bab 9

BAB 9 PENGANTAR

SISTEM REFRIGERASI/POMPA KALOR

Materi Prasyarat :

1. Telah mampu menerapakan persamaan kesetimbangan laju massa dan energi dalam analisis volume atur pada suatu siklus termodinamika.

2. Telah mampu memanfaatkan persamaan, grafik, dan tabel data sifat-sifat termodinamika zat.

3. Telah mampu menerapkan konsep isentropik pada proses volume atur tertentu.

Standar Kompetensi :

Mampu melakukan analisis termodinamika pada sistem refrigerasi pompa kalor sederhana.

Kompetensi Dasar :

1. Mampu mendeskripsikan siklus refrigerasi kompressi uap. 2. Mampu melakukan analisis kesetimbangan energi pada sistem

refrigerasi / pompa kalor sederhana.

Pendahuluan

Dewasa ini aplikasi sistem refrigerasi dan pompa kalor telah banyak

dimanfaatkan untuk proses-proses transfer kalor pada industri dan bangunan,

misalnya untuk penyediaan makanan segar, pengkodisian udara, pemanas

ruangan, produksi es, pemisahan udara untuk mendapatkan oksigen dan nitrogen

cair, pencairan gas alam, dll. Secara umum sistem ini merupakan salah satu

penerapan siklus termodinamika, yang dikenal sebagai siklus refrigerasi, yaitu

suatu jenis siklus yang mampu memindahkan/menyerap kalor dari daerah yang

bertemperatur rendah kemudian melepaskannya ke daerah bertemperatur tinggi

melalui suatu fluida kerja yang disebut refrigeran. Pemisahan istilah mesin

refrigerasi (refrigerator) dan pompa kalor (heat pump) didasarkan pada obyek

pemanfaatan siklus, jika berfungsi sebagai pendingin disebut sebagai refrigerator

sedangkan sebagai pemanas disebut sebagai pompa kalor.

Tujuan Bab ini ialah menggambarkan salah tipe sistem refrigerasi yang

sekarang ini banyak diterapkan serta memberikan dasar-dasar perpindahan energi

melalui kalor dan kerja pada siklus.

Termodinamika Teknik IX-2

9.1 Siklus Kompressi Uap (Refrigerasi & Pompa kalor)

Komponen utama mesin yang menerapkan siklus kompressi uap terdiri

dari empat unit, yaitu kompressor, kondensor, alat ekspansi, dan evaporator.

Susunan ke empat unit komponen tersebut secara skematik ditunjukkan pada

Gambar 9.1a. Serangkaian komponen tersebut merupakan komponen proses pada

refrijeran sehingga dapat mengalami siklus termodinamika (siklus kompressi uap).

Gambar 9.1 Komponen-komponen system refrigerasi kompressi uap

Secara prinsip, dengan menerapkan persamaan kesetimbangan laju massa

dan energi pada volume atur untuk setiap komponen disertai dengan asumsi-

asumsi rasional yang menyertainya, akan diperoleh transfer energi baik dalam

bentuk kerja maupun dalam bentuk kalor pada setiap komponen mesin refrigerasi

tersebut. Oleh karena ke empat komponen proses pada Gambar 9.1 tersebut

merupakan suatu volume atur dengan masing-masing satu saluran masuk dan satu

saluran keluar, dan dianggap bekerja pada keadaan tunak, maka persamaan

kesetimbangan laju massa untuk siklus ini berlaku persamaan:

mmmmm &&&&& ==== 4321

Transfer energi dalam bentuk kerja dan kalor pada masing-masing

komponen proses pada Gambar 9.1a di atas, ialah sebagai berikut.

Kerja Input pada Kompressor

Refrigeran meninggalkan evaporator dalam wujud uap jenuh atau uap

panas lanjut dengan temperatur dan tekanan yang relatif rendah, kemudian oleh


kompressor, uap tersebut dinaikkan tekanannya (tekanan kondensor). Kompressi

ini diperlukan untuk menaikkan temperatur refrijeran, sehingga temperatur

refrijeran di dalam kondensor lebih tinggi daripada temperatur lingkungannya.

Kerja input kompressor persatuan massa refrijeran dihitung dengan persmaan:

)( 12c hh

mW

−=&

& (9.1)

Pelepasan Kalor pada Kondensor

Setelah mengalami proses kompressi, refrijeran berada dalam fasa panas

lanjut dengan temperatur dan tekanan tinggi. Untuk mengubah wujudnya

menjadi cair, kalor refrijeran harus dilepas ke lingkungan melalui alat penukar

kalor (kondensor). Kalor refrijeran berpindah untuk memanaskan fluida

pendingin (udara atau air), sebagai konsekuensinya refrijeran mengalami

penurunan temperatur dari keadaan uap panas lanjut ke uap jenuh, selanjut

mengembun menjadi wujud cair. Kalor yang dilepas per satuan massa refrijeran

dihitung dengan persamaan:

)( 32out hhm

Q−=

&

& (9.2)

Ekspansi pada entalpi konstan

Refrijeran dalam wujud cair mengalir melalui alat ekspansi. Ekspansi pada

alat ini menyebabkan tekanan turun tetapi entalpinya tetap ( h3 = h4 ) sehingga

keadaannya berubah menjadi campuran uap-cair pada tekanan dan temperatur

rendah. Selama proses ini tidak terjadi perpindahan kalor maupun kerja antara

refrijeran dengan sekitarnya.

Penyerapan Kalor pada Evaporator

Refrijeran dalam fasa campuran uap-cair mengalir melalui sebuah penukar

kalor yang disebut evaporator. Pada tekanan evaporator ini, temperatur jenuh

refrijeran lebih rendah daripada temperatur sekitarnya –media kerja atau media

yang didinginkan– sehingga dapat terjadi penyerapan kalor oleh refrijeran

terhadap sekitarnya. Kalor yang diserap oleh refrijeran per satuan massa

refrijeran dihitung dengan persamaan:


)( 41in hh

mQ

−=&

& (9.3)

Apabila ireversibilitas di dalam evaporator, kompressor, dan kondensor

diabaikan, tidak ada penurunan tekanan akibat gesekan aliran, refrijeran yang

mengalir pada alat penukar kalor tekanannya konstan, dan proses kompressinya

secara isentropik, maka siklus kompressi uap tersebut dikatakan sebagai siklus

ideal kompressi uap. Siklus ideal kompressi uap (refrigerasi & pompa kalor)

terdiri dari serangkaian proses sebagai berikut:

Proses 1-2s : Kompressi isentropik refrijeran dari keadaan 1 menuju tekanan kondensor keadaan 2s.

Proses 2s-3 : Perpindahan kalor dari refrijeran yang mengalir pada tekanan konstan di dalam kondensor hingga keadaan 3.

Proses 3-4 : Proses pencekikan (throttling process) dari keadaan 3 ke fasa campuran uap-cairan keadaan 4.

Proses 4-1 : Perpindahan kalor ke refrijeran yang mengalir melalui evaporator pada tekanan konstan hingga mencapai siklus yang lengkap.

Diagram T-s dan p-h untuk siklus refrigerasi kompressi uap di atas ditunjukkan

pada Gambar 9.2 berikut ini.

Gambar 9.2 Diagram T-s dan p-h siklus refrigerasi kompressi uap

Daya bersih pada siklus kompressi uap semata-mata merupakan daya input

kompressor, karena ekspansi pada Proses 3-4 tidak melibatkan daya masukan atau

daya keluaran. Oleh karena itu ukuran unjuk kerja siklus kompressi uap, baik

sebagai siklus refrigerasi maupun sebagai siklus pompa kalor, pembanding atau

penyebutnya adalah daya input kompressor.


Unjuk kerja siklus kompressi uap yang digunakan sebagai siklus

refrigerasi adalah rasio antara kalor yang diserap oleh siklus dengan daya input

kompressor, yang diistilahkan sebagai coeficient of performance refrigeration

(COPref = β ), secara matematis dituliskan:

1241

cin

ref. //COP

hhhh

mWmQβ

−−

===&&&&

(9.4)

Sedangkan unjuk kerja siklus kompressi uap yang digunakan sebagai

siklus pompa kalor adalah rasio antara kalor yang dilepas oleh siklus dengan daya

input kompressor, yang diistilahkan sebagai coeficient of performance heat pump

(COPhp = γ ), secara matematis dituliskan:

1232

co

ref. //

COPhhhh

mWmQ ut

−−

==γ=&&&&

(9.4)

Pada Gambar 9.2 juga ditunjukkan siklus aktual refrigerasi kompressi uap,

perbedaan siklus ideal (1-2s-3-4-1) dan siklus aktual (1-2-3-4-1) tersebut, semata

pada kerja kompressor yang memungkinkan adanya irreverbilitas, sehingga

dengan menggunakan bentuk efisiensi isentropik pada kompressor maka pengaruh

irreversibilitas proses kompressi dapat diketahui:

( )

1212s

csc

c //

hhhh

mWmW

η−−

==&&

&& (9.5)

9.2 Sifat-Sifat Refrijeran (Refrigerant Properties)

Jenis refrijeran yang pertama kali digunakan pada mesin kompressi uap

ialah eter. Kemudian pada tahun 1874 digunakan sulfur dioksida (SO2), lalu pada

tahun 1875 mulai digunakan ethyl chloride (C2H5Cl) dan amonia, berikutnya

metil khloride (CH3Cl) mulai digunakan tahun 1878 dan karbon dioksida (CO2)

tahun 1881, sedangkan pada kurung waktu tahun 1910 sampai dengan 1930

Nitrogen Oksida (N2O3) dan kelompok hidrokarbon (CH4, C2H6, C2H4, dan C3H8)

banyak digunakan (Pasek, 2004). Penggunaan jenis-jenis refrijeran tersebut di atas

tersingkir sejak ditemukannya Freon (merek dagang) oleh E.I. du Point de

Nemours and Co. Pada sekitar tahun 1930-an, dan menjadi sangat populer hingga


tahun 1985. Jenis refrijeran ini masuk dalam kelompok refrijeran halokarbon

(halogenated hydrocarbon) karena adanya unsur-unsur halogen yang digunakan

(Cl dan Br) atau biasa disebut sebagai refrijeran fluorokarbon (fluorinated

hydrocarbon) karena adanya unsur fluor (F) dalam senyawanya, dan lebih populer

dikenal sebagai refrijeran chlorofluorocarbons (CFCs), diantaranya Refrijeran-12

(CCl2F2) dan Refrijeran-22 (CHF2Cl). Namun karena adanya dampak penipisan

lapisan ozon dan pemanasan global berdasarkan kesepakatan internasional terbaru

tahun 1998 yakni Amandemen Kopenhagen maka penggunaan refrijeran-

refrijeran ini secara perlahan akan dihentikan. Selanjutnya akan diganti dengan

jenis refrijeran lain non-CFC.

Saat ini refrijeran yang dianggap dapat menggantikan R-12 dan telah

direkomendasikan pemakaiannya tanpa adanya penggantian komponen sistem

refrigerasi yang berarti, ialah Refrijeran-134a (C2H2F4). Pada Tabel A-7 sampai

dengan Tabel A-18 ditampilkan data sifat-sifat termodinamika ammonia, R-12, R-

22, dan R-134a. Data sifat-sifat termodinamika untuk refrijeran yang saat ini telah

banyak beredar dapat diketahui secara komputerisasi dengan menggunakan

perangkat lunak Refprop. Secara umum zat yang termasuk dalam kategori

refrijeran ialah zat yang mempunyai titik jenuh (didih) pada temperatur rendah.


Latihan Penyelesaian Soal

Contoh 9.1 : Siklus refrigerais kompressi-uap ideal Refrijeran-12 sebagai fluida kerja pada siklus refrigerasi kompressi-uap digunakan untuk menghubungkan secara termal anatar daerah dingin pada 20oC dan daerah hangat pada 40oC. Uap jenuh masuk kompressor pada temperatur 20oC cairan jenuh pada temperatur 40oC meninggalkan kondensor. Laju aliran massa Refrijeran-12 ialah 0,008 kg/s. Tentukan (a) Daya kompressor (kW), (b) kapasistas refrijeran (ton), (c) Koefisien unjuk kerja (COPref.), dan (d) Buktikan apakah siklus tersebut memenuhi kelayakan teoritis. Penyelesaian: Diketahui: Sebuah siklus refrigerasi kompressi uap beroperasi dengan

Refrijeran-12. Keadaan refrijeran pada sisi masuk kompressor dan sisi keluaran kondensor serta laju aliran massanya diketahui.

Ditanyakan: Tentukan daya kompressor, kapasistas refrijeran, COPref., dan buktikan kelayakan teoritis siklus tersebut.

Gambar skema dan data yang tersedia:

Gambar C9.1 Asumsi:. 1. Setiap komponen siklus dianalisis sebagai volume atur pada keadaan tunak. 2. Semua proses yang dialami oleh refrijeran ialah reversible internal, kecuali

untuk proses throttling. 3. Kompressor dan alat ekspansi beroperasi secara adiabatik. 4. Pengaruh energi kinetik dan potensial diabaikan.

Analisis: Diawali dengan menetapkan masing-masing tingkat keadaan refrijeran

pada gambar skematik dan diagram T-s. Refrijeran uap jenuh pada 20oC masuk kompressor, selanjutnya dari Tabel A-7 diperoleh h1 = 195,78 kJ/kg dan s1 = 0,6884 kJ/kg.K.

Tekanan pada keadaan 2s sama dengan tekanan saturasi pada temperatur 40oC atau p2 = 9,6065 bar. Karena kompressor beroperasi secara adiabatik dan


reversibel internal, maka entropi spesifiknya konstan (s1 = s2s). Oleh karena itu dengan melakukan interpolasi pada Tabel A-9 diperoleh h2s = 205,1 kJ/kg dengan keadan refrijeran panas lanjut.

Keadaan 3 ialah cairan saturasi pada 40oC, sehingga h3 = 74,59 kJ/kg. Untuk proses throttling, h4 = h3.

(a) Kerja input kompressor,

( ) ( )( ) kW0750kJ/s 1kW 1kJ/kg781951205kg/s008012c ,,,,hhmW s =⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛−=−= &&

(b) Kapasitas refrijeran adalah laju perpindahan kalor refrijeran yang melewati evaporator dengan kesetaraan 1 ton = 211 kJ/min.

( )

( )( )( ) ton2760kJ/min 211 ton1kJ/kg597478195s/min60kg/s0080

41in

,,,,

hhmQ

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−=

−= &&

(c) Koefisien unjuk kerja refrigerasi:

013781951205597478195

c 1241in ,

,,,,

hhhh

WQβ

s=

−−

=−−

==&

&

(d) Kelayakan teoritis suatu siklus ditentukan oleh ukuran maksimum siklus berdasarkan efisiensi Carnot:

( )( ) ( ) 6514

K27320-K27340K27320max. C ,

TTTβ

CH=

+++

=−

=

Komentar: Karena β < βmax, maka siklus di atas layak.

Contoh 9.1 : Siklus refrigerais kompressi-uap ideal Refrijeran-134a yang digunakan pada sebuah refrigerator, masuk ke kompressor dengan keadaan uap panas lanjut pada tekanan 0,14 MPa, temperatur -10oC, dan laju aliran massa 0,05 kg/s dan meninggalkan kompressor pada tekanan 0,8 MPa dan temperatur 50oC. Refrijeran tersebut didinginkan di dalam kondensor hingga mencapai temperatur 26oC pada tekanan 0,72 MPa, kemudian dicekik (throttling) hingga mencapai tekanan 0,15 MPa. Tentukan (a) Kalor masukan siklus dan daya masukan kompressor, (b) Efisiensi isentropik kompressor, dan (c) koefisien unjuk kerja refrigerator tersebut. Penyelesaian: Diketahui: Sebuah refrigerator dengan fluida kerja Refrijeran-134a, keadaan

masuk dan keluaran kompressor dan kondensor diketahui, begitu-pula tekanan evaporator dan laju aliran massa juga diketahui..

Ditanyakan: Tentukan inQ& , cW& , cη , dan COPref.


Gambar skema dan data yang tersedia:

Gambar C9.1

Asumsi: 1. Setiap komponen siklus dianalisis sebagai volume atur pada keadaan tunak. 2. Semua proses yang dialami oleh refrijeran ialah reversible internal, kecuali

untuk proses throttling. 3. Kompresor dan alat ekspansi beroperasi secara adiabatik. 4. Pengaruh energi kinetik dan potensial diabaikan. Analisis:

Keadaan 1 pada p1 = 0,14 MPa dan T1 = -10oC, Entalpi spesifik R-134a pada fasa uap panas lanjut diperoleh dari Tabel A-12, h1 = 243,40 kJ/kg dan s1 = 0,9606 kJ/kg.K Demikian pula keadaan 2 pada p2 = 0,8 MPa dan T2 = 50oC, dari Tabel A-12 diperoleh h2 = 284,39 kJ/kg.

Keadaan 3, refrijeran fasa cairan terkompressi dengan p3 = 0,72 MPa, T3 = 26oC, entalpi spesifik diperoleh menggunakan ketentuan taksiran cairan terkompressi dengan menggunakan data cairan jenuh, Tabel A-10, diperoleh h3 = hf(26oC) = 85,75 kJ/kg .

Oleh karena proses throttling pada katup ekspansi merupakan proses entalpi konstan maka h4 = h3 = 85,75 kJ/kg (a) Kalor masukan dan daya input kompressor.

( ) ( )[ ] kW887kJ/kg85,75-243,40kg/s05041in ,,hhmQ ==−= &&

( ) ( )[ ] kW887kJ/kg85,75-243,40kg/s05041in ,,hhmQ ==−= && (b) Efisiensi isentropik kompressor.

1212

hhhh s

c −−

=η

dengan entalpi spesifik pada keadaan 2s diperoleh dengan mengacu pada p2s = 0,8 MPa dan s2s = s1 = 0,9606 kJ/kg.K. Dengan menginterpolasi nilai pada Tabel A-12 diperoleh h2s = 281,05. Jadi

%,,,,,,

c 991919040243392844024305281

≈=−−

=η


(c) Koefisien unjuk kerja refrigerator.

β = COPref. = 843052887 ,

kW,kW,

WQ

cin ==&

&

Komentar:


Soal-Soal Latihan Uji Kompetensi

1. Refrijeran-12 sebagai fluida kerja pada siklus refrigerasi kompressi-uap digunakan untuk menghubungkan secara termal anatar daerah dingin pada 20oC dan daerah hangat pada 40oC. Uap jenuh masuk kompressor pada temperatur 12oC, cairan jenuh pada tekanan 1,4 Mpa meninggalkan kondensor. Laju aliran massa Refrijeran-12 ialah 0,008 kg/s. Tentukan (a) Daya kompressor (kW), (b) kapasistas refrijeran (ton), (c) Koefisien unjuk kerja (COPref.), dan (d) Buktikan apakah siklus tersebut memenuhi kelayakan teoritis

2. Berdasarkan soal nomor 1 di atas, dengan nilai efisiensi kompressor 80%, dan temperatur meninggalkan kondensor sebesar 48oC. Tentukan (a) Daya kompressor (kW), (b) kapasistas refrijeran (ton), (c) Koefisien unjuk kerja (COPref.), dan (d) Buktikan apakah siklus tersebut memenuhi kelayakan teoritis


Referensi/Sumber Rujukan

1. Cengel, Y.A. dan Boles, M.A. 2002. Thermodynamics. 4th edition. Boston-USA: Mc. Graw Hill. (halaman 563 s.d. 577).

2. Pasek, Ari Darmawan dkk. 2004. Training Manual of ToT Refrigeration Servicing Sector. Bandung: LPPM ITB-KLH-UNDP.

3. Granet, I.P.E. and Blustien, M.Ph.D. 2000. Thermodynamics and Heat Power, 6th edition. New Jersey USA: Prentice Hall. (halaman 499 s.d 542).

4. Moran, M.J. dan Shapiro, H.N. 1995. Fundamentals of Engineering Thermodynamics. 3rd edition .New York USA: Jhon Wiley and Sons. (halaman 453 s.d. 477).

bab 9

Documents