MESIN REFRIGERASI
1 PENDAHULUAN
Refrigerasi adalah suatu proses penyerapan panas dari suatu zat atau produk sehingga temperaturnya berada dibawah 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 dengan 123 K. Sedangkan proses-proses dan teknik yang beroperasi pada kisaran temperatur di bawah 123 K disebut Kriogenika (cryogenics)[1]. Pembedaan ini disebabkan karena adanya fenomena-fenomena khas yang terjadi pada temperatur dibawah 100K di mana pada kisaran temperatur ini gas-gas seperti nitrogen, oksigen, hidrogen, dan helium dapat mencair.
Saat ini aplikasi refrigerasi meliputi bidang yang sangat luas, mulai dari keperluan rumah tangga, pertanian, sampai ke industri gas, petrokimia, perminyakan dsb. Berbagai jenis mesin refrigerasi yang bekerja berdasarkan berbagai proses dan siklus dapat ditemui dalam praktek. Namun demikian mesin refrigerasi dapat dikelompokan berdasarkan jenis siklusnya dan jenis pemakaiannya. Berdasarkan jenis siklusnya mesin refrigerasi dapat dikelompokan menjadi:
1. Mesin refrigerasi siklus termodinamika.
2. Mesin refrigerasi silus termo-elektrik.
3. Mesin refrigerasi siklus termo-magnetik.
Yang termasuk mesin refrigerasi siklus termodinamika antara lain:
1. Mesin refrigerasi Siklus Kompresi Uap (SKU).
2. Mesin refrigerasi Siklus Absorbsi (SA).
3. Mesin refrigerasi Siklus Jet Uap (SJU).
4. Mesin refrigerasi Siklus Udara (SU).
5. Mesin refrigerasi Tabung Vorteks (TV).
Berdasarkan aplikasinya mesin refrigerasi dapat dikelompokan seperti yang ditunjukan pada Tabel .1
Kelompok aplikasi mesin refrigerasi
Jenis Mesin refrigerasi Contoh
Refrigerasi Domestik ; Lemari es, dispenser air
Refrigerasi Komersial ; Pendingin minuman botol, box es krim, lemari
pendingin supermarket
Refrigerasi Industri ; Pabrik es, cold storage, mesin pendingin untuk
industri proses
Refrigerasi transport ; Refrigerated truck, train and containers
Pengkondisian udara domestik dan komersial ;
AC window, split, dan package.Chiller Water
cooled and air cooled chillers
Mobile Air Condition (MAC): AC mobil
2 PRINSIP KERJA MESIN REFRIGERASI KOMPRESI UAP
Mesin refrigerasi Siklus Kompresi Uap merupakan jenis mesin refigerasi yang paling banyak digunakan saat ini. Mesin refrigerasi ini terdiri dari empat komponen utama, yaitu kompresor, kondensor, alat ekspansi dan evaporator. Susunan empat komponen tersebut secara skematik ditunjukan pada Gambar 1.a dan sketsa proses Siklus Kompresi Uap Standar dalam diagram T-s ditunjukan pada Gambar 1.b
Di dalam siklus kompresi uap standar ini, refrigeran mengalami empat proses (mengacu pada Gambar 1.b), yaitu:
1. Proses 1-2: refrigeran meninggalkan evaporator dalam wujud uap jenuh dengan temperatur dan tekanan rendah, kemudian oleh kompresor uap tersebut dinaikkan tekanannya menjadi uap dengan tekanan yang lebih tinggi (tekanan kondensor). Kompresi ini diperlukan untuk menaikkan temperatur refrigeran, sehingga temperatur refrigeran di dalam kondensor lebih tinggi daripada temperatur lingkungannya. Dengan demikian perpindahan panas dapat terjadi dari refrigeran ke lingkungan. Proses kompresi ini berlangsung secara isentropik (adiabatik dan reversibel).
2. Proses 2-3: setelah mengalami proses kompresi, refrigeran berada dalam fasa panas lanjut dengan tekanan dan temperatur tinggi. Untuk mengubah wujud-nya menjadi cair, kalor harus dilepaskan ke lingkungan. Hal ini dilakukan pada penukar kalor yang disebut kondensor. Refrigeran mengalir melalui kondensor dan pada sisi lain dialirkan fluida pendingin (udara atau air) dengan temperatur lebih rendah daripada temperatur refrigeran. Oleh karena itu kalor akan berpindah dari refrigeran ke fluida pendingin dan sebagai akibatnya refrigeran mengalami penurunan temperatur dari kondisi uap panas lanjut menuju kondisi uap jenuh, selanjutnya mengembun menjadi wujud cair. Kemudian keluar dari kondensor dalam wujud cair jenuh. Proses ini berlangsung secara reversibel pada tekanan konstan.
3. Proses 3-4: refrigeran, dalam wujud cair jenuh (tingkat keadaan 3, Gambar 2.1 (b)), mengalir melalui alat ekspansi. Refrigeran mengalami ekspansi pada entalpi konstan dan berlangsung secara tak-reversibel. Selanjutnya refrigeran keluar dari alat ekspansi berwujud campuran uap-cair pada tekanan dan temperatur sama dengan tekanan serta temperatur evaporator.
4. Proses 4-1: refrigeran, dalam fasa campuran uap-cair, mengalir melalui sebuah penukar kalor yang disebut evaporator. Pada tekanan evaporator, titik didih refrigeran haruslah lebih rendah daripada temperatur lingkungan (media kerja atau media yang didinginkan), sehingga dapat terjadi perpindahan panas dari media kerja ke dalam refrigeran. Kemudian refrigeran yang masih berwujud cair menguap di dalam evaporator dan selanjutnya refrigeran meninggalkan evaporator dalam fasa uap jenuh. Proses penguapan tersebut berlangsung secara reversibel pada tekanan yang konstan.
3 PRINSIP KERJA MESIN REFRIGERASI ABSORBSI
Komponen utama mesin refrigerasi absorbsi terdiri dari enam buah seperti yang ditunjukan pada Gambar .2. Fungsi kompresor pada mesin refrigerasi SKU digantikan oleh absorber, pompa dan generator. Fluida kerja yang digunakan adalah campuran tak bereaksi seperti air (H2O) – ammonia (NH3), atau Lithium Bromida (LiBr2) – Air (H2O). Pada sistem H2O – NH3, air berfungsi sebagai absorben dan amonia berfungsi sebagai refrigeran. Sedangakan pada sistem LiBr2 – H2O, LiBr2 berfungsi sebagai absorben dan H2O berfungsi sebagai refrigeran.
Gambar .1 Siklus kompresi uap standar
(a) Diagram alir proses (b) Diagram temperatur-entropi
Campuran refrigeran – absorben dipanaskan di dalam generator sehingga refrigeran menguap dan terpisah dari absorben. Uap refrigeran selanjutnya dimurnikan dalam rectifier dengan mendinginkannya sehingga uap absorben yang terbawa akan mengembun dan mengalir kembali ke generator. Uap refrigeran murni kemudian diembunkan di kondensor; kondensatnya kemudian diekspansikan dan menyerap panas dengan penguapan di evaporator. Uap refrigeran yang keluar dari evaporator dicampur dengan absorben (larutan lemah) yang keluar dari generator; melewati katup ekspansi agar tekanannya sama dengan tekanan evaporator. Proses absorbsi refrigeran biasanya berlangsung secara eksotermal; hasil dari proses ini akan menghasilkan campuran refrigeran - absorben (larutan kuat) yang selanjutnya dipompakan ke generator.
4 PRINSIP KERJA MESIN REFRIGERASI EJEKTOR UAP
Pada mesin refrigerasi ejektor uap, air digunakan sebagai refrigeran. Air dididihkan di boiler, uap yang terbentuk dilewatkan dalam ejektor. Seksi tekanan rendah dalam ejektor dihubungkan dengan evaporator dengan demikian tekanan evaporator menjadi rendah dan uap yang terbentuk tertarik oleh aliran uap berkecepatan tinggi dalam ejektor dan dibawa ke kondensor untuk diembunkan. Kondensat yang terjadi dalam kondensor sebagian dialirkan ke eavaporator setelah melewati katup ekspansi dan sisanya masuk ke dalam boiler untuk diuapkan kembali. Gambar .3 menunjukkan skema mesin yang dimaksud.
Gambar .2. Skema mesin refrigerasi Siklus Absorbsi
Gambar .3 Skema mesin refrigerasi ejektor uap
.5 PRINSIP KERJA MESIN REFRIGERASI SIKLUS UDARA
Mesin refrigerasi siklus udara biasanya digunakan pada pesawat terbang, dan sistem ini baru bekerja apabila pesawat telah terbang. Udara luar dengan kecepatan tinggi ditangkap oleh difusor sehingga kecepatannya menjadi lebih lambat ketika memasuki sistem. Proses ini akan menyebabkan temperatur dan tekanan udara meningkat. Untuk menurunkan temperaturnya maka udara dilewatkan pada ekspander turbo sebelum memasuki kabin pesawat dan menyerap beban panas yang timbul di sana. Udara kemudian dialirkan ke luar pesawat dengan menggunakan kompresor.
Gambar .4 Skema mesin refrigerasi Siklus Udara
.6 PRINSIP KERJA TABUNG VORTEKS
Tabung vorteks yang biasa juga disebut sebagai Tabung Ranque-Hilsch[2]. Peralatan ini terdiri dari tabung lurus yang salah satu ujungnya dipasang orifis (orifice), sedangkan ujung lainnya dipasang katup trotel (throttle valve). Nosel tangensial dipasang pada dinding luar pipa diujung pipa yang dipasang orifis (lihat Gambar .5).
Gambar .5 Tabung Vorteks
Gas bertekanan dimasukan melalui nosel tangensial sehingga membentuk aliran vorteks dalam tabung. Vorteks bagian luar akan bertemperatur lebih tinggi dari temperatur masuk dan mengalir kearah kanan (ujung panas). Vorteks bagian dalam yang bertemperatur lebih rendah dari temperatur masuk, karena kehilangan energi kinetik, akan mengalir ke kiri dan keluar melalui ofrifis. Gas yang bertemperatur lebih rendah inilah yang akan dimanfaatkan. Bukaan katup trotel akan mengatur temperatur dan banyaknya gas dingin yang keluar dari ujung kiri (ujung dingin). Semakin besar bukaan katup semakin rendah temperatur gas dingin tetapi semakin sedikit jumlahnya, demikian pula sebaliknya.
.7 ANALISIS KINERJA MESIN REFRIGERASI KOMPRESI UAP
Parameter-parameter prestasi mesin refrigerasi kompresi uap, antara lain: kerja kompresi, laju pengeluaran kalor, efek refrigerasi, dan koefisien performansi (coefficient of performance, COP). Penentuan parameter-parameter tersebut dapat dibantu dengan penggunaan sketsa proses pada diagram tekanan-entalpi (Gambar 1.6) dan tabel sifat-sifat refrigeran.
Gambar .6 Sketsa proses Siklus Refrigerasi Kompresi Uap Standar
Kerja kompresi persatuan massa refrigeran ditentukan oleh perubahan entalpi pada proses 1-2 (Gambar .6) dan dapat dinyatakan sebagai:
(4-1)
Hubungan tersebut diturunkan dari persamaan energi dalam keadaan tunak, pada proses kompresi adiabatik reversibel dengan perubahan energi kinetik dan energi potensial diabaikan. Perbedaan entalpinya merupakan besaran negatif yang menunjukkan bahwa kerja diberikan kepada sistem.
Kalor yang dibuang melalui kondensor dari refrigeran ke lingkungan yang lebih rendah temperaturnya terjadi pada proses 2-3, yaitu:
(4-2)
Besaran ini bernilai negatif, karena kalor dipindahkan dari sistem refrigerasi ke lingkungan.
Pada proses 3-4 merupakan proses ekspansi refrigeran menuju tekanan evaporator. Proses ini biasanya dimodelkan dengan proses cekik tanpa adanya perpindahan kalor (adiabatik) dan proses berlangsung tak-reversibel, sehingga diperoleh hubungan: h3 = h4
Efek refrigerasi (qrc) adalah kalor yang diterima oleh sistem dari lingkungan melalui evaporator per satuan laju massa refrigeran. Efek refrigerasi merupakan parameter penting, karena merupakan efek yang berguna dan diinginkan dari suatu sistem refrigerasi.
(4-3)
Sedangkan kapasitas refrigerasi (Qrc) merupakan perkalian antara laju massa refrigeran dengan efek refrigerasi.
Koefisien performansi, COP, adalah besarnya energi yang berguna, yaitu efek refrigerasi, dibagi dengan kerja yang diperlukan sistem, yaitu kerja kompresi. (4-4)
8 SIKLUS KOMPRESI UAP AKTUAL
Pada kenyataannya siklus kompresi uap mengalami penyimpangan dari kompresi uap standar,. sebagaimana yang ditunjukkan pada Gambar 2.3. Perbedaan penting siklus kompresi uap aktual dari siklus standar, adalah:
1. Terjadi penurunan tekanan di sepanjang pipa kondensor dan evaporator.
2. Adanya proses pembawahdinginan (sub-cooling) cairan yang meninggalkan kondensor sebelum memasuki alat ekspansi
3. Pemanasan lanjut uap yang meninggalkan evaporator sebelum me-masuki kompresor.
4. Terjadi kenaikan entropi pada saat proses kompresi (kompresi tak isentropik).
5. Proses ekspansi berlangsung non-adiabatik
Walaupun siklus aktual tidak sama dengan siklus standar, tetapi proses ideal dalam siklus standar sangat bermanfaat, dan diperlukan untuk mempermudah analisis siklus secara teoritik.
Gambar .7 Siklus kompresi uap aktual dan siklus standar
.9 MESIN REFRIGERASI SIKLUS KOMPRESI UAP (SKU)
Susunan komponen mesin refrigerasi ini secara skematik diperlihatkan pada Gambar 4.8. Komponen utama yang akan dibahas adalah: (a) Kompresor, (b) Kondensor, (c) Filter-drier, (d) Pipa kapiler, (e) Evaporator.
Gambar .8 Skema susunan komponen utama mesin refrigerasi SKU
.9.1 Kompresor
Kompresor berfungsi untuk mensirkulasikan refrigeran dan menaikan tekanan refrigeran agar dapat mengembun di kondensor pada temperatur di atas temperatur udara sekeliling.
Berdasarkan letak motornya kompresor dapat dikelompokan menjadi dua jenis yaitu kompresor jenis terbuka dan kompresor jenis hermetik. Pada kompresor jenis terbuka motor terpisah dengan kompresor dan daya dari motor ditransmisikan melalui sabuk (belt) atau sistem transmisi daya lainnya. Pada kompresor hermetik, motor dan kompresor berada dalam satu cangkang (selubung) yang kedap udara. Terdapat juga jenis kompresor yang lain yaitu sermi hermetik. Berbeda dengan kompresor hermetik yang selubungnya disambung dengan las, maka pada kompresor semi hermetik selubungnya disambung dengan baut sehingga bisa dibuka untuk berbagai keperluan servis termasuk untuk menggulung ulang kumparan motor listrik.
Pada mesin refrigerasi rumah tangga dan komersial jenis kompresor yang biasa digunakan adalah kompresor tipe hermetik. Kompresornya dapat menggunakan kompresor jenis torak, atau rotari seperti kompresor sudu (vane type), roller atau schroll.
Untuk melindungi bagian-bagian yang bergesek seperti torak dan dinding selinder serta bantalan, maka kompresor diberi pelumas. Pelumas ini bisanya bercampur dengan refrigeran. Pada kompresor hermetik yang digunakan untuk mesin refrigerasi rumah tanggal dan komersial, biasanya digunakan pelumas yang larut dengan baik dalam refrigerannya.
9.2 Kondensor dan Evaporator
Kondensor adalah alat di mana refrigeran didinginkan sehingga mengembun. Pada mesin refrigerasi rumah tangga dan komersial, panas pengembunan dibuang ke udara sekeliling secara alami karena adanya perbedaan temperatur refrigeran dengan udara sekeliling.
Jenis kondensor yang digunakan pada mesin refrigerasi rumah tangga dan komersial pada umumnya adalah jenis pipa polos dengan pendinginan alami. Dalam hal ini panas yang berpindah secara alami dari refrigeran yang mengembun ke udara sekeliling akibat adanya perbedaan temperatur.
Evaporator adalah alat tempat refrigeran menguap. Panas yang diperlukan untuk penguapan diperoleh dari benda/media yang akan didinginkan. Proses penyerapan panas ini menyebabkan penurunan temperatur pada benda/media yang akan didinginkan.
Jenis evaporator yang biasa digunakan adalah jenis evaporator permukaan pelat dan pipa polos. Gambar 4.3 diperlihatkan contoh-contoh kondensor dan evaporator yang dibahas. Pada mesin dengan kapaistas yang besar digunakan kondensor pipa bersirip.
9.3 Filter-drier dan Pipa Kapiler
Fungsi utama Filter-drier adalah menyerap uap air yang terlarut dalam refrigeran dan menyaring padatan terlarut jika ada. Air dicegah masuk ke dalam pipa kapiler dan evaporator, karena dapat menyebabkan penyumbatan oleh air yang menjadi es pada temperatur evaporator yang rendah.
Terdapat dua jenis filter drier yaitu alumina aktif (bukan silica gel) dan molecular sieve. Alumina aktif terbuat dari Al203 dapat menyerap uap air lebih banyak dari silica gel dan juga dapat menyerap asam baik dari refrigeran maupun pelumas. Molecular sieves terbuat dari logam alumina silikat, memiliki kemampuan menyerap uap air yang sangat tinggi. Saat ini filter-drier yang banyak digunakan adalah jenis molecular sieves. Berdasarkan tingkatan kemampuannya dalam menyerap uap air molecular sieve dibuat dalam 3 grade yaitu XH-5, XH-7, dan XH-9. Semakin tinggi gradenya semakin tinggi kemampuannya dalam menyerap uap air. Mesin dengan refrigeran R-12 bisanya menggunakan XH-5 sedangkan mesin dengan refrigeran R-134a menggunakan XH-7 atau XH-9.
Pipa kapiler berfungsi untuk menurunkan tekanan refrigeran agar dapat menguap di evaporator pada temperatur yang rendah. Tekanan refrigeran dapat diturunkan sebagai akibat adanya gesekan pada pipa kapiler yang panjang dan berdiameter kecil.
Ukuran pipa kapiler biasanya dinyatakan dengan angka 10, 20 dan seterusnya hingga 90. Anggka tersebut menunjukkan diameter pipa tersebut, grade 10 menunjukkan diameter pipa 0,010 inci.
1 PENDAHULUAN
Refrigerasi adalah suatu proses penyerapan panas dari suatu zat atau produk sehingga temperaturnya berada dibawah 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 dengan 123 K. Sedangkan proses-proses dan teknik yang beroperasi pada kisaran temperatur di bawah 123 K disebut Kriogenika (cryogenics)[1]. Pembedaan ini disebabkan karena adanya fenomena-fenomena khas yang terjadi pada temperatur dibawah 100K di mana pada kisaran temperatur ini gas-gas seperti nitrogen, oksigen, hidrogen, dan helium dapat mencair.
Saat ini aplikasi refrigerasi meliputi bidang yang sangat luas, mulai dari keperluan rumah tangga, pertanian, sampai ke industri gas, petrokimia, perminyakan dsb. Berbagai jenis mesin refrigerasi yang bekerja berdasarkan berbagai proses dan siklus dapat ditemui dalam praktek. Namun demikian mesin refrigerasi dapat dikelompokan berdasarkan jenis siklusnya dan jenis pemakaiannya. Berdasarkan jenis siklusnya mesin refrigerasi dapat dikelompokan menjadi:
1. Mesin refrigerasi siklus termodinamika.
2. Mesin refrigerasi silus termo-elektrik.
3. Mesin refrigerasi siklus termo-magnetik.
Yang termasuk mesin refrigerasi siklus termodinamika antara lain:
1. Mesin refrigerasi Siklus Kompresi Uap (SKU).
2. Mesin refrigerasi Siklus Absorbsi (SA).
3. Mesin refrigerasi Siklus Jet Uap (SJU).
4. Mesin refrigerasi Siklus Udara (SU).
5. Mesin refrigerasi Tabung Vorteks (TV).
Berdasarkan aplikasinya mesin refrigerasi dapat dikelompokan seperti yang ditunjukan pada Tabel .1
Kelompok aplikasi mesin refrigerasi
Jenis Mesin refrigerasi Contoh
Refrigerasi Domestik ; Lemari es, dispenser air
Refrigerasi Komersial ; Pendingin minuman botol, box es krim, lemari
pendingin supermarket
Refrigerasi Industri ; Pabrik es, cold storage, mesin pendingin untuk
industri proses
Refrigerasi transport ; Refrigerated truck, train and containers
Pengkondisian udara domestik dan komersial ;
AC window, split, dan package.Chiller Water
cooled and air cooled chillers
Mobile Air Condition (MAC): AC mobil
2 PRINSIP KERJA MESIN REFRIGERASI KOMPRESI UAP
Mesin refrigerasi Siklus Kompresi Uap merupakan jenis mesin refigerasi yang paling banyak digunakan saat ini. Mesin refrigerasi ini terdiri dari empat komponen utama, yaitu kompresor, kondensor, alat ekspansi dan evaporator. Susunan empat komponen tersebut secara skematik ditunjukan pada Gambar 1.a dan sketsa proses Siklus Kompresi Uap Standar dalam diagram T-s ditunjukan pada Gambar 1.b
Di dalam siklus kompresi uap standar ini, refrigeran mengalami empat proses (mengacu pada Gambar 1.b), yaitu:
1. Proses 1-2: refrigeran meninggalkan evaporator dalam wujud uap jenuh dengan temperatur dan tekanan rendah, kemudian oleh kompresor uap tersebut dinaikkan tekanannya menjadi uap dengan tekanan yang lebih tinggi (tekanan kondensor). Kompresi ini diperlukan untuk menaikkan temperatur refrigeran, sehingga temperatur refrigeran di dalam kondensor lebih tinggi daripada temperatur lingkungannya. Dengan demikian perpindahan panas dapat terjadi dari refrigeran ke lingkungan. Proses kompresi ini berlangsung secara isentropik (adiabatik dan reversibel).
2. Proses 2-3: setelah mengalami proses kompresi, refrigeran berada dalam fasa panas lanjut dengan tekanan dan temperatur tinggi. Untuk mengubah wujud-nya menjadi cair, kalor harus dilepaskan ke lingkungan. Hal ini dilakukan pada penukar kalor yang disebut kondensor. Refrigeran mengalir melalui kondensor dan pada sisi lain dialirkan fluida pendingin (udara atau air) dengan temperatur lebih rendah daripada temperatur refrigeran. Oleh karena itu kalor akan berpindah dari refrigeran ke fluida pendingin dan sebagai akibatnya refrigeran mengalami penurunan temperatur dari kondisi uap panas lanjut menuju kondisi uap jenuh, selanjutnya mengembun menjadi wujud cair. Kemudian keluar dari kondensor dalam wujud cair jenuh. Proses ini berlangsung secara reversibel pada tekanan konstan.
3. Proses 3-4: refrigeran, dalam wujud cair jenuh (tingkat keadaan 3, Gambar 2.1 (b)), mengalir melalui alat ekspansi. Refrigeran mengalami ekspansi pada entalpi konstan dan berlangsung secara tak-reversibel. Selanjutnya refrigeran keluar dari alat ekspansi berwujud campuran uap-cair pada tekanan dan temperatur sama dengan tekanan serta temperatur evaporator.
4. Proses 4-1: refrigeran, dalam fasa campuran uap-cair, mengalir melalui sebuah penukar kalor yang disebut evaporator. Pada tekanan evaporator, titik didih refrigeran haruslah lebih rendah daripada temperatur lingkungan (media kerja atau media yang didinginkan), sehingga dapat terjadi perpindahan panas dari media kerja ke dalam refrigeran. Kemudian refrigeran yang masih berwujud cair menguap di dalam evaporator dan selanjutnya refrigeran meninggalkan evaporator dalam fasa uap jenuh. Proses penguapan tersebut berlangsung secara reversibel pada tekanan yang konstan.
3 PRINSIP KERJA MESIN REFRIGERASI ABSORBSI
Komponen utama mesin refrigerasi absorbsi terdiri dari enam buah seperti yang ditunjukan pada Gambar .2. Fungsi kompresor pada mesin refrigerasi SKU digantikan oleh absorber, pompa dan generator. Fluida kerja yang digunakan adalah campuran tak bereaksi seperti air (H2O) – ammonia (NH3), atau Lithium Bromida (LiBr2) – Air (H2O). Pada sistem H2O – NH3, air berfungsi sebagai absorben dan amonia berfungsi sebagai refrigeran. Sedangakan pada sistem LiBr2 – H2O, LiBr2 berfungsi sebagai absorben dan H2O berfungsi sebagai refrigeran.
Gambar .1 Siklus kompresi uap standar
(a) Diagram alir proses (b) Diagram temperatur-entropi
Campuran refrigeran – absorben dipanaskan di dalam generator sehingga refrigeran menguap dan terpisah dari absorben. Uap refrigeran selanjutnya dimurnikan dalam rectifier dengan mendinginkannya sehingga uap absorben yang terbawa akan mengembun dan mengalir kembali ke generator. Uap refrigeran murni kemudian diembunkan di kondensor; kondensatnya kemudian diekspansikan dan menyerap panas dengan penguapan di evaporator. Uap refrigeran yang keluar dari evaporator dicampur dengan absorben (larutan lemah) yang keluar dari generator; melewati katup ekspansi agar tekanannya sama dengan tekanan evaporator. Proses absorbsi refrigeran biasanya berlangsung secara eksotermal; hasil dari proses ini akan menghasilkan campuran refrigeran - absorben (larutan kuat) yang selanjutnya dipompakan ke generator.
4 PRINSIP KERJA MESIN REFRIGERASI EJEKTOR UAP
Pada mesin refrigerasi ejektor uap, air digunakan sebagai refrigeran. Air dididihkan di boiler, uap yang terbentuk dilewatkan dalam ejektor. Seksi tekanan rendah dalam ejektor dihubungkan dengan evaporator dengan demikian tekanan evaporator menjadi rendah dan uap yang terbentuk tertarik oleh aliran uap berkecepatan tinggi dalam ejektor dan dibawa ke kondensor untuk diembunkan. Kondensat yang terjadi dalam kondensor sebagian dialirkan ke eavaporator setelah melewati katup ekspansi dan sisanya masuk ke dalam boiler untuk diuapkan kembali. Gambar .3 menunjukkan skema mesin yang dimaksud.
Gambar .2. Skema mesin refrigerasi Siklus Absorbsi
Gambar .3 Skema mesin refrigerasi ejektor uap
.5 PRINSIP KERJA MESIN REFRIGERASI SIKLUS UDARA
Mesin refrigerasi siklus udara biasanya digunakan pada pesawat terbang, dan sistem ini baru bekerja apabila pesawat telah terbang. Udara luar dengan kecepatan tinggi ditangkap oleh difusor sehingga kecepatannya menjadi lebih lambat ketika memasuki sistem. Proses ini akan menyebabkan temperatur dan tekanan udara meningkat. Untuk menurunkan temperaturnya maka udara dilewatkan pada ekspander turbo sebelum memasuki kabin pesawat dan menyerap beban panas yang timbul di sana. Udara kemudian dialirkan ke luar pesawat dengan menggunakan kompresor.
Gambar .4 Skema mesin refrigerasi Siklus Udara
.6 PRINSIP KERJA TABUNG VORTEKS
Tabung vorteks yang biasa juga disebut sebagai Tabung Ranque-Hilsch[2]. Peralatan ini terdiri dari tabung lurus yang salah satu ujungnya dipasang orifis (orifice), sedangkan ujung lainnya dipasang katup trotel (throttle valve). Nosel tangensial dipasang pada dinding luar pipa diujung pipa yang dipasang orifis (lihat Gambar .5).
Gambar .5 Tabung Vorteks
Gas bertekanan dimasukan melalui nosel tangensial sehingga membentuk aliran vorteks dalam tabung. Vorteks bagian luar akan bertemperatur lebih tinggi dari temperatur masuk dan mengalir kearah kanan (ujung panas). Vorteks bagian dalam yang bertemperatur lebih rendah dari temperatur masuk, karena kehilangan energi kinetik, akan mengalir ke kiri dan keluar melalui ofrifis. Gas yang bertemperatur lebih rendah inilah yang akan dimanfaatkan. Bukaan katup trotel akan mengatur temperatur dan banyaknya gas dingin yang keluar dari ujung kiri (ujung dingin). Semakin besar bukaan katup semakin rendah temperatur gas dingin tetapi semakin sedikit jumlahnya, demikian pula sebaliknya.
.7 ANALISIS KINERJA MESIN REFRIGERASI KOMPRESI UAP
Parameter-parameter prestasi mesin refrigerasi kompresi uap, antara lain: kerja kompresi, laju pengeluaran kalor, efek refrigerasi, dan koefisien performansi (coefficient of performance, COP). Penentuan parameter-parameter tersebut dapat dibantu dengan penggunaan sketsa proses pada diagram tekanan-entalpi (Gambar 1.6) dan tabel sifat-sifat refrigeran.
Gambar .6 Sketsa proses Siklus Refrigerasi Kompresi Uap Standar
Kerja kompresi persatuan massa refrigeran ditentukan oleh perubahan entalpi pada proses 1-2 (Gambar .6) dan dapat dinyatakan sebagai:
(4-1)
Hubungan tersebut diturunkan dari persamaan energi dalam keadaan tunak, pada proses kompresi adiabatik reversibel dengan perubahan energi kinetik dan energi potensial diabaikan. Perbedaan entalpinya merupakan besaran negatif yang menunjukkan bahwa kerja diberikan kepada sistem.
Kalor yang dibuang melalui kondensor dari refrigeran ke lingkungan yang lebih rendah temperaturnya terjadi pada proses 2-3, yaitu:
(4-2)
Besaran ini bernilai negatif, karena kalor dipindahkan dari sistem refrigerasi ke lingkungan.
Pada proses 3-4 merupakan proses ekspansi refrigeran menuju tekanan evaporator. Proses ini biasanya dimodelkan dengan proses cekik tanpa adanya perpindahan kalor (adiabatik) dan proses berlangsung tak-reversibel, sehingga diperoleh hubungan: h3 = h4
Efek refrigerasi (qrc) adalah kalor yang diterima oleh sistem dari lingkungan melalui evaporator per satuan laju massa refrigeran. Efek refrigerasi merupakan parameter penting, karena merupakan efek yang berguna dan diinginkan dari suatu sistem refrigerasi.
(4-3)
Sedangkan kapasitas refrigerasi (Qrc) merupakan perkalian antara laju massa refrigeran dengan efek refrigerasi.
Koefisien performansi, COP, adalah besarnya energi yang berguna, yaitu efek refrigerasi, dibagi dengan kerja yang diperlukan sistem, yaitu kerja kompresi. (4-4)
8 SIKLUS KOMPRESI UAP AKTUAL
Pada kenyataannya siklus kompresi uap mengalami penyimpangan dari kompresi uap standar,. sebagaimana yang ditunjukkan pada Gambar 2.3. Perbedaan penting siklus kompresi uap aktual dari siklus standar, adalah:
1. Terjadi penurunan tekanan di sepanjang pipa kondensor dan evaporator.
2. Adanya proses pembawahdinginan (sub-cooling) cairan yang meninggalkan kondensor sebelum memasuki alat ekspansi
3. Pemanasan lanjut uap yang meninggalkan evaporator sebelum me-masuki kompresor.
4. Terjadi kenaikan entropi pada saat proses kompresi (kompresi tak isentropik).
5. Proses ekspansi berlangsung non-adiabatik
Walaupun siklus aktual tidak sama dengan siklus standar, tetapi proses ideal dalam siklus standar sangat bermanfaat, dan diperlukan untuk mempermudah analisis siklus secara teoritik.
Gambar .7 Siklus kompresi uap aktual dan siklus standar
.9 MESIN REFRIGERASI SIKLUS KOMPRESI UAP (SKU)
Susunan komponen mesin refrigerasi ini secara skematik diperlihatkan pada Gambar 4.8. Komponen utama yang akan dibahas adalah: (a) Kompresor, (b) Kondensor, (c) Filter-drier, (d) Pipa kapiler, (e) Evaporator.
Gambar .8 Skema susunan komponen utama mesin refrigerasi SKU
.9.1 Kompresor
Kompresor berfungsi untuk mensirkulasikan refrigeran dan menaikan tekanan refrigeran agar dapat mengembun di kondensor pada temperatur di atas temperatur udara sekeliling.
Berdasarkan letak motornya kompresor dapat dikelompokan menjadi dua jenis yaitu kompresor jenis terbuka dan kompresor jenis hermetik. Pada kompresor jenis terbuka motor terpisah dengan kompresor dan daya dari motor ditransmisikan melalui sabuk (belt) atau sistem transmisi daya lainnya. Pada kompresor hermetik, motor dan kompresor berada dalam satu cangkang (selubung) yang kedap udara. Terdapat juga jenis kompresor yang lain yaitu sermi hermetik. Berbeda dengan kompresor hermetik yang selubungnya disambung dengan las, maka pada kompresor semi hermetik selubungnya disambung dengan baut sehingga bisa dibuka untuk berbagai keperluan servis termasuk untuk menggulung ulang kumparan motor listrik.
Pada mesin refrigerasi rumah tangga dan komersial jenis kompresor yang biasa digunakan adalah kompresor tipe hermetik. Kompresornya dapat menggunakan kompresor jenis torak, atau rotari seperti kompresor sudu (vane type), roller atau schroll.
Untuk melindungi bagian-bagian yang bergesek seperti torak dan dinding selinder serta bantalan, maka kompresor diberi pelumas. Pelumas ini bisanya bercampur dengan refrigeran. Pada kompresor hermetik yang digunakan untuk mesin refrigerasi rumah tanggal dan komersial, biasanya digunakan pelumas yang larut dengan baik dalam refrigerannya.
9.2 Kondensor dan Evaporator
Kondensor adalah alat di mana refrigeran didinginkan sehingga mengembun. Pada mesin refrigerasi rumah tangga dan komersial, panas pengembunan dibuang ke udara sekeliling secara alami karena adanya perbedaan temperatur refrigeran dengan udara sekeliling.
Jenis kondensor yang digunakan pada mesin refrigerasi rumah tangga dan komersial pada umumnya adalah jenis pipa polos dengan pendinginan alami. Dalam hal ini panas yang berpindah secara alami dari refrigeran yang mengembun ke udara sekeliling akibat adanya perbedaan temperatur.
Evaporator adalah alat tempat refrigeran menguap. Panas yang diperlukan untuk penguapan diperoleh dari benda/media yang akan didinginkan. Proses penyerapan panas ini menyebabkan penurunan temperatur pada benda/media yang akan didinginkan.
Jenis evaporator yang biasa digunakan adalah jenis evaporator permukaan pelat dan pipa polos. Gambar 4.3 diperlihatkan contoh-contoh kondensor dan evaporator yang dibahas. Pada mesin dengan kapaistas yang besar digunakan kondensor pipa bersirip.
9.3 Filter-drier dan Pipa Kapiler
Fungsi utama Filter-drier adalah menyerap uap air yang terlarut dalam refrigeran dan menyaring padatan terlarut jika ada. Air dicegah masuk ke dalam pipa kapiler dan evaporator, karena dapat menyebabkan penyumbatan oleh air yang menjadi es pada temperatur evaporator yang rendah.
Terdapat dua jenis filter drier yaitu alumina aktif (bukan silica gel) dan molecular sieve. Alumina aktif terbuat dari Al203 dapat menyerap uap air lebih banyak dari silica gel dan juga dapat menyerap asam baik dari refrigeran maupun pelumas. Molecular sieves terbuat dari logam alumina silikat, memiliki kemampuan menyerap uap air yang sangat tinggi. Saat ini filter-drier yang banyak digunakan adalah jenis molecular sieves. Berdasarkan tingkatan kemampuannya dalam menyerap uap air molecular sieve dibuat dalam 3 grade yaitu XH-5, XH-7, dan XH-9. Semakin tinggi gradenya semakin tinggi kemampuannya dalam menyerap uap air. Mesin dengan refrigeran R-12 bisanya menggunakan XH-5 sedangkan mesin dengan refrigeran R-134a menggunakan XH-7 atau XH-9.
Pipa kapiler berfungsi untuk menurunkan tekanan refrigeran agar dapat menguap di evaporator pada temperatur yang rendah. Tekanan refrigeran dapat diturunkan sebagai akibat adanya gesekan pada pipa kapiler yang panjang dan berdiameter kecil.
Ukuran pipa kapiler biasanya dinyatakan dengan angka 10, 20 dan seterusnya hingga 90. Anggka tersebut menunjukkan diameter pipa tersebut, grade 10 menunjukkan diameter pipa 0,010 inci.
