I. BEBAN PENDINGINAN

Menurut Wirakartakusumah et al. (1989), beban refrigerasi adalah jumlah

panas yang harus diambil oleh refrigerator yang terdiri dari beberapa sumber yaitu

beban unsteady state yaitu panas yang dipindahkan untuk menurunkan suhu bahan

ke suhu ruang pendingin, beban steady state adalah jumlah panas yang harus

diserap untuk menjaga agar suhu penyimpanan konstan. Beban unstedy state

termasuk panas sensibel, panas hasil respirasi (untuk bahan segar), panas fusion

(untuk pembekuan). Beban steady state termasuk panas yang dipindahkan melalui

dinding refrigerator, celah antara pintu dan dinding serta panas yang dimasukkan

melalui pintu yang sering dibuka/tutup. Apabila dalam ruang refrigerator ada

mesin blower/kipas maka panas yang dihasilkan oleh motor tersebut harus

dimasukkan kedalam perhitungan beban steady state. Demikian juga orang yang

keluar masuk ruangan refrigerator, maka beban ini harus diperhitungkan.

Beban pendinginan merupakan penjumlahan dari beban panas yang

memasuki pendinginan dan berasal dari berbagai sumber. Beban panas terdiri dari

dua komponen yaitu panas sensibel yang terjadi jika panas memasuki ruangan dan

mengakibatkan peningkatan suhu ruangan, dan beban panas laten yang terjadi jika

uap air memasuki ruangan dan meningkatkan kelembaban nisbi ruangan.

Perhitungan beban pendinginan komersial dikelompokkan dalam tiga jenis

sumber yaitu beban di dalam ruangan, beban dari luar ruangan, dan beban-beban

lain. Tujuan utama perhitungan beban pendinginan adalah untuk menduga

kapasitas mesin pendingin yang dibutuhkan untuk dapat mempertahankan

keadaan optimal yang diinginkan dalam ruang. Sejumlah prosedur perhitungan

telah dikembangkan selama bertahun-tahun, akan tetapi secara prinsip perhitungan

dapat didasarkan pada dua cara yaitu:

- perhitungan beban panas puncak, untuk menetapkan kapasitas maksimum

instalasi sesuai dengan keadaan lingkungan setempat.

- Perhitungan beban kalor sesaat, untuk mengetahui biaya operasi jangka

pendek dan jangka panjang serta untuk mengetahui karakterisitik dinamik

instalasi tersebut.

Beberapa aspek yang harus diperhatikan dalam menghitung beban pendingin

adalah (1) material bahan dari ruang pendingin yang dipakai, (2) geometrik

ruangang pendingin berupa ukuran serta bentuk, (3) sumber panas internal, serta

(4) faktor iklim. Sedangkan menurut Dossat (1961) pada pendinginan komersial,

beban pendinginan total terbagi atas empat bahan terpisah, diantaranya : (1) beban

yang dilalui dinding, (2) beban akarena aliran udara, (3) beban produk, (4) dan

beban lainnya.

Beban Panas dari Dalam Ruangan

Beban panas dari dalam meliputi beban produk, manusia, dan alat-alat

bantu yang berada dalam ruangan.

Beban Produk

Panas dari produk terdiri dari : (1) panas awal yaitu panas yang dimilki

produk pada saat awal dimasukkan ke dalam cold storage dan (2) panas respirasi

selama penyimpanan. Panas respirasi suatu bahan akan semakin tinggi jika suhu

penyimpanan semakin besar (Syarief dan Kumendong, 1992).

- Panas awal pendinginan

Jika sejumlah bahan memasuki ruangan dingin pada suhu lebih besar dari

suhu ruangan tersebut, maka akan terjadi perlepasan panas sampai suhu bahan

sama dengan suhu ruang. Maka panas yang dilepaskan (Qp) untuk pendinginan :

...............................................................1)

Dimana mp : massa bahan (kg), Cp : panas jenis (J/kgK) dan ΔT : perubahan suhu

bahan (K).

Laju pelepasan panas dari bahan (Qp) diperoleh dengan membagi dengan waktu

pendinginan yang diinginkan.

.................................................................2)

- Panas respirasi

Panas respirasi merupakan beban panas bahan, karena pada proses

respirasi pada bahan hidup menghasilkan panas. Besarnya panas respirasi

tergantung pada jenis dan suhu bahan.

..........................................................................3)

Dimana Qr : panas respirasi , rr : laju respirasi (W/kg) dan mp : massa produk

Beban Manusia

Metabolisme yang terjadi pada manusia menghasilkan panas yang

kemudian dilepaskan ke lingkungan berupa panassensibel. Panas dari manusia

diakibatkan kegiatan loading dan unloding bahan di dalam gudang pendingin.

Jumlah panas yang dihasilkan dan dilepas tergantung pada tingkat kegiatan yang

dilakukan serta suhu lingkungannya. Ekivalen panas manusia dapat dilihat dari

tabel 2.

Tabel 2. Ekivalen panas manusia

Suhu (oC) Ekivalen panas/orang (kW)

1050-5-10-15-20

0.2110.2420.2750.3050.3470.3780.407

Beban Lampu dan peralatan bantu

Beban panas peralatan bantu pada dasarnya berasal dari alat penerangan,

motor-motor listrik yang terdapat di dalam ruang pendinginan. Beban panas yang

dilepaskan oleh lampu (Ql) dan motor listrik (Qm) adalah:

...............................................................4)

........................................................5)

Dimana Pl : daya lampu (W), tl : waktu operasi lampu (jam), Pm : daya keluaran

motor (W), t : waktu kerja motor, fm : faktor pengali untuk motor.

Tabel 3. Panas ekivalen motor listrik

Rating Motor (KW output)

Efisiensi

Faktor pengaliBeban terpasang di dalam ruang

pendingin

Kehilangan panas motor di luar

ruang pendingin

Beban terpasang di luar

pendingin0.1-0.50.5-2.02.0-15

33.35585

1.671.451.15

111

0.670.450.15

Beban Panas dari Luar Ruangan

Beban panas dari luar ruangan meliputi transmisi panas dari dinding akibat

perpedaan suhu dan infiltrasi udara.

Transmisi Panas

Perpindahan panas dari lingkungan ke ruang cold storage tejadi karena

perbedaan suhu di dalam ruang dengan suhu lingkungan. Beban yang melalui oleh

dinding disebut sebagai beban kobocoran dinding, yaitu banyaknya panas yang

bocor menembus dinding ruang pembeku dari bagian luar ke dalam. Karenatidak

ada insulasi yang sempurna, mak akan selalu ada beban panas yang berasal dari

luar ke dalam ruangan, karena suhu di dalam ruangan lebih rendah daripada suhu

di luar ruangan. Gambar 1 menunjukkan skema perpindahan panas yang melalui

dinding.

Lingkungan h0 Ruangank

Ta h1

Tr

Δx

Gambar 1. Skema Perpindahan Kalor Melalui Dinding

Perpindahan panas akan terjadi melalui dinding, atap, lantai dan sekat. Persamaan

yang umum digunakan untuk menghitung beban transmisi panas:

.....................................................................6)

Dimana Qk : panas yang masuk karena konduksi dan konveksi (kW), Ul :

koefisien perpindahan panas keseluruhan (kW/m2K), A : luas permukaan dinding

(m2) dan ΔT : beda suhu di luar dan di dalam ruang.

Nilai koefisien perpindahan panas keseluruhan dapat dihitung jika

konduktivitas (k) dan konduktansi (C) bahan diketahui. Konduktansi adalah

perpandingan antara konduktivitas bahan dengan tebal. Jika dinding merupakan

dinding komposit maka nilai Ul ditentukan dari tahanan panas keseluruhan (Rl).

......................................................................................7)

........................................8)

...................................................................................9)

Infiltrasi Udara

Masuknya udara luar ke dalam ruangan mempengaruhi suhu udara dan

tingkat kelembaban di ruang tersebut. Pertukuaran udara disebabkan karena

adanya kebocoran dinding, buka-tutup pintu dan ventilasi. Beban panas akibat

pertukaran udara ini sulit ditentukan secara tepat kecuali pada beberapa kasus

dimana debit udara yang masuk diketahui secara tepat. Beban panas yang diterima

(Qu) dapat dihitung dengan persamaan 10:

...................................................................10)

Dimana, m: debit udara masuk ( kg/det), dimana ho dan hi adalah entapi udara di

luar dan di dalam ruangan (J/kg) yang diperoleh dengan grafik psikrometri.

Ton Refrigerasi

Ton refrigerasi merupakan satuan beban pendinginan untuk skala

pendinginan yang besar, sedangkan untuk sistem yang kecil biasanya

menggunakan J/det atau Watt. Sistem-sistem pendinginan dan komponen-

komponen dibandingkan berdasarkan ton atau J/detik. Istilah ton refrigerasi

menunjukan bila pendinginan mekanis masih baru dan dipakai untuk

membandingkan kemampuan sistem mekanis terhadap es. Satu ton es dapat

menyerap 334952 kJ pada peleburannya(dalam menghaslkan pendinginan). Suatu

mesin yang dapat menyerap panas (menghasilkan pendinginan) dalam laju

334952 kJ per hari dibandingkan dengan sebagai 1 ton. Dalam membuat es air

didinginkan dari suhu sekeliling misalnya 294 K dan es praktis bersuhu dibawah

273 K, sehingga 1 ton mesin dapat membuat hanya sekitar dua per tiga ton dalam

24 jam. Satu ton refrigerasi sama dengan 13956 kJ/jam atau 3877 J/detik atau watt

(Henderson dan Perry, 1987).

Kapasitas Pendinginan

Kapasitas mesin pendingin yang diperlukan dapat dihitung dari beban

pendinginan yang harus diatasi dan waktu kerja mesin. Rumusannya:

Dimana:

qm : Kapasitas mesin pendingin (kW)

qt : Beban pendinginan (kW)

tk : Waktu kerja (jam)

Contoh Perhitungan Beban Pendinginan

Jika sebuah cold storage untuk menyimpan buah-buahan memiliki spesifikasi:

Luas ruang : 15 x 15 x 4.5 m

Luas permukaan luar (termasuk lantai) : 720 m2

Dimensi bagian dalam : 14.7 x 14.7 x 4.2 m

Volume : 908 m3

Insulasi dari polyurethane (konduktivitas) : 1.3 KJ/m2cmoC

Koefisien transmisi (U) : 1.1 kJ/jam m oC

Kondisi lingkungan pada panen : 30 C/RH 50%

Suhu buah : panen; 21C, di dalam storage -1.1 C

Kapasitas storage : 600 bins (500 kg buah per bins

Berat bins : 63.5 kg

Berat total dari bins : 38.100 kg

Jumlah muatan : 200 bins (100,000 kg buah per hari)

Lama pemuatan : 3 hari

Laju pendinginan : 21 ke 4.5 C (hari-1), 4.5 ke -1.1 C

(hari ke-2)

Pergantian udara dari pembukaan pintu selama pendinginan : 6 per hari

Pergantian udara dari pembukaan pintu selama penyimpanan : 1.8 per hari

Panas spesifik buah : 0.86, kayu bins 0.5

Beban panas penurunan suhu udara dari 30 C ke -1.1C (RH 50%) : 74.5 kJ/m3

Beban panas penurunan suhu udara dari 7.2 C ke -1.1C (RH 70%) : 15.3 kJ/m3

Beban panas dari Lampu : 2400 W/jam (3.6 kJ/W)

Beban panas dari kipas : 3112 kJ/HP

Forklift listrik : 36920 kJ masing-masing pekerja

selama 8 jam (1000 kJ/ jam pekerja)

Jawab :

A. Beban selama pendinginan dan pengisian storage : Perbedaan temperature

(TD) dari 30 C ke -1.1 C = 31.1 C, diasumsikan TD 31.1 C pada semua

permukaan.

1. Beban transmisi panas dari dinding:

Luas dinding x U x TD x h = 720 m2 x 1.1 kJ x 31.1 C x 24 = 591149 kJ/24

jam

2. Beban pergantian udara dari pembukaan pintu :

Volume x beban panas x jumlah pergantian = 908 m3 x 74.5 kJ x 6 = 405876

kJ/24 jam

3. Pendinginan produk (pemindahan panas lapang) :

- Hari pertama

= Berat buah x panas spesifik x TD x Faktor (kJ)

= 100000 kg x 0.86 x (21-4.5 C) x 4.186 =5939934 kJ/24 jam

= Berat bins x panas spesifik x TD x Faktor (kJ)

= 12700 kg x 0.5 x (21 – 4.5 C) x 4.186 =438588 kJ/24 jam

- Hari kedua

= Berat buah x panas spesifik x TD x Faktor (kJ)

= 100000 kg x 0.86 x (4.5-(-1.1C) x 4.186 =2015977 kJ/24 jam

= Berat bins x panas spesifik x TD x Faktor (kJ)

= 12700 kg x 0.5 x (4.5-(-1.1) C) x 4.186 =148854 kJ/24 jam

4. Panas respirasi selama proses pendinginan

a. Hari pertama

Suhu rata-rata = 13 C, laju respirasi 12206 kJ/ton 24 jam

= berat buah (ton) x laju respirasi

= 100 ton x 12206 = 1220600 kJ/24 jam

b. Hari kedua

Suhu rata-rata = 1.7 C, laju respirasi 1741 kJ/ton 24 jam

= berat buah (ton) x laju respirasi

= 100 ton x 1741 = 174100 kJ/24 jam

Panas maksimum diakumulasi di dalam storage sebelum pendinginan dilengkapi,

Total berat buah adalah 300000 kg dikurangi 2 hari loading sebesar 200000 kg =

100000 kg (100 ton) laju respirasi pada -1.1C adalah 812 kJ/24 jam ton.

= berat (ton) x laju resprasi = 100 x 812 =81200 kJ/24 jam.

5. Panas tambahan

Beban panas dari Lampu = 2400 W/jam x 3.6 kJ/W x 8 jam = 69120 kJ/24 jam

Beban panas dari kipas = 3 HP x 3112 kJ/HP x 24 jam = 224064 kJ/24 jam

Forklift listrik = 2 x 36920 kJ/ forklift x 8 jam = 73840 kJ/24 jam

Pekerja = 2 pekerja x 1000 kJ/jam x 8 jam = 16000 kJ/24jam

Total beban panas selama pendinginan :

1. Beban transmisi panas dari dinding = 519149

2. Pergantian udara = 405876

3. Pendinginan produk = 8543353

4. Produksi respirasi = 1475900

5. Tambahan = 383024

Sub total = 11399302

Factor keamanan 10% = 1139930

Total pendinginan yang dibutuhkan = 12539232

Jika diasumsikan peralatan pendingin beroperasi selama 18 jam/hari jadi beban yg

dibutuhkan sebesar 696624 kJ/jam atau 696614 kJ/jam: 12660 = 55 ton puncak

refrigerasi yang dibutuhkan.

B. Beban selama operasi penyimpanan normal: (rata-rata kondisi lingkungan

luar 7.2 C pada RH 70%, suhu storage -1.1 C; TD = 7.2 C-(-1.1)= 8.3 C)

1. Beban transmisi panas dari dinding:

Luas dinding x U x TD x h = 720 m2 x 1.1 kJ x 8.3 C x 24 = 157766 kJ/24 jam

2. Beban pergantian udara dari pembukaan pintu :

Volume x beban panas x jumlah pergantian = 908 m3 x 15.3 kJ x 1.8 = 25006

kJ/24 jam

3. Beban produk (respirasi, tidak ada pendinginan)

Laju respirasi pada suhu -1.1 C adalah 812 kJ/ton 24 jam

= berat buah (ton) x laju respirasi = 300 ton x 812 = 243600 kJ/24 jam

4. Beban Tambahan

Beban panas dari Lampu = 2400 W/jam x 3.6 kJ/W x 4 jam = 34560 kJ/24 jam

Beban panas dari kipas = 3 HP x 3112 kJ/HP x 24 jam = 224064 kJ/24 jam

Pekerja = 1 pekerja x 1000 kJ/jam x 4 jam = 4000 kJ/24jam

Total beban panas selama peyimpanan:

1. Beban transmisi panas dari dinding = 157766

2. Pergantian udara = 25006

3. Produksi respirasi = 243600

4. Tambahan = 262624

Sub total = 688996

Faktor keamanan 10% = 68899

Total pendinginan yang dibutuhkan = 757895

Jika diasumsikan peralatan pendingin beroperasi selama 18 jam/hari jadi beban yg

dibutuhkan sebesar 42105 kJ/jam atau 42105 kJ/jam : 12660 = 3.3 ton refrigerasi

yang dibutuhkan selama penyimpanan normal.

Beban Pendinginan untuk Pengkondisian Udara

Pemakaian energi suatu gedung, khususnya yang bersangkutan dengan

sistem penyejuk udara dalam gedung tersebut dipengaruhi oleh banyak faktor.

Faktor-faktor tersebut antara lain: 1. Tempat gedung itu berada, beserta keadaan

lingkungannya. 2. Iklim ditempat gedung berada. 3. Jenis pemakaian (penghunian,

pemakaian alat bantu, lampu dan sebagainya). 4. Jenis kontruksi bangunan yang

dipakai. 5. Orientasi gedung yaitu arah sumbu bangunan. 6. Dan lain-lain.

Perhitungan pembebanan energi suatu gedung berdasarkan sumber-sumber kalor

dari luar gedung maupun kalor yang bersumber dari dalam gedung itu sendiri.

Kalor yang berasal dari luar gedung antara lain:

1. Konduksi melalui dinding, pintu, atap, dan lantai

2. Efek rumah kaca (green house effect) karena adanya jendela kaca

3. Panas radiasi 4. Infiltrasi dan ventilasi udara luar

Kalor yang bersumber dari dalam gedung antara lain:

a. Panas yang dihasilkan oleh penghuni

b. Panas yang dikeluarkan lampu

c. Panas yang dibangkitkan oleh alat-alat lain

Sumber panas lainnya berupa kerugian pada ducting (saluran udara), fan, pompa,

bocoran udara, dan lain-lain.

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.

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. 1. Sumber panas eksternal antara lain : a)

Radiasi surya yang ditransmisikan melaui kaca b) Radiasi surya yang mengenai

dinding dan atap, dikonduksikan kedalam ruang dengan memperhitungkan efek

penyimpangan melalui dinding. c) Panas Konduksi dan konveksi melalui pintu

dan kaca jendela akibat perbedaan temperatur. d) Panas karena infiltrasi oleh

udara akibat pembukaan pintu dan melalui celah-celah jendela. e) Panas karena

ventilasi. 2. Sumber panas internal antara lain : a) Panas karena penghuni b)

Panas karena lampu dan peralatan listrik c) Panas yang ditimbulkan oleh peralatan

lain.

Sumber-sumber Panas Beban pendinginan total merupakan jumlah beban

pendinginan tiap ruang. Beban ruang tiap jam dipengaruhi oleh perubahan

temperatur udara luar, perubahan intensitas radiasi, surya dan efek penyimpanan

panas pada struktur/dinding bagian luar bangunan gedung. Data yang berupa

tabel analisis regresi. Intensitas radiasi surya di hitung menggunakan persamaan-

persamaan yang relevan

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 :

1. 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

2. Penambahan panas laten

Panas dari penghuni ruangan

Panas dari peralatan ruangan

3. Ventilasi dan infiltrasi

Penambahan panas sensible akibat perbedaan temperatur udara dalam dan

luar.

Penambahan panas laten akibat kelembaban udara dalam dan luar.

II. SISTEM PENDINGIN KOMPRESI UAP

Proses pendinginan adalah proses pengeluaran panas dari suatu benda di

bawah suhu sekelilingnya atau pendinginan dapat didefinisikan sebagai proses

pindah panas dari suhu rendah ke suhu tinggi. Secara umum pendinginan dapat

dibagi yaitu pendinginan alami dan mekanis. Pendingin sistem kompresi uap

merupakan salah satu pendinginan mekanis karena pada prosesnya menggunakan

peralatan mekanis, tenaga listrik dan sumber-sumber tenaga lainnya. Mesin

pendingin kompresi uap bekerja secara mekanik dan menyebabkan perpindahan

panas dari ruang pendingin ke tempat lain. Perpindahan panas tersebut dilakukan

dengan memanfaatkan sifat refrigeran yang berubah dari fase cair ke fase gas

(uap) kemudian ke fase cair kembali secara berulang. Refrigeran mendidih pada

suhu yang jauh lebih rendah dibandingkan air pada tekanan yang sama.

Misal: amonia pada tekanan 1 atm (101.3kPa) dapat mendidih pada suhu -33ºC.

Suhu didih refrigeran dapat diubah dengan cara mengubah tekanannya, misalnya

untuk menaikkan suhu penguapan amonia menjadi 0ºC, tekanan harus menjadi

428.5kPa

Bagian utama dari mesin pendingin kompresi uap adalah :

• Kompresor, untuk menaikkan tekanan uap refrigeran

• Kondensor, mengubah refrigeran uap menjadi refrigeran cair dengan

membuang panas ke lingkungan.

• Katup ekspansi, menurunkan tekanan refrigeran cair.

• Evaporator, refrigeran cair dengan tekanan rendah akan menarik panas

dari lingkungan sehingga terjadi efek pendinginan.

Prinsip kerja sistem kompresi uap dapat dilihat pada Gambar 1, refrigeran

dalam receiver (tangki refrigeran) yang berfase cair berada dalam tekanan tinggi.

Karena tekanan yang tinggi yang dihasilkan dari kompresor, refrigeran akan

berbergerak melalui pipa dan melewati katup ekspansi sehinggga refrigeran yang

bertekanan tinggi akan turun tekanannya. Fase refrigeran yang terbentuk adalah

campuran cair dan uap yang kemudian masuk ke evaporator. Di dalam

evaporator, refrigeran yang berfase cair akan mendidih sehingga dihasilkan

refrigeran yang seluruhnya berfase uap. Panas yang digunakan berasal untuk

penguapan diambil dari sekelilingnya, sehingga mengakibatkan pendinginan

udara sekitarnya. Uap refirgeran yang bertekanan tekanan rendah menunuju

kompresor, di dalam kompresor uap yang bertekanan rendah kemudian

dimampatkan sehingga diperoleh uap refrigeran yang bertekanan tinggi dan

bersuhu tinggi. Selanjutnya uap refrigeran yang bertekanan tinggi melewati

kondensor. Di bagian ini uap refrigeran akan berubah fasenya menjadi cair dengan

cara membuang panas latennya ke udara sekitarnya. Cairan refrigeran kemudian

mengalir kembali ke tangki.

Gambar 1. Siklus Kompresi Uap

Pada siklus kompresi uap terdapat dua sisi tekanan yaitu sisi yang

bertekanan tinggi dan rendah. Tekanan discharge dari kompresor, aliran discharge

refrigeran, kondensor dan aliran cairan refrigeran merupakan daerah tekanan

tinggi pada sistem sedangkan garis ekspansi, evaporator, suction dan tekanan

suction dari kompresor merupakan daerah tekanan rendah.

Titik kritis

v = konstan

t = konstan

evaporator

Katupekspansi

kompresor

4

Penyerapan panas(QO)

Gas jenuhp1=p4T1=T4

Cair – gas p4<p3T4<T3

Daerahtekanan rendah

Pipa isap (suction)Garis ekspansi

kondensor

1

23

Pelepasan panas(QK)

Gas p2>p1T2=T1

Cair jenuhp3=p2T3<T2

Daerahtekanan tinggi

Garis cairan Garis cairan

3 2

4 1

Garis Garis Cair Jenuh Uap Jenuh

Entalphi (kJ/kg)

Gambar 2. Diagram Tekanan Entalphi

Proses 1 – 2 (kompresi) :

refrigeran yang keluar dari evaporator masuk dan dikempa oleh

kompresor sehingga menghasilkan gas refrigeran dengan tekanan dan

suhu yang lebih tinggi (suhu tinggi akibat dari proses kompresi

insentropik)

Proses 2 – 3 (kondensasi) :

refrigeran dengan tekanan dan suhu tinggi dikondensasi dan

menghasilkan refrigeran cair jenuh. Pada awal proses, suhu refrigeran

sedikit mengalami penurunan, selanjutnya berubah fase dari gas ke

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 suhu dan peningkatan mutu gas refrigeran. Dengan

penurunan tekanan dan suhu, sebagian refrigeran cair berubah

menjadi gas.

Proses 4 – 1 (penguapan) :

terjadi pada suhu yang sama, dimana hanya terjadi perubahan fase

dari cair ke gas. Panas laten penguapan diambil dari lingkungan

sehingga terjadi pendinginan lingkungan. Besarnya pendinginan

dinyatakan dalam efek pendinginan (ton refrigerasi)

Siklus yang telah diuraikan adalah siklus jenuh yang sederhana dimana

kedua keadaan yaitu cairan sesudah kondensasi dan uap sesudah penguapan

berada dalam keadaan jenuh yang digambarkan dalam kurva cairan dan uap jenuh.

Suhu kondensasi tk dan suhu penguapan to yang berhubungan dengan tekanan

jenuh pk dan po dapat juga dikatakan suhu discharge jenuh dan suhu suction

jenuh walaupun suhu discharge yang sebenarnya dari kompresor adalah t2

Proses-proses termodinamika yang terjadi pada sistem kompresi uap

adalah sebagai berikut:

Proses 1 – 2 : Kompresi isentropic : S2 = S1, Q = 0

Kerja yang dilakukan

Proses 2 – 3 : Desuperheating dan kondensasi : pk = konstan

Panas terbuang, qk = h2 – h3

Proses 3 – 4 : Ekspansi isentalpi : h3 = h4 = hf4 + x (h1 – hf4)

atau

Proses 4 -1 : Penguapan : p0 = konstan

Efek pendinginan, q0 = h1 – h4

Terdapat 2 proses yang terjadi pada tekanan konstan, keadaan ini

memungkinkan siklus kompresi uap digambarkan dalam diagram Tekanan –

Entalpi (p-h) seperti yang ditunjukan pada gambar 2. Peningkatan akibat kerja

yang dilakukan pada proses isentropi juga dapat digambarkan pada diagram p-h.

pada gambar 2 ditunjukan pula garis suhu konstan dalam daerah subcooled dan

superheated sepanjang garis volume konstan. Ini berarti bahwa garis suhu konstan

dalam daerah cairan subcooled (garis vertikal) adalah sebagai entalpi cairan yang

merupakan fungsi suhu dan tidak tergantung pada tekanan.

Pendinginan yang efektif atau pendinginan per kilogram dari zat pendingin

adalah : h1 – h4. Tenaga yang dibutuhkan oleh kompresor per kg zat pendingin

adalah h2 – h1, merupakan tenaga mekanis yang disterakan dengan Joule.

Koefisien kemampuan adalah faktor yang menggambarkan jumlah tenaga yang

berguna untuk kapasitas pendinginan per Joule tenaga mekanis input.

Dari hukum I thermodinamika, pengukuran kinerja dari siklus refrigerasi

ditunjukkan oleh Coefficient of Performance (COP). COP merupakan

perbandingan tingkat keluaran panas yang bermanfaat yang dikirimkan oleh unit

pompa panas yang lengkap (tergolong pengganti pemanas) ke tingkat penyesuaian

masukan energi, pada unit konsisten dan di bawah kondisi-kondisi spesifik.

Reynolds dan Perkin (1983) juga menyatakan bahwa pada mesin pendingin,

performansinya tidak dinyatakan dengan efisiensi, tetapi dinyatakan dalam

koefisien performansi atau COP.

Pada siklus kompresi uap di pendingin carnot, koefisien siklus pendinginan

disingkat dengan COP yang menggambarkan koefisien kemampuan yang

menghubungkan energi pendinginan yang terpakai terhadap energi mekanis yang

masuk atau perbandingan dari efek pendingin yang dilakukan pada refrigeran

dengan kerja yang dilakukan pada refrigeran, yang dapat dirumuskan dalam

persamaan

Koefisien kemampuan secara teoritis untuk pendinginan adalah

T dalam suhu absolute; C merupakan suhu penguapan zat pendingin; H suhu

panas dari kondensasi zat pendingin. COP sebenarnya selalu lebih kecil dari COP

teoritis. Hal ini disebabkan oleh kehilangan panas sistem mekanis karakteristik

dari siklus pendinginan. Koefisien kemampuan berkisar lebih kecil dari satu untuk

sistem-sistem yang bekerja pada suhu dibawah nol sampai lima atau lebih untuk

sistem-sistem yang bekerja di atas titik beku.

Sistem pendinginan dan komponen dibandingkan berdasarkan Ton

refrigerasi atau J/detik. Istilah Ton Refrigerasi menunjukan bila pendinginan

mekanis masih sangat baru dan dipakai untuk membandingkan kemampuan

sistem mekanis terhadap es. Satu ton es dapat menyerap panas sebesar 334952

pada peleburannya (dalam menghasilkan pendinginan). Suatu mesin pendingin

yang dapat mnyerap panas dengan laju 334952 kJ per hari dibandingkan sebagai 1

ton. Satu ton refrigerasi sama dengan 13956 kJ/jam atau 3877 J/detik. Pada

prakteknya, J/detik atau watt dipakai pada sistem yang kecildan dalam ton untuk

sistem yang besar. Suhu evaporator harus ditentukan karena kapasitas akan turun

bila suhu penguapan refrigeran turun.

American Siciety of Refrigerating Engineers telah mengesahkan suatu

syarat baku untuk operasi yang dapat dipakai untuk membandingkan refrigeran,

sistem dan komponen. Syarat-syarat ini adalah :

- Suhu penguapan refrigeran : - 15 oC

- Suhu kondensasi refrigeran : 30 oC

- Suhu uap terpanaskan dari evaporator ke kompresor : - 13 oC

- Suhu uap terdinginkan dari kondensor ke klep pemuaian : - 13 oC

Komponen Kompresi Uap

Kondensor

Kondensor merupakan bagian refrigerator yang menerima uap panas

bertekanan tinggi dari kompresor. Kondensor berfungsi untuk mengubah wujud

refrigeran uap panas bertekanan tinggi menjadi refrigeran cair bertekanan tinggi.

Prinsipnya adalah dengan menghilangkan panas sensibelnya yang diikuti oleh

penghilangan panas laten. Tipe kondensor secara umum dibedakan berdasarkan

medium pendingin yang digunakan. Sesuai dengan hal diatas, kondensor terbagi

atas tiga tipe yaitu kondensor pendingin udara, air dan sistem penguapan.

Gambar 3. Jenis-jenis kondensor

Katup Ekspansi

Katup ekspansi secara umum berfungsi untuk menurunkan tekanan tinggi

refrigeran cair ke tekanan konstan yang lebih rendah dengan cara mengubah

bentuk refrigeran cair menjadi butir-butir air ketika melewati evaporator. Selain

itu katup ekspansi dipakai untuk mengatur laju aliran zat pendingin ke dalam

evaporator sesuai dengan laju penguapannya.

Gambar 4. Jenis-jenis katup ekspansi

Evaporator

Evaporator merupakan unit yang menghasilkan pendinginan yang

mengekstraksi panas keluar dari bahan. Evaporator dibagi dalam 2 kelas utama

yaitu tipe basah dan tipe kering. Evaporator tipe basah, cairan pendingin menutupi

seluruh permukaan pindah panas. Sedangkan evaporator tipe kering, bagian

permukaan pidah panas digunakan untuk pemanasan (super heating) uap air.

Evaporator berfungsi untuk mengubah refrigeran cair menjadi uap dengan

menyerap panas di ruangan. Evaporator selalu berpasangan dengan fan. Fungsi

fan adalah untuk menghisap udara panas yang melewati evaporator sekaligus

mendorongkan udara dingin ke ruangan.

Gambar 5. Jenis-jenis katup evaporator

Kompresor

Ada empat tipe dari kompresor yaitu bolak-balik, rotary, gigi (gear) dan

sentrifugal. Kompresor berfungsi untuk menggerakkan sistem refrigerasi agar

dapat mempertahankan suatu perbedaan tekanan rendah dan tekanan tinggi pada

sistem. Ada dua hal yang dilakukan kompresor dalam melaksanakan fungsinya.

Yang pertama adalah menghisap uap refrigeran dari evaporator dan menciptakan

tekanan rendah di evaporator. Dengan demikian memungkinkan cairan refrigeran

mendidih dan menguap pada suhu rendah. Panas yang diserap dari bahan yang

akan didinginkan dibutuhkan untuk pengupan refrigeran. Yang kedua yaitu

memampatkan uap refrigeran yang diisap dari evaporator, sehingga tekanan dan

suhu refrigeran meningkat menuju kondensor untuk diembunkan menjadi cairan

oleh udara dan air di kondensor.

Gambar 6. Kompresor

REFRIGERAN

Definisi Refrigeran

1. Refrigeran adalah suatu medium yang fungsinya sebagai pengangkut

panas, sehingga panas tersebut diserap dari evaporator (suhu rendah) dan

dilepaskan ke kondensor (suhu tinggi)

2. Refrigeran adalah fluida kerja yang bersirkulasi dalam siklus refrigerasi.

3. Refrigeran merupakan komponen terpenting siklus refrigerasi karena

dialah yang menimbulkan efek pendinginan dan pemanasan pada mesin

refrigerasi.

4. ASHRAE (2005) mendefinisikan refrigeran sebagai fluida kerja di dalam

mesin refrigerasi, pengkondisian udara, dan sistem pompa kalor.

Masalah kontemporer yang menghadang refrigeran adalah munculnya lubang

ozon dan pemanasan global. 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.

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).

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. Saat ini, HCFCs (yang pada

dasarnya merupakan pengganti transisional untuk CFCs) telah memiliki 2

kandidat pengganti, yakni R410A (campuran dengan sifat mendekati zeotrop) dan

R407C (campuran azeotrop) (Kruse, 2000). Hidrokarbon Propana (R290) juga

berpotensi menjadi pengganti R22 (Kruse, 2000). R407C merupakan campuran

antara R32/125/132a dengan komposisi 23/25/52, sedangkan R410A adalah

campuran R32/125 dengan komposisi 50/50 (ASHRAE, 2005). Saat ini, beberapa

perusahaan terkemuka 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.

Teknologi Refrigerasi Alternatif

Munculnya beberapa permasalahan pada refrigerasi siklus kompresi uap dalam

dekade belakangan ini membuat beberapa peneliti berusaha memunculkan sistem

refrigerasi alternatif yang tidak mengandung permasalahan serupa. Teknologi

alternatif tersebut diantaranya adalah refrigerasi sistem absorpsi, adsorpsi padatan

(solid adsorption), dan efek magnetokalorik. Sistem absorpsi dan adsorpsi

padatan tidak menggunakan refrigeran yang merusak ozon dan menimbulkan

pemanasan global, serta bisa memanfaatkan panas matahari ataupun panas

buangan; sedangkan refrigerasi sistem efek magnetokalorik sama sekali tidak

menggunakan refrigeran primer.

Pemilihan jenis refrigeran :

1. dipilih jenis yang paling sesuai dengan jenis kompresor yang dipakai

2. karakteristik thermodinamikanya yang antara lain meliputi suhu

penguapan dan tekanan penguapan serta suhu pengembunan dan tekanan

pengembunan

Pembagian Refrigeran :

1. Refrigeran primer : digunakan dalam sistem kompresi uap

2. Rerigeran sekunder :

cairan yang digunakan untuk membawa energi kalor dari bahan yang

sedang didinginkan ke evaporator pada sistem refrigerasi (cairan anti beku

– tidak mengalami perubahan fase) mis. larutan garam, glikol – propilen,

etilen glikol.

Seleksi refrigeran :

1. Berdasarkan sifat termodinamika : titik didih, tekanan penguapan dan

pengembunan, tekanan dan suhu kritis, titik beku, volume uap, COP, HP

per ton refrigerasi

2. Sifat Kimia : Tidak mudah terbakar, tidak beracun bagi manusia, tidak

bereaksi dengan air, minyak dan bahan konstruksi.

3. Sifat fisik : Konduktivitas, kekentalan

Powell (2002) menerangkan bebeapa 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.

Sifat Refrigeran

1. 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.

2. 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.

3. 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

4. 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

5. Koefisien prestasi harus tinggi. Dari segi karakteristik termodinamika dari

refrigeran, koefisien prestasi merupakan parameter yang terpenting untuk

menentukan biaya operasi.

6. Konduktivitas termal yang tinggi. Konduktivitas termal sangat penting

untuk menentukan karakteristik perpindahan kalor

7. Viskositas yang rendah dalam fasa cair maupun fasa gas. Dengan turunnya

tahanan aliran refrigeran dalam pipa, kerugian tekanannya akan berkurang.

8. Konstanta dielektrika dari refrigeran yang kecil, tahanan listrik yang besar,

serta tidak menyebabkan korosi pada material isolator listrik

9. Refrigeran hendaknya stabil dan tidak bereaksi dengan material yang

dipakai, jadi juga tidak menyebabkan korosi

10. Refrigeran tidak boleh beracun

11. Refrigeran tidak boleh mudah terbakar dan mudah meledak

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.

SISTEM PENDINGINAN ALTERNATIF

Pendinginan Absorbsi

Perbandingan antara pendingin kompresi uap dengan absorpsi

Kompresi uap

Menaikkan tekanan refrigeran dengan menggunakan kerja dari kompresor (work-

operated cycle)

Absorpsi

Menaikkan tekanan refrigeran menggunakan panas yang diberikan kepada

generator (heat-operated cycle)

Siklus yang terjadi pada sistem pendinginan absorpsi :

1. Siklus regenerasi

Panas diberikan kepada generator mengakibatkan naiknya tekanan generator dan

terlepasnya uap ammonia dari larutan untuk kemudian dialirkan ke dalam

kondensor dan berkondensasi menjadi kondensat ammonia konsentrasi tinggi.

2. Siklus refrigerasi

Kondensat ammonia di dalam evaporator terevaporasi pada tekanan rendah dan

uapnya diserap oleh larutan ammonia konsentrasi rendah yang ada di dalam

absorber

Pendinginan Adsorpsi

Mesin pendingin tipe adsorpsi, fluida kerja yang digunakan merupakan

kombinasi dari dua macam zat yang berfungsi sebagai adsorbat dan adsorben.

Proses adsorpsi melibatkan pemisahan suatu zat dari cairan dan

pengakumulasiannya pada permukaan zat padat. Zat yang menguap dari fasa cair

disebut adsorbat, sedangkan zat yang menyerap adsorbat disebut sebagai

adsorben.

Beberapa pasangan yang banyak digunakan untuk sistem pendingin

adsorpsi antara lain ammonia/carbon aktif, air/silicagel dan methanol/silicagel.

Pasangan carbon/ammonia memerlukan temperatur yang tinggi (>120 °C )

sebagai panas pemasukan dalam proses regenerasi. Air/silicagel,

Katup ekspansi

Kompresi Uap :Kompresor

Absorpsi :GeneratorAbsorber

Kondensor

Evaporator

Uap tekanantinggi

Uap tekananrendah

methanol/silicagel merupakan pasangan yang ideal dalam pendinginan adsorpsi

karena panas yang dibutuhkan untuk proses regenerasi berkisar antara 60-70 °C.

Tetapi air sebagai refrigeran tidak mampu menghasilkan efek pendinginan

dibawah 0 °C, sebab itu untuk menghasilkan efek yang lebih baik dalam aplikasi

maka dipakai pasangan methanol/silicagel (Oertel, 1997).

Prinsip Kerja Mesin Pendingin Tipe Adsorpsi Intermitten

Prinsip dari pendinginan adsorpsi dapat dilihat pada Gambar 1. Komponen

pendingin sistem adsorpsi terdiri dari kondensor, katup, evaporator dan ruang

penyerapan (generator) sebagai kompresor termal. Kompresor termal bekerja

dalam dua fase yaitu pada fase satu siklus operasi refrigeran diuapkan pada

tekanan dan suhu rendah di evaporator, sehingga menyebabkan kondesat

refrigeran dalam evaporator berekspansi dan menguap dengan mengambil panas

sekelilingnya sehingga menghasilkan efek refrigerasi. Uap refrigerasi yang terjadi

mengalir kedalam unit generator – adsorber untuk diadsorpsi dengan

mengeluarkan panas sekelilingnya sambil didinginkan di generator untuk diserap

oleh silica gel pada ruang reaksi dibawah kondisi isobarik.

Setelah proses adsorpsi selesai, kemudian diikuti dengan pemanasan

secara isoterik dan desorpsi secara isobarik dalam generator. Proses ini terjadi

karena pemanasan dilakukan di unit generator menyebabkan refrigeran yang ada

didalamnya terpisah dari zat penyerapnya dan mengalir menuju kondensor. Uap

refrigeran tersebut kemudian terkondensasi di unit kondensor karena pendinginan

dari sekelilingnya yang temperaturnya lebih rendah. Dengan dua proses ini

adsorpsi dan desorpsi refrigeran telah mengalami kompresi. Tekanan akhir dari

siklus kedua bagian ini ditandai dengan penguapan pada kondensor yang

ditentukan dengan menggunakan suhu air dingin.

Gambar 1 Skema sistem pendingin adsorpsi intermitten (Oerthel, 1997).

Fungsi bagian-bagian Mesin Pendingin Adsorpsi

a. Unit Generator

Generator berfungsi ganda, yaitu tempat terjadinya proses desorpsi dan

adsorpsi, dimana pada saat proses desorpsi terjadi pemisahan refrigeran

(metanol) dengan adsorber (silicagel) dan pada proses adsorbsi terjadi

pengikatan kembali refrigeran (metanol) oleh adsorber (silicagel)

b. Katup

Katup ini berfungsi untuk pemisah antar beberapa unit. Pada mesin

pendingin intermitten ini terdapat 4 katup yang saling menghubungkan antara

unit yang satu dan yang lain. Katup1, menghubungkan antara unit generator

dan unit kondensor katup 2 menghubungkan antara kondensor dan receiver,

katup 3 menghubungkan antara receiver dan evaporator, pada katup ini

berfungsi untuk menyalurkan methanol hasil kondensasi ke ruang evaporator,

dan katup yang terakhir menghubungkan antara evaporator dan generator,

selain itu dengan adanya katup ini dapat mencegah refrigeran yang telah

terkondensasi di kondensor kembali lagi ke generator.

c. Unit Kondensor

Unit ini berfungsi sebagai tempat kondensasi refrigeran pada saat proses

desorpsi. Kodensor dibuat miring untuk memudahkan metanol mengembun

jatuh tertampung ke reciever karena pengaruh dari gravitasi. Pada kondensor

terdapat koil pendingin yang digunakan untuk membantu mengembunkan

refrigeran.

d. Unit Reciever

Unit berfungsi untuk menampung refrigeran yang telah berkondensasi dan

berubah menjadi refrigeran murni .

e. Unit Evaporator

Unit ini berfungsi untuk tempat penampungan dari kondensat yang

terbentuk, setelah sebelumnya ditampung dalam receiver. Pada unit ini terjadi

proses evaporasi. Dimana refrigeran akan menyerap panas dari heat exchanger

agar dapat berekspansi kembali ke generator.

Perkembangan Mesin Pendingin Adsorpsi

Perkembangan mutakhir di bidang refrigeran utamanya didorong oleh dua

masalah besar dalam lingkungan, yakni lubang ozon dan pemanasan global. Sifat

merusak ozon dimiliki oleh refrigeran utama yang digunakan yaitu CFCs (Chloro

Fluoro Carbons). (Molina dan Rowland 1974, diacu dalam Indartono 2006).

Setelah keberadaan lubang ozon dilapisan atmosfer diverisifikasi secara saintifik,

perjanjian internasional untuk mengatur dan melarang penggunaan zat-zat perusak

disepakati pada tahun 1987 yang terkenal dengan sebutan Protokol Montreal.

Penggunaan CFCs dan HCFCs (Hydro Chloro Fluoro Carbons) merupakan dua

refrigeran utama yang dijadwalkan untuk dihapuskan masing-masing pada tahun

1996 dan 2030 untuk negara – negara maju. Sedangkan untuk negara – negara

berkembang dijadwalkan untuk dihapus (phase- out) pada tahun 2010 (CFCs) dan

2040 (HCFCs) (Powell dalam Indartono, 2006). Pada tahun 1997, Protokol Kyoto

mengatur pembatasan dan pengurangan gas-gas penyebab rumah kaca, termasuk

HCFCs. Munculnya beberapa permasalahan pada refrigerasi siklus kompresi uap

dalam dekade belakangan ini membuat para peneliti berusaha memunculkan

sistem refrigerasi alternatif yang tidak mengandung permasalahan serupa.

Teknologi alternatif tersebut diantaranya adalah refrigerasi sistem adsorpsi

padatan (solid adsorption). Sistem adsorpsi padatan ini tidak menggunakan

refrigeran yang merusak ozon, serta bisa memanfaatkan matahari dan panas

buangan .

Teknik pendinginan adsorpsi merupakan salah satu pilihan dari metode

pendinginan yang dapat digunakan jika sumber listrik tidak ada dan sebagai

pengganti refrigeran yang tidak ramah lingkungan. Metode pendinginan ini

memerlukan sumber energi panas sebagai penghasil siklus pendinginan. Sumber

energi tersebut dapat diperoleh dari biomassa, energi radiasi surya, maupun panas

buangan.

Perkembangan mesin ini telah dikenal pada tahun 1980 sampai sekarang,

dimana M. Pons dan J.J. Guilleminot (1981) membuat alat mesin pendingin

dengan menggunakan pasangan Zeolit – air dan pasanganan karbon aktif –

metanol. Sokoda dan Suzuki (1984) dan Critoph et al (1988) melakukan studi

kinerja siklus adsorpsi untuk pendingin surya. Vichan Tangkengsirin et al (1997)

menggunakan pasangan silicagel – air dan sumber panas dari energi surya.

Siegfried Kreussler dan Detlef Bolz melakukan penelitian mesin pendingin

solar adsorpsi menggunakan zeolit dan air, diperoleh energi pendingin sebesar

350 kJ/kg zeolit dan COP 8 %. K Sumanthy (1999) melakukan percobaan alat

pendingin solar energi dengan pasangan karbon aktif – methanol, dan berhasil

membuat es sebanyak 4 kg/hari dengan luas kolektor 0,92 m2.

Hildrand C, Dind P., Pons M., Butchter F.(2001), melakukan penelitian

pada mesin pendingin menggunakan silica gel – water dengan sumber panas

kolektor surya dengan luas 2 m2 mendapatkan harga COP antara 0.10 sampai

0.25. Sedangkan Wang D.C, Xia Z.Z, Zhai H, Wang R.Z dan Dou W.D.(2005),

melakukan penelitian mesin pendingin adsorpsi menggunakan silica gel dan air,

diperoleh Kapasitas pendinginan dan COP sebesar 7,15 kW dan 0,38.

Aep et al, (2005) telah melakukan penelitian mesin pendingin adsorpsi

dengan menggunakan silicagel – metanol dengan pembangkitan panas dari listrik,

dari hasil penelitian dengan 3 kali pengujian dengan tekanan awal sebesar 5,4 kPa

diperoleh temperatur evaporator 10 °C dengan pemanasan pada generator sebesar

72°C. Pada saat proses desorpsi yang berlangsung selama 7 jam, temperatur

evaporator meningkat menjadi 26 °C dengan lama proses selama 2 jam.

Sedangkan pendinginan dengan menggunakan beban pendinginan dan tekanan

awal 0.11 kPa (0.88 mmHg) dan suhu evaporator sebesar 24°C menurun menjadi

10°C dan terus meningkat karena adanya beban pendinginan air pada chiller dan

berlangsung selama 7 jam yang mencapai 26°C. Pendinginan menghasilkan

selisih 1.5 - 2°C perbedaan suhu yang masuk dan keluar dari evaporator.

PEMBEKUAN

Proses pembekuan merupakan kombinasi perpindahan panas dan massa

yang berlangsung secara simultan. Perpindahan panas menyebabkan terjadinya

penurunan suhu bahan, sedangkan kristalisasi es pada tahap perubahan fase

menyebabkan pemisahan air dari zat terlarutnya, sehingga secara praktis

mengurangi kadar air bahan (Tambunan, 2001). Perubahan fase air pada bahan

dari fase cair menjadi fase padat membutuhkan energi yang cukup besar. Aplikasi

pembekuan konvensional saat ini memiliki banyak kekurangan selain

membutuhkan energi yang besar juga membutuhkan refrigeran sebagai media

perpindahan panas. Krisis energi yang timbul mengharuskan pengalihan metode

pembekuan yang hemat energi.

Pembekuan berarti pemindahan panas dari bahan, yang disertai oleh

perubahan fase dari cair ke padat, dan merupakan salah satu proses yang umum

dilakukan untuk penanganan bahan pangan. Dengan pembekuan aktivitas mikroba

dan sistem enzim akan terhambat sehingga kerusakan pada pangan tidak akan

terjadi (Heldman dan Singh, 1981). Menurut Robinson (1985) dalam Mashyta

(2002), pembekuan adalah suatu proses penurunan suhu bahan pangan, dari suhu

awal hingga mencapai suhu di bawah titik beku dari bahan pangan itu sendiri.

Proses pembekuan dapat dibagi menjadi enam bagian (Fellows, 2000

dalam Mashyta, 2002) :

Suhu

Tf

Waktu

A

S B

C D

ER

F Ts tf

Gambar 1. Grafik suhu-waktu pada proses pembekuan

AS : Bahan pangan didinginkan hingga mencapai suhu di bawah titik bekunya

(Tf). Pada titik S, air masih berada dalam fase cair walaupun berada dalam

kondisi di bawah titik beku. Fenomena ini dikenal dengan supercooling.

SB : Peningkatan suhu bahan hingga mencapai titik beku. Terjadinya peningkatan

suhu diakibatkan karena adanya pelepasan panas laten kristalisasi.

BC : Pelepasan panas laten bahan. Pada tahap ini, suhu bahan cenderung konstan,

dan terjadi penurunan titik beku dengan semakin meningkatnya konsentrasi

larutan pada bagian air yang tak terbekukan. Periode ini merupakan periode

pembentukan kristal es.

CD : Salah satu komponen yang terdapat dalam larutan menjadi sangat jenuh dan

mengalami kristalisasi. Pelepasan panas laten kristalisasi mengakibatkan

terjadinya peningkatan suhu hingga mencapai suhu eutectic dari komponen

tersebut.

DE : Kristalisasi air dan larutan pada bahan pangan terus berlangsung

EF : Penurunan suhu bahan pangan hingga mencapai suhu pembekuan yang

diinginkan. Pada kondisi suhu yang sangat rendah, masih terdapat air yang

tak terbekukan dipengaruhi oleh komposisi bahan pangan yang tak

terbekukan.

Pembentukan kristal es dalam produk yang sedang diproses untuk

disimpan beku sangat menarik perhatian, karena pengaruhnya yang ditimbulkan

terhadap kualitas produk beku. Pengaruh ini diakibatkan oleh ukuran kristal es

dan konfigurasinya dalam jaringan pangan beku. Proses kristalisasi terjadi dalam

dua tahap yaitu (1) pembentukan inti kristal pada tahap awal kristal, inti kristal

kemudian tumbuh membesar. (2) kristalisasi, tahapan kedua ini hanya dapat

berlangsung setelah inti terbentuk dan mencapai ukuran yang kritis. Laju

kristalisasi dipengaruhi oleh laju reaksi molekul air pada permukaan kristal, laju

difusi molekul-molekul air dari bagian larutan yang belum membeku kearah

permukaan kristal dan laju pemindahan energi panas (Wirakartakusumah, 1987).

Waktu pembekuan dapat didefinisikan melalui dua pendekatan.

Pendekatan pertama adalah waktu pembekuan efektif yaitu waktu pembekuan

yang dibutuhkan untuk menurunkan suhu bahan pangan dari suhu awal ke suhu

akhir yang diinginkan pada pusat panas. Pendekatan kedua adalah waktu

pembekuan nominal yaitu waktu saat permukaan bahan pangan mencapai 0 oC

dan pusat panas mencapai suhu lebih rendah dari 10 oC dari suhu awal

pembentukan es (Fellows, 2000 dalam Mashyta, 2002).

International Institute of Refrigeration (1971) dalam Wirakartakusumah

(1987) mendefinisikan laju pembekuan sebagai rasio antara jarak minimum dari

permukaan ke pusat panas, dengan waktu yang dibutuhkan saat permukaan

mencapai 0 oC hingga pusat panas mencapai suhu 5 oC lebih rendah dari suhu

awal pembentukan kristal es di pusat panas bahan. Menurut Fennema dan Powrie

(1964) dalam Wirakartakusumah (1987) mengemukakan empat faktor yang

berpengaruh terhadap laju pembekuan adalah perbedaan suhu antara produk dan

medium pendingin; modus transfer panas kepada, dari dan di dalam produk;

ukuran, jenis dan bentuk bahan kemasan yang berisi produk; ukuran, bentuk dan

sifat –sifat termal produk.

Kualitas produk beku menjadi alasan pemilihan metode pembekuan yang ada.

Laju pembekuan mempengaruhi terbentuknya kristal es pada bahan. Pembekuan

yang lambat akan menyebabkan terbentuknya kristal es yang berukuran besar

yang dapat merusak dinding sel pada bahan, hal ini akan terlihat pada proses

thawing, sedangkan laju pembekuan yang cepat menyebabkan kristal es yang

terbentuk berukuran kecil dan seragam, sehingga tekstur produk beku tidak

mengalami kerusakan pada saat pengembalian ke suhu kamar.