pengantar teknik refrigerasi

PENGANTAR TEKNIK REFRIGERASI
INDRA S. DALIMUNTHE
Program Studi Teknik Kimia
Fakultas Teknik
Universitas Sumatera Utara
BABI
PENDAHULUAN
1.1. Refrigerasi
Refrigerasi adalah metode pengkondisian temperatur ruangan agar tetap
berada di bawah temperatur lingkungan. Karena temperatur mangan yang terkondisi
tersebut selalu berada di bawah temperatur lingkungan, maka ruangan akan menjadi
dingin, sehingga refrigerasi dapat juga disebut dengan metode pendinginan.
Metode pendinginan (refrigerasi) ini akan berhasil dengan menggunakan
bantuan zat refrigerant. Refrigerant akan bertindak sebagai media penyerap dan
pemindah panas dengan cara merubah fasanya. Refrigerant adalah suatu zat yang
mudah berubah fasanya dari cair menjadi uap dan sebaliknya apabila kondisi
tekanan dan temperaturnya diubah.
1.2. Manfaat Refrigerasi
Operasi refrigerasi mempunyai manfaat yang banyak, antara lain:
1. Pengkondisian udara pada mangan dalam bangunan/rumah, sehingga
temperatur di dalam bangunan/rumah lebih dingin dibanding di luar rumah.
2. Pengolahan/transportasi/penyediaan
bahan-bahan
makanan/minuman
menjadi legis terhadap aktivitas mikro organisme.
3. Pembuatan batu es dan dehidrasi gas dalam skala besar .
4. Pemurnian minyak pelumas pada industri minyak bumi.
5. Melangsungkan reaksi-reaksi kimia pada temperatur rendah.
6. Pemisahan terhadap komponen-komponen hidrokarbon yang mudah
menguap.
7. Pencairan gas untuk mendapatkan gas mumi (02 dan N2).
BAB II
PERALATAN - PERALATAN POKOK REFRIGERASI
Operasi refrigerasi butuh suatu mesin yang disebut dengan refrigerator. Refrigerator
merupakan kumpulan serangkaian peralatan, seperti:
1. Kompressor.
2. Kondensor.
3 Akumulator.
4. Mesin ekspansi / katup ekspansi.
5. Evaporator.
II.1. Kompressor
Kompressor adalah alat yang digunakan untuk menghisap uap refrigerant dan
mengkompresinya sehingga tekanan uap refrigerant naik sampai ke tekanan yang
diperlukan untuk pengembunan (kondensasi) uap regrigerant di dalam kondensor.
Kompressor ini digerakkan oleh sumber tenaga dari mesin penggerak, seperti:
© 2004 Digitized by Usu digital library
1
• Motor listrik
• Motor bakar
• Diesel
• Mesin uap
• Turbin gas
Pada kompressor, berlaku persamaan neraca energi;
- W kompressor = ∆H
W kompressor = H1 – H2
Karena kompressi, fluida kerja (uap refrigerant) terkompressi menjadi naik
entalpinya (H2 > H J, sehingga dapat dikatakan energi dari sumber digunakan untuk
menaikkan entalpi fluida kerja.
II.2. Kondensor
Kondensor merupakan alat penukar panas yang berguna untuk mendinginkan
uap refrigerant dari kompressor agar dapat mengembun menjadi cairan. Pada saat
pengembunan ini, refrigerant mengeluarkan sejumlah kalori (panas pengembunan)
yang mana panas ini diterima oleh media pendingin di dalam kondensor.
II.3. Akumulator
Merupakan alat yang berguna untuk mengumpulkan cairan refrigerant yang
berasal dari kondensor. Dengan adanya alat ini akan memudahkan pengaturan stock
dari total refrigerant.
II.4. Mesin Ekspansi atau Katup Ekspansi
Mesin atau katup ekspansi ini berfungsi untuk menurunkan tekanan dari
cairan refrigerant sebelum masuk ke evaporator, sehingga akan memudahkan
refrigerant menguap di evaporator dan menyerap kalori (panas) dari media yang
didinginkan.
II.5. Evaporator
Juga merupakan alat penukar panas. Refrigerant cair dengan tekanan rendah
setelah proses ekspansi, diuapkan dalam alat ini. Untuk penguapan refrigerant cair
ini tentunya diperlukan sejumlah kalori, yang mana diambil dari media yang akan
didinginkan oleh sistem refrigerasi. Misalnya pada mesin Air Conditioning (AC),
media yang didinginkan adalah udara di dalam ruangan (kamar). Begitu pula pada
kulkas, media yang didinginkan adalah ruangan dalam kulkas dan segala sesuatu
yang berada dalam kulkas. Uap refrigerant yang terbentuk di evaporator langsung
dihisap oleh kompressor, demikian seterusnya mengulangi langkah pertama tadi
sehingga membentuk suatu siklus, yang disebut dengan siklus refrigerasi.
BAB III
SIKLUS-SIKLUS REFRIGERASI
III. I. PrinsiRp/ Esensi Refrigerasi
Agar didapatkan kondisi temperatur selalu berada di bawah temperatur
lingkungan, maka temperatur rendah yang diperoleh tersebut harus dijaga dengan
cara menyerap panas yang dimiliki waduk/ reservoar / ruangan bertemperatur
© 2004 Digitized by Usu digital library
2
rendah secara kontinu. Untuk itu diperlukan suatu proses aliran panas yang berasal
dari ruangan ini secara kontinu.
Penyerapan panas dilakukan dengan cara penguapan ( evaporasi) refrigerant
cair. Refrigerant ini akan menguap pada evaporator pada tekanan evaporasi, untuk
itu refrigerant harus memiliki titik didih yang rendah. Panas yang diserap uap
refrigerant ini dibuang / dilepas pada ruangan bertemperatur tinggi (kondensor).
Uap refrigerant ini secara kontinu dikembalikan ke keadaan awalnya (refrigerant
cair) agar dapat menyerap panas dari ruangan temperatur rendah lagi. Untuk itu
perlu suatu proses siklus, yang disebut dengan situs refrigerasi.
Esensi dari siklus refrigerasi ini adalah pemindahan kalori / panas dari
ruangan temperatur rendah ke ruangan temperatur tinggi. Agar proses pemindahan
panas ini terjadi, perlu adanya kompensasi / pengorbanan energi dari luar /
ekstemal energi (menurut Hukum II Thermodinamika). Energi ekstemal tersebut
dipasok oleh kompressor.
Siklus refrigerasi terdiri dari langkah-langkah:
1. Penyerapan panas pada ruangan temperatur rendah, oleh refrigerant cair
pada evaporator.
2. Kompressi uap refrigerant pada kompressor.
3. Pembuangan / pelepasan panas pada ruangan temperatur tinggi, oleh
refrigerant pada kondensor.
4. Ekspansi, pengembalian kondisi uap refrigerant seperti semula (refrigerant
cair), oleh mesin atau katup ekspansi.
III.2. lstilah-lstilah Penting Pada Refrigerasi
1. Situs refrigerasi adalah apabila yang menjadi tujuan adalah pemindahan
panas dari ruangan temperatur rendah.
Contoh : kulkas, AC.
2. Situs pompa kalor adalah apabila yang menjadi tujuan adalah penerimaan
panas yang mana panas tersebut berasal dari ruangan, bertemperatur
rendah.
Contoh : Pompa kalor sebagai penghangat ruangan.
3. Efek Refrigerasi (Refrigerating Effect) adalah jumlah panas yang diserap
diambil dari ruangan temperatur rendah.
4. Efek Pemanasan (Heat Effect) adalah jumlah panas yang diterima oleh
ruangan temperatur tinggi.
5. Ton Refrigerasi adalah laju efek refrigerasi pada suatu operasi pabrik
refrigerasi (pabrik es), yang merupakan laju penyerapan panas sebesar
288.000 Btu per hari (24 jam).
1 ton refrigerasi
= 288.000 Btu / hari
= 200 Btu / menit
= 50 kkal / menit
III.3. Tipe- TiDe Siklus Refrigerasi
Ada beberapa tipe dari siklus refrigerasi, antara lain:
1. Siklus refrigerasi carnot.
2. Siklus refrigerasi udara.
3. Siklus kompressi uap, terdiri dari:
a. Dengan mesin ekspansi.
b. Dengan katup ekspansi (konvensional).
© 2004 Digitized by Usu digital library
3
III.4. Siklus Refrigerasi Carnot
Merupakan kebalikan dari siklus mesin kalor carnot.
Terdiri dari 2 (dua) proses isothermal dan 2 (dua) proses adiabatis, dan penambahan
energi ekstemal ke sistem.
© 2004 Digitized by Usu digital library
4
Panas diserap pada temperatur rendah T2= Q2
Panas dibuang pada temperatur tinggi T1= Q1
Energi eksternal
Efek refrigenerasi
Q2 = T2 ∆S
Q1 = T1 ∆S
Menurut Hukum I Thermodinamika,
∆U = ∆Q - W
Untuk panas siklus → ∆U = 0, maka : ∆Q = W
= Qakhir – Q awal
Weksternal
= Q1 - Q2
= T1 ∆S – T2 ∆S
W ekternal = (T1 –T2) ∆S
Coefisient of Performance, COP ;
Efek Refrigerasi
COP
=
-----------------W eksternal
=
Q2
-----------------W eksternal
T2 ∆S
= ----------------(T1 – T2) ∆S
T1 > T2
T2
COP = ----------T1 – T2
III.5. Siklus Refrigerasi Udara
Pada siklus ini, udara bertindak sebagai refrigerant, yang menyerap panas
pada tekanan konstan P, di dalam refrigerator. Udara panas keluar refrigerator,
dikompressi untuk dibuang panasnya ke lingkungan melalui cooler pada tekanan
konstan P2 (P2 > P1). Udara keluar cooler dikembalikan ke keadaan awal oleh mesin
ekspansi untuk dapat melakukan langkah awal pada siklus berikutnya.
Diagram Alir Siklus Refrigenerasi Udara
© 2004 Digitized by Usu digital library
5
Siklus terdiri dari langkah – langkah :
AB
=
udara panas dikompressi secara isentropis
BC
=
Udara panas membuang panasnya pada tekanan konstan P2 ke
lingkungan
CD
=
Udara dikembalikan ke keadaan awalnya melalui proses ekspansi
pada mesin ekspansi. Selain terjadi penurunan tekanan dari P2 ke
P1, juga dihasilkan sejumlah energi Wekspansi. Energi ekspansi, Wekspansi,
ini digunakan untuk sebagian kerja kompressi AB, kekurangan daya
kompressi diperoleh dari Weksternal.
DA
=
Udara dingin menyerap panas dari ruangan rendah (refrigerator).
Misal : m = kecepatan aliran refrigerant udara.
Panas diserap pada ruangan temperatur rendah (refrigerator), Q2
Q2 = m Cp (TA-TD)
Panas dibuang pada ruangan temperatur tinggi (cooler), Q1
Q1 = m Cp (TB-TC)
Energi ekstemal, Weksternal = Q1 -Q2
Weksternal
= [mCp(TB-TC) – mCp (TA-TD)]
= m Cp [ ( TB -TC ) - ( TA - TD ) ]
Q2
COP = ------------Weksternal
=
=
mCp(TA-TD)
----------------------------m Cp [ ( TB – TC ) - ( TA -TD ) ]
TA-TB
--------------------(TB-TC) -(TA-TD)
© 2004 Digitized by Usu digital library
6
© 2004 Digitized by Usu digital library
7
Siklus refrigerasi udara ini disebut juga dengan siklus Bell-Coleman, pertama sekali
digunakan sebagai dasar siklus mesin pendingin pada kapal laut yang mengangkut
daging beku. Siklus pendingin ini sudah tidak memadai lagi karena kandungan uap
air yang terdapat pada udara akan membeku selama proses ekspansi, sehingga
membentuk batu es dan dapat menyumbat katup ekspansi.
Contoh Kasus Situs Refrigerasi Udara :
Suatu mesin pendingin menggunakan siklus Bell-Coleman, udara kelua ruang
pendingin (refrigerator) pada tekanan 1 kg/cm2, 10°C, lalu dikompressi sehingga
tekanannya menjadi 5 kg/cm2. Udara terkompressi ini didinginkan pada tekanan
tetap sampai temperatur 25°C di dalam cooler. Udara keluar cooler diekspansikan
sampai ke tekanan ruang pendingin 1 kg/cm2.
Pertanyaan : Nyatakan COP teoritis dan efek refrigerasi / kg udara secara teoritis.
Asumsi : Proses kompressi dan ekspansi berlangsung secara isentropis.
γ = 1,41 Cp = 0,241 kkal / kg °C
TA
TC
=
=
10 °C =
25 °C =
Dari persamaan : (TC/TD)
Dari persaman :
283°K
298°K
= (TB/TA)
=
(P2/P1)
= (5/1) (1,41 – 1)/1,41
(TB/TA)
TB
= 1,597
= 452 °K
(TC/TD)
TD
= 1,597
= 187 °K
(γ-1)/γ
Efek refrigasi /Kg udara = Q2
Q2
Q2
=
=
=
m Cp (TA – TD)
1 Kg (0,241)kkal/kg °C (283 – 187) °C
23,14 kkal/kg udara
panas dilepas pada cooler/kg udara = Q1
Q1
=
1kg (0,241) kkal/kg °C (452 –298) °C
=
37,11 kkal/kg udara
© 2004 Digitized by Usu digital library
8
Weksternal / kg udara
= Q1 -Q2
= 13,97 kkal
Q2
COP = -----------------Wekstemal
23,14
= ----------------13,97
COP = 1,66
III. 6. Siklus Kompressi Uap
Selama proses siklus, fluida kerja (refrigerant) diuapkan pada refrigerator
karena menyerap panas pada temperatur konstan. Uap yang terbentuk dikompressi
sehingga tekanannya menj adi naik. Uap refrigerant tekanan tinggi ini dialirkan ke
kondensor, dengan berkondensasi panas akan dilepas ke lingkungan temperatur
tinggi (kondensor). Langkah siklus disempurnakan dengan mengembalikan keadaan
refrigerant ke keadaan awal melalui langkah ekspansi.
Untuk langkah ekspansi ini, dilakukan dengan 2 (dua) cara:
1. Dengan menggunakan mesin ekspansi.
2. Dengan menggunakan katup ekspansi
© 2004 Digitized by Usu digital library
9
Analisa Thermodinamika:
Panas diserap pada mangan temperatur rendah = Q2
Persamaan neraca energi:
∆H2
∆H + ----- + ∆zg = Q2 - Ws
2
Pada refrigerator;
Perubahan
diabaikan,
maka : ∆H = Q2
energi-energi
kinetik,
potensial,
dan
kerja
mekanis
dapat
Q2 = HA -HD
Panas dilepas ke lingkungan temperatur tinggi = Q1
Dengan cara yang sama, pada kondensor didapat:
Q1 = ∆H = HB – Hc
Kerja ekstemal = Wekstemal
Weksternal
= Q1 -Q2
= (HB – HC)- (HA - HD)
Q2
COP = -----------Wekstemal
•
•
COP =
HA-HD
-------------------------(HB - HC) - (HA - HD)
© 2004 Digitized by Usu digital library
10
Di mana:
=
HA
=
HB
=
=
HB
HC
HD
Entalpi uap refrigerant jenis pada P1.
Entalpi uap pada titik B, uap adalah superheated.
Entalpi uap jenuh pada tekanan kondensor + Cp ( T
HE + Cp (T sup -T sat)
T superheated dihitung dengan:
TSUP
SB = SA = SE + Cp 1n------Tsat
Entalpi cairan jenuh refrigerant pada P2.
Entalpi pada titik D (uap basah) pada P1.
=
=
sup
-T
sat).
Jika siklus kompressi uap menggunakan katup ekspansi (proses isentropis), maka
HC= HD, sehingga :
HA - HD
COP = -------HB - HA
Untuk kapasitas 1 ton refrigerasi:
Q2
=
12.000 Btu/jam
=
12.000 Btu / jam
--------------------- =
HA - HD Btu/1bm rfer
m
=
( HA - HD) Btu/lbm refr.
Ibm refr.
-----------jam
=
m
12.000
--------HA - HD
m = Laju alir refrigerant per jam untuk 1 ton refrigerasi
Atau,
12.000
m = -------------Cp(TA.TD)
Contoh Kasus Siklus Kompressi Uap:
Suatu pabrik es memproduksi 250 ton es per hari, dengan menggunakan siklus
kompressi uap, dengan NH3 sebagai refrigerant. Hitung kecepatan sirkulasi dari
refrigerant, dan daya yang dibutuhkan untuk kompressi, jika temperatur evaporator
dan kondensor adalah 32°F dan 70°F. Uap keluar evaporator adalah jenuh. COP dari
pabrik adalah 3, dan efisiensi elektris mekanis = 90 %.
Data:
Entalpi NH3 pada 32°F (uapjenuh) = 621 Btu / Ibm
Entalpi NH3 pada 70°F (liq. Jenuh) = 120,5 Btu / Ibm
Pembahasan:
© 2004 Digitized by Usu digital library
11
=
=
=
=
T2
T1
Ha
HC
•
•
32°F = 0°C
70°F = 21°C
621 Btu/1bm
HD
=
120,5 Btu/1bm
Lajur alir refrigerant, m :
Q2
m
= -----------HA - HD
m
12000 Btu/ ton.jam X 250 ton
= ---------------------------------------(621 – 120,5 ) Btu/1bm
m
=
99,90 1bm/menit
Kerja eksternal, Weksterna :
Weksterna
Weksterna
99,90 1bm/menit (621 – 120,5 ) Btu/1bm
= -------------------------------------------------3 x 0,90
1 HP
= 18.518,50 Btu/menit x -------------------42,42 Btu/menit
= 436,55 HP
Maka
• Laju sirkulasi refrigerant
• Daya untuk kompressi
=
99,90 1bm/menit
=
436,55 HP
2.Sutau pabrik mempunyai instalasi pendingin kompressi uap konvensional
dengan kapasitas 10 ton. Mesin pendiongin tersebut menggunakan air sebagai
refrigrant. Temperatur pada evaporator dan konsendor adalah 40 °F dan 70°F.
Uap keluar evaporator adalah jenuh dan proses kompressi adalah isentropis.
Hitunglah :
a.
b.
Cop dan laju sirkulasi refrigerant.
Apakah ada perbedaan COP dan laju sirkulasi refrigant denga siklus
carnot.
© 2004 Digitized by Usu digital library
12
Pembahasan
Kapasitas pabrik
T2 = 40°F =
T1 = 70°F =
Cp = 0,5 Btu/1bm.
=
10 ton
C4,4 °C
21,1°C
°R
Dari total uap (saturated steam) :
Ha = 1078,6 Btu/ibm
HC = 38,05 Btu/1bm
=
isentalpi
= 38,05 Btu/1bm
HD = HC
HE = 1091,5 Btu/1bm
SA = 2,1585 Btu/1bm. °R
SE = 2,0632 Btu/1bm. °R
Menghitung COP dan m :
I.
Tsat
=
TE
=
70 + 460
SA
=
SB
=
SE + Cp 1n
2,1585 =
2,0632 + 0,5 1n
Tsup = 641 °R
HB
= 530°R
Tsup
------Tsat
Tsup
--------530
= HE + Cp (Tsup – Tsat)
= 1091,5 + 0,5 (641 –530)
= 1147 Btu/1bm
HA - HD
COP = -------- =
HB - HA
1078,6 – 38,05
-----------------------1,47 – 1078,6
COP = 15,18
Laju sirkulasi refrigerant, m :
© 2004 Digitized by Usu digital library
13
m
=
12000 x 10
--------------------(1078,6 – 38,05)
=
115,3 1bm/jam
II. COP Carnot
=
40 + 460
-----------------------------(70 +460 ) – (40 – 460)
= 11, 67
Laju sirkulasi refrigerant tetap sama, yaitu 115,3 1bm/jam
BAB IV
KESIMPULAN
1. Refrigerasi adalah metode pendinginan ruangan dengan jalan menyerap
panas ruangan dengan ke lingkungan yang tempertaurnya lebih tinggi.
2. Refririgant dengan titik didih rendah digunakan sebagai media pembawa
panas tersebut
3. Penyerapan dan pelepasan panas tersebut berlangsung dalam suatu siklus
yaitu siklus refrigerasi.
4. Siklus – siklus refrigerasi terdiri dari :
• Siklus refregerasi carnot
• Siklus refregerasi udara
• Siklus refregerasi uap
DAFTAR PUSTAKA
Bett, Rowluism [dan] Saville. Thermodynamics for chemical engineers. London : The
Artlone Press, [s.a]
Daubert. Chemical engineering thermodynamics.Singapore : Mc.Graw Hill, [s.a]
Smith [dan] Van Ness. Introduction to chemical engineering thermodynamics.
Singapore : Mc. Graw Hill, [s,a]
© 2004 Digitized by Usu digital library
14