PENGGUNAAN HIDROKARBON SEBAGAIREFRIGERAN PADA MESIN REFRIGERASISIKLUS KOMPRESI UAP HIBRIDA DENGAN

MEMANFAATKAN PANAS BUANGPERANGKAT PENGKONDISIAN UDARA

Azridjal Aziz (1), Hanif(2)

(1)Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin Universitas Riau

(2)Staf Pengajar Jurusan Mesin Politeknik Negeri Padang

ABSTRACT

Refrigerant as a cooler material at refrigeration machine can absorb the heat from theroom, usually using the halocarbon refrigerant. This refrigerant type could damage theozone layer and result the global warming, so using this refrigerant must be limited andprohibited. The hydrocarbon refrigerant as refrigerant substitution can be used directlywithout component replacement (drop in substitute). Refrigeration machine which effect ofcooling and its warming effect is done together named [as machine of hybrid refrigeration.Exploiting concurrently this of course will influence the machine performance. Thisresearch show the improvement COP, TP and increase of cooling effect water flow mass inevaporator and not influence the water temperature in evaporator and condenser (tend toconstant). PF and warming flow tend to constant because water flow mass in condenserkeep in constant.

Keywords: performance, optimum, refrigerant, hydrocarbon

1. PENDAHULUAN

Mesin refrigerasi adalah salah satu jenis mesinkonversi energi, dimana sejumlah energi dibutuhkanuntuk menghasilkan efek pendinginan. Di sisi lain,panas dibuang oleh sistem ke lingkungan untukmemenuhi prinsip-prinsip termodinamika agar mesindapat berfungsi. Panas yang terlepas ke lingkunganbiasanya terbuang begitu saja tanpa dimanfaatkan.Demikian juga pada mesin pompa panas, sejumlahenergi dibutuhkan untuk menghasilkan efekpemanasan dengan cara menyerap panas darilingkungan. Panas yang diserap dari lingkungansebetulnya dapat dimanfaatkan untuk mendinginkansesuatu, tapi biasanya cenderung dibiarkan terbuang.

Bertolak dari kasus mesin refrigerasi dan mesinpompa panas di atas, maka berbagai usaha telahdilakukan untuk mengembangkan suatu sistem yangmenggunakan prinsip refrigerasi dan pompa panasdalam satu mesin. Pada mesin terpadu ini efekpendinginan dan efek pemanasan dapat dihasilkandan dimanfaatkan secara bersamaan, sehingga dayaguna mesin menjadi lebih tinggi. Mesin terpadudengan fungsi ganda ini dikenal dengan mesinrefrigerasi hibrid, karena mesin refrigerasi palingbanyak beroperasi dengan siklus kompesi uap, makamesin ini disebut mesin refrigerasi siklus kompresiuap hibrida. (Aziz, Azridjal, 2001)

Untuk mengoperasikan mesin refrigerasi sikluskompresi uap hibrida dibutuhkan refrigeran sebagai

fluida kerja. Refrigeran yang paling banyakdigunakan adalah refrigeran halokarbon yaitu CFC(chlorofluorocarbon). (Agarwal, Radhey S, 1997)Namun dari hasil penelitian, refrigeran CFCmenunjukkan sifat yang dapat merusak lapisan ozondan berpotensi besar terhadap peningkatan efekpemanasan global, sehingga penggunaan refrigerantCFC tersebut dicanangkan untuk dihapuskanpembuatan dan pemakaiannya. (Pasek, A.D.,Tandian,N.P., Adriansyah W., 2004). Untuk itu para ahliteknik telah mengembangkan berbagai refrigeranalternatif yang ramah lingkungan, sekaligusmenghasilkan performansi yang sama atau lebih baikdaripada CFC.

Salah satu refrigeran alternatif pengganti refrigeranhalokarbon (CFC) adalah refrigeran hidrokarbon.Beberapa kelebihan yang dimiliki refrigeranhidrokarbon yaitu dapat digunakan sebagai penggantilangsung (drop in substitute) tanpa penggantiankomponen, ramah lingkungan (tidak merusak lapisanozon), pemakaian refrigeran lebih sedikit, hematenergi 5 - 25 %, dan memenuhi standar internasional(Pasek, A.D.,Tandian, N.P., 2000).

Alasan paling umum digunakan dalam usahamemodifikasi siklus kompresi uap standar adalahefisiensi penggunaan energi. Berbagaipengembangan telah dilakukan pada mesinrefrigerasi kompresi uap untuk mendapatkan efisiensidan prestasi yang lebih baik. Salah satupengembangan tersebut adalah dengan membuat

Jurnal Teknik Mesin Vol. 5, No.1, Juni 2008 ISSN 1829-8958

2

sistem refrigerasi hibrid. Pada sistem refrigerasihibrid ini, mesin dapat berfungsi sebagai mesinpendingin dan pompa panas. Efek refrigerasi dilayanioleh evaporator dan efek pemanasan dilayani olehkondensor. (Amrul, 2001)

KompresorKondensor

Evaporator

KatupEkspansi

Air

Air

Qe

Qk

Wk

Gambar 1. Skema Alat Uji Mesin Refrigerasi SiklusKompresi Uap Hibrida

Refrigeran hidrokarbon merupakan salah saturefrigeran alternatif pengganti refrigeran halokarbon(CFC). Refrigeran hidrokarbon tidak berpotensimerusak ozon karena ODP = 0 dan GWP yang kecil.

Refrigeran hidrokarbon juga tidak mengalami reaksikimia dengan oli pelumas yang digunakan untukrefrigeran halokarbon. (Pasek, A.D.,Tandian, N.P.,2000). Refrigeran hidrokarbon adalah refrigeran yangramah lingkungan, hal ini diperlukan agarkelestarian lingkungan terjaga, karena lapisan ozon distratosfir berfungsi melindungi bumi dari radiasisinar ultra violet intensitas tinggi yang berbahaya(antara lain dapat menimbulkan kanker kulit, katarakmata, menurunkan immunitas tubuh, dapatmembunuh phytoplankton yang merupakan bagiandari rantai kehidupan laut). (Pasek, A.D.,Tandian,N.P., Adriansyah W., 2004)

2. METODOLOGI

Penelitian dilakukan di Laboratorium Perawatan danPerbaikan, Teknik Mesin, Fakultas Teknik,Universitas Riau. Di Laboratorium Perawatan danPerbaikan ini dilakukan pembuatan alat uji mesinrefrigerasi kompresi uap hibrida yang menggunakanrefrigeran hidrokarbon pengganti R-22 (HCR-22).Fasilitas yang terdapat di laboratorium ini cukupmemadai untuk terlaksananya penelitian ini, sehinggapenelitian dapat berlangsung dengan baik.

Gambar 2. Realisasi Hasil Perancangan Mesin Refrigerasi Hibrida

3. HASIL DAN PEMBAHASAN

Kinerja/Performansi Mesin Efrigerasi Hibrida(COP, PF Dan TP)

Kinerja/performansi mesin refrigerasi hibrida yaituCOP, PF dan TP akibat perubahan laju massa air dievaporator dapat dilihat pada “Gambar (3)”. Dari

gambar di atas dapat kita analisis bahwa terjadikenaikan koefisien performansi (COP) terhadappenambahan laju massa air yang memasuki tangkievaporator. Kenaikan koefisien performansi inidisebabkan makin banyak kalor yang bisa diserapevaporator seiring makin bertambahnya laju massaair memasuki evaporator. Hal ini terjadi karena

Penggunaan Hidrokarbon sebagai Refrigeran pada Mesin Refrigerasi Siklus Kompresi Uap Hibrida dgn Memanfaatkan Panas BuangPerangkat Pengkondisian Udara (Azridjal Aziz)

3

makin banyak panas yang bisa diserap oleh air untukdibuang di koil pendingin.

Perfom ansi Mesin Refrigerasi Hibrida

0

1

2

3

4

5

6

7

0.07 0.10 0.11 0.12Laju m assa air di evaporator (kg/s)

Sa

tua

n COP

PF

TP

Gambar 3 Perubahan laju massa air di evaporatorterhadap kinerja/performansi mesin refrigerasi

hibrida (COP, PF dan TP).

Faktor performansi (PF) terhadap kenaikan lajumassa air di evaporator cenderung konstan. PFmerupakan perbandingan antara dampak pemanasanterhadap kerja kompresor, karena laju massa airyang mengalir memasuki kondensor tetap sehinggajumlah kalor yang dapat dibuang di koil pemanascenderung konstan pula.

Performansi total (TP) mengalami kenaikan seiringpenambahan laju massa air yang memasuki tangkievaporator. Performansi total merupakan jumlahdampak pemanasan dan pendinginan terhadap kerjakompresor. Kenaikan TP terjadi karena jumlah kaloryang dibuang di koil pendingin meningkat denganmeningkatnya laju massa air di evaporator, walaupunkalor yang dibuang di koil pemanas cenderungkonstan. Dapat disimpulkan bahwa terjadi kenaikanCOP dan TP dengan PF yang cenderung konstanterhadap kenaikan laju massa air di evaporator,karena jumlah kalor yang diserap di evaporator jugaikut naik.

Dampak Pendinginan, Dampak Pemanasan danKerja Compresor

Pengaruh penambahan laju massa air di evaporatorterhadap dampak pendinginan, dampak pemanasandan kerja kompresor dapat dilihat pada “Gambar(4)”.

Dampak pendinginan mengalami kenaikan seiringpenambahan laju massa air di evaporator, hal initerjadi karena untuk perubahan temperatur keluar danmasuk evaporator yang cenderung konstan “Gambar(6)” maka akan terjadi kenaikan kalor yang dibuangdi koil pendingin, hal ini sesuai dengan persamaan:

aeaePaee TCmQ ,

.

… (1)

Dampak Pendinginan, Pemanasan dan Kerja Kom presor

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0.067 0.096 0.114 0.123Laju massa air di evaporator (kg/s)

Sa

tua

n

Qe

Qk

Wk

Gambar 4. Perubahan laju massa air di evaporatorterhadap dampak pendinginan, dampak pemanasan

dan kerja kompresor.

Dampak pemanasan cenderung konstan karena tidakterjadi perubahan laju massa air di kondensor,sehingga kalor yang dibuang di koil pemanascenderung konstan pula karena tidak terjadiperubahan temperatur yang keluar atau masukkondensor, hal ini sesuai juga dengan persamaan:

akakPakk TCmQ ,

.

… (2)

Kerja kompresor cenderung konstan, berartiperubahan laju massa air di evaporator cenderungtidak mempengaruhi daya kompresor. Hal ini terjadikarena tidak ada penambahan arus listrik padakompresor. Jadi dapat disimpulkan bahwa kenaikanlaju massa air di evaporator mengakibatkan naiknyadampak pendinginan, dan tidak mempengaruhidampak pemanasan di kondensor dan daya yangdibutuhkan oleh kompresor.

Temperatur Mesin Refrigerasi Hibrida

Pengaruh Laju massa air di evaporator terhadap

temperatur mesin refrigerasi hibrida

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0.067 0.096 0.114 0.123Laju m assa air di evaporator (kg/s)

Te

mp

era

tur

(C)

T1

T2

T3

T4

Gambar 5. Perubahan laju massa air di evaporatorterhadap temperatur mesin refrigerasi hibrida.

Pengaruh laju massa air di evaporator terhadaptemperatur mesin refrigerasi hibrida (temperaturrefrigeran masuk dan keluar dari sistem pipaevaporator dan kondensor) dapat dilihat pada“Gambar (5). Dari gambar tersebut dapat dianalisisbahwa temperatur refrigeran memasuki evaporator

Jurnal Teknik Mesin Vol. 5, No.1, Juni 2008 ISSN 1829-8958

4

(T4), temperatur refrigeran keluar evaporator (T1),serta temperatur refrigeran memasuki kondensor (T2)dan temperatur refrigeran keluar kondensor (T3)cenderung konstan. Jadi dapat disimpulkan bahwakenaikan laju massa air di evaporator cenderungtidak mempengaruhi temperatur mesin refrigerasihibrida.

Temperatur Air Masuk dan Keluar Evaporatordan Kondensor

Pengaruh laju massa air di evaporator terhadaptemperatur air keluar dan masuk evaporator dankondensor dapat dilihat pada “Gambar (8).

Temperatur air masuk dan keluar evaporator dan kondensor

0

10

20

30

40

50

0.067 0.096 0.114 0.123Laju massa air di evaporator (kg/s)

Te

mp

era

tur

(C)

Tout evap

Tin evap

Tout kond

Tin kond

Gambar 6.Perubahan laju massa air di evaporatorterhadap temperatur air masuk dan keluar evaporator

dan kondensor

Pada “Gambar (6)” menunjukkan bahwa temperaturair keluar evaporator (Tout evap) dan temperatur airmasuk evaporator (Tin evap) serta temperatur airkeluar kondensor (Tout kond) dan temperatur airmasuk kondensor (Tin kond) cenderung konstan.Berarti pada kenaikan laju massa air di evaporatortemperatur air tangki cenderung tetap.

Tekanan Mesin Refrigerasi Hibrida

Tekanan m asuk dan keluar evaporator

40

42

44

46

48

50

52

54

0.067 0.096 0.114 0.123

Laju m assa air di evaporator (kg/s)

Te

ka

na

n(k

Pa

)

P4

P1

Gambar 7. Perubahan laju massa air di evaporatorterhadap tekanan masuk dan keluar evaporator

Pengaruh laju massa air di evaporator terhadaptekanan mesin refrigerasi hibrida (tekanan keluarevaporator (P1) dan tekanan masuk evaporator (P4)serta tekanan masuk kondensor (P2) dan tekanankeluar kondensor (P3)) dapat dilihat pada “Gambar(7)” dan “Gambar (8)”.

Tekanan m asuk dan keluar kondensor

246

250

254

258

262

0.067 0.096 0.114 0.123

Laju m assa air di evaporator (kg/s)

Te

ka

na

n(k

Pa

)

P2

P3

Gambar 8. Perubahan laju massa air di evaporatorterhadap tekanan masuk dan keluar kondensor

Pada “Gambar (8)” menunjukkan bahwa terjadipenurunan tekanan yang cukup berarti di kondensorpada kenaikan laju massa air di evaporator.Penurunan tekanan terjadi akibat rugi-rugi gesekan,dan belokan dari refrigeran yang mengalir di pipakondensor, karena tekanan kondensor cukup tinggi,maka penurunan tekanan tersebut telihat denganjelas.

Kenaikan laju massa air di evaporator tidakmengakibatkan terjadinya perubahan tekanan masukdan keluar evaporator. Sebenarnya masih terjadipenurunan tekanan refrigeran yang masuk dan keluarevaporator akibat rugi akibat rugi-rugi gesekan, danbelokan dari refrigeran yang mengalir di pipaevaporator, tetapi karena tekanan evaporator rendahdan keterbatasan alat ukur tekanan, maka penurunantekanan tersebut tidak terukur.

4. KESIMPULAN DAN SARAN

Pada penelitian ini, dari hasil rancangan danpembahasan yang dilakukan terhadap data pengujiandapat disimpulkan hasil sebagai berikut :

1. Terjadi kenaikan COP dan TP padakenaikan laju massa air di evaporator.Sedangkan kenaikan laju massa air dievaporator tidak mempengaruhi harga PF(cenderung konstan), karena jumlah kaloryang diserap di evaporator juga ikut naiksedangkan jumlah kalor yang dibuang dikondensor cenderung konstan.

2. Kenaikan laju massa air di evaporator tidakbegitu mempengaruhi temperatur air ditangki evaporator dan kondensor (cenderungkonstan). Kenaikan COP dan TP terjadikarena laju massa air yang meningkat dievaporator.

3. Kenaikan laju massa air di evaporatormengakibatkan naiknya dampakpendinginan, dan tidak mempengaruhidampak pemanasan di kondensor dan dayayang dibutuhkan oleh kompresor, karena

Penggunaan Hidrokarbon sebagai Refrigeran pada Mesin Refrigerasi Siklus Kompresi Uap Hibrida dgn Memanfaatkan Panas BuangPerangkat Pengkondisian Udara (Azridjal Aziz)

5

perubahan kalor yang diserap atau dibuanghanya terjadi di evaporator.

4. Kenaikan laju massa air di evaporatorcenderung tidak mempengaruhi temperaturmesin refrigerasi hibrida (cendrerungkonstan).

5. Terjadi penurunan tekanan yang cukupberarti di saluran pipa refrigeran kondensor,karena tekanan kondensor tinggi maka rugi-rugi gesekan dan belokan yang terjadi cukupbesar, sedangkan tekanan di evaporatorcenderung konstan karena tekanan dievaporator tidak terlalu tinggi

PUSTAKA

1. Arora, C. P, Refrigeration and AirConditioning, Mc. Graw-Hill InternationalEdition, 2001.

2. Aziz, Azridjal, Kaji Eksperimental PengaruhPerubahan Suhu pada Siklus Sekunder danSiklus Primer terhadap Performansi MesinRefrigerasi Hibrid dengan RefrigeranHidrokarbon HCR12, Padang, Jurnal SaintekUNP, 2004.

3. Aziz, Azridjal, Pembuatan dan PengujianMesin Refrigerasi Kompresi Uap Hibridadengan Refrigeran HCR-12 yang SekaligusBertindak Sebagai Mesin Refrigerasi padaLemari Pendingin (Cold Storage) dan PompaKalor pada Lemari Pengering (Drying Room),Tesis, Jurusan Teknik Mesin, ITB, Bandung,2001.

4. Moran, M.J., Saphiro, H.N., Fundamental ofEngineering Thermodinamycs, 3rd ed, NewYork, John Wiley & Sons, Inc., 1995.

5. Pasek, A.D., Tandian, N.P, Short Course onthe Applications of Hydrocarbon Refrigerants,International Conference on Fluid and ThermalEnergy Conversion 2000, Bandung., 2000

6. Pasek, A.D.,Tandian, N.P., Adriansyah W.,Training of Trainer Refrigeration ServicingSector, Training Manual, ITB, Bandung, 2004.

7. Reynolds, William, Perkins, Henry,Engineering Thermodynamics, 2nd ed.,Singapore, McGraw-Hill Co, 1977.