147
http://tep.fateta.ipb.ac.id/elearning/media/Teknik %20Pendinginan Teknik Pendinginan Mata kuliah Teknik Pendinginan membahas analisis dan disain sistem pendingin, disain instalasi refrigerasi, penentuan bahan, kapasitas refrigerasi dan kebutuhan energi peralatan refrigerasi. Sistem pendinginan yang dicakup adalah: kompresi uap, sistem absorpsi dan termoelektrik dengan aplikasi pada pengkondisian udara, pembekuan dan penyimpanan dingin. BAB 1. APLIKASI TEKNIK PENDINGINAN Tujuan Instruksional Khusus: Mahasiswa mampu menjelaskan gambaran umum penerapan Teknik Pendinginan untuk pengkondisian udara, penyimpanan dingin dan pembekuan. Pokok bahasan ini mencakup sejarah singkat perkembangan sistem refrigerasi, yang meliputi jenis

Pending In

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Pending In

http://tep.fateta.ipb.ac.id/elearning/media/Teknik%20Pendinginan

Teknik Pendinginan

Mata kuliah Teknik Pendinginan membahas analisis dan disain sistem pendingin, disain instalasi refrigerasi, penentuan bahan, kapasitas refrigerasi dan kebutuhan energi peralatan refrigerasi. Sistem pendinginan yang dicakup adalah: kompresi uap, sistem absorpsi dan termoelektrik dengan aplikasi pada pengkondisian udara, pembekuan dan penyimpanan dingin.

BAB 1. APLIKASI TEKNIK PENDINGINAN

Tujuan Instruksional Khusus:

Mahasiswa mampu menjelaskan gambaran umum penerapan Teknik Pendinginan untuk pengkondisian udara, penyimpanan dingin dan pembekuan. Pokok bahasan ini mencakup sejarah singkat perkembangan sistem refrigerasi, yang meliputi jenis kompresi uap maupun jenis lainnya, hingga pada penerapannya khususnya dalam bidang pertanian dan tantangan yang dihadapi oleh industry pendinginan/pembekuan produk pertanian/pangan dewasa ini.

A. Sejarah Teknik Pendinginan

Sejarah teknik pendinginan berkembang sejalan dengan perkembangan peradaban manusia di wilayah sub-tropik.  Secara alamiah, manusia yang tinggal di wilayah sub-

Page 2: Pending In

tropik menyadari bahwa bahan pangan yang mudah rusak ternyata dapat disimpan lebih lama dan lebih baik pada saat musim dingin dibandingkan dengan pada saat musim panas.  Kesadaran inilah yang memandu manusia pada saat itu mulai memanfaatkan “es alam” untuk memperpanjang masa simpan bahan pangan yang mudah rusak.

Penggunaan es alam ini bahkan masih dilakukan hingga abad ke-20, dan bahkan menurut catatan IIR (Intenational Institute of Refrigeration) hingga awal abad ke-20 penggunaan es alam masih lebih banyak dibandingkan “es buatan”. Es alam adalah es yang dihasilkan tanpa peralatan refrigerasi, baik yang diperoleh dari sungai atau danau yang membeku pada musim dingin atau yang sengaja dibekukan secara alamiah akibat radiasi termal dari permukaan air ke langit.

Di wilayah dengan kelembaban udara yang rendah, seperti Timur Tengah, sejarah pendinginan dimulai dengan pendinginan evaporatif, yaitu dengan menggantungkan tikar basah di depan pintu yang terbuka untuk mengurangi panasnya udara dalam ruangan.  Pada abad ke-15, Leonardo da Vinci telah merancang suatu mesin pendingin evaporatif ukuran besar.  Konon, mesin ini dipersembahkan untuk Beatrice d’Este, istri Duke of Milan (Pita, 1981).  Mesin ini mempunyai roda besar, yang diletakkan di luar istana, dan digerakkan oleh air (sekali-sekali dibantu oleh budak) dengan katup-katup yang terbuka-tutup secara otomatis untuk menarik udara ke dalam drum di tengah roda.  Udara yang telah dibersihkan di dalam roda dipaksa keluar melalui pipa kecil dan dialirkan ke dalam ruangan (Gambar 1-1).

Gambar 1-1. Mesin pendingin evaporatif rancangan Leonardo da Vinci (Pita, 1981)

Perkembangan teknik pendinginan selanjutnya masih terjadi secara tidak sengaja, yaitu penggunaan larutan air-garam untuk mendapatkan suhu yang lebih rendah.  Menurut catatan Ibn Abi Usaibia, seorang penulis Arab, penggunaan larutan air-garam ini sudah dilakukan di India sekitar abad ke-4. Garam yang digunakan pada larutan tersebut adalah potasium nitrat, sebagaimana dicatat oleh seorang dokter Italia bernama Zimara pada tahun 1530 dan dokter Spanyol bernama Blas Villafranca pada tahun 1550. Fenomena

Page 3: Pending In

pencampuran garam pada salju untuk mendapatkan suhu lebih rendah baru dapat dijelaskan oleh Battista Porta pada tahun 1589 dan Trancredo pada tahun 1607.Teknik pendinginan mulai berkembang secara ilmiah sejak abad ke-17, dimulai dari penelitian tentang pemantulan melalui efek panas dan dingin yang dilakukan oleh Robert Boyle (1627-1691) di Inggris dan Mikhail Lomonossov (1711-1765) di Rusia. Selanjutnya, penelitian mengenai termometri yang dimulai oleh Galileo dikembangkan kembali oleh Guillaume Amontons (1663-1705) di Perancis, Isaac Newton (1642-1727) di Inggris, Daniel Fahrenheit (1686-1736) orang German yang bekerja di Inggris dan Belanda, René de Réaumur (1683-1757) di Perancis dan Anders Celsius (1701-1744) di Swedia. Tiga ilmuwan yang disebutkan terakhir merupakan penemu sistem skala pengukuran suhu, dan masing-masing namanya diabadikan pada sistem skala tersebut yaitu Fahrenheit, Reaumur dan Celsius.  Setelah Anders Celsius menemukan termometer skala centesimal pada tahun 1742 di Swedia, disepakati bahwa sistem skala yang digunakan pada Sistem Internasional adalah Celsius.

Gambar 1-2. Robert Boyle

Pada awal abad ke-18, William Cullen (1710-1790) menemukan terjadinya penurunan suhu pada saat ethyl ether menguap. Cullen, bahkan, pada tahun 1755 berhasil mendapatkan sedikit es dengan cara menguapkan air di labu uap. Murid dan penerus Cullen, yaitu seorang Scotland yang bernama Joseph Black (1728-1799) berhasil menjelaskan pengertian panas dan suhu, sehingga sering dianggap sebagai penemu kalorimetri. Bidang ini akhirnya dikembangkan dengan sangat baik oleh para ilmuwan Perancis, seperti Pierre Simon de Laplace (1749-1827), Pierre Dulong (1785-1838), Alexis Petit (1791-1820), Nicolas Clément-Desormes (1778-1841) dan Victor Regnault (1810-1878). 

Page 4: Pending In

B. Perkembangan Mesin Pendingin Sistem Kompresi Uap

Tulisan Sadi Carnot (1796-1832), seorang Perancis, yang sangat terkenal pada tahun 1824 menjadi inspirasi bagi banyak penelitian yang dilakukan mengenai berbagai konsep termodinamika dan sistem pendinginan, termasuk James Prescot Joule (Inggris, 1818-1889), Julios von Mayer (Jerman, 1814-1878), Herman von Helmholtz (Jerman, 1821-1894), Rudolph Clausius (Jerman, 1822-1888), Ludwig Boltzmann (Austria, 1844-1906), dan William Thomson (Lord Kelvin, Inggris, 1824-1907).

Gambar 1-3. Sadi Carnot

Penemuan-penemuan di atas menjadi awal yang sangat berharga dalam sejarah penemuan mesin-mesin pendinginan dan zat-zat pendinginnya. Perkembangan ini dimulai dengan mesin pendingin mekanis, setelah seorang Amerika bernama Oliver Evans (1755-1819) mampu menjelaskan siklus refrigerasi kompresi uap. Pada tahun 1835, seorang Amerika lainnya yang bekerja di Inggris yaitu Jacob Perkins (1766-1849) berhasil mendapatkan paten untuk mesin pendingin temuannya yang bekerja berdasarkan siklus kompresi uap tersebut. 

Gambar 1-4. Siklus Refrigerari Kompresi Uap

Fluida kerja (refrigeran) yang digunakan Perkins pada mesin pendinginnya tersebut adalah ethyl ether.  James Harrison (1816-1893), seorang Skotlandia yang pindah ke Australia, berhasil membuat mesin pendingin yang dapat bekerja dengan baik pada skala industrial.  Mesin tersebut dipatenkan oleh Harrison pada tahun 1855, 1856, dan 1857.  Mesin pendingin Harrison, yang diproduksi di Inggris, masih menggunakan ethyl ether

Page 5: Pending In

sebagai fluida kerja, dan mampu menghasilkan es maupun larutan pendingin (refrigeran sekunder).

Dengan ditemukannya mesin pendingin sistem kompresi uap, terjadi perkembangan yang cepat dalam penemuan zat-zat pendingin (refrigeran).  Charles Tellier (1828-1913), seorang Perancis, memperkenalkan penggunaan dimethyl ehter sebagai refigeran.  Pada tahun 1862, Tellier juga meneliti penggunaan amonia (NH3) sebagai refrigeran, meskipun penggunaannya secara luas pada skala industrial baru dapat dilakukan oleh seorang Jerman Carl von Linde (1842-1934). Refrigeran amonia masih banyak digunakan hingga sekarang, khususnya pada industri pembekuan pangan. 

Thaddeus Lowe (1832-1913) mulai menggunakan karbon-dioksida (CO2) sebagai refrigeran. Meskipun sempat ditinggalkan, penggunaan karbon-dioksida belakangan ini kembali dikembangkan sebagai refrigeran yang ramah lingkungan. Sulfur-dioksida (SO2) pertama kali digunakan sebagai refrigeran oleh ahli fisika Swiss Raoul Pierre Pictet (1846-1929), tetapi akhirnya tidak digunakan lagi sesaat sebelum perang dunia II.  Metil-klorida (Ch3Cl) juga digunakan oleh orang Perancis C. Vincent  sebagai refrigeran pada tahun 1878, meskipun akhirnya hilang dari peredaran pada tahnun 1960-an.

Didasarkan pada hasil penelitian Swarts yang dilakukan selama kurun 1893-1907 di Ghent, suatu tim peneliti Frigidaire Corporation di Amerika, yang dipimpin oleh Thomas Midgley berhasil mengembangkan refrigeran fluoro-carbon pertama pada tahun 1930.  Refrigeran fluoro-carbon dianggap sebagai refrigeran yang aman karena tidak bersifat toksik dan tidak mudah terbakar.  Refrigeran CFC (chloro-fluoro-carbon) pertama, yaitu R12 (CF2Cl2) mulai dilepas ke pasar pada tahun 1931, diikuti dengan refrigeran HCFC (hidro-chloro-fluoro-carbon) pertama, yaitu R22 (CHF2Cl) pada tahun 1934.  Pada tahun 1961, campuran azeotropik pertama, yaitu R502 (R22/R115), diperkenalkan ke pasar sebagai refrigeran.  

Refrigeran CFC, khususnya R12, dianggap sebagai zat yang sangat istimewa sebagai fluida kerja mesin pendingin sistem kompresi uap, hingga pemenang Nobel dari Amerika (F.S. Rowland dan M.J. Molina) mempublikasikan hasil penelitiannya pada tahun 1974.  Rowland dan Molina menyimpulkan bahwa klorin yang dilepaskan oleh zat halogenasi hidrokarbon menyebabkan terjadinya perusakan lapisan ozon di angkasa.  Untuk menganggapi temuan ini, pada tahun 1987 telah disepakati Protokol Montreal mengenai pelarangan penggunaan zat-zat yang bersifat merusak lapisan ozon.

Refrigeran CFC dan HCFC termasuk pada kategori zat perusak ozon, sehingga penggunaannya sebagai refrigeran juga dilarang.  Sebagai gantinya, disarankan penggunaan HFC (hidro-fluoro-carbon), yaitu refrigeran yang dihalogenasi tapi tidak diklorinasi.  Akan tetapi, refrigeran HFC, baik yang murni (R134a) maupun campurannya (R410A, R407A, R404A, dll), juga menimbulkan efek lingkungan yaitu pemanasan global.  Pada Protokol Kyoto, yang ditanda-tangani pada 11 Desember 1997, refrigeran HFC termasuk zat yang dilarang peredarannya karena menyebabkan pemanasan global.  Indonesia, sebagai negara yang ikut meratifikasi Protokol Montreal maupun Protokol

Page 6: Pending In

Kyoto, berkewajiban untuk melaksanakan setiap fasal dalam protokol yang disepakati tersebut.

Gambar 1-5. Kompresor

Kompresor scroll sebenarnya telah dipatenkan oleh seorang Perancis bernama Leon Creux pada tahun 1905, tetapi baru dapat dikembangkan pada tahun 1970-an.  Kompresor sentrifugal dikembangkan atas dasar penelitian seorang Perancis bernama Auguste Rateau tahun 1890 dan orang Amerika bernama Willis Carrier tahun 1911.  Kompresor hermetik dikembangkan untuk mengatasi kebocoran refrigeran oleh Father Audiffren pada tahun 1905 di Perancis, dan digunakan sangat banyak saat ini.

C. Perkembangan Sistem Pendingin Lainnya

Perkembangan sistem pendingin selain sistem kompresi uap dipicu oleh kemajuan yang dicapai dalam bidang termodinamika yang sangat pesat pada abad ke-19.  Kemajuan ini dimulai dari penelitian mengenai gas oleh ahli fisika Inggris Boyle, disusul oleh Edme Mariotte (1620-1684), Jacques Charles (1746-1823) dan Louis Joseph Gay-Lussac (1778-1850), hingga penelitian mengenai mesin uap yang dilakukan oleh orang Skotlandia bernama James Watt (1736-1819).  Ilmuwan Perancis Sadi Carnot (1796-1832) akhirnya mempublikasikan hasil karyanya yang menjadi inti Hukum Termodinamika Kedua pada tahun 1824.  Berbagai penelitian mengenai teknik pendinginan sangat banyak dilakukan sebagai dampak dari kemajuan termodinamika ini.

Disamping mesin pendingin sistem kompresi uap, sebagaimana dijelaskan di atas, berbagai sistem pendingin lain juga ditemukan selama abad ke-19.  Salah satu diantaranya adalah sistem pendingin siklus gas yang muncul akibat penemuan ”mesin udara” siklus terbuka oleh John Gorrie (1803-1855), seorang dokter Amerika.  Gorrie mematenkan penemuan tersebut setelah berhasil mendiningkan brine ke suhu -7 oC pada tahun 1850 dan 1851.  Alexander Kirk (1830-1892) berhasil mengembangkan mesin siklus tertutup yang dapat mendinginkan hingga suhu -13 oC pada tahun 1864.  Mesin ini didasarkan pada motor udara panas yang dikembangkan oleh pastor Skotlandia Robert Stirling pada tahun 1837.

Page 7: Pending In

Pada tahun 1834, Ahli fisika Perancis Jean Charles Peltier (1785-1845) menemukan bahwa aliran arus searah yang melalui jembatan dua logam dapat menyebabkan pendinginan pada salah satu logam dan pemanasan pada logam lainnya.  Sampai tahun 1940-an, sistem termoelektrik hanya dianggap sebagai keingin-tahuan ilmiah, hingga berkembangnya pengetahuan mengenai semi-konduktor.  Akan tetapi, hingga sekarang penggunaan sistem pendingin termoelektrik secara komersial relatif sangat kecil.

Gambar 1-6. Termoelectric cooling

Salah satu sistem pendingin yang berkembang dengan baik, disamping sistem kompresi uap, adalah sistem absorbsi.  Mesin pendingin sistem absorbsi kontinyu yang pertama ditemukan pada tahun 1859 oleh seorang Perancis bernama Ferdinand Carré (1824-1900). Mesin temuan Carré ini menggunakan air sebagai absorber dan amonia sebagai refrigeran.  Sistem absorbsi tak-kontinyu sebenarnya lebih dulu dikembangkan (hasil temuan saudara Ferdinand Carré yang bernama Edmond Carré pada tahun 1866), tetapi tidak terlalu berhasil.  Pada tahun 1913, seorang Jerman bernama Edmund Altenkirch berhasil mempelajari dan menjelaskan sifat termodinamik sistem ini dengan rinci.  Pada tahun 1940-an, sistem absorbsi dengan litium-bromida sebagai absorber dan air sebagai refrigeran berhasil dikembangkan di Amerika, sebagai modifikasi dari sistem yang dikembangkan oleh Carré.  Sistem absorbsi litium-bromida-air ini banyak digunakan dalam bidang pengkondisian udara.

D. Aplikasi Teknik Pendinginan

Refrigerasi (pendinginan) adalah suatu sistem yang mengambil panas dari suatu benda atau ruangan yang bersuhu lebih rendah dari lingkungan alamiahnya. Bangsa Romawi dan Cina mengambil es dan salju untuk digunakan sebagai penyejuk udara saat musim

Page 8: Pending In

panas. Bangsa Mesir meletakkan bejana air di atap rumah pada malam hari untuk mendinginkannya. Terlihat bahwa usaha untuk mendinginkan bahan atau udara telah ada sejak dahulu. Peradaban yang maju membuat teknik pendinginan semakin berkembang

Gambar 1-7. AC untuk tranportasi

Terdapat dua bidang pendinginan yang saling terkait dalam pendinginan yaitu bidang refrigerasi dan pengkondisian udara. Aplikasi teknik pendinginan dapat dijumpai di berbagai bidang. Di bidang industri, pengkondisian udara digunakan untuk mendapatkan suhu dan kelembaban yang nyaman bagi pekerja.

Beberapa sistem dirancang untuk mendapatkan kondisi udara dimana debu hampir tidak ada (ruang steril) seperti pada industri elektronika. Industri percetakan perlu udara dengan tingkat kelembaban tertentu sehingga kertas tidak menggumpal dan tinta cepat kering. Kelembaban yang tinggi juga dapat menyebabkan terjadinya korsleting. Perkantoran dan perumahan saat ini umum menggunakan AC untuk menambah kenyamanan ruangan.

Gambar 1-8. AC untuk Gimnaisum

Di negara sub-tropis, pengkondisian juga meliputi pemanasan ruangan saat musim dingin. Keinginan manusia untuk berkendara dengan nyaman membuat sistem pendinginan juga dijumpai di mobil dan kendaran angkutan lainnya. Industri pertanian saat ini umum menggunakan sistem cold chain untuk menjaga mutu produk. Sistem pendinginan ini biasanya digunakan untuk produk yang mudah busuk dan banyak mengandung air, seperti daging, sayur dan buah. Untuk mendapatkan umur simpan yang lebih lama, pembekuan digunakan untuk membekukan produk.

Page 9: Pending In

Gambar 1-8. Pendinginan buah

Produk yang dibekukan dapat kembali ke keadaan semula umumnya dengan perlakuan panas. Di toko-toko, bahan pertanian ini juga ditampilkan pada rak berpendingin Pendinginan juga dikenal dalam proses pengolahan makanan.  Es krim, dibuat dengan membekukan susu setelah proses pasteurisasi dan pencampuran dilakukan.

Gambar 1-9. Ice cream

Produk pangan lain yang membutukan pendinginan antara lain susu, keju, jus buah. Industri roti juga menggunakan pendinginan untuk menyimpan adonan roti sehingga roti lebih cepat disajikan dan mengurangi kerugian toko roti karena adanya adonan yang tidak dibakar. Industri kimia menggunakan teknik pendinginan untuk memisahkan gas, pengembunan gas, penghilangan kalor reaksi, pemisahan zat dari campurannya dan untuk menjaga tekanan. Teknik pendinginan juga digunakan pada bidang lainnya seperti konstruksi, pembuatan es batu, dan arena olahraga

Page 10: Pending In

Gambar 1-10. Produk horitultura di supermarket

E. Tantangan Industri Pendinginan dan Pembekuan Pangan

Teknik refrigerasi adalah teknik pengambilan panas dari suatu benda atau ruangan yang bersuhu lebih rendah dari lingkungan alamiahnya.  Teknik refrigerasi merupakan penerapan termodinamika dan perpindahan panas/massa, yang termasuk dalam cakupan bidang konversi energi.  Salah satu jenis mesin refrigerasi yang umum digunakan pada zaman sekarang adalah jenis kompresi uap.  Mesin pendingin jenis ini bekerja secara mekanik dan perpindahan panas dilakukan dengan memanfaatkan sifat refrigeran yang berubah dari fase cair ke fase gas (uap) kemudian ke fase cair kembali secara berulang.

Proses pendinginan merupakan proses yang populer untuk penyimpanan produk-produk pertanian.  Dengan menurunkan suhu suatu produk, aktivitas enzim dan mikroba yang ada akan berkurang, sehingga penurunan mutu atau kerusakan dapat dihambat.  Pada buah-buahan atau sayur-sayuran, pengendalian proses pendinginan merupakan faktor kritis karena dapat menyebabkan chilling injury bila dibawah suhu tertentu.   Pembekuan merupakan pendinginan sampai titik beku air dengan tujuan yang sama.  Pada umumnya produk beku akan mempunyai ketahanan yang lebih lama, namun tidak semua produk pertanian cocok dengan proses ini.

Gambar 1-11. Chilling injury

Pustaka:

o Pita, E.G., 1981, Air Conditioning Principles and Systems – An Energy Approach, John Wiley & Sons, Inc.

Page 11: Pending In

o Stoecker, W.F., and Jones, J.W., 1987, Refrigeration and Air conditioning, 2nd ed., McGraw-Hill International Edition, Singapore

o Tambunan, A.H., Teknik Pendinginan (diktat kuliah)o IIR Thematic File, A Brief History of Refrigeration,

http://www.iifiir.org/2endossiers_dossiers_histoire.htm#_ftn

BAB 2. TERMODINAMIKA DAN PINDAH PANAS PADA PENDINGINAN

Tujuan Instruksional Khusus

Mahasiswa mampu menjelaskan kaitan dan penerapan termodinamika pada perancangan proses dan instalasi refrigerasi. Cakupan dalam pokok bahasan ini adalah pengulangan azas-azas termodinamika dan pindah panas serta bagaimana penggunaannya untuk mempelajari sistem refrigerasi. Pindah panas dalam bentuk konduksi, konveksi dan radiasi merupakan proses yang berlangsung pada sistem refrigerasi. Sedangkan properti termodinamika dan siklus Carnot merupakan landasan pemikiran bagi mahasiswa dalam menganalisa berbagai siklus refrgerasi. 

A. Pendahuluan

Proses pendinginan berarti memindahkan panas dari satu lingkungan ke lingkungan lainnya dengan cara-cara tertentu. Diperlukan analisa termodinamika serta nalisa pindah panas dan massa untuk mengetahui proses yang terjadi. Dalam analisa ini dibutuhkan satuan dan besaran tertentu yang umum dikenal sebagai properti termodinamika. Analisa juga dilakukan berdasarkan suatu pemikiran. Pada proses pendinginan, pemikiran yang melandasi adalah siklus Carnot.

1. Sistem dan Lingkungan

Termodinamika berhubungan dengan perubahan energi yang terjadi antara sistem dengan lingkungannya karena adanya suatu proses. Analisa dasar termodinamika diawali dengan pengertian sistem dan lingkungan. Sistem adalah kegiatan atau proses yang diperhatikan dalam suatu lingkungan. Lingkungan adalah semua hal di luar sistem. Lingkungan dan sistem dipisahkan oleh suatu batas sistem. Batas sistem ini dapat berupa batas nyata atau batas khayal. (Tambunan, 2007)

Sistem termodinamika dapat dibedakan menjadi tiga:

Sistem terbuka (sistem dengan volume terkendali). Energi dan massa dapat berpindah melalui batas sistem

Sistem tertutup (sistem dengan massa terkendali). Hanya energi yang dapat bepindah

Sistem terisolasi adalah sistem tertutup yang tidak mengalami kontak, baik mekanik maupun termal, dengan lingkungannya, sehingga baik energi maupun materi tidak dapat berpindah melalui batas sistem. (Tambunan, 2007)

Page 12: Pending In

2. Hukum Termodinamika

Analisa termodinamika berpedoman kepada Hukum Termodinamika, yaitu Hukum pertama dan Kedua Termodinamika. Hukum Termodinamika pertama menyatakan bahwa energi tak dapat diciptakan atau dimusnahkan, yang berarti bahwa jumlah energi yang terkandung dalam suatu sistem dan lingkungannya selalu tetap selama proses berlangsung. Hukum ini juga dapat diartikan bahwa energi dapat diubah menjadi bentuk energi lain, namun energi yang diubah ini tidak bisa seluruhnya.

Hukum pertama ini memberikan konsep adanya energi dalam suatu sistem (u). Jumlah energi dalam suatu benda selalu tetap jika tidak ada panas (q) maupun kerja yang dilakukan padanya (w). Perubahan energi dalam ditulis sebagai:

....................................(2.1)

Semua energi yang masuk kedalam sistem (panas dan kerja) bertanda positif. Jika kerja dan panas yang terjadi dikur dalam jangka waktu yang singkat maka persamaan 1 dapat ditulis menjadi

......................................(2.2)

Kerja dalam proses termodinamika dinyatakan sebagai perkalian antara tekanan dan perubahan volume.

....................................(2.3)

Jika energi yang terlibat dalam proses hanya energi panas, maka persamaan (2.3) dapat ditulis sebagai

......................................(2.4)

Penjumlahan energi dalam dengan perkalian tekanan dan perubahan volume disebut sebagai entalpi (h, kJ/kg)

.......................................(2.5)

Hukum kedua termodinamika menelaskan apa yang belum dijelaskan pada hukum pertama, arah terjadinya perubahan. Pada hukum kedua, diperkenalkan suatu besaran, entropi, yang menyatakan tingkat keacakan atau keteraturan. Hukum kedua menyatakan bahwa proses akan berlangsung spontan ke arah yang semakin acak atau ke arah yang mnyebabkan naiknya tingkat entropi sistem dan lingkungannya. Contohnya pada batang yang berbeda suhu yang didekatkan. Batang yang panas akan memindahkan energinya ke batang yang lebih dingin

Page 13: Pending In

hingga suhu keduanya sama. Tingkat keacakan menjadi lebih tinggi daripada saat sebelum kedua batang disentuhkan.

Proses yang menuju entropi yang lebih tinggi adalah proses yang tak mampu balik, karena arah sebaliknya tidak dapat berlangsung secara spontan. Proses yang mampu balik adalah proses yang berlangsung tanpa perubahan entropi (Δs=0).  Jika suatu proses dapat dikendalikan secara sempurna dan berlangsung secara mampu-balik maka akan menghasilkan jumlah maksimum energi yang dapat digunakan.  Pada kenyataannya, tidak ada proses yang sesempurna ini karena setiap konversi energi selalu diikuti dengan kehilangan energi. Entropi suatu sistem secara termodinamik dinyatakan sebagai

……………………… (2.6)

Pada proses adiabatik, dimana tidak ada panas yang berpindah, tidak terjadi perubahan entropi. Jika pada sistem terjadi reaksi kimia yang mempunyai entalpi perubahan sebesar DH, maka perpindahan panas antara sistem dengan lingkungan pada tekanan tetap adalah q=DT.

Definisi entropi secara statistik memungkinkan kita menghitung ketidak-teraturan sistem secara nyata dengan Persamaan Ludwig Boltzman berikut:

.....................................(2.7)

dimana W adalah banyaknya variasi cara untuk mendapatkan energi sistem melalui penyusunan atom atau molekul diantara status yang tersedia, sedangkan k adalah tetapan

Boltzman, yaitu (Tambunan, 2007)Hukum kedua termodinamika menghasilkan konsep eksergi,  yang didefinisikan sebagai energi minimum yang diperlukan oleh, atau energi maksimum yang dapat diambil dari, suatu proses tertentu. Melalui konsep eksergi, tingkat kegunaan dinyatakan sebagai bagian energi yang dapat dikonversi menjadi kerja mekanis. Penggunaan kaidah eksergi dalam analisa pendinginan dijelaskan pada bagian lain.

3. Properti, Status dan Fase Zat

Properti adalah sifat materi yang dapat dikur secara kuantitatif. Kerja dan pindah panas dapat diukur dan dihitung, namun kedua hal tersebut bukan properti. Properti termodinamika diukur berdasarkan suatu datum. Terdapat dua datum yang umum digunakan 00C dan -400C yang diukur pada tekanan 1 atm. Nilai salah satu properti dapat ditentukan dari dua properti lainnya, misalnya tekanan sebagai fungsi volume spesifik dan suhu, atau p=p(v,T), dan seterusnya. Properti yang umum digunakan untuk menyatakan status suatu sistem sederhana (zat murni yang hanya terdiri atas satu komponen) adalah tekanan (p; satuan Pa), volume spesifik (v; satuan m3/kg), suhu (T; satuan K), energi dalam spesifik (u; satuan kJ/kg), entalpi spesifik (h; satuan kJ/kg), dan

Page 14: Pending In

entropi spesifik (s; satuan kJ/kg). Untuk sistem yang terdiri atas lebih dari satu zat yang tidak saling bersenyawa, penentuan nilai properti tersebut dapat dilakukan jika komposisi masing-masing zat di dalam sistem diketahui. (Tambunan, 2007)

Properti dapat digolongkan menjadi properti ekstensif, yaitu jika nilainya berubah akibat pembagian/pembelahan (seperti massa, volume, dan energi), dan properti intensif, yaitu jika nilainya tetap meskipun terjadi pembagian/pembelahan (seperti volume jenis, tekanan dan suhu) (Tambunan, 2007).

Kapasitas panas (c) adalah properti ekstensif yang sering dinyatakan dalam per satuan massa sehingga disebut sebagai kapasitas panas jenis.  Kapasitas panas jenis didefinisikan sebagai perubahan kandungan panas yang terjadi sebagai akibat perubahan suhu pada satu satuan massa zat tertentu.  Kapasitas panas jenis dapat berupa kapasitas panas jenis pada volume tetap (cv) dan pada tekanan tetap (cp), sesuai dengan kondisi yang ditetapkan.cv dituliskan dalam persamaan:

..............................(2.8)

dan cp dapat dituliskan dengan persamaan:

.............................................................(2.9)

Hubungan antara kapasitas panas jenis suatu gas ideal pada tekanan tetap dengan pada volume tetap dapat ditentukan jika u, h, dan pV dinyatakan sebagai fungsi T. Bentuk diferensial persamaan [2-8] terhadap suhu adalah:

..................................................(2.10)

Sehingga, dengan memasukkan persamaan (8) dan (9), serta persamaan gas ideal pV=RT, akan diperoleh:

........................................(2.11)

Perbandingan kapasitas panas pada tekanan tetap terhadap kapasitas panas pada volume tetap (cp/cv) sering sangat bermanfaat untuk analisis sistem pendinginan. Untuk gas ideal nilai rasio kapasitas panas tersebut adalah:

                                                                           [2.12]

Page 15: Pending In

Fasa suatu zat dapat diketahui berdasarkan dua sifat yang berbeda. Jika nilai salah satu properti berubah maka dikatakan zat tersebut mengalami proses. Sifat yang umum dipakai adalah tekanan, suhu, dan volume. Ketiga sifat ini dapat digambarkan dalam satu grafik untuk mengetahui perbedaan fasa suatu zat. Bentuk grafik dapat dilihat pada gambar 2-1.  

Gambar 2.1. Permukaan p-v-T untuk zat yang mengembang pada saat membeku untuk mengetahui fasa zat.

Gambar diatas dpat diuraikan menjadi grafik dua dimensi untuk kegunaan yang khusus. Grafik volume-tekanan Status zat dapat ditunjukkan melalui grafik hubungan p, v, dan T, seperti dapat dilihat pada Gambar 2-2 untuk zat yang mengembang pada saat membeku (seperti air).  Pada diagram tersebut ditunjukkan bidang yang merupakan permukaan p-v-T dan terdiri atas tiga bidang satu fase (masing-masing: fase padat, fase cair, dan fase gas), tiga bidang dua fase (masing-masing: bidang padat-cair, cair-gas, dan padat gas), serta satu garis tiga fase (padat-cair-gas) yang sering juga disebut sebagai garis tripel. Bidang-bidang tersebut memberi semua kemungkinan keadaan seimbang yang dapat dicapai oleh suatu zat murni. Pada bidang dua fase, suhu dan tekanan saling terpaut, sehingga salah satu dapat berubah jika dan hanya jika yang lainnya berubah.  Dengan demikian, pada wilayah ini status tidak dapat ditentukan hanya berdasarkan tekanan dan suhu, tetapi dapat ditentukan berdasarkan volume jenis dengan suhu atau tekanan.

Page 16: Pending In

 (a) (b)

(c)Gambar 2-2. Diagram p-T (a), diagram p-v (b), dan diagram T-v (c) untuk zat yang

mengembang pada saat membeku

Proyeksi permukaan p-v-T terhadap bidang p-v, p-T, dan T-v untuk air ditunjukkan pada Gambar 2-2.  Pertemuan kedua garis jenuh tersebut dikenal dengan titik kritis, dan sering dinyatakan dalam suhu kritis, tekanan kritis, dan volume jenis kritis.  Suhu kritis suatu zat murni adalah suhu tertinggi pada mana fase cair dan gas dapat berada bersama-sama.  Titik kritik berbagai zat diberikan pada Lampiran 1. Jika permukaan p-v-T diproyeksikan menjadi bidang p-T maka diperoleh diagram fase, seperti diagram (a) pada kedua gambar di atas.  Pada diagram fase, wilayah dua fase berubah menjadi garis P-C, P-U, dan C-U.  Pertemuan ketiga garis tersebut disebut titik tripel.  Titik tripel air berada pada suhu 273.16 oC dan tekanan 0.6113 kPa.  Permukaan p-v-T dapat pula diproyeksikan menjadi bidang p-v dan T-v untuk keperluan tertentu.

Status jenuh (saturation state) adalah status zat saat terjadinya perubahan fase (sejak mulai hingga berakhir).  Fase merujuk kepada sejumlah zat yang mempunyai komposisi kimia dan struktur fisika yang serba-sama, baik dalam bentuk padatan, cairan, atau uap (gas).  Untuk tujuan keteknikan, fase gas dapat dibagi lagi menjadi uap dan gas sebenarnya.  Pembagian tersebut tidak terlalu tegas dan hanya didasarkan pada derajat kesesuaiannya pada kaidah gas ideal, dimana uap dianggap sebagai fase gas yang tidak sesuai dengan kaidah gas ideal.  Pada sistem refrigerasi, refrigeran berada pada keadaan cair atau uap, atau keduanya pada saat yang sama dengan proporsi tertentu.  Kebanyakan

Page 17: Pending In

refrigeran yang bekerja pada fase gas berada pada kondisi yang sangat dekat dengan garis jenuh sehingga dapat digolongkan sebagai uap. Pada pembuatan dry-ice (karbon dioksida padat) ketiga fase tersebut dapat ditemukan secara bersama-sama.

B. Proses dan Siklus Termodinamika

Proses adalah perpindahan zat dari suatu status ke status lainnya yang masing-masing berada dalam keseimbangan.  Sistem yang tidak mengalami perubahan properti terhadap waktu disebut dalam status mantap (steady state), sedangkan yang mengalami perubahan disebut status tak-mantap (unsteady-state/transient). 

Keadaan seimbang adalah keadaan dimana tidak terjadi lagi perubahan (bersih) dalam sistem, atau antara sistem dengan lingkungannya.  Pada keadaan seimbang, suhu dan tekanan menjadi seragam dan tidak ada lagi gaya-gaya tak-seimbang yang bekerja di seluruh sistem.  Keseimbangan (equilibrium) secara termodinamik sulit didefinisikan sehingga sering harus dikelompokkan menjadi beberapa jenis keseimbangan, seperti keseimbangan mekanik, panas, fase dan kimia.  Jika suatu sistem tidak menunjukkan terjadinya perubahan, maka sistem tersebut dapat dikatakan berada pada status keseimbangan.  Proses nyata umumnya terjadi dalam keadaan tak-seimbang, sehingga sering didekati dengan keadaan seimbang-semu. Proses seimbang-semu (quasi-equilibrium process) adalah suatu idealisasi yang menganggap terjadinya perpindahan sangat kecil dari status keseimbangan.

Uap super panas mempunyai sifat seperti gas jika berada di bawah suhu kritisnya.  Beberapa proses yang dapat terjadi pada pemanasan dan ekspansi uap adalah sebagaimana yang dijelaskan berikut.  Proses volume tetap (isometric) adalah proses yang bekerja pada satu garis volume sehingga volume akhir sama dengan volume awal proses.  Proses tekanan tetap (isobaric) adalah proses yang bekerja pada satu garis tekanan sehingga tekanan akhir sama dengan tekanan awal proses.  Pada tekanan tertentu terdapat suhu jenuh yang tertentu pula sehingga di dalam wilayah yang dibatasi oleh garis jenuh cair dan uap proses tekanan tetap adalah juga proses suhu tetap (isothermic), yaitu proses yang bekerja pada satu garis suhu.  Proses cekik (throtling) terjadi jika terdapat penyempitan luas penampang aliran.  Pada proses ini tekanan akan berkurang akibat adanya gesekan dalam aliran, dan tidak terjadi kerja maupun perpindahan kalor.  Proses cekik dipergunakan untuk pendinginan dan pengeringan uap. 

Pada mesin-mesin refrigerasi, pencekikan refrigeran dilakukan dengan cara melewatkannya melalui suatu penampang saluran yang menyempit pada katup ekspansi atau melalui sebuah pipa kapiler yang panjang sehingga terjadi penurunan tekanan.  Dengan proses cekik suhu uap akan turun diikuti dengan peningkatan mutu uap, sebagian panas sensibel diubah menjadi panas laten dan uap menjadi bersifat super panas.

a. Siklus dan mesin panas

Gambar 2-3 adalah diagram suatu siklus dimana satu satuan massa gas mengalami pengembangan (ekspansi) dari keadaan 1 ke keadaan 2.  Pada saat tersebut kerja dilepas

Page 18: Pending In

ke luar sebesar luasan 1-a-2-d-c-1.  Pada mesin nyata proses tidak dapat berlangsung hanya satu arah akan tetapi gas yang berada pada keadaan 2 harus dikembalikan ke keadaan 1 dengan suatu cara tertentu.  Proses dari keadaan 2 ke keadaan 1 disebut pengempaan (kompresi) dengan memberi kerja kepada gas.  Lintasan yang dilalui pada proses tersebut adalah 2-b-1, dan kerja yang harus diberikan tersebut adalah sebesar luasan 2-b-1-c-d.  Kerja bersih yang dilepaskan dari sistem tersebut adalah :

W = luasan 1-a-2-d-c - luasan 2-b-1-c-d = luasan 1-a-2-b-1 (luasan terarsir), atau :

                                                                            [2.13]

Gambar 2-3. Suatu siklus tertutup yang digambarkan pada diagram p-v

Dengan demikian, siklus adalah suatu perubahan keadaan yang melingkupi suatu luasan tertutup di dalam suatu diagram keadaan (p-V, T-s, dll).  Jika jumlah panas yang ditambahkan ke dalam suatu siklus adalah Qi dan jumlah panas yang dilepas adalah Qo maka kerja yang terjadi pada siklus tersebut dapat juga dituliskan sebagai :

                                                                      [2.14]

Siklus yang ditunjukkan di atas bekerja searah gerakan jarum jam, panas Qi diterima dan kerja W dilepas ke luar.  Dengan kata lain sebagian dari panas diubah menjadi kerja.  Mesin-mesin panas menghasilkan panas dengan cara tersebut.  Mesin panas diharapkan dapat mengubah sebanyak mungkin panas yang diterima menjadi kerja.  Perbandingan kerja yang dihasilkan dengan panas yang diterima disebut dengan efisiensi termal, yaitu :

                                                                [2.15]

b. Siklus terbalik dan mesin pendingin

Page 19: Pending In

Jika siklus pada gambar 2.3 bekerja pada arah terbalik (berlawanan arah gerakan jarum jam) seperti ditunjukkan pada gambar 2.4 maka arah panas dan kerja juga adalah sebaliknya.  Dengan cara demikian, kerja dari luar dikenakan pada gas, sedangkan panas dapat diambil dari sumber bersuhu rendah sebesar Qo dan dilepas pada sumber bersuhu tinggi sebesar Qi = W-Qo.  Siklus demikian disebut dengan siklus terbalik. 

Pada siklus terbalik, panas yang seharusnya mengalir secara alami dari sumber bersuhu tinggi ke sumber bersuhu rendah, dibalik sehingga panas dari sumber bersuhu rendah dialirkan ke sumber bersuhu tinggi dengan mengenakan kerja.  Siklus terbalik merupakan dasar kerja suatu mesin pendingin (refrigerator) dan pompa panas (heat pump).  Mesin pendingin adalah mesin yang digunakan untuk mendapatkan suhu dingin, sedangkan pompa panas adalah mesin yang digunakan untuk memperoleh panas dari sumber bersuhu rendah.  Istilah pompa panas digunakan sebagai analogi suatu pompa air yang digunakan untuk memperoleh air dari sumber pada lokasi yang lebih rendah.  Kinerja kedua mesin tersebut umumnya dinyatakan dengan tetapan penampilan (coefficient of performance; COP), yaitu :

Mesin pendingin :

                                                                               [2.16]

Pompa panas :

                                                                   [2.17]

Koefisien penampilan di atas dapat digunakan sebagai pembanding standar untuk mesin pendingin dan pompa panas dalam keadaan nyata.

Gambar 2.4. Siklus terbalik

Contoh Soal 2.1.

Page 20: Pending In

Tentukan entalpi dan energi dalam zat karbondioksida yang berada pada keadaan uap jenuh pada suhu dan tekanan seperti pada contoh soal 1., jika panas laten penguapannya adalah 320,52 kJ/kg dan volume jenis uap jenuh yang dihasilkan adalah 0,0382 m3/kg.

Jawab:Panas laten penguapan adalah selisih antara entalpi pada keadaan uap jenuh dengan entalpi pada keadaan cair jenuh, atau:

                                                               Karena Hl = 0, maka Hv = DH + 0 = 320,52 kJ/kgEnergi dalam dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan,Uv = Hv - pVv = 320,52 - 103 (0,0382) = 282,32 kJ/kg

Contoh soal 2.2

Uap pada tekanan 10 bar dan mutu uap 0.9 dicekik hingga mencapai tekanan 2 bar.  Gunakan tabel uap untuk menentukan mutu uap akhir.

Jawab :                  Pada p1 = 10 bar diperoleh T1 = 179.9 oC, hf1 = 762.81 kJ/kg, dan hg1 = 2778.1 kJ/kgPada p2 = 2 bar diperoleh T2 = 120.2 oC, hf2 = 504.70 kJ/kg, dan hg2 = 2706.7 kJ/kgDengan pers. [1-2] diperoleh h1 = hf1 + x1 (hg1 - hf1) = 762.81 + 0.9 (2015.29) = 2576.57 kJ/kgProses cekik terjadi secara adiabatik sehingga h1 = h2 = 2576.57 kJ/kgKarena h2 < hg2 maka mutu uap x2 = (h2 - hf2)/(hg2 - hf2) = 2071.87/2202.0 = 0.94

Entalpi. Jika suatu proses pada tekanan tetap dilakukan dengan tanpa adanya kerja yang dilakukan pada proses tersebut, maka panas yang dipindahkan per unit massa adalah entalpi zat tersebut. Entalpi selalu ditetapkan berdasarkan satu datum.

Entropi, adalah ukuran keteraturan benda atau lingkungan. Kerapatan, adalah massa benda setiap unit volume (kg/m3). Kebalikan dari

kerpatan adalah volume spesifik, volume benda setiap unit massa (m3/kg). Panas jenis (c), adalah jumlah energi yang digunakan untuk meningkatkan suhu 1

K setiap 1 kg zat (J/kg.K). Besarnya panas jenis bergantung pada proses yang dilakukan karenanya dikenal dua macam panas jenis, yaitu panas jenis dalam tekanan konstan dan volume konstan (cp dan cv).

Panas laten, adalah jumlah energi yang dibutuhkan untuk mengubah fasa 1 kg zat (J/kg). Pada pemanasan air, saat air mencapai suhu 1000C, proses kenaikan suhu akan berhenti dan terjadi perubahan fasa air dari cair menjadi gas. Energi yang dibutuhkan untuk mengubah fasa inilah yang disebut sebagai panas laten suatu zat.

Siklus carnot pertama kali diperkenalkan oleh Sadi Carnot, ilmuwan Prancis (1796-1832) yang dikembangkan oleh Clayperon. Siklus Carnot merupakan siklus yang digunakan untuk analisa mesin panas, dimana untuk menghasilkan kerja, maka kalor dipindahkan dari suhu tinggi ke suhu rendah. Pada siklus pendinginan, hal ini dibalik, dimana tujuan

Page 21: Pending In

akhirnya adalah mendapatkan keadan yang lebih dingin. Pembalikan ini digambarkan pada gambar berikut

Pada siklus Carnot asli, kerja dihasilkan dari berpindahnya panas dari suhu tinggi ke suhu rendah. (W = Qh-Ql). Pada mesin pendingin dibutuhkan kerja untuk memindahkan panas dari suhu rendah ke suhu tinggi (W=Ql-Qh). Efisiensi sutu mesin didefinisikan sebagai perbandingan hasil kerja dan usaha untuk mengasilkan kerja.

Pada siklus mesin panas efisiensi selalu bernilai kurang dari 1 (efisiensi = W/Qh = 1-Ql/Qh). Hasil dari siklus pendinginan adalah efek pendinginan yang terjadi (Ql) dan kerja yang diperlukan adalah sebesar W (Qh-Ql) dan karenanya efisiensi mesin pendingin selalu lebih besar dari satu (efisiensi= Ql/W)

BAB 3-4. SIKLUS KOMPRESI UAP

Tujuan instruksional khusus

Mahasiswa mampu menjelaskan prinsip kerja sistem pendingin kompresi uap dan menganalisa performansi mesin pendingin kompresi uap. Pokok bahasan ini mencakup siklus Carnot dan siklus pendinginan, analisis kinerja mesin pendingin, hingga pada penggunaan diagram Molier dan Tabel Uap refrigeran. Kebanyakan siklus refrigerasi yang diaplikasikan di lapangan adalah siklus kompresi uap.

A. Siklus Carnot

Salah satu jenis mesin refrigerasi yang umum digunakan pada zaman sekarang adalah jenis kompresi uap.  Mesin pendingin jenis ini bekerja secara mekanik dan perpindahan panas dilakukan dengan memanfaatkan sifat refrigeran yang berubah dari fase cair ke fase gas (uap) dan kembali ke fase cair secara berulang-ulang.  Refrigeran mendidih pada suhu yang jauh lebih rendah dibandingkan air pada tekanan yang sama.  Misalnya, amonia yang sering digunakan sebagai refrigeran, pada tekanan 1 atmosfir (101.3 kPa) dapat mendidih pada suhu -33 oC.  Suhu titik didih refrigeran dapat diubah dengan cara mengubah tekanannya, misalnya, untuk menaikkan suhu titik didih amonia menjadi 0 oC, tekanan harus dinaikkan menjadi 428.5 kPa.Keragaan suatu siklus refrigerasi umumnya dinyatakan dalam berbagai terminologi, seperti ton refrigerasi, koefisien tampilan, dan

Page 22: Pending In

efisiensi refrigerasi.  Satu ton refrigerasi didefinisikan sebagai kapasitas pendinginan yang diserap oleh satu ton es untuk menjadi cair selama 24 jam, yaitu 1357 W (200 Btu/menit) .Istilah ton refrigerasi umum digunakan untuk mesin pendingin berkapasitas besar.

Berasal dari standar yang digunakan, yaitu panas yang diserap oleh 1 ton (2000 lb) es saat mencair selama 24 jam.  Karena panas laten pencairan es adalah 144 Btu/lb, maka panas yang diserap (2000 lb X 144 Btu/lb)/(24 jam X 60 menit) adalah 200 Btu/menit.

Siklus Carnot adalah siklus termodinamik ideal yang mampu-balik, yang pada mulanya digunakan sebagai standar terhadap kemungkinan maksimum konversi energi panas ke energi mekanik.  Dalam bentuk sebaliknya, juga digunakan sebagai standar penampilan maksimum suatu alat pendingin.  Siklus Carnot tidak mungkin diterapkan karena tidak mungkin mendapatkan suatu siklus yang mutlak mampu-balik di alam nyata, tetapi dapat dianggap sebagai kriteria pembatas untuk siklus-siklus lainnya.               

Siklus Carnot berlangsung dengan suatu urut-urutan yang terdiri atas 4 proses yang mampu-balik, yaitu dua proses adiabatik dan dua proses isotermik.  Gambar 3-1 menunjukkan bagaimana siklus tenaga Carnot bekerja secara sederhana pada sistem gas di dalam piston, sedangkan Gambar 3-2 menunjukkan proses-proses siklus Carnot yang dipetakan pada diagram p-v dan diagram T-s. 

Page 23: Pending In

Ke empat proses tersebut adalah :

Proses 1-2 : Kompresi gas secara adiabatik hingga mencapai suhu tinggi TH

Proses 2-3 : Ekspansi gas secara isotermik pada suhu TH sambil menerima energi sebesar QH dari lingkungan (reservoir) bersuhu tinggi (TH)

Proses 3-4 : Ekspansi gas secara adiabatik hingga mencapai suhu rendah TC

Proses 4-1 : Kompresi gas secara isotermik hingga mencapai kondisi awalnya sambil melepas energi sebesar QC ke lingkungan (reservoir) bersuhu rendah (TC)

Kerja yang terjadi selama proses-proses tersebut ditunjukkan dengan luasan di bawah kurva proses pada diagram p-v.  Pada proses 1-2 dan 4-1 kerja diberikan pada sistem untuk melakukan kompresi, sedangkan pada proses 2-3 dan 3-4 dilepas oleh gas untuk melakukan pengembangan (ekspansi).  Dengan demikian, wilayah yang dibatasi oleh keempat kurva tersebut merupakan kerja bersih yang terjadi (dilepas oleh sistem) selama proses dalam satu siklus.

Siklus Carnot yang bekerja sebagai mesin panas mempunyai efisiensi:

......... 3-1

dimana TC dan TH adalah suhu dalam satuan kelvin dan s adalah entropi.  Subskrip "maks" menunjukkan bahwa efisiensi tersebut adalah efisiensi maksimum yang mungkin terjadi pada siklus tenaga manapun yang bekerja di antara dua sumber panas berbeda suhu.

Page 24: Pending In

Bagan alir siklus Carnot, ditunjukkan pada Gambar 3-1 dan bentuk siklus pada koordinat p-v dan T-s ditunjukkan pada Gambar 3-2.  Gambar 3-2 (a) menunjukkan siklus Carnot yang bekerja hanya pada satu wilayah fase (fase gas), sedangkan (b) menunjukkan siklus Carnot yang bekerja pada keadaan jenuh (keadaan cair-uap). Proses yang berlangsung pada siklus pendinginan Carnot adalah :

Proses 1-2 : Ekspansi gas secara isotermik pada suhu rendah TC sambil menerima energi QC dari reservoir dingin melalui pindah panas.

Proses 2-3 : Kompresi gas secara adiabatik hingga mencapai suhu tinggi T

Proses 3-4 : Kompresi gas secara isotermik sambil melepas energi QH ke reservoir panas melalui pindah panas.

Proses 4-1 : Ekspansi gas secara adiabatik hingga mencapai suhu rendah TL

Kerja bersih yang diperlukan selama proses dalam satu siklus adalah daerah yang dibatasi oleh keempat kurva pada diagram p-v.

Jika siklus Carnot dibalik, akan diperoleh siklus yang menjadi ukuran kinerja maksimum yang mungkin diperoleh dari suatu mesin pendingin.  Dalam hal ini, kerja harus diberikan pada siklus, zat kerja dikembangkan secara adiabatik dari TH ke TC, menyerap panas pada TC dengan entropi yang meningkat dari sa ke sb.  Selanjutnya, zat kerja dikempa secara adiabatik dari TC ke TH, melepas panas secara isotermal pada TH dengan entropi menurun dari sb ke sa.  Dengan demikian, siklus Carnot dapat digunakan untuk tiga tujuan yaitu:

1. mengubah energi panas menjadi energi mekanik (sebagai mesin panas)2. menggunakan energi mekanik untuk menyerap panas dari suatu tempat dan

melepaskannya di tempat yang diinginkan (sebagai pompa panas)3. menggunakan energi mekanik untuk menyerap panas dari suatu tempat yang

diinginkan dan membuangnya di tempat lain (sebagai mesin pendingin)

Tujuan (2) dan (3) didasarkan pada siklus Carnot terbalik dan berbeda hanya pada hasil akhir yang diinginkan.  Proses yang berlangsung pada siklus pendinginan dan siklus pompa panas pada prinsipnya sama dan hanya berbeda pada tujuan akhir proses.  Pada siklus pendinginan yang menjadi tujuan adalah mendapatkan suhu yang lebih rendah dari lingkungannya, sebaliknya pada siklus pompa panas yang menjadi tujuan akhir adalah memperoleh suhu yang lebih tinggi dari lingkungannya.

Penampilan mesin pendingin dan pompa panas umumnya dinyatakan dalam koefisien penampilan (coefficient of performance, COP).  Koefisien penampilan (coefficient of performance, cop) telah digunakan sebagai alat pengukur keefektifan suatu alat dan didefinisikan sebagai perbandingan antara hasil akhir yang diperoleh dengan kerja bersih yang harus diberikan.  Berdasarkan Gambar 3-2, cop mesin pendinginan adalah,

......... 3-2

Page 25: Pending In

untuk pompa panas,

......... 3-3

dan untuk mesin panas,

......... 3-4

Meskipun siklus Carnot sangat efisien bekerja di antara dua sumber panas tertentu dan sangat berguna sebagai kriteria bagi siklus yang bekerja secara sempurna, terdapat kelemahan yang sangat jelas jika gas digunakan sebagai refrigeran.  Kelemahan-kelemahan tersebut antara lain adalah :

1. Terjadinya tekanan yang sangat tinggi dan volume yang sangat besar karena kenaikan tekanan terjadi saat berlangsungnya kompresi isentropik serta saat proses pelepasan panas secara isotermal.

2. Proses pindah panas dengan menggunakan gas, yaitu media yang mempunyai kapasitas panas tertentu, tidak mungkin diperoleh di dalam praktek.

3. Diagram p-v siklus yang bekerja dengan menggunakan gas sangat sempit sehingga sedikit ke-tak-mampubalikan di dalam proses tertentu akan mengakibatkan peningkatan kerja yang dilakukan yang sangat besar dan merupakan bagian terbesar kerja bersih siklus tersebut.

Koefisien tampilan menyatakan keefektifan suatu sistem pendingin, yang merupakan perbandingan antara efek pendinginan bermanfaat terhadap energi bersih yang harus disediakan dari luar untuk mendapatkan efek pendinginan tersebut.

......... 3-5

Efisiensi refrigerasi menunjukkan kedekatan sistem atau siklus pendingin tersebut dengan siklus ideal yang mampu-balik, yaitu siklus Carnot.

......... 3-6

B. Siklus Pendinginan Teoritis Dan Nyata

Siklus pendinginan kompresi uap ditunjukkan pada Gambar 3-3.  Proses 1-2 adalah kompresi, 2-3 adalah kondensasi, 3-4 adalah ekspansi, dan 4-1 adalah evaporasi.

Page 26: Pending In

Gambar 3-3. Siklus refrigerasi kompresi uap

Siklus pendinginan kompresi uap teoritis, sebagaimana yang umum digunakan, ditunjukkan pada Gambar 3-4 dalam sistem koordinat p-V, T-s dan p-h, dimana tanda nomor proses sama dengan pada Gambar 3-5.  Proses kompresi yang berlangsung pada jalur 1-2 disebut kompresi basah, dimana refrigeran yang masuk ke- dan keluar dari kompresor adalah refrigeran kering dan jenuh (derajat kering uap = 1).  Proses kompresi dapat juga terjadi pada jalur 1'-2' yang disebut dengan kompresi basah karena refrigeran yang masuk ke kompresor masih mengandung fase cair (derajat kering < 1) dan keluar dari kompresor dalam keadaan kering dan jenuh.  Meskipun koefisien penampilan (cop) sedikit lebih rendah, pendinginan dengan kompresi kering lebih sering digunakan dengan alasan kompresor akan lebih aman karena tidak terjadi kemungkinan masuknya refrigeran cair yang dapat mempengaruhi kerja kompresor.  Pada proses kompresi kering, uap refrigeran yang meninggalkan kompresor dalam keadaan panas-lanjut (superheat) sehingga kelebihan panas tersebut harus dibuang di kondensor pada tekanan tetap (tekanan kondensor) dan suhu tetap sebelum dikondensasi menjadi cairan refrigeran (proses 2-2').

Proses kompresi dianggap berlangsung secara isentropik karena lebih mendekati keadaan sesungguhnya, meskipun secara teoritis kompresi isotermal lebih disukai karena membutuhkan kerja yang lebih kecil.  Kerja pada proses pencekikan (throtling) seharusnya dapat didaur-ulang, akan tetapi karena tidak ekonomis jarang dilakukan.

Perbandingan antara siklus kompresi uap teoritis (siklus 1-2'-2''-3-4'-1) dengan siklus Carnot terbalik (siklus 1-2-3-4-1) ditunjukkan dalam diagram T-s pada Gambar 3-6.  Seperti terlihat pada bagian yang diarsir di dalam gambar, terdapat tiga luasan yang merupakan perbedaan antara siklus kompresi uap teoritis dengan siklus Carnot terbalik.  Luasan 2-2'-2'' menunjukkan penambahan kerja yang harus diberikan ke kompresor serta tambahan panas yang harus dilepas di kondensor sebagai akibat kompresi yang tidak isotermal.  Luasan 3-3'-4-3 menunjukkan tambahan kerja ke siklus akibat kerja pencekikan yang tidak didaur-ulang.  Luasan 4-sa-sb-4'-4 menunjukkan kehilangan efek

Page 27: Pending In

pendinginan sebagai akibat dari peningkatan entropi karena proses pencekikan.  Masih terdapat perbedaan-perbedaan lain antara siklus kompresi uap teoritik dan nyata, akan tetapi karena nilainya tidak terlalu besar masih dapat diabaikan dari perhitungan.

Keragaan suatu siklus refrigerasi umumnya dinyatakan dalam berbagai terminologi, seperti ton refrigerasi, koefisien tampilan, dan efisiensi refrigerasi.  Satu ton refrigerasi didefinisikan sebagai kapasitas pendinginan yang diserap oleh satu ton es untuk menjadi cair selama 24 jam, yaitu 1357 W (200 Btu/menit) .  Istilah ton refrigerasi umum digunakan untuk mesin pendingin berkapasitas besar.

C. Analisis Kinerja Mesin Pendingin

Analisa terhadap siklus pendinginan kompresi uap dapat dilakukan dengan menggunakan Gambar 3-7.  Sebagaimana telah dijelaskan di atas, terjadi 4 proses yang membentuk satu siklus kompresi uap dan terjadi berulang-ulang.  Proses dan perubahan keadaan pada setiap proses yang terjadi adalah :

Gambar 3-7. Analisis siklus pendinginan kompresi uap

Proses 1-2 (kompresi) : Gas refrigeran yang keluar dari evaporator masuk dan dikempa pada kompresor sehingga menghasilkan gas refrigeran dengan tekanan dan suhu yang lebih tinggi.  Suhu tinggi merupakan akibat dari proses kompresi isentropik.

Proses 2-3 (kondensasi) : Gas refrigeran bertekanan dan bersuhu tinggi dikondensasi dan menghasilkan refrigeran cair jenuh.  Proses yang terjadi adalah pelepasan panas ke lingkungan.  Proses kondensasi bekerja pada tekanan tetap.  Pada awal proses suhu gas refrigeran sedikit mengalami penurunan, selanjutnya terjadi perubahan fase gas menjadi cair pada suhu tetap.

Proses 3-4 (pencekikan) : Tekanan cairan refrigeran diturunkan dengan menggunakan katup cekik (expansion valve).  Saat terjadi penurunan tekanan, juga terjadi penurunan

Page 28: Pending In

suhu dan peningkatan mutu gas refrigeran, sebab dengan penurunan tekanan dan suhu sebagian refrigeran cair berubah menjadi gas.

Proses 4-1 (penguapan) : Proses penguapan terjadi pada suhu sama, dimana hanya terjadi perubahan fase refrigeran cair menjadi gas.  Panas laten penguapan diambil dari lingkungan sehingga terjadi pendinginan lingkungan.  Besarnya pendinginan yang terjadi dinyatakan dalam efek pendinginan (ton refrigerasi).

Setiap proses yang terjadi sepanjang siklus dinyatakan dalam besaran-besaran yang dapat ditentukan secara matematik.  Pada Bab Termodinamika Pendinginan telah ditunjukkan bahwa untuk proses tekanan tetap, seperti terjadi pada proses evaporasi dan kondensasi dalam mesin pendingin kompresi uap, dQ = dh.  Dengan demikian, panas yang diserap dan digunakan untuk menguapkan refrigeran adalah:

............................................................3-7

dan panas yang di lepas untuk kondensasi refrigeran adalah,

Qkond = h2 - h3                                           ......................................... 3-8

Juga telah diketahui bahwa pada proses pencekikan (ekspansi) tidak dilakukan kerja, sehingga entalpi refrigeran yang masuk dan keluar dari katup ekspansi adalah sama (h1 = h2).  Kualitas uap refrigeran setalah melalui katup cekik menjadi,

............................................................3-9

Sesuai dengan kaidah kekekalan energi, panas yang dilepas pada kondensor harus sama dengan panas yang diserap pada evaporator ditambah dengan ekivalen panas dari kerja kompresi, yaitu :

............................................................3-10

Dengan memasukkan persamaan [3-8] hingga [3-9] ke persamaan [3-10] diperoleh kerja kompresi sebesar,

Wkomp = h2 - h1                                        .......................................... 3-11

dalam hal ini, dianggap tidak terjadi pengambilan dan pelepasan panas dari dan ke lingkungan selama proses kompresi.  Berikut ini adalah beberapa istilah yang umum digunakan dalam ilmu pendinginan dan besarannya dalam persamaan matematik.

Page 29: Pending In

Efek pendinginan, jumlah panas yang diserap oleh refrigeran pada saat melalui evaporator.  Selain panas laten penguapan, efek pendinginan juga mencakup panas yang diserap akibat terjadinya pemanasan lanjut.

Ton pendinginan (ton of refrigeration) adalah laju penyerapan panas di evaporator, sama dengan 200 Btu/min (3517 W).  Laju aliran refrigeran yang dibutuhkan per ton pendinginan adalah laju penyerapan panas (W) per ton pendinginan dibagi dengan efek pendinginan,

............................................................3-12

Tenaga kompresi teoritis per ton pendinginan untuk proses kompresi adalah perkalian antara kerja kompresi dengan laju aliran refrigeran per ton pendinginan, yaitu :

............................................................3-13

Jika yang terjadi adalah kompresi politropik, tenaga kompresi per ton pendinginan adalah,

............................................................3-14

Pada kompresi isentropik, n = g = cp/cv .  Jika silinder kompresor mempunyai jaket penutup, sejumlah panas harus dilepaskan ke sistem pendingin kompresor, yang besarnya :

............................................................3-15

Tenaga kompresi aktual (nyata) dapat didekati dengan menggunakan nilai n yang sebenarnya (dengan menggunakan tekanan nyata silinder), dan dengan memasukkan faktor efisiensi mekanik kompresor.  Efisiensi mekanik adalah perbandingan antara tenaga yang ditunjukkan oleh silinder kompresor dengan tenaga yang dibutuhkan untuk menggerakkan kompresor.

Koefisien penampilan mesin pendingin siklus kompresi uap dengan kompresi isentropik adalah,

............................................................3-16

Page 30: Pending In

Panas yang dilepaskan melalui kondensor per ton pendinginan, meliputi panas laten, panas akibat pemanasan lanjut, dan panas yang berasal dari refrigeran cair, yaitu :

............................................................3-17

Disamping itu, siklus kompresi uap nyata juga berbeda dalam beberapa hal dengan siklus kompresi uap teoritis, seperti :

(1) Proses 1-2 (kompresi), sering dianggap berlangsung secara insentropik, akan tetapi dapat berlangsung tidak isentropik dan tidak juga politropik.  Meskipun berlangsung secara isentropik, dimana dianggap tidak terjadi pertukaran panas antara refrigeran dengan dinding kompresor, pada kenyataannya suhu dinding silinder kompresor bisa lebih tinggi dari suhu gas refrigeran yang masuk dan lebih rendah dari suhu gas yang keluar dari kompresor sehingga menyebabkan perpindahan panas antara dinding kompresor dengan gas refrigeran.

(2) Selama proses 2-3, refrigeran cair mengalami pendinginan lanjut sebelum memasuki katup cekik.

(3) Pada proses 4-1, uap refrigeran yang meninggalkan evaporator mengalami pemanasan lanjut sebelum memasuki kompresor.  Pemanasan lanjut tersebut dapat disebabkan oleh jenis pengendali katup cekik yang digunakan, dimana penyerapan panas dapat terjadi pada jalur antara evaporator dan kompresor.

(4) Terjadi kehilangan tekanan sepanjang pipa tempat mengalirnya refrigeran.

Penentuan nilai-nilai tersebut di atas dapat dilakukan dengan menggunakan dua alat, yaitu diagram molier (diagram p-h) dan tabel keadaan refrigeran yang bersangkutan.  Pengenalan dan penggunaan kedua alat tersebut dijelaskan berikut

D. Penggunaan Diagram Molier

Tekanan dan entalpi refrigeran mengalami perubahan pada saat melalui berbagai komponen mesin pendingin.  Pada evaporator dan kondensor, entalpi berubah sementara tekanan tetap.  Pada kompresor terjadi perubahan entalpi bersama-sama dengan perubahan tekanan, sedangkan pada katup ekspansi terjadi perubahan tekanan dengan entalpi tetap.  Berdasarkan sifat-sifat di atas, telah dikembangkan suatu diagram tekanan-entalpi (diagram molier) yang dapat digunakan untuk analisa sistem pendinginan kompresi uap.

Page 31: Pending In

Gambar 3-8. Diagram Mollier

Konstruksi diagram mollier untuk refrigeran R-12ditunjukkan pada Gambar 3-8.  Sumbu mendatar adalah entalpi sedangkan sumbu tegak adalah tekanan, sehingga garis-garis mendatar menunjukkan tekanan sama sedangkan garis-garis tegak menunjukkan entalpi sama.  Garis melengkung dari kiri bawah ke kanan atas hingga titik kritis adalah garis cair jenuh. 

Di sebelah kiri garis cair jenuh refrigeran berada pada keadaan cair super-dingin atau cair terkondensasi.  Pada garis jenuh refrigeran berada pada keadaan keseimbangan dengan nilai mutu uap 0 (nol), artinya seluruh refrigeran berada pada keadaan cair.  Semakin ke kanan garis cair jenuh nilai mutu uap refrigeran semakin besar hingga mencapai nilai 1 (satu) pada garis uap jenuh, yaitu garis melengkung dari kanan bawah ke kiri atas mencapai titik kritis. 

Di sebelah kanan garis uap jenuh, refrigeran berada pada keadaan uap super-panas.  Garis suhu sama ditunjukkan dengan pola khusus seperti pada penggalan garis yang dihubungkan dengan huruf "s-u-h-u", sedangkan garis volume jenis sama dan garis entropi sama ditunjukkan seperti pada gambar. 

Keseluruhan siklus yang terjadi pada pendingin kompresi uap, mencakup kompresi, kondensasi, ekspansi, dan evaporasi dapat digambarkan secara mudah pada diagram tersebut.  Gambar 3-9 menunjukkan siklus pendinginan kompresi uap yang bekerja secara ideal dengan suhu evaporasi Te  dan suhu kondensasi Tk

Peletakan siklus di dalam diagram dilakukan dengan memperhatikan sifat tiap proses yang membentuk siklus tersebut.  Proses kompresi (1-2) digambarkan bekerja secara isentropik, sehingga berada pada garis entropi sama (s). 

Page 32: Pending In

Proses pengembunan (2-3) bekerja pada keadaan tekanan tetap pada suhu T3, sehingga berada pada garis mendatar.  Pencekikan (3-4) bekerja pada keadaan isentalpik sehingga merupakan garis tegak lurus entalpi sama, dalam hal ini h3 = h4. 

Proses penguapan kembali bekerja pada tekanan tetap tapi pada suhu Tk yang merupakan perpotongan antara garis pengembunan dengan garis cair jenuh.  Nilai h1 merupakan entalpi pada perpotongan antara garis penguapan garis uap jenuh sedangkan nilai h2 merupakan entalpi pada perpotongan antara garis pengembunan dengan garis entropi (s).

Siklus yang bekerja dengan pendinginan lanjut disajikan pada Gambar 3-10.  Di dalam kondensor gas refrigeran diembunkan hingga seluruhnya menjadi refrigeran cair (mencapai garis cair jenuh).  Pada proses pendinginan lanjut, terjadi pelepasan panas yang lebih besar dari pada yang dibutuhkan untuk kondensasi sehingga suhu refrigeran cair yang keluar dari kondensor lebih rendah dari suhu pengembunan Tk dan berada pada keadaan cair super-dingin (cair terkompresi). 

Jika proses lain di dalam siklus sama dengan proses pada siklus ideal, pendinginan lanjut sebesar ΔT (selisih antara suhu refrigeran cair jenuh Tk dengan suhu refrigeran keluar dari kondensor T') dapat menyebabkan peningkatan efek pendinginan sebesar Δh = h' - h3 .  ΔT dalam hal ini sering disebut sebagai derajat pendinginan lanjut atau derajat super-dingin.

Siklus yang bekerja dengan pemanasan lanjut disajikan pada Gambar 3-11.  Pemanasan lanjut terjadi pada evaporator.  Pada evaporator terjadi penyerapan panas yang digunakan untuk menguapkan refrigeran cair yang keluar dari katup cekik pada suhu Te hingga seluruh refrigeran menjadi uap.  Pada proses pemanasan lanjut, panas yang diserap lebih besar dari pada yang dibutuhkan untuk penguapan dan kelebihan tersebut digunakan untuk meningkatkan suhu uap, sehingga uap yang keluar dari evaporator berada pada keadaan uap super-panas.  Jika proses lain di dalam siklus sama dengan proses pada siklus ideal, pemanasan lanjut sebesar ΔT (selisih antara suhu refrigeran keluar dari evaporator dengan suhu uap jenuh Te ) dapat menyebabkan peningkatan efek pendinginan sebesar Δh = h1 - h'.  ΔT dalam hal ini sering disebut sebagai derajat pemanasan lanjut atau derajat super-panas.  Proses pemanasan lanjut sering juga disebut dengan proses kompresi kering karena refrigeran yang masuk ke kompresor seluruhnya dalam keadaan uap (mutu uap = 1).  Proses kompresi basah terjadi jika refrigeran yang keluar dari evaporator dan masuk ke kompresor belum seluruhnya menjadi uap (mutu uap < 1) akibat dari kurangnya panas yang dapat diserap oleh evaporator

E. Penggunaan Tabel Properti Refrigeran

Pemecahan nyata masalah-masalah termodinamika, khususnya pendinginan, dapat disederhanakan dengan menggunakan diagram atau tabel sifat termodinamik.  Keberadaan zat dan peralihannya dapat dianalisa dengan menggunakan diagram.  Gambar I-3 (a) adalah diagram tekanan-volume, (b) diagram suhu-entropi, dan (c) diagram tekanan-entalpi, yang keseluruhannya adalah untuk jenis refrigeran yang mengkerut pada saat pembekuan.  Pada seluruh diagram tersebut, kurva yang membatasi

Page 33: Pending In

wilayah fase zat ditunjukkan dengan sistem penomoran yang sama.  Garis jenuh cair "3-4" dan garis jenuh uap "4-6" (umumnya disebut sebagai garis jenuh), bersama garis/titik tripel "2-3-5", membatasi suatu wilayah dimana ketiga fase (padat, cair dan uap) berada bersama-sama dalam berbagai komposisi.  Perbandingan berat dua fase zat yang tercampur homogen di dalam wilayah ini dikenal dengan mutu uap.  Mutu uap dinyatakan berdasarkan persamaan berikut :

............................................................3-18

Contoh soal 3-1

Diketahui suatu campuran homogen antara 10% massa cairan jenuh dengan 90% massa uap jenuh.  Tentukan mutu uap tersebutJawab :    x = 0.9 / (0.9 + 0.1)            x = 0.9 (mutu uap adalah 0.9)

Pada wilayah di sebelah kiri garis cair jenuh dan di atas suhu titik triple, zat berada pada keadaan cair super dingin (subcooled liquid), sedangkan di sebelah kanan garis uap jenuh zat berada pada keadan uap panas-lanjut (superheated vapor).  Titik kritis, 4, pada pertemuan antara garis jenuh cair dan uap, menunjukkan suhu kritis yang mana di atas suhu tersebut zat tidak dapat dicairkan kembali.  Di atas tekanan kritis, panas laten penguapan menjadi nol, garis batas antara fase cair dan uap lenyap, serta fenomena penguapan dan kondensasi juga lenyap.  Garis jenuh padat, 1-2, bagian bawah dari garis jenuh uap, 5-6, dan garis triple isotermik, 2-3-5, melingkupi suatu wilayah di mana fase padat dan uap ada bersama-sama dengan proporsi berbeda. 

Di sebelah kiri garis jenuh padat dan di bawah suhu titik triple, zat berada pada keadaan padat dingin-lanjut.  Titik triple pada suhu titik triple, 2-3, adalah rangkaian titik keadaan yang unik dimana zat dapat berada pada ketiga fase, padat, cair, dan uap, dalam keseimbangan.  Di bawah suhu titik triple, panas yang dibutuhkan untuk mengubah zat dari fase padat langsung ke fase uap disebut panas laten sublimasi.  Pada suhu titik triple, panas yang dibutuhkan untuk mengubah zat dari fase padat menjadi cair (sepanjang 2-3) disebut panas laten pencairan, dan di atas suhu tersebut, panas yang dibutuhkan untuk mengubah zat dari fase cair ke uap disebut panas latent penguapan.

Untuk keperluan teknik status zat dapat lebih mudah ditentukan dengan menggunakan tabel sifat termodinamik zat.  Tabel untuk air sering disebut dengan Tabel Uap (Steam Table).  Tabel sifat termodinamik air dan beberapa zat yang umum digunakan sebagai refrigeran diberikan pada Lampiran.  Cara pembacaan Tabel Uap dijelaskan sebagai berikut.

Tabel sifat termodinamik berisi nilai-nilai untuk suhu (T) tekanan (p), volume jenis (v), panas dalam (u), entalpi (h) dan entropi (s).

Tabel sifat termodinamik terdiri atas tabel jenuh (Lampiran), tabel super panas (Lampiran) dan tabel super dingin (Lampiran).

Page 34: Pending In

Tabel jenuh (saturated) dapat dibaca melalui dua cara, yaitu melalui suhu (Lampiran) dan melalui tekanan (Lampiran).  Nilai-nilai pada tabel ini menunjukkan status zata pada kondisi jenuh yaitu berada pada garis lengkung pada Gambar I-3.  Tabel jenuh berisi nilai sifat pada keadaan terdapat dua fase (cair dan uap) dalam keseimbangan.  Sifat v, u, h dan s mempunyai subskrip "f", "g", dan "fg".  Subskrip "f" berarti keadaan cair jenuh (fluid) ditunjukkan dengan garis melengkung cembung ke kiri pada Gambar I-3, dimana mutu uap 0.0.  Subskrip "g" berarti uap jenuh (gas) ditunjukkan dengan garis melengkung cembung ke kanan, dimana mutu uap 1.0.  Subskrip "fg" berarti cair-gas (peralihan fase dari cair ke gas atau dari gas ke cair).  Nilai bersubskrip "fg" sama dengan nilai bersubskrip "g" dikurang nilai bersubskrip "f", atau  Zfg = Zg - Zf .  Sebagaimana disebutkan pada bagian terdahulu, tekanan dan suhu pada status jenuh adalah saling tergantung sehingga pembacaan nilai sifat melalui tabel jenuh dapat dilakukan hanya dengan menggunakan salah satu nilai sifat yang diketahui, seperti suhu atau tekanan.

Nilai sifat zat pada keadaan yang berada di antara kedua garis lengkung (garis jenuh) dapat dihitung dari table jika mutu uap diketahui dengan menggunakan persamaan-persamaan berikut :

      hx = hf + xhfg      sx = sf + xsfg                                               .................................. 3-19      vx = vf + xvfg

Beberapa tabel tidak mencantumkan nilai energi dalam sehingga harus dihitung dengan menggunakan persamaan,

      u = h - pv                                                      .................................. 3-20

Tabel super panas (superheated) memberi nilai-nilai sifat zat dalam fase uap yang mendapat pemanasan lanjut (sebelah kanan garis melengkung cembung ke kanan pada Gambar I-3).  Pembacaan tabel super panas dapat dilakukan jika 2 nilai sifat diketahui, misalnya tekanan dan suhu.  Nilai Tsat yang dicantumkan berdekatan dengan nilai tekanan menunjukkan suhu jenuh yang bersesuaian dengan tekanan tersebut.  Pada tabel super panas diberikan nilai sifat pada tekanan tertentu dan suhu lebih besar atau sama dengan suhu jenuh yang bersesuaian dengan tekanan tersebut.

Tabel super dingin (subcooled atau compressed liquid) memberi nilai sifat zat dalam fase cair yang mendapat pendinginan lanjut atau mendapat tekanan lanjut (sebelah kiri garis melengkung cembung ke kiri pada Gambar I-3).  Pembacaan tabel super dingin sama dengan tabel super panas, kecuali nilai yang tercantum adalah pada tekanan tertentu dan suhu lebih rendah atau sama dengan suhu jenuh yang bersesuaian dengan tekanan tersebut.

Pembacaan nilai sifat refrigeran atau zat lain dapat dilakukan dengan cara yang sama dengan menggunakan tabel yang bersesuaian.

Page 35: Pending In

Contoh soal 3-2 :

Uap air berada pada silinder dengan kondisi awal 3.0 MPa dan 300 oC (status 1).  Air tersebut didinginkan pada volume tetap hingga mencapai suhu 200 oC (status 2).  Selanjutnya dikempa pada kondisi isotermal hingga tekanan mencapai 2.5 Mpa (status 3).               (a) Gambarkan proses tersebut pada diagram T-v dan diagram p-v.               (b) Tentukan volume jenis pada status 1,2,3, dan mutu uap pada status 2.Jawab :

(a) Dengan menggunakan tabel uap diketahui bahwa Suhu T1 (300 oC) lebih besar dari suhu jenuh pada tekanan p1 (3.0 MPa) yaitu 233.9 oC, sehingga status 1 berada pada wilayah super panas.  Pendinginan pada kondisi volume jenis tetap mengikuti proses yang tegak lurus dengan sumbu datar "v" diteruskan hingga mencapai garis suhu 200 oC untuk mendapatkan status 2.  Pengempaan isotermal mengikuti proses di sepanjang garis suhu 200 oC.  Pada wilayah dua fase (cair-uap) garis suhu berimpit dengan garis tekanan hingga mencapai garis jenuh cair.  Kemudian dilanjutkan pada garis suhu yang sama hingga mencapai tekanan 2.5 MPa untuk mendapatkan status 3.

(b) Dari tabel uap super panas diperoleh bahwa volume jenis pada status 1 (v1) adalah 81.1 cm3/kg (dengan memasukkan nilai p=3.0 MPa dan T=300 oC) yang mana harus sama dengan v2 (volume jenis pada status 2).  Dengan memasukkan nilai p=2.5 MPa dan T=200 oC ke tabel uap super dingin diperoleh nilai v3 = 1.1555 cm3/kg.  Mutu uap pada status 2 (x2) dapat ditentukan melalui volume jenis yaitu dengan mengetahui volume jeni saat jenuh cair (vf) dan jenuh uap (vg) pada suhu status tersebut (200 oC) yaitu vv=1.1565 cm3/kg dan vg=124.4 cm3/kg.  Diperoleh x2=(81.1-1.156)/(124.4-1.1565)=0.633

 

Alat lain yang dapat digunakan untuk menentukan sifat refrigeran selama siklus pendinginan adalah tabel keadaan refrigeran. Tabel keadaan refrigeran mempunyai struktur yang sama dengan Tabel Uap untuk air.  Tabel tersebut mempunyai 3 bentuk yaitu tabel jenuh (saturated), tabel super-dingin (compressed liquid), dan tabel super-

Page 36: Pending In

panas (superheated qas).  Penentuan sifat refrigeran dilakukan dengan memperhatikan keadaan refrigeran pada titik yang ingin ditentukan sebagaimana diterangkan di atas.  Sifat refrigeran yang berada di sepanjang garis jenuh (garis jenuh cair dan garis jenuh uap) pada diagram molier ditentukan dengan menggunakan tabel jenuh.  Tabel jenuh dapat digunakan jika salah satu sifat refrigeran (suhu, tekanan, entalpi, entropi, volume jenis) diketahui.  Jika refrigeran berada di antara kedua garis jenuh tersebut, maka sifat refrigeran ditentukan dengan menggunakan nilai mutu uap seperti dijelaskan pada bagian terdahulu.

Sifat refrigeran dalam keadaan cair super-dingin (berada di sebelah kiri garis cair jenuh) ditentukan dengan menggunakan tabel super-dingin, sedangkan sifat refrigeran dalam keadaan uap super panas (di sebelah kanan garis uap jenuh) ditentukan dengan menggunakan tabel super-panas.  Penggunaan tabel super-dingin dan tabel super-panas harus memperhatikan derajat super-dingin atau derajat super-panas refrigeran yang bersangkutan.

SOAL LATIHAN

1. Setengah kilogram amonia cair jenuh dikembangkan melalui katup cekik dari tekanan kondensor 12.25 kg/cm2 ke tekanan evaporator

2.85 kg/cm2. Tentukan :     a. perubahan volume jenis yang terjadi     b. mutu uap amonia yang keluar dari katup cekik

2. Jika refrigeran pada soal no.1 mengalami pendinginan lanjut sebesar 3 oC, tentukan mutu uap amonia yang keluar dari katup cekik

3. Suatu mesin pendingin yang menggunakan amonia sebagai refrigeran bekerja pada suhu pengembunan 30 oC dan suhu penguapan -20 oC.  Jika terjadi siklus ideal, tentukan :     a. efek pendinginan                 b. laju aliran massa amonia (dalam kg/menit per ton pendinginan)     c. langkah piston per menit per ton pendinginan     d. kebutuhan tenaga (Hp) per ton pendinginan     e. COP             f. panas yang dilepaskan dari kondensor per menit per ton pendinginan.

4. Suatu sistem pembekuan pangan membutuhkan kapasitas sebesar 20 ton pendinginan pada suhu evaporator -35 oC dan suhu kondensor 22 oC.  Refrigeran yang digunakan adalah Freon 22 dan mengalami pendinginan lanjut sebesar 3 oC saat keluar dari kondensor serta pemanasan lanjut sebesar 4 oC saat keluar dari evaporator.  Proses kompresi yang terjadi adalah isentropik.  Kompresor yang digunakan mempunyai 6 silinder dengan stroke sama dengan bore dan bekerja pada 1500 rpm.  Tentukan :     a. efek pendinginan     b. laju aliran massa refrigeran per menit

Page 37: Pending In

     c. langkah piston teoritik per menit     d. tenaga teoritik (Hp)     e. COP     f. panas yang dilepas dari kondensor

5. Satu kilogram refrigeran 12 dikembangkan melalui katup cekik dari tekanan 10 bar menjadi 4 bar.  Tentukan a) mutu uap refrigeran pada akhir proses, b) perubahan volume jenis, dan c) mutu uap akhir jika refrigeran tersebut mengalami pendinginan lanjut 10 oC.

6.  Buatlah suatu bentuk umum keseimbangan energi antara refrigeran cair pada keadaan diam di receiver dengan refrigeran yang memasuki katup ekspansi.  Abaikan gesekan pada pipa.

7. Suatu mesin pendingin kompresi uap dengan refrigeran R-22 beroperasi pada suhu evaporasi –20 oC dan suhu kondensasi 35 oC.

a. Tentukan suhu refrigeran yang memasuki kondensorb. Tentukan debit aliran yang diperlukan untuk mendapatkan kapasitas pendinginan

2 ton refrigerasi (1 ton ref.=1357 W).c. Hitung COP mesin tersebut

Test Formatip

1. Sebuah sistem pendingin dengan siklus kompresi uap standar yang menggunakan refrigeran tipe R-22 diketahui mempunyai suhu kondensasi 35oC.  Apabila setelah melalui katup ekspansi tekanannya turun sebesar 933.45 kPa, dan jika diketahui laju aliran refrigeran sebesar 0.315 kg/s tentukan:

Suhu proses evaporasi Kebutuhan daya kompresi dan kapasitas refrigerasi yang dihasilkan (dalam kW). COP dari sistem

2. Sebuah sistem pendingin dengan siklus kompresi uap standar yang menggunakan refrigeran tipe amonia diketahui beroperasi pada suhu kondensasi 34oC dan suhu evaporasi -30 oC.  Jika diketahui laju aliran refrigeran sebesar 0.3 kg/s, dan diasumsikan bahwa kompresor bekerja secara adiabatik, tentukan:

Kapasitas refrigerasi yang dihasilkan Tekanan hisap dan tekanan buang kompresor Suhu refrigeran yang keluar dari kompresor Kebutuhan daya kompresi. COP

PUSTAKA

Alan, H. Cromer. 1981. Physics For The Sciences. Second edition, Intenational Student Edition, Mc Graw-Hill International Book Company, Tokyo.

Page 38: Pending In

Dossat, R.J.  1981.  Principles of Refrigeration.  John Willey and Sons, New York.Hutchinson, F.W.  1957. Thermodynamics  of Heat Power Systems. Adison-Wesley.Lee, J.F and Sears, F.W. 1964. Thermodynamics. Adison Wesley Publishing Co., Massachusets.Moran, M.J., and H.N. Shapiro. 1988. Fundamentals of Engineering Thermodynamics, John Wiley & Sons. N.Y. USAStoker W.F dan Jones, J.W,  1987.  Refrigeration and Air Condition.  McGraw-Hill Book Company.  Tokyo.

BAB 5. REFRIGERAN

Tujuan Instruksional Khusus

Mahasiswa mampu menjelaskan jenis-jenis refrigerant dan mampu melakukan pemilihan refrigerant yang tepat. Cakupan dalam pokok bahasan ini meliputi refrigeran primer dan sekunder, sifat termofisik berbagai refrigeran, perbandingan atribut lingkungan dan atribut kinerja refigeran.

A. Pendahuluan

Refrigeran adalah fluida kerja yang bersirkulasi dalam siklus refrigerasi. Refrigeran merupakan komponen terpenting siklus refrigerasi karena refrigeran yang menimbulkan efek pendinginan dan pemanasan pada mesin refrigerasi. ASHRAE (2005) mendefinisikan refrigeran sebagai fluida kerja di dalam mesin refrigerasi, pengkondisian udara, dan sistem pompa kalor. Refrigeran menyerap panas dari satu lokasi dan membuangnya ke lokasi yang lain, biasanya melalui mekanisme evaporasi dan kondensasi.

Calm (2002) membagi perkembangan refrigeran dalam 3 periode: Periode pertama, 1830-an hingga 1930-an, dengan kriteria refrigeran "apa pun yang bekerja di dalam mesin refrigerasi". Refrigeran yang digunakan dalam periode ini adalah ether, CO2, NH3, SO2, hidrokarbon, H2O, CCl4, CHCs. Periode ke-dua, 1930-an hingga 1990-an menggunakan kriteria refrigeran: aman dan tahan lama (durable). Refrigeran pada periode ini adalah CFCs (Chloro Fluoro Carbons), HCFCs (Hydro Chloro Fluoro Carbons), HFCs (Hydro Fluoro Carbons), NH3, H2O. Periode ke-tiga, setelah 1990-an, dengan kriteria refrigeran "ramah lingkungan". Refrigeran pada periode ini adalah HCFCs, NH3, HFCs, H2O, CO2.

Page 39: Pending In

R-134 R-12

Gambar 5-1. Refrigeran

Perkembangan mutakhir di bidang refrigeran utamanya didorong oleh dua masalah lingkungan, yakni lubang ozon dan pemanasan global. Sifat merusak ozon yang dimiliki oleh refrigeran utama yang digunakan pada periode ke-dua, yakni CFCs, 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 dijadwalkan untuk dihapus (phased-out) pada tahun 2010 (CFCs) dan 2040 (HCFCs) (Powell, 2002). Pada tahun 1997, Protokol Kyoto mengatur pembatasan dan pengurangan gas-gas penyebab rumah kaca, termasuk HFCs (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.

Page 40: Pending In

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-produk 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 hingga penghapusan dan penggantiannya dengan R134a di tahun 1996. Banyak kalangan menyebutkan bahwa Protokol Montreal adalah salah satu perjanjian internasional di bidang lingkungan yang paling berhasil diterapkan.

Gambar 5-2. Kulkas dengan refrigeran non CFC

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

Page 41: Pending In

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 di bidang refrigerasi dan pengkonsian udara telah menggunakan R410A dalam produk 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 (CO2), air, dan udara (Riffat dkk., 1997). Kata "alami" menekankan keberadaan zat-zat tersebut 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 oil-cracking, 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-langsung bisa digunakan untuk mengatasi kelemahan kedua refrigeran tersebut. 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 terbukti dapat digunakan dalam skala luas masih perlu dikembangkan lebih lanjut.

Refrigeran yang digunakan dalam sistem kompresi uap dikelompokkan menjadi refrigeran primer. Sedangkan jika fluida digunakan untuk memindahkan panas, maka fluida ini disebut sebagai refrigeran sekunder. Penggunaan refrigeran saat ini merupakan isu penting menyangkut pemanasan global. Pada bab ini, akan dijelaskan jenis refrigeran, sifat, dan penggunaannya saat ini.

B. Refrigeran Primer

Refrigeran primer adalah refrigeran yang digunakan pada sistem kompresi uap. Refrigeran yang digunakan pada sistem pendinginan kompresi uap harus mempunyai mempunyai sifat-sifat kimia, fisika, termodinamika tertentu yang sesuai dengan kondisi penggunaan

1. Jenis Refrigeran

Page 42: Pending In

a. Golongan Halokarbon

Refrigeran golongn halokarbon adalah jenis refrigeran yang umum digunakan. Refrigeran jenis ini meliputi refrigeran yang terdiri dari satu atau lebih dari tiga jenis ion golongan halogen (klorin, fluorin, dan bromin). Beberapa jenis refrigeran halokarbon yang umum digunakan disajikan pada Tabel 1.

Tabel 1. Jenis refrigeran halokarbon

Nomor refrigeran Nama kimia Rumus kimia

1112132240113115

TrikloromonofluorometanDiklorodifluorometan

MonoklorotrifluorometanMonoklorodifluorometan

Metil kloridaTriklorotrifluoroetan

Diklorotetrafluoroetan

CCl3FCCl2F2CClF3

CHClF2CH3Cl

CCl2FCClF2CClF2CClF2

Sistem penomoran golongan halokarbon adalah sebagai berikut: nomor pertama dari sebelah kanan menunjukkan jumlah atom florin pada senyawa, nomor kedua dari kanan menunjukkan satu nilai lebih banyak dari jumlah atau, hidogren pada senyawa dan tiga digit dari kanan menunjukkan satu nilai lebih sedikit dari jumlah atom karbon.

b. Senyawa Inorganik.

Awalnya, saat pendinginan hanya digunakan untuk tujuan khusus, hanya amoniak dan karbon dioksida yang dapat digunakan sebagai refrogeran. Saat pendinginan mulai dikenalkan pada masyarakat, sulfur dioksida, metil klorida dan metilen klorida digunkan karena sesuai dengan kompresor sentrifugal. Metilrn klorida dan karbon dioksida, karena faktor keamanannya digunakan untuk sistem pengkondisian udara (AC). Semua refrigeran ini, selain amonia, tidak digunakan lagi, kecuali pada sistem yang lama. Amonia mempunyai sifat termal yang baik, dan masih digunakan pada lapangan es skating.

c. Senyawa Hidrokarbon

Banyak senyawa hidrokarbon yang digunakan sebagai refrigeran, umumnya digunakan pada industri minyak bumi, seperti metana, etana, propana, etilen, dan isobutilen. Kesemuanya flammable dan eksplosif. Digolongkan sedikit beracun karena mengandung efek bius pada tingkat tertentu. Etana, metana, dan etilen digunakan pada pendinginan suhu ekstra rendah.

Hidrokarbon sebagai refrigerant dalam sistem refrigerasi telah dikenal sejak tahun 1920-an, sebelum refrigerant sintetik dikenal. Ilmuwan yang tercatat sebagai promotor hidrokarbon sebagai refrigerant antara lain Linde (1916) dan Ilmuwan Dunia Albert

Page 43: Pending In

Einstein (1920). Hidrokarbon kembali diperhitungkan sebagai alternatif pengganti CFC, setelah aspek lingkungan mengemuka, dan timbulnya permasalahan dalam peralihan dari CFC ke HFC, dikarenakan perlu adanya penyesuaian perangkat keras, pelumas, serta perlakuan khusus dalam operasional penggunaan bahan HFC : R-134a ini.

Demikian sulitnya perlakuan R-134a sebagai pengganti R-12 serta masih memiliki dampak Global Warming Potential (GWP), bahkan Greenpeace suatu LSM di Jerman yang sebelumnya gencar mendorong peralihan R-12 ke R-134a, kemudian beralih memperomosikan penggunaan hidrokarbon sebagai refrigeran, seperti GTZ-Technology yang telah populer di daratan Eropa. Penggunaan refrigeran hidrokarbon terus meluas ke berbagai negara di kawasan Asia Pasific, dan. dewasa ini telah banyak dikenal berbagai merek refrigerant yang dihasilkan oleh berbagai negara, seperti yang berasal dari negara : Inggeris, Perancis, Jerman, Belanda, Kanada, Australia, Amerika, Korea, dan lain-lain, termasuk Indonesia.

Indonesia sebagai negara yang memiliki cadangan gas alam dan minyak bumi, disamping pemanfaatan sebagai bahan bakar, juga memiliki potensi sebagai negara yang dapat berkecimpung dalam hal refrigerant hidrokarbon maupun produk-produk ramah lingkungan berbasis hidrokarbon lainnya seperti : Aerosol propellant, foaming agent, solvent, dan lain-lain.Produk refrigerant hidrokarbon MUSI COOL merupakan refrigerant hidrokarbon yang sudah diproduksi di dalam negeri dengan beberapa grade.

Gambar 5-3. Refrigeran hydrocarbon (Musicool) buatan Pertamina

MC-12 dan MC-134 sebagai pengganti refrigerant R-12 dan R-134aMC-12 dan MC-134 merupakan campuran propane dan i-butane dengan kandungan butane serendah mungkin agar tidak menggangu proses kondensasi pada sistem pendingin. Refrigerant ini digunakan pada kendaraan bermotor, kulkas dan dispenser

MC-22 sebagai pengganti refrigerant R-22 MC-22 digunakan untuk pendingin ruangan/AC jenis Split, window maupun central. Refrigerant ini memerlukan kandungan propane yang sangat tinggi yaitu 99,7 % wt dengan impuritis butane dan olefin yang serendah mungkin atau mendekati nol agar kinerja sistem pendingin berjalan optimal.

Page 44: Pending In

MC-600 sebagai refrigerant 600a MC-600 mempunyai kandungan i-butane yang sangat tinggi/dominan atau lebih besar dari 85 % wt dengan kandungan propane seminim mungkin. Refrigerant 600a saat ini digunakan sebagai media pendingin  pada kulkas, yang beroperasi pada tekanan rendah. Ke depan prospek refrigerant ini sangat cerah karena kecenderungan penggunaannya tinggi.

d. AzeotropSenyawa azeotrop adalah suatu campuran yang tak dapat dipisahkan menjadi senyawa penyusunnya dengan cara distilasi. Senyawa ini menguap dan mengembun sebagai satu zat, tidak seperti campuran lainnya. Azeotrop yang paling dikenal adalah R502 yang merupakan campuran 48.8% R22 dan 51.2% R115. Azeotrop lainnya adalah R-500, campuran dari 73.8% R-12 dan 26.2% R-152a.2. Sifat RegfrigeranDalam pemilihan refrigeran, sifat refrigeran yang penting antara lain sifat termodinamika, kimia, dan fisik. Sifat termodinamika yang penting antara lain titik didih, tekanan penguapan dan pengembunan, tekanan dan suhu kritis, titik beku, volume uap, COP, tenaga per ton refrigerasi. Sifat kimia berhubungan dengan reaksi refrigeran terhadap keadaan sekitar, antara lain tidak mudah terbakar, tidak beracun, tidak bereaksi dengan air, minyak dan bahan konstruksi. Sedangkan sifat fisik refrigeran berhubungan dengan bahan itu sendiri,antara lain konduktivitas dan kekentalan.Sifat Refrigeran

Tekanan penguapan harus cukup tinggi Sebaiknya refrigeran memiliki suhu pada tekanan yang lebih tinggi, sehingga

dapat dihindari kemungkinan terjadinya vakum pada evaporator dan turunnya efisiensi volumetrik karena naiknya perbandingan kompresi   

Tekanan pengembunan yang tidak terlampau tinggi, apabila tekanan pengembunannya terlalu rendah, maka perbandingan kompresinya menjadi lebih rendah, sehingga penurunan prestasi kondensor dapat dihindarkan, selain itu dengan tekanan kerja yang lebih rendah, mesin dapat bekerja lebih aman karena kemungkinan terjadinya kebocoran, kerusakan, ledakan dan sebagainya menjadi lebih kecil.

Kalor laten penguapan harus tinggi, refrigeran yang mempunyai kalor laten penguapan yang tinggi lebih menguntungkan karena untuk kapasitas refrigerasi yang sama, jumlah refrigeran yang bersirkulasi menjadi lebih kecil

Volume spesifik ( terutama dalam fasa gas ) yang cukup kecil, Refrigeran dengan kalor laten penguapan yang besar dan volume spesifik gas yang kecil (berat jenis yang besar) akan memungkinkan penggunaan kompresor dengan volume langkah torak yang lebih kecil. Dengan demikian untuk kapasitas refrigerasi yang sama ukuran unit refrigerasi yang bersangkutan menjadi lebih kecil

Page 45: Pending In

Koefisien prestasi harus tinggi, dari segi karakteristik termodinamika dari refrigeran, koefisien prestasi merupakan parameter yang terpenting untuk menentukan biaya operasi

Konduktivitas termal yang tinggi, konduktivitas termal sangat penting untuk menentukan karakteristik perpindahan kalor

Viskositas yang rendah dalam fasa cair maupun fasa gas, dengan turunnya tahanan aliran refrigeran dalam pipa, kerugian tekanannya akan berkurang

Konstanta dielektrika dari refrigeran yang kecil, tahanan listrik yang besar, serta tidak menyebabkan korosi pada material isolator listrik

Refrigeran hendaknya stabil dan tidak bereaksi dengan material yang dipakai, jadi juga tidak menyebabkan korosi

Refrigeran tidak boleh beracun

Refrigeran tidak boleh mudah terbakar dan mudah meledak

Sebaiknya refrigeran menguap pada tekanan sedikit lebih tinggi dari pada tekanan atmosfir. Dengan demikian dapat dicegah terjadinya kebocoran udara luar masuk sistem refrigeran karena kemungkinan adanya vakum pada seksi masuk kompresor (pada tekanan rendah).

Titik didih refrigeran merupakan salah satu faktor yang sangat penting:

Refrigeran yang memiliki titik didih rendah biasanya dipakai untuk keperluan operasi pendinginan temperatur rendah (refrigerasi)

Refrigeran yang memiliki titik didih tinggi digunakan untuk keperluan pendinginan temperatur tinggi (pendinginan udara)

Titik didih refrigeran merupakan indikator yang menyatakan apakah refrigeran dapat menguap pada temperatur rendah yang diinginkan, tetapi pada tekanan yang tidak terlalu rendah. Dari segi termodinamika R12, R22, R500, R502, ammonia dapat dipakai untuk daerah suhu yang luas, dari keperluan pendinginan udara sampai ke refrigerasi. Sifat termofisik dari beberapa refrigeran disajikan pada tabel 5.1.Tabel 5.1. Sifat termofisik beberapa refrigeran

Parameter R-12 R-22 R-114 R-500 R-502 R-717 R-718

Simbol kimia CCl2F2 CHClF2 CClF2 - - NH3 H20

Berat molekul 120.9 86.5 170.9 99.29 112 17 18

Titik didih (0C, 1 atm) -29.8 -40.8 3.6 -33.3 -45.6 -33.3 100

Titik beku (0C, 1 atm) -157.8 -160.0 -77.8

Page 46: Pending In

Cp/Cv (g) 1.13 1.18 1.31 1.40

Suhu kritik (0C) 112.2 96.1 132.8

Tekanan kritik (kPa) 4115.7 4936.1 1423.4

Panas laten penguapan (kJ/kg) 161.7 217.7 1314.2

3. Atribut Lingkungan dan Atribut KerjaPemilihan refrigeran lainnya dibuat berdasarkan atribut kerja dan lingkungan. Atribut kerja refrigeran adalah sifat yang berkaitan dengan penggunaan refrigeran. Sifat ini dibandingkan dengan beban kerja yang sama atau suhu evaporasi dan suhu kondensasi yang sama. Sifat yang dibandingkan antra lain COP, efek pendinginan, serta tekanan kondensasi dan evaporasi. Tabel 5.2 menampilkan atribut kerja bebrapa refrigeran dengan suhu kondensasi 300C dan suhu evaporasi -150C.Tabel 5.2. Atribut kerja beberapa refrigeran

Refrigeran Tekanan evaporasi

(kPa)

Tekanan kondensasi

(kPa)

Rasio tekanan

Efek refrigerasi

(kJ/kg)

Laju aliran massa per kW refrigerasi (L/det)

COP

111222502717

20.4182.7295.8349.6236.5

125.5744.61192.11308.61166.6

6.154.084.033.744.93

155.4116.3162.8106.21103.4

4.90.7820.4760.4840.462

5.034.704.664.374.76

Atribut lingkungan suatu refrigeran duhubungkan dengan reaksi refrigeran saat terlepas di atmosfer. Pada refrigeran halokarbon, atom klorin pada refrigeran akan berikatan dengan ozon di atmosfer, sehingga menyebabkan terjadinya penipisan ozon yang menyebabkan pemanasan global. Terdapat tiga jenis atribut lingkungan yang umum dikenal, GWP, ODP, dan tahun atmosferik.GWP (Global Warming Potential) adalah ukuran seberapa banyak jumlah gas rumah kaca yang diperkirakan akan mempengaruhi pemanasan global. GWP merupakan suatu ukuran relatif yang membandingkan gas yang ingin diketahui nilainya dengan gas CO2 dalam jumlah yang sama. GWP juga harus diukur dalam waktu yang sama, umumnya diukur dalam waktu 100 tahun. ODP (Ozone Depletion Pottential) merupakan parameter yang menyatakan kemampuan suatu refrigeran untuk berikatan dengan ozon di stratosfer. Umumnya, makin banyak ion klorin dalam suatu refrigeran maka makin tinggi ODPnya. Siklus hidup menentukan lamanya suatu gas terurai di atmosfer. Atribut lingkungan beberapa refrigeran ditunjukkan pada tabel 5.3. Tabel 5.3. Atribut lingkungan refrigeran primer

Refrigeran Tahun atmosferik ODP GWP

Karbon dioksidaMetana

50-20012 + 3

00

121

R-11R-12R-22R-502R-717 (Amonia)

50 + 512013.3--

1.01.00.0550.2830

4000850017005600Tidak ada

Page 47: Pending In

C. Refrigeran sekunderSeperti dijelaskan sebelumnya, refrigeran sekunder merupakan fluida yang membawa panas dari benda yang didinginkan ke evaporator suatu sistem pendinginan. Suhu refrigeran sekunder akan berubah saat refrigeran mengambil panas namun tidak berubah fasa. Air dapat digunakan sebagai refrigeran sekunder, namun hanya untuk kondisi operasi di atas titik beku air. Refrigeran yang umum digunakan adalah campuran garam dan air (brine) atau anti beku yang mempunyai titik beku di bawah 00C. Beberapa anti beku yang umum digunakan adalah campuran air dengan etilen glikol, propiln glikol atau kalsium klorida. Etilen glikol dapat digunakan dalam industri makanan karena tidak beracun.

Refrigeran Inorganik Penggunaan

Amonia (NH3) Untuk cold storage, pabrik es, pendinginan bahan   pangan

Air (H2O) Pendinginan tipe ejektor

CO2 Sebagai karbondioksida padat atau es kering dan hanya digunakan untuk refrigerasi angkutan

Refrigeran 11 (CCL3F) Pendinginan dengan kompresor sentrifugal  untuk sistem AC ber-kapasitas besar

Refrigeran 12 (CCL2F) Pendinginan dengan kompresor piston  untuk refrigerasi unit kecil terutama water cooler, kulkas

Refrigeran 22 (CHCLF2) Pendinginan dengan kompresor tipe piston untuk unit refrigerasi kapasitas besar seperti pengemasan dan central AC

Refrigeran 502 Untuk bahan pangan beku dalam kabinet, terutama untuk pendinginan di pasar  swalayan

Latihana. Berikan masing-masing satu contoh refrigeran dari jenis CFC dan HCFC.  b Jenis refrigeran mana yang lebih ramah terhadap lingkungan (gunakan tiga atribut lingkungan yang anda ketahui untuk menjelaskan pilihan anda tersebut). Test FormatipJelaskan dengan singkat pendapat anda mengenai penggunaan hidrokarbon (HC) sebagai refrigeran untuk mesin pendingin/pembeku.Daftar Pustaka

Musicool refrigerant. http://www.up-3.com/up3.php?page=viewproducts&id=8 diakses tanggal 6 Pebruari 2008

BAB 6. MESIN PENDINGIN ALTERNATIF

Tujuan Instruksional Khusus

Mahasiswa diharapkan dapat menjelaskan menjelaskan prinsip kerja berbagai mesin pendingin alternatif dan menganalisis performansi mesin pendingin absorpsi. Cakupan dari pokok bahasan ini rangkuman sistem pendingin non kompresi uap, khusunya sistem absorpsi dan efek termoelektrik.

Page 48: Pending In

A. Sistem Pendinginan Absorbsi

Sejarah mesin pendingin absorbsi dimulai pada abad ke-19 mendahului jenis kompresi uap dan telah mengalami masa kejayaannya sendiri.  Siklus pendinginan absorbsi mirip dengan siklus pendinginan kompresi uap.  Perbedaan utama kedua siklus tersebut adalah gaya yang menyebabkan terjadinya perbedaan tekanan antara tekanan penguapan dan tekanan kondensasi serta cara perpindahan uap dari wilayah bertekanan rendah ke wilayah bertekanan tinggi.

Pada sistem pendingin kompresi uap digunakan kompresor, sedangkan pada sistem pendingin absorbsi digunakan absorber dan generator.  Uap bertekanan rendah diserap di absorber, tekanan ditingkatkan dengan pompa dan pemberian panas di generator sehingga absorber dan generator dapat menggantikan fungsi kompresor secara mutlak.  Untuk melakukan proses kompresi tersebut, sistem pendingin kompresi uap memerlukan masukan kerja mekanik sedangkan sistem pendingin absorbsi memerlukan masukan energi panas.  Oleh sebab itu, siklus kompresi uap sering disebut sebagai siklus yang digerakkan dengan kerja (work-operated) dan siklus absorbsi disebut sebagai siklus yang digerakkan dengan panas (heat operated).  Gambar 6-1 menunjukkan persamaan dan perbedaan antara siklus kompresi uap dengan siklus absorbsi.

.

Salah satu keunggulan sistim absorbsi adalah karena menggunakan panas sebagai energi penggerak.  Panas sering disebut sebagai energi tingkat rendah (low level energy) karena panas merupakan hasil akhir dari perubahan energi dan sering kali tidak didaur ulang.  Pemberian panas dapat dilakukan dengan berbagai cara, seperti menggunakan kolektor surya, biomassa, limbah, atau dengan boiler yang menggunakan energi komersial.

1. Prinsip Kerja Siklus Absorbsi

Dasar siklus absorbsi disajikan pada gambar 6-2.  Pada gambar ditunjukkan adanya dua tingkat tekanan yang bekerja pada sistem, yaitu tekanan rendah yang meliputi proses penguapan (di evaporator) dan penyerapan (di absorber), dan tekanan tinggi yang meliputi proses pembentukan uap (di generator) dan pengembunan (di kondensor). 

Page 49: Pending In

Siklus absorbsi juga menggunakan dua jenis zat yang umumnya berbeda, zat pertama disebut penyerap sedangkan yang kedua disebut refrigeran.  Selanjutnya, efek pendinginan yang terjadi merupakan akibat dari kombinasi proses pengembunan dan penguapan kedua zat pada kedua tingkat tekanan tersebut.  Proses yang terjadi di evaporator dan kondensor sama dengan pada siklus kompresi uap

Kerja siklus secara keseluruhan adalah sebagai berikut :

Proses 1-2/1-3 : Larutan encer campuran zat penyerap dengan refrigeran (konsentrasi zat penyerap rendah) masuk ke generator pada tekanan tinggi. Di generator panas dari sumber bersuhu tinggi ditambahkan untuk menguapkan dan memisahkan refrigeran dari zat penyerap, sehingga terdapat uap refrigeran dan larutan pekat zat penyerap.  Larutan pekat campuran zat penyerap mengalir ke absorber dan uap refrigeran mengalir ke kondensor.

Proses 2-7 :      Larutan pekat campuran zat penyerap dengan refrigeran (konsentrasi zat penyerap tinggi) kembali ke absorber melalui katup cekik.  Penggunaan katup cekik bertujuan untuk mempertahankan perbedaan tekanan antara generator dan absorber.

Page 50: Pending In

Proses 3-4 :      Di kondensor, uap refrigeran bertekanan dan bersuhu tinggi diembunkan, panas dilepas ke lingkungan, dan terjadi perubahan fase refrigeran dari uap ke cair.  Dari kondensor dihasilkan refrigeran cair bertekanan tinggi dan bersuhu rendah.

Proses 4-5 :      Tekanan tinggi refrigeran cair diturunkan dengan menggunakan katup cekik (katup ekspansi) dan dihasilkan refrigeran cair bertekanan dan bersuhu rendah yang selanjutnya dialirkan ke evaporator.

Proses 5-6 :      Di evaporator, refrigeran cair mengambil panas dari lingkungan yang akan didinginkan dan menguap sehingga terjadi uap refrigeran bertekanan rendah.

Proses 6-8/7-8 : Uap refrigeran dari evaporator diserap oleh larutan pekat zat penyerap di absorber dan membentuk larutan encer zat penyerap.  Jika proses penyerapan tersebut terjadi secara adiabatik, terjadi peningkatan suhu campuran larutan yang pada gilirannya akan menyebabkan proses penyerapan uap terhenti.  Agar proses penyerapan berlangsung terus-menerus, absorber didinginkan dengan air yang mengambil dan melepaskan panas tersebut ke lingkungan.

Proses 8-1 :      Pompa menerima larutan cair bertekanan rendah dari absorber, meningkatkan tekanannya, dan mengalirkannya ke generator sehingga proses berulang secara terus menerus.

2. Analisa Pendinginan Absorbsi

Siklus pendinginan absorbsi pada prinsipnya merupakan kombinasi dari 2 siklus, yaitu siklus tenaga dan siklus pendinginan, seperti disajikan pada Gambar 6-3.  Siklus tenaga menghasilkan kerja yang dibutuhkan untuk melakukan proses pengempaan (kompresi) uap yang dihasilkan oleh evaporator.  Siklus tenaga menerima panas qg pada suhu Ts, melepas energi W dalam bentuk kerja ke siklus pendinginan, dan melepas sejumlah qa energi ke lingkungan dalam bentuk panas pada suhu Ta.  Siklus refrigerasi menerima kerja sebesar W dan menggunakannya untuk memompa sejumlah qe panas pada suhu pendinginan Tr kemudian melepaskan sejumlah qc panas pada suhu lingkungan Ta.

Page 51: Pending In

Dari definisi COP, untuk siklus tenaga berlaku persamaan:

............................................................6-1

sedangkan untuk siklus pendinginan berlaku,

............................................................6-2

Koefisien penampilan (COP) siklus absorbsi ideal atau siklus pendinginan yang digerakkan dengan panas didefinisikan sebagai :

........................................................

....

6-3

Dengan memasukkan persamaan [6-1] dan [6-2] diperoleh koefisien penampilan ideal

............................................................6-4

Dari persamaan di atas dapat diambil beberapa kecenderungan, yaitu :- COP meningkat jika Tg meningkat- COP meningkat jika Te meningkat- COP menurun jika Ta menurun

Dalam beberapa hal, penggunaan COP untuk melihat penampilan sistem pendinginan absorbsi tidak menguntungkan karena nilainya sangat rendah dibandingkan dengan COP sistem pendinginan kompresi uap.  Akan tetapi, hal ini tidak mutlak menunjukkan bahwa penampilan kerja sistem absorbsi lebih rendah dibandingkan sistem kompresi uap karena definisi keduanya sangat berbeda.  COP sistem kompresi uap adalah perbandingan laju pendinginan terhadap tenaga dalam bentuk kerja yang diberikan pada sistem, sedangkan pada sistem absorbsi adalah perbandingan terhadap penambahan panas pada generator.  Secara umum, energi dalam bentuk kerja lebih tinggi nilai dan harganya dibandingkan dalam bentuk panas.

Contoh Soal 1 : 

Tentukan COP ideal sistem pendinginan absorbsi yang digerakkan dengan sumber panas bersuhu 100 oC, suhu pendinginan 5 oC dan suhu lingkungan 30 oC.Jawab :      COP = (5+273.15)(100-30) / (100+273.15)(30-5) = 2.09

Analisis terhadap siklus pendinginan absorbsi sederhana dapat dilakukan dengan menggunakan Gambar 6-8 sebagai berikut:

Page 52: Pending In

a. Keseimbangan massa

Di absorber :

............................................................6-5

Di generator :

............................................................6-6

............................................................6-7a

............................................................6-7b

............................................................6-8

Di kondensor dan evaporator :

............................................................6-9

yaitu massa refrigeran yang mengalir jika konsentrasi zat penyerap yang terkandung pada refrigeran setelah keluar dari generator (pada titik 4) dianggap nol (keadaan ideal).

b. Keseimbangan energi

Energi masuk = energi keluar :

............................................................6-10

   dimana :

............................................................6-11

............................................................6-12

............................................................6-13............................................................

6-14

 

Page 53: Pending In

............................................................6-15

dimana :h          : entalpi (kJ/kg)m         : laju aliran massa (kg/det)p          : tekanan (kPa)q          : energi (kJ/kg)v          : volume jenis larutan (m3/kg)wp        : kerja pompa (kW/kg)x          : konsentrasi penyerap (-)hp        : efisiensi pompa (-)huruf kecil 1-8 : sesuai dengan gambar 6-8a        : absorber (penyerap)         c     : campurane        : evaporator                      g     : generatork        : kondensor                       r     : refrigeran

 

Contoh soal 2:           

Suatu mesin pendingin jenis absorbsi air-LiBr bekerja dengan suhu di generator 100 oC, kondensor 40 oC, evaporator 10 oC, dan absorber 30 oC.  Kapasitas pompa adalah 0,6 kg/det. 

Tentukan :                   a. laju aliran refrigeran (air) yang melalui kondensor dan evaporator                   b. energi masuk/keluar pada generator, kondensor, evaporator, dan

Page 54: Pending In

absorber.                   c. COP sistem.Jawab :a.  Keadaan jenuh air murni terjadi di kondensor dan evaporator, sehingga  dengan memasukkan suhu-suhu yang diketahui ke gambar 6-5, diperoleh tekanan uap jenuh di :       

kondensor (Tk = 40 oC) = 7,38 kPaevaporator (Te = 10 oC) = 1,23 kPaUap jenuh di kondensor keluar dari generator pada suhu 100 oC, sehingga konsentrasi LiBr yang terkandung pada uap air setelah keluar dari generator adalah perpotongan antara suhu larutan 100 oC dengan suhu jenuh 40 oC, yaitu 66,4 %.

Uap jenuh dari evaporator masuk ke absorber yang berada pada suhu 30 oC, sehingga meninggalkan absorber dengan konsentrasi LiBr (dengan cara yang sama) sebesar 50 %.  Dengan demikian, keseimbangan massa di generator, dapat dituliskan :

Keseimbangan laju massa total :      m2 + m4 = m1 = mc = 0,6Keseimbangan LiBr :                       m1x1 = m2x2                                                       0,6(0,50) = m2 (0,664)                                                       m2 = m3 = ma = 0,452 kg/det dan                                                       m4 = mr = 0,148 kg/det

Sehingga, laju aliran massa refrigeran yang melalui kondensor dan evaporator adalah m4 = m5 = m6 = m7 = mr = 0,148 kg/det, sedangkan laju aliran massa penyerap adalah m2 = m3 = ma = 0,452 kg/det, dan mc = 0,6 kg/det.

b.       Entalpi larutan dapat dibaca dari gambar 6-6, yaitu :          h1 = h8 = (pada T = 30 oC dan x1 = 0,50) = -168 kJ/kg          h2 = h3 = (pada T = 100 oC dan x2 = 0,664) = -52 kJ/kg

          Entalpi air dan uap air pada keadaan jenuh dapat dibaca dari Tabel Uap pada Lampiran, yaitu :          h4 (uap jenuh pada T = 100 oC) = 2676,0 kJ/kg          h5 = h6 = (cair jenuh pada T = 40 oC) = 167,5 kJ/kg          h7 (uap jenuh pada T = 10 oC) = 2520,0 kJ/kg

          Sehingga laju pertukaran energi yang terjadi adalah :          qg = m2h2 + m4h4 - m1h1 = 0,452(-52) + 0,148(2676,0) - 0,6(-168) = 473,3 kJ          qk = mr(h4 - h5) = 0,148(2676,0 - 167,5) = 371,2 kJ          qa = mrh7 + mah3 - mch8 = 0,148(2520,0) + 0,452(-52) - 0,6(-168) = 450,3 kJ/kg          qe = mr(h7 - h6) = 0,148(2520,0 - 167,5) = 348,2 kJ/kg

c.       COP = qe / qg = (348,2) / (473,3) = 0,736          COP ideal sistem dapat dihitung dengan menggunakan Ta rata-rata = (30+40)/2 = 35 oC, yaitu :

Page 55: Pending In

.................................6-16

3.  Kombinasi Refrigeran – Absorber pada Sistem Pendinginan Absorbsi

Terdapat beberapa kriteria yang harus dipenuhi oleh kombinasi refrigeran dengan zat penyerap untuk layak digunakan pada mesin pendingin absorbsi.  Diantaranya adalah :

1. Zat penyerap harus mempunyai nilai afinitas (pertalian) yang kuat dengan uap refrigeran, dan keduanya harus mempunyai daya larut yang baik pada kisaran suhu kerja yang diinginkan.

2. Kedua cairan tersebut, baik masing-masing maupun hasil campurannya, harus aman, stabil, dan tidak korosif.

3. Secara ideal, kemampuan penguapan zat penyerap harus lebih rendah dari refrigeran sehingga refrigeran yang meninggalkan generator tidak mengandung zat penyerap

4. Refrigeran harus mempunyai panas laten penguapan yang cukup tinggi sehingga laju aliran refrigeran yang harus dicapai tidak terlalu tinggi

5. Tekanan kerja kedua zat harus cukup rendah (mendekati tekanan atmosfir) untuk mengurangi berat alat dan menghindari kebocoran ke lingkungannya

Saat ini, terdapat dua kombinasi refrigeran-zat penyerap yang umum digunakan, yaitu air-litium bromida (H2O-LiBr) dan amonia-air (NH3-H2O).  Pada kombinasi pertama, air bertindak sebagai refrigeran dan litium bromida sebagai zat penyerap, sedang pada kombinasi kedua, amonia bertindak sebagai refrigeran dan air sebagai zat penyerap.

a. Sistem Litium Bromida – air

Sistem litium bromida-air banyak digunakan untuk pengkondisian udara dimana suhu evaporasi berada di atas 0 oC.  Litium Bromida (LiBr) adalah suatu kristal garam padat, yang dapat menyerap uap air.  Larutan cair yang terjadi memberi tekanan uap yang merupakan fungsi suhu dan konsentrasi larutan, seperti ditunjukkan pada Gambar 6-5.  Diagram pada gambar tersebut digunakan pada keadaan jenuh larutan, dimana larutan berada pada keadaan keseimbangan.

Hubungan antara entalpi dengan persentase Litium-Bromida dalam larutan LiBr pada berbagai suhu larutan diberikan pada Gambar 6-6.  Di bagian kanan bawah Gambar 6-5 dan Gambar 6-6 terdapat batas dimana terjadi kristalisasi larutan LiBr-H2O, yaitu pada keadaan mana larutan mengalami pemadatan.  Proses yang terjadi pada wilayah melewati batas kristalisasi akan mengakibatkan pembentukan lumpur padat dan penyumbatan sehingga mengganggu aliran di dalam pipa.

Contoh soal 3:

Air murni pada suhu 40 oC diserap oleh LiBr sehingga menghasilkan larutan dengan konsentrasi 59 % LiBr di dalam larutan.  Tentukan a) tekanan uap air murni (sebelum

Page 56: Pending In

pelarutan LiBr), b) suhu dan tekanan uap larutan air larutanJawab :

a)    Dengan menggunakan Gambar 6-5, tekan uap air murni diperoleh dengan menarik garis lurus mendatar dari  kiri ke kanan, sehingga tekanan uap air pada suhu 40 oC adalah 7,38 kPa.

b)    Suhu larutan merupakan titik potong antara suhu air (40 oC) dengan konsentrasi larutan (59%) yaitu 80 oC.  Tekanan uap larutan diperoleh dengan menarik garis lurus mendatar ke sumbu tekanan, dan diperoleh nilai 7, 38 kPa (sama dengan tekanan uap air murni pada suhu 40 oC).

b. Sistem Air – Amonia

Sistem amonia-air digunakan secara luas untuk mesin pendingin berskala kecil (perumahan) maupun industri, yang mana suhu evaporasi yang dibutuhkan mendekati atau di bawah 0 oC.  Sistem amonia-air mempunyai hampir seluruh kriteria yang diperlukan di atas, kecuali bahwa zat-zat tersebut dapat bersifat korosif terhadap tembaga dan alloynya, serta sifat amonia yang sedikit beracun sehingga membatasi penggunaannya untuk pengkondisian udara.

        

Kelemahan sistem amonia-air yang paling utama adalah air yang juga mudah menguap sehingga amonia yang berfungsi sebagai refrigeran masih mengandung uap air pada saat keluar dari generator dan masuk ke evaporator melalui kondensor.  Keadaan ini dapat menyebabkan uap air meninggalkan panas di evaporator dan meningkatkan suhunya sehingga menurunkan efek pendinginan.  Untuk menghindari hal itu, mesin pendingin absorbsi dengan sistem amonia-air umumnya dilengkapi dengan rectifier dan analyzer, seperti ditunjukkan pada Gambar 6-7.  Amonia yang masih mengandung uap air dari generator melalui rectifier, suatu mekanisma yang bekerja seperti kondenser akibat adanya arus balik uap air dari analyzer.  Di sini, uap air yang mempunyai suhu jenuh

Page 57: Pending In

yang lebih tinggi diembunkan dan dikembalikan ke generator.  Selanjutnya amonia dan sejumlah kecil uap air diteruskan ke analyzer, dimana uap air dan sebagian kecil amonia diembunkan dan dikembalikan ke generator melalui rectifier, sedangkan amonia diteruskan ke kondensor.   Analyzer pada prinsipnya adalah suatu kolom distilasi, yang umumnya menggunakan air pendingin dari kondensor sebagai media pendingin.

Untuk dapat menghitung penampilan panas di dalam siklus pendinginan absorbsi maka diperlukan data entalpi tiap kombinasi refrigeran-zat penyerap yang digunakan.  Diagram entalpi-konsentrasi sistem amonia-air (NH3-H2O) diberikan pada Lampiran.  Perlu diperhatikan bahwa pada diagram tersebut konsentrasi yang ditunjukkan adalah konsentrasi NH3 di dalam larutan NH3-H2O, meskipun dalam hal ini amonia berfungsi sebagai refrigeran dan air sebagai zat penyerap.

B. Efek Termoelektrik

Jika arus dilewatkan melalui suatu termokopel maka akan terjadi 5 efek sebagai berikut:

Efek Seebeck; yaitu efek yang mendefinisikan mekanisme pengukuran suhu dengan termokopel (Gambar 6-8).  Jika dua konduktor A dan B yang berbeda disambungkan dan kedua ujung sambungan tersebut diletakkan pada suhu yang berbeda, maka akan dihasilkan gaya gerak listrik (GGL).  Sebaliknya, jika GGL tersebut disediakan, maka akan terjadi suhu berbeda pada kedua ujung tersebut.  Hubungan antara beda suhu dengan GGL tersebut adalah:

Gambar 6-8. Efek Termoelektrik

 

............................................................6-17

dimana a adalah daya termoelektrik atau koefieisen Seebeck (V/K)

Page 58: Pending In

Efek Joulean; yaitu efek pembentukan panas sebagai akibat dari arus yang mengalir karena terbentuknya GGL pada efek Seebeck di atas.  Panas Joulean yang terbentuk adalah sebesar:

............................................................6-18

dimana qj adalah panas joulean (W), I adalah arus (A) dan R adalah total tahanan pada rangkaian (ohm).

Efek Konduksi; yaitu jika salah satu ujung jembatan termokopel tersebut dipertahankan pada suhu yang lebih tinggi dari ujung lainnya, maka akan terjadi aliran panas dari ujung yang lebih panas ke ujung lebih dingin.  Efek ini bersifat tak-mampu balik, dan besarnya adalah:

............................................................6-19

dimana U adalah koefisien perpindahan panas keseluruhan.

Efek Peltier; jika arus dilewatkan melalui termokopel yang pada mulanya suhu kedua ujungnya adalah sama, maka sejumlah panas akan dilepas pada salah satu ujungnya dan sejumlah lain panas akan diserap pada ujung lainnya sehingga terjadi perbedaan suhu pada kedua ujung tersebut.  Perpindahan panas tersebut dipengaruhi oleh arus yang mengalir, dengan hubungan seperti persamaan:

............................................................6-20

dimana f adalah koefisien Peltier (volt).  Efek Peltier ini menjadi dasar utama system pendinginan efek termoelektrik.

Efek Thomson; jika arus mengalir melalui konduktor termokopel yang pada mulanya bersuhu seragam, maka panas Joulean akan menyebabkan gradien suhu sepanjang termokopel tersebut, dengan hubungan:

............................................................6-21

dimana t adalah koefisien Thomson (V/K) dan dT/dx adalah gradien suhu yang terjadi pada konduktor.

Secara termodinamik koefisien Seebeck (a), Peltier (f) dan Thomson (t) adalah saling berhubungan.  Besaran a dan f sangat tergantung pada sifat kedua konduktor pada

Page 59: Pending In

termokopel tersebut sehingga harus dinyatakan dalam nilai beda (a = aA - aB dan f = fA - fB).  Dengan demikian, hubungan ketiga koefisien tersebut dapat dinyatakan dengan dua persamaan berikut:

............................................................6-22

............................................................6-23

Efek Peltier di atas dapat dimanfaatkan untuk tujuan pendinginan dengan memilih secara tepat dua konduktor berbeda yang akan digunakan.  Gambar 2 menunjukkan contoh skematik system pendingin termoelektrik.  Konduktor dipilih sedemikian hingga daya termoelektrik ap positip dan an negatip.  Jembatan dingin direkatkan dengan lempeng metal atau jenis permukaan pindah panas lainnya, yang kemudian dipaparkan pada ruang atau benda yang akan didinginkan.  Sedangkan jembatan panas direkatkan dengan permukaan pindah panas untuk dapat melepaskan panas ke atmosfir atau media lain.

Pada kondisi tunak (steady), penyerapan dan pelepasan panas dapat dianggap terjadi hanya pada jembatan tersebut, dan sifat lain bahan tetap.  Dengan demikian, keseimbangan panas yang terjadi adalah:

............................................................6-24

 

............................................................6-25

Dari persamaan (6-25) diperoleh,

............................................................6-26

yang menunjukkan bahwa beda suhu (T1 – T0) maksimum terjadi sat efek pendinginan q0 sama dengan nol.  Tenaga batre (w) yang diperlukan sebagai kompensasi kehilangan daya karena efek Joulean dan counteract pembangkitan daya oleh efek Seebeck, adalah:

............................................................6-27

Sehingga koefisien penampilan system pendingin tersebut menjadi:

Page 60: Pending In

............................................................6-28

Untuk system termoelektrik yang mampu balik secara sempurna, tanpa efek Joulean dan konduksi, maka nilainya akan sama dengan COP siklus Carnot.

Nilai q0, (T1 – T0), dan COP dapat dimaksimalkan, dan nilainya diperoleh dengan menurunkan masing-masing persamaan yang berkaitan terhadap I dan menyamakan dengan nol, yaitu:

............................................................6-29

............................................................6-30

dimana disebut sebagai figure of merit.

 

............................................................6-31

Untuk COP maksimum, maka

............................................................6-32

dan

............................................................6-33

Bahan yang digunakan sebagai elemen kopel sitem pendingin termoelektrik adalah campuran bismuth, tellurium dan antimony sebagai elemen p, dan campuran bismuth, tellurium dan selenium sebagai elemen n.  Nilai parameter elemen termoelektrik tipikal adalah sebagai berikut:

Page 61: Pending In

Daya termoelektrik a = 0.00021 volt/KKonduktivitas termal k = 0.015 W/cm.KResistivitas listrik r = 0.001 ohm.cmContact resistance listrik r = 0.00001 ~ 0.0001 ohm.cm2

Latihan

1. Jelaskan beda penggunaan larutan LiBr-H2O terhadap larutan H2O-NH3 pada mesin pendingin absorbsi. Apakah penggunaan kedua larutan tersebut dapat saling dipertukarkan?

2. Apakah masing-masing efek berikut berpengaruh positip (meningkatkan kapasitas pendinginan) atau negatip (mengurangi kapasitas pendinginan) terhadap system pendinginan termoelektrik, berikan penjelasan singkat terhadap jawaban anda:

Efek Joulean Efek Thomson Efek Peltier Efek Seebeck dan Efek Konduksi

Test Formatip

1. Jelaskan sistem pendinginan termoelektrik dan menurut anda di bidang apa dapat diaplikasikan?

2. Jelaskan dengan ringkas perbedaan antara mesin pendingin jenis kompresi uap dengan mesin pendingin jenis absorbsi dari segi a) komponen-komponen utama dan fungsi dari masing-masing komponen tersebut, b) agen pendingin (refrigeran) yang digunakan.

3. Sebuah pendingin absorpsi yg menggunakan LiBr-H2O, dirancang sedemikian rupa sehingga panas yang diserap oleh evaporator (qe) = 138 kW pada suhu 5oC.  Dengan suhu absorber 35oC, hitunglah:

Tentukan konsentrasi larutan yang melewati pompa menuju generator Jika laju aliran yang melalui pompa 0.60 kg / detik, hitunglah konsentrasi keluar

generator, apabila laju aliran dari generator ke absorber sebesar 0.54 kg/detik.  Tentukan suhu kondensor dan suhu generator yang diperlukan serta panas yang

dibuang dari kondensor dan panas yang diserap di generator. (Petunjuk: hitung dahulu entalpi air keluar kondensor)

Tentukan COP sistem pendingin tersebut

4. Sistem pendingin absorbsi dengan pasangan refrigeran dan absorber adalah air dan larutan Li Br. Diagram sistem pendinginan adalah seperti gambar di bawah. Tentukan:

Diagram P-X-T (Tekanan, konsentrasi dan suhu)

Page 62: Pending In

Massa aliran tiap titik Pindah panas tiap komponen sistem pendingin COP sistem pendingin Apa yang anda ketahui dengan sistem pendinginan absorbsi yang dilengkapi

dengan Heat Exchanger? Jelaskan terjadinya kristalisasi dalam sistem pendinginan absorbsi pasangan Air

dan LiBr

BAB 7. KOMPRESOR DAN KATUP EKSPANSI

Tujuan Instruksional khusus

Mahasiswa mampu menjelaskan jenis-jenis kompresor dan katup ekspansi serta menghitung kinerjanya. Cakupan pokok bahasan ini meliputi jenis-jenis kompresor, perbandingan kinerja dan efisiensi kompresor, jenis-jenis katup ekspansi, perhitungan ekspansi pada sistem kapiler

A. Kompresor

Kompresor mengubah uap refrigeran yang masuk pada suhu dan tekanan rendah menjadi uap bertekanan tinggi.  Kompresor juga mengubah suhu refrigeran menjadi lebih tinggi akibat proses yang bersifat isentropik.  Tiga jenis kompresor yang sering digunakan adalah kompresor torak (reciprocating), sentrifugal dan rotari.  Kompresor torak mempunyai piston yang bergerak maju mundur di dalam suatu silinder, dengan kapasitas yang bervariasi antara 1 hingga 100 ton pendinginan tiap unit.  Kompresor sentrifugal mempunyai satu impeler sentrifugal dengan beberapa sudu yang berputar dengan kecepatan tinggi.  Kompresor rotari mempunyai satu sirip (vane) yang berputar dalam satu silinder.        

Page 63: Pending In

Kompresor torak adalah yang paling umum digunakan, dapat digerakkan oleh motor listrik atau motor bakar.  Parameter penting yang mempengaruhi penampilan kompresor adalah kapasitas kompresor itu sendiri, yang pada gilirannya dipengaruhi oleh beberapa faktor seperti:

1. langkah (displacement) piston2. clearance antara kepala piston pada titik mati atas dengan ujung silinder, 3. ukuran katup pemasukan dan pengeluaran, 4. RPM5. jenis refrigeran, 6. tekanan masukan dan tekanan keluaran.

Seringkali kapasitas kompresor harus dikendalikan untuk mengatasi beban pendinginan yang tidak tetap, sehingga kompresor sering dioperasikan pada kapasitas di bawah kapasitas maksimum.  Kapasitas kompresor dapat dikendalikan dengan cara:

1. menyalurkan (bypass) uap refrigeran dari sisi tekanan tinggi ke sisi tekanan rendah kompresor.  Salah satu sistem bypass adalah menghubungkan sisi tekanan tinggi dan sisi tekanan rendah kompresor dengan pipa dan menggunakan katup solenoid sehingga uap refrigeran langsung dipindahkan ke sisi tekanan rendah.

2. tetap membuka katup pemasukan kompresor sehingga uap refrigeran mengalir langsung di dalam kompresor,

3. mengendalikan kecepatan (RPM) motor, yaitu dengan menggunakan motor listrik kecepatan ganda atau menggunakan dua motor listrik yang berkecepatan berbeda.

Gambar 7-1. Konstruksi kompressor torak

Page 64: Pending In

Gambar 7-2. Kompressor torak

Gambar 7-3. Kompressor untuk R-22

Page 65: Pending In

Gambar 7-4. Kompressor hermetik

Gambar 7-5. Kompressor jenis terbuka

B. Katup Ekspansi

Pada prinsipnya, katup ekspansi adalah alat yang dapat mengendalikan aliran refrigeran ke evaporator baik secara manual ataupun otomatik.  Jenis katup ekspansi yang umum

Page 66: Pending In

digunakan dalam mesin pendingin adalah seperti ditunjukkan pada Gambar 7-7.  Bentuk lain katup ekspansi yang paling sederhana adalah pipa kapiler panjang. 

Gambar 7-7. Katup ekspansi termostatik

Besarnya tekanan jatuh yang disebabkan oleh pipa kapiler tersebut dapat dihitung dengan persamaan Darcy Weisbach, yaitu

 

...............................................................................................7-1

dengan

.............................................................................

..................

7-2

dimana: nilai kekasaran relatif pipa (e/d) dan bilangan Reynold (rDv/m).  Dalam hal ini, v adalah laju aliran refrigeran (m/det), L panjang pipa (m) dan D diameter pipa (m).

Page 67: Pending In

Test Formatif

1. Mesin pendingin dengan refrigeran R-22 yang beroperasi pada suhu kondensasi 34 oC, suhu evaporasi -20 oC akan menggunakan katup ekspansi dengan system pipa kapiler (ID=1.63 mm).  Dengan asumsi bahwa viskositas R-22 (m=0.0001823 Pa.s) tetap di sepanjang pipa, volume jenis (n) dihitung pada keadaan rata-rata, dan  factor friksi (f) dapat dihitung dengan persamaan di bawah, tentukan panjang pipa kapiler yang diperlukan.

2. Jelaskan apa yang dimaksud dengan

kompresi basah kompresi kering

pada mesin pendingin kompresi uap

BAB 8. EVAPORATOR DAN KONDENSOR

Tujuan Instruksional Khusus

Mahasiswa mampu menghitung kebutuhan evaporator dan kondensor.  Cakupan dari pokok bahasan ini meliputi keseimbangan panas dan massa pada evaporator dan kondensor, analisis rancangan evaporator dan kondensor serta berbagai jenis evaporator dan kondensor

A. Pendahuluan

Kondensor dan evaporator adalah jenis dari penukar panas (heat exchanger).   Refrigeran melepaskan panas di kondensor dan menyerap panas di evaporator. Salah satu kalisfikasi kondensor dan evaporator dilihat dari letak refrigeran (di dlam atau di luar tabung) dan dari zat pendingin yang digunakan (gas atau cair). Klasifikasi ini dijelaskan pada tabel 1. Gas yang umum digunakan adalah udara dan air merupakan cairan yang sering digunakan sebagai zat pendingin.

Tabel 1. Klasifikasi refrigeran di kondensor dan evaporator

Komponen Refrigeran Zat pendingin

 Di dalam pipa Gas di luar

Page 68: Pending In

Kondensor Cairan di dalam*

Di luar pipa Gas di dalamCairan di dalam

 

EvaporatorDi dalam pipa Gas di luar

Cairan di luar

Di luar pipa Gas di dalam*Cairan di luar

* = jarang digunakan         

Evaporator dan kodensor umumnya berbentuk pipa. Perpindahan panas terjadi dari refrigeran ke dinding dalam ke dinding luar lalu ke zat pendingin. Tidak semua panas refrigeran dapat diserap oleh zat pendingin karena adanya koefisien pindah panas pada dinding pipa. Koefisien pindah panas ini dihitung dengan persamaan:

............................................................8-1

dengan Uo = koefisien pindah panas keseluruhan (W/m2K)            ho = koefisien pindah panas di dalam pipa (W/m2K)            hi = koefisien pindah panas di luar pipa (W/m2K)            x = tebal pipa (m)            Ao = luas pipa luar (m2)            Am = luas rata-rata pipa (m2)            Ai = luas pipa dalam (m2)

Jika cairan berada di dalam pipa, maka koefisien pindah panas di dalam pipa dihitung dengan:

............................................................8-2

dengan h = koefisien konveksi (W/m2K)            D = diameter dalam pipa (m)            k = konduktifitas termal fluida (W/mK)            V = kecepatan aliran fluida (m/det)            ρ = rapat massa fluida (kg/m3)            μ = viskositas fluida (Pa.detik)            cp = panas jenis fluida (J/kgK)

Page 69: Pending In

Pada heat exchanger dengan fluida yang berbeda (cairan dan gas), karena perbedaan nilai koefisien konveksi, maka akan terjadi perbedaan perpindahn panas. Untuk mengantisipasi hal ini, pipa pada bagian fluida yang berupa gas, diperluas permukaannya dengan penambahan sitip (fin). Karenanya, persamaan koefisien pindah panas keseluruhan ditulis kembali menjadi:

............................................................8-3

dengan hf = koefisien konveksi udara (W/m2K)            Ap = luas pipa antara sirip (m2)            Ae = luas sirip (m2)            η = efektifitas sirip            efektifitas sirip bar dihitung dengan persamaan:

............................................................8-4

 

............................................................8-5

 

dengan L = panjang sirip (m)            k = konduktifitas bahan sirip (W/m)            y = setengah dari tebal sirip (m)atau menggunakan grafik di bawah. Grafik di bawah digunakan untuk sirip lingkaran. Pada sirip persegi, luasan sirip persegi diubah menjadi luasan srip lingkaran untuk mendapatkan diameter sirip.

Contoh soal: berapakah efektifitas sirip pada sirip persegi yang terbuat dari alumunium setebal 0.3 mm yang disisipkan pada pipa dengan berdiameter luar 16 mm jika jarak vertikalnyanya 50 mm dan jarak horizontalnya 40 mm. Koefisien pindah panas udara 65 W/m2K, dan konduktifitas alumunium 202 W/mK.

Jawab: sirip persegi ini mempunyai luas area yang sama dengan sirip lingkaran berdiameter 50,4 mm. Setengah tebal dari sirip, y = 0.15 mm.

46.3 m-1 

Page 70: Pending In

(re - ri)M = (0.0252-0.008)(46.3) = 0.8dari grafik diketahui, untuk (re - ri)M = 0.8 dan (re - ri) = 25.2/8 =3.15, efektifitas sirip adalah 0.72

B. Kondensor

Berdasarkan zat pendingin yang digunakan, kondensor dibedakan menjadi kondensor berpendingin udara dan air. Sedangkan menurut konstruksinya, kondensor berpendingin air dibagi menjadi shell and tube, double pipe, dan shell and coil condensor. Pada kondensor udara, dibedakan menjadi kondenser dengan aliran udara paksa dan alami. Di bawah adalah gambar beberapa jenis kondensor.

Gambar 8.1. Kondensor berpendingin udara

Gambar 8.2. Kondensor berpendingin air

Page 71: Pending In

Laju  perpindahan panas pada kondensor adalah fungsi dari kapasitas refrigerasi dan suhu evaporasi serta suhu kondensasi. Kondensor harus dapat membuang panas yang diserap di evaporator dan yang ditambahkan di kompresor. Istilah yang umum digunakan untuk menunjukkan tingkat perpindahan panas dari kondenser ke evaporator adalah rasio pelepasan panas (heat rejection ratio) yang dihitung dengan persamaan:

...............8-6

namun rasio perpindahan panas ini kurang tepat karena tidak memperhitungkan kerja kompresi. Nilai rasio perpindahan panas ini juga dapat dihitung dengan bantuan grafik di bawah.

Pada kondensor, terjadi kondensasi pada uap yang mengembun di luar pipa. Koefisien kondensasi yang terjadi di luar pipa dihitung dengan persamaan:

............................................................8-7

dengan hct = koefisien kondensasi (W/m2K)            g = percepatan gravitasi (m/s2)            ρ = rapat massa fluida (kg/m3)            hfg = kalor laten penguapan (J/kg)            μ = viskositas kondensat (Pa.detik)            Δt = perbedaan suhu antara kondensat dan pipa (K)            N = jumlah pipa dalam baris vertikal            D = diameter luar pipa (m)saat kondensor berpendingin air telah digunakan selama beberapa waktu, akan terjadi pengendapan pada pipa karena adanya kotoran pada fluida yang mengalir.  Pengendapan ini akan mengurangi proses pindah panas dan besarnya disebut

sebagai fouling factor Beberapa perusahan menetapkan fouling factor sebesar0.000176 m2K/W.Koefisien pindah panas keseluruhan ditulis ulang menjadi:

 

............................................................8-8

refrigeran berada dalam keadaan superheat, sebaran suhu digambarkan pada grafik dibawah. Karena perbedaan penurunan suhu ini, beda temperatur antara refrigeran dan pendingin dihitung dengan persamaan:

Page 72: Pending In

C. Evaporator

Pada banyak sistem pendinginan, refrigeran akan menguap di evaporator dan mendinginkan fluida yang melalui evaporator. Evaporator ini disebut sebagai direct-expansion evaporator. Berdasarkan zat yang didinginkan, evaporator dibedakan menjadi evaporator pendingin udara dan pendingin cairan. Berdasarkan konstruksinya, evaporator pendingin udara dibedakan menjadi plat, bare tube, dan finned evaporator. Evaporator plat biasa digunakan pada kulkas rumah. Evaporator pendingin udara ini umumnya digunakan untuk sistem pengkondisian udara (AC).

Gambar 8-3. Evaporator

Evaporator pendingin cairan umumnya digunakan untuk mendinginkan air, susu, jus, dan kegunaan industri lainnya. Jenis evaporator yang sering digunakan adalah evaporator bare-tube karena proses pengambilan panas terjadi langsung dari bahan ke ferigeran. Terdapat bebrapa tipe evaporator yang sering digunakan, seperti pipa ganda, Baudelot cooler, tipe tank, shell and coil cooler dan shell and tube cooler.

Contoh soal:

1. Tentukan luasan yang diperlukan bagi kondensasi R-22 dengan kapasitas 80 kW dengan pendingin udara. Suhu evaporasi 50C dan suhu kondensasi 450C. Air masuk pada suhu 300C dan keluar pada suhu 350C. Kondenser dengan 42 pipa akan digunakan dengan penempatan pipa seperto gambar. Tentukan panjang pipa jika diameter dalam dan luar pipa adalah 14 dan 16 mm.

Jawaban: penyelesaian desain ini sebagai berikut: tentukan tingkat perpindahan panas yang diinginkan, koefisien pindah panas masing-masing dan keseluruhan, lalu hitung luasan dan panjang pipa yang dibutuhkan.

Laju perpindahan panas, dari gambar 1, dengan asumsi menggunakan kompresor hermetik, tingkat perpindahan panas pada suhu kondensasi 450C dan suhu evaporasi 50C adalah 1.27. Laju perpindahan panas pada kondesor q adalah

Page 73: Pending In

koefisien kondensasi dihitung dengan persamaan (8-7)  

densitas dan kalor laten penguapan pada 450C bisa dilihat pada tabel kalor laten penguapan.

konduktifitas dan viskositas dari refrigeran cair 450C dilihat dari tabel 5.5k= 0.0779 W/m.K            μ= 0.000180 Pa.sjumlah rata-rata pipa pada baris vertikal adalah

beda suhu antara uap dan pipa belum diketahui, karenanya Δt diasumsikan 5K dan nilai ini diperbaiki jika nanti perlu;

= 1528 W/m2K

Tahanan logam. Konduktifitas tembaga adalah 390 W/mK dan resistansi pipa adalah

m2K/W

fouling factor

= 0.000176 m2K/W

koefisien pindah panas dari air. Laju aliran air yang dibutuhkan untuk menyerap panas dari kondensor dengan kenaikan suhu dari 300C menjadi 350C adalah

Page 74: Pending In

dan laju aliran volumenya adalah

kecepatan air melalui pipa V adalah

persamaan (2) dapat digunakan untuk menghitung koefisien pindah panas air dengan menggunkan sifat 320C.ρ = 995 kg/m3              μ = 0.000773 Pa.det    cp = 4190 J/kgK          k = 0.617 W/mK

hw= 1.014(27030)0.8(5.25)0.4=6910 W/m2K

koefisien pindah panas keseluruhan

977 W/m2K

Beda temperatur logaritmik adalah

12.33 0C

Ao = 8.43 m2

Panjang pipa

Page 75: Pending In

Panjang = 4.0 m

2. Apabila sebuah pendingin mempunyai daya refrigerasi 1 kW, dengan pembuangan panas di kondensor 1,3 kW,

Buatlah skema dari keseimbangan energinya Berapakah COP dari sistem pendingin tersebut

Test Formatip

1. Kondensor mesin pendingin dengan refrigeran R-22 yang beroperasi pada suhu kondensasi 34 oC, suhu evaporasi -20 oC menggunakan sistem penukar panas tubular aliran berlawanan dengan air sebagai zat pendingin.

Jika suhu air yang masuk adalah 25 oC dan laju aliran air 2 kg/det, tentukan suhu air yang keluar dari penukar panas tersebut.

Jika kondenser tersebut menggunakan pipa berdiameter luar (OD=14 mm), dan koefisien pindah panas total (U=800 W/m.K), tentukan panjang pipa kondensor yang diperlukan.

Tentukan pada jarak berapa dari titik masuk kondensor tersebut keadaan refrigeran menjadi uap jenuh (x=1).

2. Tentukan total penurunan tekanan yang terjadi pada pipa kondensor jika viskositas R-22 (m=0.0001823 Pa.s) tetap disepanjang pipa, volume jenis (n) dihitung pada keadaan rata-rata, dan  factor friksi (f) dapat dihitung dengan persamaan di bawah, tentukan panjang pipa kapiler yang diperlukan.

3. Penukar panas tipe tubular bekerja dengan aliran berlawanan mempunyai nilai koefisien pindah panas keseluruhan (Uo = 2 kW/m2.K).  Fluida 1 masuk pada suhu 60oC, dan fluida 2 masuk pada suhu 20oC.  Laju aliran fluida 1 dan 2 masing-masing adalah 0.3 kg/s dan 0.4 kg/s.  Panas jenis (Cp) fluida 1 dan 2 masing-masing adalah 3.2 kJ/kg.K dan 4.19 kJ/kg.K.  Tentukan suhu fluida 2 yang keluar dari penukar panas tersebut jika panjangnya adalah 2 m.

4. Sebuah sistem pendingin dengan siklus kompresi uap standar yang menggunakan refrigeran R134a diketahui beroperasi pada suhu kondensasi 35.51oC dan suhu evaporasi -20 oC.  Untuk mendapatkan kapasitas pendinginan sebesar 1 ton refrigerasi (3517 W), dan diasumsikan bahwa kompresor bekerja secara isentropis. Kondensor mesin pendingin tersebut didinginkan dengan menggunakan penukar panas pipa ganda (double pipe heat exchanger) aliran berlawanan.  Jika fluida pendingin yang dipakai adalah air (Cp=4.2 kJ/kg-K) dengan laju aliran sebesar 1 kg/detik,

Page 76: Pending In

tentukan suhu air yang keluar apabila suhu inlet air 25oC gunakan definisi keefektifan (effectiveness) untuk mencari nilai keefektifan

penukar panas

5. Satu mesin pendingin dapat digunakan pada tiga ruangan (dengan tiga evaporator) secara paralel seperti pada gambar berikut.

Gambarkan proses pendinginan tersebut pada diagram molier (p-h) Jika ketiga evaporator tersebut digunakan secara seri, gambarkan proses

pendinginannya pada diagam molier. Jelaskan dengan contoh perhitungan apakah COP mesin pendingin dengan

rangkaian evaporator paralel lebih baik dari pada seri.

BAB 9. PENGKONDISIAN UDARA

Tujuan Instruksional Khusus

Mmahasiswa mampu melakukan perhitungan dan analisis pengkondisian udara. Cakupan dari pokok bahasan ini adalah prinsip pengkondisian udara, penggunaan diagram psikrometri, penghitungan beban pendinginan sensibel dan laten.

1.  Prinsip Dasar Pengkondisian Udara

Untuk mencapai kenyamanan, kesehatan dan kesegaran hidup dalam rumah tinggal atau bangunan – bangunan bertingkat, khususnya di daerah beriklim tropis dengan udara yang panas dan tingkat kelembaban tinggi, diperlukan usaha untuk mendapatkan udara segar baik udara segar dari alam dan aliran udaran buatan. Udara yang nyaman mempunyai kecepatan tidak boleh lebih dari 5 km/jam dengan suhu/ temperatur kurang dari 30°C dan banyak mengandung O2.

Daerah di Indonesia kebanyakan kurang memberikan kenyamanan karena udaranya panas (23 -34°C), kotor (berdebu, berasap) dan angin tidak menentu, khususnya pada bangunan tinggi dimana angin mempunyai kecepatan tinggi. Karena keadaan alam yang

Page 77: Pending In

demikian, maka diperlukan suatu cara untuk mendapatkan kenyamanan dengan menggunakan alat penyegaran udara (air condition).

Pengkondisian udara adalah perlakuan terhadap udara untuk mengatur suhu, kelembaban, kebersihan dan pendistribusiannya secara serentak guna mencapai kondisi nyaman yang diperlukan oleh orang yang berada di dalam suatu ruangan. Atau dapat didefinisikan suatu proses mendinginkan udara sehingga mencapai temperatur dan kelembaban yang ideal. Sistem pengkondisian udara pada umumnya dibagi menjadi 2 golongan utama :

Pengkondisian udara untuk kenyamanan kerja

Pengkondisian udara untuk industri

Sistem pengkondisian udara untuk industri dirancang untuk memperoleh suhu, kelembaban dan distribusi udara yang sesuai dengan yang dipersyaratkan oleh proses serta peralatan yang dipergunakan di dalam ruangan. Dengan adanya pengkondisian udara ini, diharapkan udara  menjadi segar sehingga karyawan dapat bekerja dengan baik, pasien di rumah sakit menjadi lebih nyaman dan penghuni rumah tinggal menjadi nyaman

1.b. Komposisi utama sistem pengkondisian udara

Gambar 9.1. Sistem pengkondisian udara

Gambar 9.1. memperlihatkan komponen utama dari skema sistem pengkondisian.

Page 78: Pending In

Komponen sistem pengkondisian udara adalah:

a. sistem pembangkit kalor, mesin refrigerasi, menara pendingin dan ketel uapb. sistem pipa: pipa air dan pipa refrigerasi dan pompac. pengkondisian udara: saringan udara, pendingin udara, pemanas udara dan

pelembab udarad. sistem saluran udara: kipas dan saluran udara

Gambar 9.2 Diagram sistem pengkondisian udara

Prinsip pengkondisian udara adalah kondisi udara dalam ruangan dapat dalam keadaan sangat dingin, panas, lembab, kering, kecepatan udara tinggi atau tidak ada gerakan udara. Udara dingin digerakkan oleh Fan masuk reducting (saluran udara) dan melalui out let (lubang keluar) udara masuk  ke dalam ruangan. Udara dari dalam ruangan kembali ke return out let (grile/ lubang isap) masuk ke ducting return (saluran kembali) dan melalui filter untuk pembersihan udara masuk melewati celah-celah/ permukaan coil evaporator (koil pendinginan) dan kembali digerakkan Fan (kipas udara).

2. Psikrometrik untuk Proses Air Conditioning

Psikometrik adalah ilmu yang mempelajari sifat-sifat termodinamika dari udara basah. Secara umum digunakan untuk mengilustrasikan dan menganalisis perubahan sifat termal dan karakteristik dari proses dan siklus sistem penyegaran udara (air conditioning). Diagram psikometrik adalah gambaran dari sifat-sifat termodinamika dari udara basah dan variasi proses sistem penyegaran udara dan siklus sistem penyegaran udara. Dari diagram psikometrik akan membantu dalam perhitungan dan menganalis kerja dan perpindahan energi dari proses dan siklus sistem penyegaran udara. Diagram psikrometrik ditunjukkan pada Gambar 9.3.

Page 79: Pending In

Proses yang terjadi pada udara dapat diganbarkan dalam bagan psikrometrik guna menjelaskan perubahan sifat-sifat udara yang penting seperti suhu, asio kelembaban dan entalpi dalm proses-proses tersebut. Beberapa proses dasar dapat ditunjukkan sebagai berikut

a. Proses Pemanasan dan pendinginan

Gambar 9.4. Pemanasan dan pendinginan sensibel

b. Pelembaban adiabatik dan non adiabatik

Gambar 9.5. menunjukkan proses pelembaban yang dapat bersifat adiabatik (proses 1-2) atau dengan penambahan kalor (proses 1-3).

Gambar 9.5. Proses pelembaban udara

d. Pendinginan dan pengurangan kelembaban

Page 80: Pending In

Proses ini menurunkan suhu bola kering dan rasio kelembaban (Gambar 9.6). Proses ini terjadi pada koil pendingin atau alat penurun kelembaban.

Gambar 9.6. Pendinginan dan penurunan kelembaban

e. Pengurangan kelembaban kimiawi

Pada proses kimiawi (Gambar 9.7), uap air dari udara diserap atau diadsorbsi oleh suatu bahan higroskopik. Jika proses tersebut diberi penyekat kalor, sehingga entalpinya tetap, dan karena kelembabannya turun maka suhu udara tersebut harus naik.

Page 81: Pending In

Gambar 9.7. Proses penurunan kelembaban kimiawi

f. Pencampuran Udara

Gambar 9.8. Skema pencampuran udara

Campuran dua aliran udara adalah proses yang umum di dalam pengkondisian udara. Gambar 9.8 menunjukkan pencampuran udara antara w1 kg/detik udara dari keadaan 1 dengan w2 kg/detik udara dari keadaan 2. Hasilnya adalah kondisi 3, terlihat pada grafik psikrometrik dalam Gambar 9.9.

Page 82: Pending In

Gambar 9.9. Proses pencampuran udara pada kurva psikrometrik

Persamaan dasar untuk proses pencampuran ini adalah persamaan kesetimbangan energi dan keseimbangan massa. Persamaan keseimbangan energi adalah:

.........................................................................................9-1

Dan persamaan kestimbangan massa air adalah:

.......................................................................................

..

9-2

Persamaan 9.1 dan 9.2 menunjukkan bahwa entalpi dan rasio kelembaban akhir adalah rata-rata dari entalpi dan rasio kelembaban udara saat masuk. Suatu pendekatan yang dilakukan oleh para ahli adalah bahwa suhu dan rasio kelembaban merupakan harga rata-rata udara masuk. Dengan pendekatan ini, titik yang terdapat pada grafik psikrometrik di atas menyatakan hasil dari suatu proses pencampuran yang terletak pada garis lurus yang menghubungkan titik-titik dari kondisi-kondisi pemasukan. Selanjutnya perbandingan jarak pada garis 1-3 dan 2-3 sama dengan perbandingan laju aliran w2 dan w1.

3. Perhitungan Beban Pendinginan

Page 83: Pending In

Tujuan utama sistem pengkondisian udara adalah mempertahankan keadaan udara didalam ruangan dan meliputi pengaturan temperatur, kelembaban relatif, kecepatan sirkulasi udara maupun kualitas udara. Sistem pengkondisian udara yang dipasang harus mempunyai kapasitas pendinginan yang tepat dan dapat dikendalikan sepanjang tahun. Kapasitas peralatan yang dapat diperhitungkan berdasarkan beban pendinginan setiap saat yang sebenarnya. Alat pengatur ditentukan berdasarkan kondisi yang diinginkan untuk mempertahankan selama beban puncak maupun sebagian. Beban puncak maupun sebagian tidak mungkin dapat diukur sehingga diperlukan prediksi melalui perhitungan yang mendekati keadaan yang sebenarnya.

Untuk maksud perkiraan tersebut diperlukan survei secara mendalam agar dapat dilakukan analisis yang teliti terhadap sumber-sumber beban pendinginan. Pemilihan peralatan yang ekonomis dan perancangan sistem yang tepat dapat dilakukan juga beban pendinginan sesaat yang sebenarnya dapat dihitung secara teliti.

Beban pendinginan sebenarnya adalah jumlah panas yang dipindahkan oleh sistem pengkondisian udara setiap hari. Beban pendinginan terdiri atas panas yang berasal dari ruang dan tambahan panas. Tambahan panas adalah jumlah panas setiap saat yang masuk kedalam ruang melalui kaca secara radiasi maupun melalui dinding akibat perbedaan temperatur. Pengaruh penyimpanan energi pada struktur bangunan perlu dipertimbangkan dalam perhitungan tambahan panas.

Perhitungan beban pendingin dapat diperoleh dari ASHRAE Handbook of Fundamentals. Tata cara perhitungan ini dapat menghasilkan sistem pengaturan udara yang terlalu besar yang mengakibatkan kurang efisien dalam pemakaian. Dengan makin besarnya biaya-biaya pemakaian energi maka makin dirasa perlu mengadakan optimasi sistem pengaturan udara suatu gedung atau bangunan yang harus dihitung dari waktu kewaktu secara dinamis.

Didalam kenyataannya kalor yang masuk kedalam gedung tidak tetap, karena faktor-faktor yang mempengaruhi kalor tersebut juga berubah-ubah. Sebagai contoh temperatur udara luar (lingkungan) nilainya merupakan fungsi waktu, yaitu maksimum disiang hari rendah dipagi dan sore hari, sedang minimumnya dimalam hari. Demikian pula kelengasan udara luar maupun radiasi surya yang mengenai dinding bangunan nilainya berubah terhadap waktu.

Untuk memperhitungkan pengaruh dari perubahan tersebut sangatlah sulit, bahkan mungkin tidak praktis untuk dihitung. Oleh karena itu untuk menentukan keadaan tak lunak (transien) akan dipilih faktor-faktor yang dominan. Disamping itu akan diperhatikan adanya absorbsi oleh struktur bangunan.

Dasar perhitungan beban pendinginan dilakukan dengan dua cara, yaitu:

perhitungan beban kalor puncak untuk menetapkan besarnya instalasi

Page 84: Pending In

perhitungan beban kalor sesaat, untuk mengetahui biaya operasi jangka pendek dan jangka panjang serta untuk mengetahui karakteristik dinamik dari instalasi yang bersangkutan.

Beban pendinginan merupakan jumlah panas yang dipindahkan oleh suatu sistem pengkondisian udara. Beban pendinginan terdiri dari panas yang berasal dari ruang pendingin dan tambahan panas dari bahan atau produk yang akan didinginkan. Tujuan perhitungan beban pendinginan adalah untuk menduga kapasitas mesin pendingin yang dibutuhkan untuk dapat mempertahankan keadaan optimal yang diinginkan dalam ruang.

Aspek-aspek fisik yang harus diperhatikan dalam perhitungan beban pendingin antara lain : 1. Orientasi gedung dengan mempertimbangkan pencahayaan dan pengaruh angin 2. Pengaruh emperan atau tirai jendela dan pantulan oleh tanah 3. Penggunaan ruang 4. Jumlah dan ukuran ruang 5. Beban dan ukuran semua bagian pembatas dinding 6. Jumlah dan aktivitas penghuni 7. Jumlah dan jenis lampu 8. Jumlah dan spesifikasi peralatan kerja 9. Udara infiltrasi dan ventilasi

Beban pendinginan suatu ruang berasal dari dua sumber, yaitu melalui sumber eksternal dan sumber internal. a. Sumber panas eksternal antara lain :

Radiasi surya yang ditransmisikan melaui kaca Radiasi surya yang mengenai dinding dan atap, dikonduksikan kedalam ruang

dengan memperhitungkan efek penyimpangan melalui dinding Panas Konduksi dan konveksi melalui pintu dan kaca jendela akibat perbedaan

temperatur. Panas karena infiltrasi oleh udara akibat pembukaan pintu dan melalui celah-celah

jendela. Panas karena ventilasi.

b. Sumber panas internal antara lain :

Panas karena penghuni Panas karena lampu dan peralatan listrik Panas yang ditimbulkan oleh peralatan lain

Beban pendinginan total merupakan jumlah beban pendinginan tiap ruang. Beban ruang tiap jam dipengaruhi oleh perubahan suhu udara luar, perubahan intensitas radiasi, surya dan efek penyimpanan panas pada struktur/dinding bagian luar bangunan gedung.

Page 85: Pending In

Dalam sistem pendingin dikenal dua macam panas atau kalor yaitu panas sensible (panas yang menyebabkan perubahan temperatur tanpa perubahan fase). Setiap sumber panas yang dapat menaikkan suhu ruangan ditandai dengan naiknya temperatur bola kering (Tdb) akan menambah beban panas sensible.

Panas laten yaitu : panas yang menyebabkan perubahan fase tanpa menyebabkan perubahan temperatur misalnya : kalor penguapan. Setiap sumber panas yang dapat menambah beban laten. Udara yang dimasukkan kedalam ruangan harus mempunyai kelembaban rendah agar dapat menyerap uap air (panas laten) dan temperatur yang rendah agar dapat menyerap panas dari berbagai sumber panas dalam ruangan (panas sensible), agar kondisi ruangan yang diinginkan dapat dipercepat.

Beban ini dapat diklasifikasikan sebagai berikut :

a. Penambahan beban sensible

Transmisi panas melalui bahan bangunan, melewati atap, dinding, kaca, partisi, langit-langit dan lantai

Radiasi sinar matahari Panas dari penerangan atau lampu-lampu Pancaran panas dari penghuni ruangan Panas dari peralatan tambahan dari ruangan Panas dari elektromotor

b. Penambahan panas laten

Panas dari penghuni ruangan Panas dari peralatan ruangan

c. Ventilasi dan infiltrasi

Penambahan panas sensible akibat perbedaan temperatur udara dalam dan luar Penambahan panas laten akibat kelembaban udara dalam dan luar

Beban pendinginan puncak (total heat load) adalah total panas yang harus diambil oleh suatu sistem pendingin. Secara umum terdiri dari

a. Panas konduksi (Q1)

Page 86: Pending In

Gambar 9.11. Skema perpindahan panas melalui dinding

Beban panas yang melalui dinding disebut sebagai beban kebocoran dinding, yaitu banyaknya panas yang bocor menembus dinding ruang dari bagian luar ke dalam. Karena tidak ada insulasi yang sempurna, maka akan selalu ada beban panas yang berasal dari luar ke dalam ruangan, karena suhu di dalam ruangan lebih rendah dari pada suhu di luar ruangan. Gambar 9.11. menunjukkan skema perpindahan panas melalui dinding..

Panas yang masuk melalui dinding dan atas:

.......................................................................................9-3

dimana Q = jumlah panas (W)       U = koefisien perpindahan panas total (W/m2 K)          A = luas permukaan (m2) (to-ti)  = perbedaan suhu dalam dan luar ruang pendingin (K)

koefisien perpindahan panas total (U) dihitung dengan persamaan:

..........................................9-4

      dimana x = tebal bahan insulasi (m)

Page 87: Pending In

          k = konduktivitas termal bahan (W/m K)          h = koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2 K)

b. Field heat (Q2)

Beban kalor yang dibawa oleh produk yang akan didinginkan atau disimpan:

.....................................................................................9-5

dimana Q = jumlah panas (KJoule)          m = berat dari produk yang didinginkan (kg)          Cp= panas jenis dari produk di atas titik beku (KJoule/kg K)          ΔT= perubahan suhu produk (K) 

c. Panas Respirasi (Q3)

Panas yang diperoleh dari produk sebagai akibat dari proses respirasi.

................................................

.......

9-6

d. Beban lampu (Q4)

....................................................................................9-7

e. Service load (Q5)

Service load adalah panas lain yang timbul dalam proses operasi pendinginan seperti kipas, operator, udara luar ketika pintu dibuka, motor listrik dan panas infiltrasi dari penyekat dan rak pendingin. Diperkirakan besarnya adalah sekitar 10% dari total konduksi panas, field heat dan panas respirasi.

Contoh soal:

1. Suatu campuran udara-uap bersuhu bola kering 30 °C dan rasio kelembaban 0.015. Hitunglah pada dua tekanan barometrik yang berbeda, 85 dan 101 kPa:

 a. entalpi udara campuranb. suhu pengembunanrasio

2. Dalam suatu unit pengkondisian udara, dimasukkan 3.5 m3/detik udara dengan suhu 27°C bola kering, kelembaban relatip 50 persen dan tekanan atmosfir standar. Udara

Page 88: Pending In

keluar dengan keadaan suhu bola kering 13°C dan kelembaban relatif 90 persen. Dengan menggunakan sifat-sifat udara yang terdapat dalam kurva psikrometrik:

 a. hitung kapasitas refrigerasi dengan satuan kilowattb. tentukan laju pemisahan air dan udara

3. Suatu aliran udara luar dicampur dengan aliran udara balik dalam suatu sistem pengkondisian udara yang bekerja pada tekanan 101 kPa. Laju aliran udara luar 2 kg/detik bersuhu bola kering 35°C dan suhu bola basah 25°C. Laju udara balik 3 kg/detik dengan suhu 24°C dan kelembaban relatif 50 persen. Tentukan:  

 

a. entalpi udara campuranb. rasio kelembaban udara campuranc. suhu bola kering udara campuran yang ditentukan dari sifat-sifat yang ditunjukkan dalam bagian a dan bd. suhu bola kering dengan mengukur suhu bola kering rata-rata arus masuk

4. Udara di dalam suatu ruangan bersuhu 30 oC dan RH 80%. Ukuran ruangan adalah 2 m x 3 m x 3 m.  Dengan menggunakan diagram psikrometri tentukan: 

Suhu bola basah ruangan. Suhu titik embun ruangan. Kelembaban mutlak ruangan. Tekanan uap air di dalam ruangan. Jumlah panas yang harus dipindahkan dari ruangan tersebut (hint. Tentukan

volume jenis berdasarkan suhu rata-rata udara)

Test Formatip

1. Dapat dipahami apabila kelembaban mutlak di dalam ruang pendingin lebih rendah daripada kelembaban mutlak lingkungan.  Akan tetapi, dapatkah anda jelaskan mengapa kelembaban relatif (RH) dalam ruang pendingin dapat mempunyai nilai yang lebih rendah daripada RH lingkungan? (Gunakan skema bagan psikrometrik)

2. Diketahui udara di titik 1 mempunyai kondisi suhu (bola kering): 35oC dengan RH: 60%  sedangkan udara di titik 2 mempunyai kondisi kondisi suhu (bola kering): 22oC dengan RH: 90%.  Dengan laju aliran masing-masing 2 kg/detik (dari titik 1) dan 3 kg/detik (dari titik 2) keduanya bercampur di titik 3.  Hitunglah suhu (bola kering) dan RH di titik 3 dengan:

Page 89: Pending In

 

menggunakan diagram psikrometri, dan gambarkan sketsa pencampuran tersebut menggunakan rumus pencampuran udara.

3. Bila  udara dengan kondisi Tdb = 30oC dan RH=70%  didinginkan sampai kondisi jenuh, dengan dua cara berikut:

Didinginkan pada kelembaban mutlak konstan Didinginkan secara adiabatik

Berapa suhu udara setelah pendinginan pada (a) dan (b) ?

4. Jika udara yang bersuhu 30oC dengan RH 60%,

Didinginkan secara adiabatis sampai RH 90%, tentukan suhu udara bola kering,   bola basah dan kelembaban mutlak dan perubahan entalpi

Didinginkan pada kelembaban mutlak yang konstan sampai kondisi RH 90%, tentukan suhu bola kering, suhu bola basah dan juga perubahan entalpi

5. Suhu udara yang masuk dalam suatu unit pendingin udara (AC) adalah 27°C bola kering, RH 50% dan debit 3.5m3/detik. Sedangkan udara yang keluar bersuhu 13°C dan RH 90%. Dengan menggunakan sifat-sifat udara yang terdapat dalam bagan psikrometrik, hitung:

kapasitas pendinginan (kilowatt) laju pemisahan air dari udara (kg/detik)    

6. Diketahui beban panas sensibel dan laten dalam ruang pendingin single zone secara berturut-turut adalah 60 dan 6 kW.  Ruang tersebut dijaga dalam suhu 18oC dengan RH 50%.  Kondisi udara lingkungan adalah suhu 30oC dengan RH =70%.  Untuk keperluan ventilasi digunakan campuran udara lingkungan dengan udara resirkulasi dengan perbandingan 1:4.  Tentukan kondisi udara sebelum melalui koil (evaporator) dan suhu udara setelah melalui koil.

7. Jika perolehan (beban) panas dalam suatu ruang yang menggunakan pengkondisian udara zone tunggal adalah sebagai berikut: panas sensibel 60 kW dan panas laten 5 kW.  Kondisi udara yang diinginkan dari ruangan tersebut adalah 25oC dan RH 60%, sedangkan kondisi udara luar adalah 35oC dan RH 60%. Misalnya syarat ventilasi untuk ruangan tersebut adalah: udara luar : udara resirkulasi = 1 : 7.  Tentukan: (a) suhu udara masuk koil pendingin dan (b) suhu udara meninggalkan koil pendingin.

Page 90: Pending In

BAB 10-11. PENDINGINAN HASIL PERTANIAN

Tujuan Instruksional Khusus

Mahasiswa mampu menjelaskan prilaku bahan pertanian terhadap proses pendinginan dan merancang kebutuhan coldstorage untuk keperluan penyimpanan dingin bahan pertanian. Cakupan dari pokok bahasan ini meliputi analisa data pendinginan, pendugaan laju dan waktu pendinginan, konsep dasar penyimpanan dingin, perhitungan beban pendinginan, disain  dasar coldstorage

A. Pendahuluan

Kegunaan umum pendinginan adalah untuk pengawetan, penyimpanan dan distribusi bahan pangan yang rentan rusak.  Kelayakan bahan pangan untuk dikonsumsi dapat diperpanjang dengan penurunan suhu, karena dapat menurunkan reaksi dan penguraian kimiawi oleh bakteri.  Pendinginan maupun pembekuan tidak dapat meningkatkan mutu bahan pangan, hasil terbaik yang dapat diharapkan hanyalah mempertahankan mutu tersebut pada kondisi terdekat dengan saat akan memulai proses pendinginan.  Hal ini berarti mutu hasil pendinginan sangat dipengaruhi oleh mutu bahan pada saat awal proses pendinginan.

Untuk dapat mempertahankan mutu bahan pangan, sangat penting diperhatikan proses penanganan dari mulai bahan pangan tersebut di panen/diolah, disimpan atau pada saat transportasi sampai ke tangan konsumen. Analisis rantai dingin (cold chain) dapat digunakan sebagai cara untuk mengetahui apakah bahan pangan tersebut ditangani secara benar atau tidak.  

Skema Cold chain

Penurunan mutu produk segar dapat dipengaruhi oleh :

Perubahan metabolic seperti penguapan, ethylene, tekstur dan aroma Pertumbuhan dan pengembangan Transpiration Cacat Kerusakan Physiologis Busuk; pertumbuhan mikroba

Page 91: Pending In

Kondisi strowberi setalah 7 hari yang disimpan pada suhu 0, 5, 10 dan 15C

Yang harus diperhatikan dalam melakukan proses pendinginan yang baik adalah :

Waktu antara panen dan “pre-cooling” Jenis karton, palet; ventilasi Cara pendinginan dan waktu yang dibolehkan Suhu produk sebelum didinginkan Suhu produk akhir Sanitasi dari sistem pendingin Pelihara suhu produk

Dewasa ini dikenal beberapa metode pendinginan untuk bahan pangan, yaitu:

1. Air coolingAir cooling menggunakan suhu pendingin lebih dari 0°C dengan debit udara 150m3/jam. Metode pendinginan air cooling dapat digolongkan menjadi:

a. Room coolingRoom cooling biasanya menggunakan ruang dengan insulasi yang dilengkapi dengan alat pendingin. Umumnya digunakan untuk berbagai macam produk segar tapi kurang efektif untuk segera memindahkan field heat produk

Cara penyimpanan produk dalam ruangan berpendingin sangat dipengaruhi oleh:

Debit aliran udara (diusahakan sekitar 100 cfm per ton produk) Tumpukan produk Ventilasi antar kotak Suhu udara terendah

Page 92: Pending In

Penerapan metode pendinginan room cooling adalah untuk proses pendinginan produk pada skala kecil maupun besar

Roo cooling

b. Air forced coolingPada pendinginan air forced cooling, udara pendingin didorong dengan kipas. Udara bersirkulasi dengan kecepatan tinggi 75-90% lebih cepat dibanding room cooling. Penggunaan air forced cooling harus dengan pengontrolan RH  yang berkisar antara 90-98%. Metode pendinginan ini efektif untuk produk yang dikemas.

Page 93: Pending In

Air force cooling

2. HydrocoolingPada pendinginan hydrocooling, panas produk dipindahkan melalui media air. Metode ini banyak digunakan untuk sayuran untuk mempertahankan tekstur dan kesegaran daun dan dapat digunakan sekaligus untuk membersihkan produk dimana dapat dicampur dengan klorin sebagai disinfectant. Kelemahannya adalah sering terjadi mechanical injury dan hanya bisa digunakan untuk komoditi yang tidak sensitif terhadap air. Hydrocooling untuk sayur biasanya dilakukan setelah dikemas.

Hydrocooling

Page 94: Pending In

 

3. Vacuum Cooling

Pendinginan vakum adalah salah satu metoda yang umum digunakan untuk pra-pendinginan sayuran berdaun. Efek pendinginan terjadi akibat penguapan cepat sejumlah air dari bahan yang akan didinginkan pada ruang bertekanan rendah. Panas laten yang dibutuhkan untuk penguapan tersebut diambil dari produk itu sendiri sehingga terjadi penurunan panas sensibelnya dan sebagai akibatnya terjadi penurunan suhu. Pendinginan vakum sangat popular pada pra-pendinginan sayuran berdaun karena dua keunggulannya yang utama, yaitu laju pendinginan cepat dan sebaran suhu seragam pada seluruh bahan Efek pendinginan melalui panas laten penguapan. Metode pendinginan vakummerupakan metod ependinginan yang paling cepat. Tekanan udara di ruang pendinginnya berkisar 4.6 mm Hg. Metode pendinginan vakum banyak diterapkan untuk mendinginkan sayuran daun seperti lettuce, cabbage, wortel, pepper, jamur, cauliflower.

 

Vacuum cooling

 

Page 95: Pending In

 

B. Metode Analisis Data Pendinginan

Kebutuhan industri pendinginan terdiri atas tiga hal, yaitu prosedur analisa data pendinginan, prosedur penggunaan data pendinginan untuk merancang sistem refrigerasi, serta pengumpulan data dasar, sifat termofisik, dan sifat pindah panas antara bahan dengan mesin pendingin, sedemikian sehingga dapat menyediakan informasi yang dibutuhkan untuk merancang sistem pendingin yang diinginkan. Pada tulisan ini dijelaskan beberapa metoda analisa dan cara pemilihan metoda yang ada tersebut, sehingga dapat digunakan oleh para perekayasa bidang refrigerasi dan ahli ilmu pangan untuk keperluannya masing-masing.  Fokus utama diberikan pada proses pendinginan konduktif.

Pemilihan metoda analisa perlu mempertimbangkan antara pemecahan yang diturunkan secara pasti atau penggunaan grafik suhu-waktu secara aritmetik. Untuk menuju pada metoda analisa yang seragam, beberapa hal yang harus dipenuhi oleh suatu metoda analisis adalah:

Dapat diterapkan pada kisaran kondisi yang luas, dari pendinginan lambat dengan udara (air-cooling) hingga pendinginan cepat dengan pencelupan ke dalan cairan (hydro cooling).

Mampu menduga waktu pendinginan, serta menganalisa dan mengkorelasikan data waktu pendinginan tersebut.

Page 96: Pending In

Cukup mudah tetapi akurat untuk dipahami dan digunakan oleh perekayasa refrigerasi.

Mengandung pengertian fisik. Mempunyai parameter yang minimum, dan variabel atau parameter yang tidak

lebih banyak dari bilangan non-dimensional dalam sistem persamaannya. Dapat membantu para perekayasa refrigerasi dan ahli ilmu pangan dalam

mengukur sifat termofisik bahan pangan tertentu.

1. Metode Pemecahan Pasti

Pendinginan dapat dianggap sebagai proses penurunan suhu bahan dari suhu awal ke suhu tertentu di atas titik beku, yang merupakan proses tak-mantap (unsteady-state).  Salah satu faktor yang penting dalam analisa pindah panas tak-mantap adalah perbandingan antara tahanan di dalam dengan di luar bahan terhadap perpindahan panas tersebut, yang dalam bilangan tak-berdimensi dikenal dengan bilangan Biot  (NBi = hcl/k).  Dalam hal ini, hc adalah koefisien konveksi panas (W/m2.K), k adalah konduktivitas panas bahan (W/m.K), dan l adalah dimensi karakteristik bahan (m).  Berdasarkan faktor kunci tersebut, waktu pendinginan dapat diduga dengan tiga pendekatan, yaitu pendekatan yang mengabaikan tahanan dalam (internal), pendekatan yang mengabaikan tahanan permukaan, dan pendekatan dengan memperhitungkan keduanya.

Pendekatan yang mengabaikan tahanan dalam (internal)

Pendekatan ini menganggap bahwa tahanan terhadap pindah panas pada permukaan jauh lebih besar daripada di dalam bahan, atau NBi < 0.1.  Hal ini dapat terjadi saat pendinginan/pemanasan bahan dengan konduktivitas panas yang jauh lebih besar dari pada koefisien konveksi panas di permukaannya.  Pada kondisi tersebut, gradien suhu dalam bahan dapat diabaikan sehingga suhu di pusat bahan hampir sama dengan suhu di permukaannya.  Keseimbangan energi pada suatu benda yang mengalami pendinginan atau pemanasan secara tak-mantap, dapat dinyatakan dengan persamaan pendinginan Newton sebagai berikut:

                                                                                       (10-1)

Dengan pemisahan parameter, persamaan (10-1) dapat diintegrasi untuk mendapatkan:

                                                                                         (10-2)

Dengan memasukkan bilangan Biot  (NBi = hcl/k) dan Fourier (Fo = at/l2), dimanaa = k/rCp adalah difusivitas panas bahan (m2/det), ke persamaan (10-2) diperoleh:

Page 97: Pending In

                                                                                           (10-3)

Pendekatan yang mengabaikan tahanan permukaan

Untuk bahan biologik, yang pada umumnya mempunyai konduktivitas panas yang rendah, maka nilai bilangan Biot akan menjadi lebih besar.  Jika konduktivitas tersebut jauh lebih besar daripada pindah panas konveksi pada permukaan, maka pendugaan harus didasarkan pada asumsi tahanan dalam jauh lebih besar daripada tahanan permukaan (NBi > 40).  Hal ini menyebabkan laju pendinginan sangat tergantung pada jenis dan geometri benda yang didinginkan.  Perhitungan untuk suatu benda berbentuk lempeng tak-hingga dapat dikembangkan dari persamaan berikut:

                                                                                                  (10-4)dimana x adalah tebal benda yang didinginkan (m).  Persamaan tersebut dapat dipecahkan menjadi:

                                                              (10-5)Pemecahan untuk bentuk silinder tak-hingga dan bola, masing-masing ditunjukkan pada persamaan berikut:

Bentuk silinder tak-hingga:

                                                                (10-6)

dimana J0 adalah fungsi Bessel ordo ke-0, J1 adalah fungsi Bessel ordo ke-1, dan Rn adalah persamaan batas (boundary equation) ordo ke-n.

Bentuk bola:

                                                (10-7)

 Pendekatan yang memperhitungkan tahanan internal dan permukaan

Pendekatan ini digunakan apabila bilangan Biot mempunyai nilai antara 0.1 sampai 40.  Pendekatan ini menyiratkan bahwa kedua tahanan, baik tahanan dalam maupun permukaan mempunyai nilai yang cukup berarti, sehingga perhitungan dilakukan dengan

Page 98: Pending In

mencakup kedua tahanan tersebut.  Untuk maksud tersebut, digunakan bagan yang mempermudah dalam perhitungan pindah panas.

2. Penggunaan Grafik Suhu-Waktu

Metoda grafik suhu-waktu dapat dibagai atas teraan (plot) aritmetik dan teraan eksponensial terhadap data suhu vs waktu.

a. Teraan Aritmetik.

Dua metoda yang digunakan secara luas untuk menampilkan data pendinginan dengan metoda teraan aritmetik adalah waktu paruh pendinginan dan laju pendinginan.

Waktu paruh pendinginan.

Jika sifat dan suhu pendinginan tetap, maka waktu yang diperlukan untuk menurunkan suhu bahan menjadi separuh dari nilai sebelumnya adalah tetap. Waktu tersebut disebut sebagai waktu paruh (th). Waktu paruh dapat diterapkan dalam penentuan kebutuhan waktu untuk menurunkan suhu 75% dari suhu awalnya, yaitu 2 kali waktu paruh (Gambar 10-1). 

Laju pendinginan.

Jika suhu media pendingin tetap, koefisien pendinginan Cr atau laju spesifik , yang yang merupakan hasil bagi antara penurunan suhu dengan beda suhu rata-rata logaritmik dan waktu dapat dihubungkan dengan waktu paruh sebagai berikut :Cr Z = ln 2 = 0,693

Jika suhu media pendingin tetap, waktu yang diperlukan untuk menurunkan suatu satuan suhu, atau penurunan suhu yang terjadi selama periode tertentu, dapat dilakukan dengan pemecahan aljabar atau secara grafik semi-log. Jika suhu pendinginan tidak tetap, suhu media pendingin harus ditentukan lebih dahulu agar proses pendinginan dapat dibagi terhadap periode suhu yang mendekati tetap dalam menentukan penurunan suhu tiap periode waktu tertentu.

Page 99: Pending In

Perhitungan waktu paruh atau laju pendinginan hanya memerlukan suhu pendinginan dan suhu produk pada dua waktu tertentu, dan hanya menggunakan satu parameter, sehingga perhitungan rancangan sangat sederhana.

b. Teraan Semi-Logaritmik.

Metoda ini didasarkan pada konsep bahwa teraan data pendinginan konduktif dalam bentuk log (T-T1) terhadap waktu membentuk garis lurus (Gambar 10-2).

Pendinginan Newtonian

Pendinginan Newtonian didasarkan pada hubungan

                                                                                           (10-8)

yang dapat dipecahkan menjadi

atau                                                                        (10-9)

Teraan log (T-T1) terhadap waktu adalah linier dan garis lurus yang dihasilkan dapat digambarkan dengan derajat kemiringan K. Pada kasus Newtonian, kesenjangan perpindahan kalor dari pusat ke permukaan bahan diasumsikan tidak terjadi, meskipun pada kenyataannya kesenjangan tersebut terjadi. Model pendinginan Newtonian merupakan dasar analisis pendinginan dengan tumpukan es, atau analisis beban pendinginan.      

Pendekatan asimptotik

Page 100: Pending In

Terdapat dua jenis pemecahan dengan pendekatan asimptotik.  Pada jenis pertama, proses pendinginan dipecah menjadi waktu yang dibutuhkan oleh proses pendinginan tersebut untuk memengaruhi pusat bahan, (metoda Backstrom), atau waktu khayal dimana pendinginan menjadi mantap pada laju asimtotiknya (metoda Rutov), dan periode berikut dimana proses pendinginan mendekati logaritmik (Gambar. 10-3).

Pada metoda Backstrom                                                    (10-10)

Pada metoda Rutov                                                                                   (10-11)

Pada jenis kedua (metoda Baehr), perpotongan kurva dengan sumbu suhu ditentukan oleh rasio logaritma (basis e) pengganda tetap dari bagian pertama expansi deret dengan

kuadrat dari akar pertama persamaan nilai batas,(ln j)/ , dan ditentukan sebesar 0.10.

Ketiga metoda pemecahan tersebut memberi pendekatan untuk menyederhanakan pendugaan titik potong dan garis singgung dari asimptot garis lurus. Ketiga metoda tersebut, pada dasarnya, lebih bermanfaat untuk menduga laju pendinginan dari pada untuk mengkolerasikan data pendinginan.

Pemecahan asimtotik sesungguhnya.

Persamaan (10-12) dapat digunakan untuk menggambarkan proses pemanasan dan pendinginan bahan pangan dalam bentuk asimtot garis lurus terhadap kurva sebenarnya, jika data diterakan pada grafik semi-log. Parameter f (dalam satuan menit) adalah waktu untuk menurunkan suhu 90%, atau waktu yang dibutuhkan untuk melalui satu siklus logaritma pada bagian linier kurva. Parameter j adalah rasio beda suhu pada titik potong dengan beda suhu mula-mula yang sebenarnya.

Page 101: Pending In

                                                                                    (10-12)

 

 

Untuk menggunakan metoda ini, data suhu-waktu dari proses pindah kalor konduksi dapat diterakan dalam bentuk log ((T-T1)/(To –T1)) terhadap waktu, atau log (T – T1) terhadap waktu, atau T pada skala log (T – T1) + T1 terhadap waktu,  Kemudian, garis lurus terbaik yang mewakili asimtot dapat ditarik melalui titik data tersebut. Asimtot dapat dibentuk langsung dari kedua parameter f dan j, dengan asumsi data suhu awal dan akhir diketahui. Parameter f dan j seperti ditunjukkan pada Tabel 12-1 dapat diterapkan untuk konfigurasi geometri khusus, dengan catatan hambatan pindah kalor pada permukaan dapat diabaikan. Jika hambatan pindah kalor permukaan terlalu besar, parameter f dan j menjadi fungsi bilangan Biot.

Tabel 10-1. Persamaan yang menghubungkan laju pemanasan/pendinginan f, difusivitas termal a, dimensi objek dan nilai j pada pusat geometri (Pflug dan Blaisdel, 1963)

Bentuk objek Persamaan j pada pusat geometri

Balok 2.064

Lempeng tak-hingga 1.273

Silinder terhingga 2.040

Silinder tak-hingga 1.602

Bola 2.000

C.  Metode Analisis Korelasi Data Pendinginan dan Pendugaan Laju Pendinginan      Pflug dan Blaisdel (1963) juga memberi pemecahan eksak untuk pendekatan yang mengabaikan tahanan permukaan dalam bentuk deret tak-hingga yang konvergen.  Karena kekonvergenan deret tersebut berlangsung cukup cepat, maka pada nilai waktu yang cukup besar hanya elemen pertama yang bermakna. Pada kasus lempeng tak hingga, elemen pertama deret tersebut adalah:

                                                                     (10-13)

Page 102: Pending In

Jika log (T – T1) atau bentuk lain yang sesuai diterakan terhadap waktu, maka persamaan tersebut akan menghasilkan garis lurus. Pada nilai waktu yang besar, kurva yang dibentuk dari persamaan (10-13) akan memberi pendekatan yang memadai. Hubungan mendasar antara teraan suhu semi-log dengan kurva pendinginan berbentuk garis lurus inilah yang memberi dasar pada peneraan data pindah kalor konduktif transien pada berbagai bentuk log (T-TI) terhadap waktu dan penarikan garis lurus melalui titik-titik tersebut.

Persamaan diatas terdiri atas tiga bagian menarik. Bagian  merupakan titik potong asimptot garis lurus saat mempertimbangkan suhu pusat lempeng

tak-hingga. Bagian  adalah 1,0 pada titik tengah (x = 0), yang mengatur dan menyesuaikan titik potong untuk kondisi pendinginan yang diukur pada jarak x dari sumbu koordinat (pusat lempeng tak-hingga berada pada sumbu koordinat). Bagian eksponen dari persamaan yang memuat fungsi waktu, juga merupakan pemecahan untuk persamaan dasar (fungsi bilangan Biot), difusivitas termal ( ) dan a2 (kuadrat setengah

ketebalan). Pada teraan log (T - TI) terhadap waktu, - adalah kemiringan sesungguhnya (tan j) asimtot garis lurus tersebut.  Pada tabel 10-2. dicantumkan perbandingan parameter kurva pendinginan pada pusat bahan untuk berbagai metoda.

Penerapan metoda Rutov agak rumit karena kesulitan dalam mengubah persamaan menjadi fungsi eksponensial sederhana, sedangkan metoda Backstrom lebih mudah tetapi kurang teliti. Dari segi perancangan laju pendinginan, metoda Ball dan Olson adalah yang paling tepat diikuti oleh metoda Baehr, Rutov dan Backstrom. Tetapi, peningkatan ketepatan tersebut juga diikuti oleh peningkatan kesulitan dan kerumitan penggunaannya.

D. Faktor yang perlu diperhatikan dalam pemilihan metode

            Tiga kategori yang menjadi perhatian adalah metoda peneraan data, penggambaran arah kurva, dan penanganan fase senjangan waktu.

a. Metoda Peneraan Data, Sistem Koordinat dan Skala

Beberapa alternatif yang dapat dipertimbangkan dalam pemilihan metoda peneran data, termasuk sistem koordinat dan skala adalah:

Suhu vs waktu, secara aritmetik

 vs. waktu, secara aritmetik

 vs. waktu

 vs. waktu

T pada skala  vs. waktu

Page 103: Pending In

Pemilihan sistem koordinat serta sistem skala adalah penting dari sisi kegunaan metoda analisis. Koordinat persegi menawarkan kesederhanaan dan kemudahan dari sisi pengguna. Jika data suhu-waktu ditera pada koordinat persegi, kurva yang dihasilkan dapat digunakan untuk mengkaji irregularitas, maksima atau minima, dan membandingkannya terhadap data lain yang ditera dengan cara yang sama. Jika kurva ditera pada koordinat semi-logaritma, beberapa sifat yang tidak tampak pada koordinat persegi dapat dikaji, dan berbagai informasi dapat digali. Sistem skala pada koordinat semi-log dapat dilakukan dalam berbagai bentuk, seperti pada gambar 10-a, b, dan c.

                        Gambar 10-4a.                         Gambar 10-4b.                             Gambar 10-4c.

Persamaan asimtot pada gambar 10-4a. adalah :

                                                                                                              (10-14)

Gambar 10-4b :                                                                     (10-15)

Gambar 10-4c :                                                          (10-16)

Pada Gambar 10-4a. ditera (T-Tm)/(Ta-Tm) terhadap t, pada Gambar 10-4b (T-Tm) terhadap t, dan pada Gambar 10-4c ditera T terhadap t. Skala suhu pada Gambar 12-4c dibentuk dengan menambahkan suhu media pendingin ke nilai skala log. Pada Gambar 10-4c, suhu media pendingin (Tm) dianggap 5°C, sehingga siklus berikutnya bernilai 15 dan 105°C. Dengan cara demikian, data suhu-waktu dapat ditera langsung pada grafik

tersebut. Pada titik-titik data dapat ditarik garis lurus, dan nilai dapat dihitung sebagai waktu yang dibutuhkan untuk garis tersebut melintasi satu siklus logaritma. Nilai suhu

Page 104: Pending In

dimana terjadi perpotongan dengan garis lurus yang ditarik adalah Ta, dan rasio intersep j = (Ta - TI)/(To - TI).

b. Penggambaran Arah Kurva

Alternatif untuk penggambaran arah kurva adalah kemiringan sebenarnya (tan j), parameter f, waktu paruh pendinginan Z, parameter K, dan tetapan waktu t. Pada Gambar 10-4, harus disepakati bahwa asimtot kurva pendinginan konduktif adalah garis lurus, dan jika nilai waktu cukup besar maka asimtot akan berhimpit dengan kurva pendinginan. Sehingga, berbagai metoda penggambaran arah garis seperti parameter f, waktu paruh Z, koefisien pendinginan C, tetapan waktu t, atau parameter K, merupakan kemiringan sebenarnya (tan j). Faktor konversi antar parameter tersebut adalah :

                              = 2.303/Cr                              Cr= 0.693/Z

                              = 3.32 ZPemilihan parameter yang menunjukkan arah asimtot garis lurus tersebut harus dilakukan berdasarkan kemudahan, untuk mengantisipasi bahwa nilai tersebut akan menjadi alat yang digunakan untuk membentuk kurva pendinginan dalam menduga waktu pendinginan. Nilai parameter f dianggap lebih memudahkan, meskipun waktu paruh juga dapat digunakan, karena telah umum digunakan pada industri pengolahan pangan.

Tabel 10-2. Perbandingan parameter kurva pendingingan pada pusat bahan

Metoda    Geometri Pers. dasar               Intersepa Kemiringan (tanø)

Laju pendinginan

semua - 1

 

Waktu paruh pending

semua - 1

Pending Newtonian

semua - 1

Leggett and Sutton

semua - Bump factor

Backstrom lempeng

Rutov lempeng

antilog

Rutov silinder

antilog

Page 105: Pending In

Rutov bola

antilog

Baehr semua S.d.. Ball and Olson

Ball semua -    j

Ball and Olson     

lempeng   

Ball and Olson

silinder

Ball and Olson

bola  

a Nilai intersep ;                Sumber: Pflug, I.J., and J.L. Blaisdell (1963)

Hal terpenting dari analisis kurva pendinginan adalah menghubungkan arah asimtot dengan ukuran bahan yang sedang didinginkan dan dengan karakteristik pindah kalor

eksternal yang dinyatakan dengan bilangan Biot. Hubungan antara rasio  dengan bilangan Biot dapat digunakan untuk pembentukan kurva pendinginan jika karakteristik pindah kalor, dimensi bahan dan sifat termal bahan diketahui. Kurva pendinginan semi-log mempunyai sifat yang sangat berguna, misalnya kemiringan kurva pendinginan asimtotik adalah sama pada setiap titik pengukuran dalam bahan yang mengalami pendinginan konduktif. Jika pengujian dilakukan dengan ketelitian yang cukup, kurva asimtotik dapat digunakan untuk menentukan difusivitas termal dan koefisien pindah panas permukaan.

c. Penanganan Fase Senjangan Awal

Penanganan fase senjangan awal dapat dilakukan dengan alternatif berikut:

diabaikan (dianggap sama dengan 1,0) dianggap sebagai peubah yang tergantung pada bentuk, posisi dan bilangan Biot. dimasukkan dalam waktu paruh pertama atau 90% waktu pendinginan.

Sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 4, kurva dapat dilanjutkan hingga memotong

sumbu tegak. Titik perpotongan  sama dengan 1,0 hanya jika tidak terjadi senjangan pindah kalor pada titik pengukuran. Tetapi, pada bahan dengan massa

Page 106: Pending In

besar akan terjadi senjangan pendinginan, sehingga arah asimtot biasanya dilaporkan bersama-sama nilai titik potong tersebut. Jika bilangan Biot diplot terhadap nilai j pada pusat suatu lempeng akan tampak bahwa jika tahanan permukaan cukup besar maka nilai j pada pusat mendekati satu, tetapi akan meningkat sesuai dengan pengurangan tahanan permukaan.

Notasi :A : luas permukaan bahan (m2)2a : tebal lempeng tak-hingga (m)Cp : kalor jenis bahan pada tekanan tetap (J/kg.K)Cr : laju pendinginan atau koefisien pendinginan (-)D : diameter bahan berbentuk silinder atau bolaf  : waktu yang diperlukan untuk asimtot kurva pendinginan melintasi satu siklus logaritma, yaitu untuk penurunan, 90% suhu pada bagian linier kurva pendinginan.h  : koefisien pindah kalor permukaanJn(Rn) : fungsi Bessel orde ke-n untuk argumen Rn j : faktor senjangan (Ta - TI)/(To -TI)K : koefisien yang menunjukkan laju pendinginank : konduktivitas termal (J/m.K)L : panjang karakteristik bahan pada arah aliran fluida (m)r : jari-jari bola atau silinder (m)T : suhu (K); To suhu awal, Tm suhu media, Ta suhu awal semu (bagian linier kurva pendinginan).t : waktu (det)x : jarak dari pusat bahan ke titik pengukuran (m)V : volume bahan pada persamaan pendinginan Newton (m3), atau kecepatan fluida pada NRe (m/det)Z : waktu paruh pendinginana : difusivitas termal (k/r Cp)Rn : persamaan boundary akar ke-nm : viskositas fluidar : massa jenis (kg/m3)

Latihan

1. Jelaskan salah satu penyebab kenapa dinding suatu ruang penyimpan dingin (coldstorage) dapat mengalami pengembungan.  Apa yang dapat anda lakukan untuk mengatasi hal tersebut.

2. (a)  Jelaskan perbedaan antara pra-pendinginan (precooling) dengan penyimpanan dingin, (b) Kata kunci yang penting pada pra pendinginan adalah ”sesegera mungkin” dan ”secepat mungkin”, jelaskan pengertian kedua hal tersebut.

Test Formatip

Page 107: Pending In

1. Jelaskan secara singkat mengapa produk pertanian segar mengalami pengerutan jika disimpan di dalam ruang pendingin

2. Apa yang dimaksud dengan laju pendinginan? Mengapa penting untuk diketahui kalau kita akan menyimpan produk?

3. Jelaskan dengan singkat dua hal yang perlu anda perhatikan dalam merancang dinding suatu coldstorage.

4. Jelaskan kenapa pada evaporator mesin pendingin dalam suatu ruang penyimpanan dingin (coldstorage) sering ditemukan gumpalan es?  Kerugian apa yang akan disebabkan oleh pembentukan es pada koil evaporator dan sebutkan dua hal yang dapat dilakukan untuk mengatasinya.

5. Suhu koil evaporator di dalam ruang penyimpanan dingin (coldstorage) adalah -25 oC sedangkan suhu di luar ruangan adalah 27 oC dengan kelembaban 70%. Jika pintu ruang penyimpan dingin tersebut dibuka dan selama terbuka tersebut 2 kg udara masuk ke dalam ruangan, tentukan berapa banyak (kg) air yang akan terkondensasi di permukaan koil tersebut.

6. Dari data pendinginan diketahui bahwa waktu paruh pendinginan suatu produk adalah 40 menit. Suhu awal produk tersebut adalah 28°C dan suhu media pendingin adalah 4°C.

Tentukan tetapan laju pendinginannya Tentukan suhu produk setelah 2 jam pendinginan

7. Markisa dengan ukuran jari-jari 3 cm didinginkan di dalam ruang penyimpan dingin yang bersuhu 5 oC. Difusivitas panas buah markisa adalah 1,2 X 10-7 m2/det, massa satu buah markisa adalah 100 gram, dan pada awalnya bersuhu 30 oC.

Hitung berapa waktu yang diperlukan untuk mendinginkan markisa tersebut ke suhu 10 oC menggunakan persamaan semi-empirik dengan asumsi bahwa markisa berbentuk bola.

Tentukan suhu bahan setelah 1 jam pendinginan (berdasarkan soal butir a) Hitung berapa waktu yang diperlukan untuk mendinginkan markisa tersebut ke

suhu 10 oC menggunakan nilai j = 1,8 dan f = 19,6 menit (hasil analisa data pendinginan)

Tentukan suhu bahan setelah 1 jam pendinginan (berdasarkan soal butir c) Jelaskan perbedaan jawaban yang anda peroleh dengan cara (a) dan (c)

8. Sebuah perusahaan yang bergerak di bidang agribisnis memerlukan cold storage untuk keperluan pre cooling sayuran daun yang dipanennya. Tiap hari, luas panen sayuran adalah 0.8 ha dengan produktivitas 12 ton per ha. Perusahaan menentukan kriteria disain sebagai berikut: Panjang x lebar x tinggi = 12 x 12 x 3 m. Bahan dinding:  concrete 200 mm (k = 1.73 W/m K), Polyurethane 75 mm (k = 0.025 W/m K), dan plester 13 mm (k = 0.72 W/m K). Bahan atap dan lantai  : Concrete block 125 mm dan Corkboard 100 mm

Page 108: Pending In

(U = 0.383 W/m2 K). Suhu awal produk adalah 30°C dan suhu akhir 5°C dengan lama pre cooling 12 jam. Beban pekerja adalah 4 orang yang bekerja 4 jam selama 12 jam waktu pre cooling (Beban orang pada suhu 5°C = 0.242 kW/orang). Sedangkan di dalam cold storage terdapat lampu 30 watt sebanyak 20 buah yang menyala 4 jam per hari.  Diketahui reaksi panas dari sayuran 0.129 W/kg, panas jenis sayuran 3.77 kJ/kg K. Hitunglah kapasitas pendinginan dari cold storage yang akan dibuat.

9. Jika 2000 kg produk dengan Cp = 2kJ/kg-K, yang mempunyai suhu awal 30oC, akan didinginkan menjadi 4oC, berapa panas (kW) yang dikeluarkan dari produk apabila proses tersebut harus berlangsung dalam 2 jam.   Jika untuk proses 4(a) tersebut digunakan udara bersuhu 2oC, dimana koefisien pindah panasnya 10W/m2-K, dan total luas permukaan produk 32m2, berapa waktu yang dibutuhkan untuk menyelesaikan proses pendinginan tersebut?

10. Proses pra-pendinginan apel dianggap berlangsung secara Newtonian, dan mengikuti

persamaan  

Jika suhu media pendingin (Tm) yang digunakan adalah 0 oC, suhu awal apel (T0) saat masuk ke mesin pendingin adalah 25 oC.  Dalam waktu setengah jam (t) suhu apel telah mencapai 15 oC, tentukan:

Tetapan laju pendinginan (k) dalam satuan -/menit Suhu apel setelah 1 jam Waktu yang diperlukan agar suhu apel mencapai 5oC.

PUSTAKA

Bird, R.B., Stewart, W.E., Lightfoot, E.N., 1960, Transport Phenomena, Wiley International Edition, New York, USAGaffney, J.J., Baird, C.C., Chau, K.V., 1985, Methods for calculating heat and mass transfer in fruits and vegetables, Trans. ASHRAE, Vol. 91, pp. 333-352Heldman, D.R., Singh, R.P., 1981, Food Process Engineering (2nd Edition), AVI Publishing Co., Connecticut, USAPflug, I.J., Blaisdell, J.L., 1963, Methods of analysis of precooling data, ASHRAE Journal, November, 1963