atau bahkan berusaha menghilangkan) kelemahan tersebut. KESIMPULAN Beberapa rekomendasi untuk sistem Pendingin di Instalasi Oekontaminasi Elektrolitik bermediator Ag2+:
209
ISSN 0852 - 2979
HasH Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2006
•
Sistem Refrigerasi Magnetokalorik dan Adsorpsi Padatan tidak direkomendasikan untuk diaplikasikan. Kedua sistem ini memiliki COP yang relatif jauh lebih kecil dibanding Sistem Kompresi Uap. Kekurangan lain yang dimiliki kedua Sistem ini adalah biaya investasi yang lebih tinggi, proses belum bisa kontinyu dan masih terbatas kapasitasnya (belum mampu mendinginkan dengan daya besar).
•
Sistem Konvensional (Kompresi Uap) masih merupakan pilihan menguntungkan untuk diaplikasikan. Sistem ini memiliki COP yang relatif paling tinggi, biaya investasi paling rendah, dan dimensi instalasi yang paling kecil (berukuran lebih kompak). Berkenaan dengan efek negatif terhadap lingkung an, tentunya perlu dipilih refrigeran yang ramah lingkungan.
•
Sistem Refrigerasi Absorpsi juga merupakan alternatif pilihan, bahkan memiliki memiliki potensi lebih menguntungkan dibanding Sistem Kompresi Uap. Energi utama
(QG)
untuk operasi sistem ini bisa diambil dari panas buangan dari PLTN.
Setelah berlalu waktu payback dari biaya investasi (apalagi untuk daya besar, payback semakin pendek) sistem ini menjadi lebih ekonomis dibanding sistem kompresi uap. •
Dengan beberapa varia bel dari instalasi dekontaminasi Instalasi Dekontaminasi,
elektrolitik (kapasitas
lokasi instalasi tersebut yang berhubungan
dengan
kemungkinan pengambilan panas buang, dll), bisa dikalkulasi apakah Sistem Kompresi Uap atau Sistem Absorpsi yang lebih menguntungkan untuk diinstal. DAFTAR PUSTAKA
1. YULI
SETYO
INDARTONO,
Perkembangan
Terkini
Teknologi
Refrigerasi/Pengkondisian Udara, Artikellptek 2006 2. SONNTAG, RICHARD E., Fundamentals of Thermodynamic, 1998 3. RAFFERTY, KEVIN D., Absorption Refrigeration, Geo Heat Center, Klamath Falls, USA 4. MULYONO DARYOKO, Kecepatan Pembangkitan Ag+2 sebagai langkah pada Dekontaminasi Elektrokimia, Hasil Penelitian PTLR 5. SUWARDIYONO, Studi Teknik Dekontaminasi Elektrolitik untuk Limbah Padat Terkontaminasi Alpha, Hasil Penelitian PTLR
210
