Article

STUDI ANALISA SIFAT FISIKA DAN TERMODINAMIKA REFRIGERAN HIDROKARBON TERKAIT HEMAT ENERGI LISTRIK PADA MESIN PENDINGIN

 August 24, 2020        

Daya tarik dari penggunaan refrigerant hidrokarbon pada mesin pendingin, selain karena memiliki sifat ramah lingkungan (tidak merusak lapisan ozon dan tidak menyebabkan pemanasan global) juga bisa memberikan efek penghematan listrik pada mesin pendingin  dibandingkan saat mesin pendingin tsb menggunakan jenis sintetik. 

Dalam uraian dibawah ini akan dibahas analisa perbandingana sifat Fisika dan Termodinamika  parameter refrigerant hidrokarbon (MC-134) campuran Propane dengan butan terhadap refrigerant sintetik R-134 pada mesin pendingin jenis kulkas yang bisa memberikan efek penghematan listrik.


Refrigeran Hidrokarbon

Ditinjau dari aspek energi pada mesin pendingin penggunaan refrigeran hidrokarbon terbukti dapat menurunkan penggunaan energi, dan kondisi seperti inilah yang menjadi daya tarik dan potensi yang bermanfaat untuk digunakan secara lebih luas di masyarakat. Kelemahannya dibandingkan refrigeran  seperti R-22, R-134A, R-410A yang masuk kategori A1 (non flammbale), R-32 masuk kategori A2 (medium/low flammable), sedangkan jenis Hidrokarbon masuk A3 (high flammable). Dalam perkembangannya dengan mengacu pada berbagai standar kerja yang berlaku seperti British Standard, Australian standard dan SNI 06-6501.2-2000, maka sifat mudah terbakar tersebut dapat diatasi dengan baik.


Tinjauan Aspek Fisika  Bahan Refrigeran

Perbedaan sifat dan karakteristik yang dominan antara refrigeran sintetik dengan refrigeran hidrokarbon yang ada dalam bidang ilmu fisika, meliputi:

•   Viskositas biasanya didefinisikan sebagai “kekentalan” yang menggambarkan penolakan dalam fluida kepada aliran dan dapat digunakan untuk mengukur gesekan fluida.

•   Rapat massa adalah besaran turunan dalam fisika yang secara umum lebih dikenal sebagai massa jenis.

Sedangkan persyaratan menjadi refrigeran yaitu:

•   Tekanan penguapan kecil. Sifat ini dapat mengantisipasi kemungkinan terjadinya vakum pada evaporator.

•   Tekanan pengembunan yang tidak terlampau tinggi. 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. Sifat ini memungkinkan jumlah refrigeran yang bersirkulasi menjadi lebih kecil untuk kapasitas refrigerant yang sama.

•   Koefisien prestasi (COP). Hal ini merupakan parameter yang terpenting untuk menentukan biaya operasi.

•   Konduktivitas termal tinggi. Sifat ini penting untuk menentukan karakteristik perpindahan kalor.

•   Viskositas yang rendah dalam fasa cair maupun gas. Sifat ini menentukan kelancaran aliran refrigeran dalam pipa.

•   Refrigeran hendaknya stabil dan tidak bereaksi dengan material yang dipakai, tidak menyebabkan korosi.

•   Refrigeran harus aman, tidak boleh beracun dan mudah ditangani untuk menghindari bahaya terhadap manusia.


Siklus Termodinamika Proses Pendinginan

Secara umum terdapat bermacam jenis siklus proses  pendinginan seperti:

•   Mesin pendingin siklus kompresi uap, merupakan jenis pendingin yang paling banyak digunakan di pasaran. 

•   Mesin pendingin siklus absorbsi mirip dengan siklus pendinginan kompresi uap,  perbedaan utamanya 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.

•   Mesin pendingin siklus jet uap mirip dengan siklus pendinginan absorbsi. Perbedaan utama kedua siklus tersebut adalah pada siklus jet uap menggunakan pompa untuk menggantikan absorber dan generator.

 

Sistem Kompresi Uap

 Mesin refrigerasi dengan sistem pompa kalor dikenal dengan sistem refrigerasi kompresi uap memiliki empat proses yaitu: kompresi, kondensasi, ekspansi dan evaporasi seperti gambar-1.

 

Gambar-1 : Komponen Siklus refrigerasi kompresi uap

 

Mesin pendingin dan pompa kalor (mesin pemanas) adalah mesin yang bekerja menyerap kalor dari lingkungan bersuhu rendah kemudian dipindahkan ke lingkungan bersuhu tinggi.


   

 

Gambar-2 Prinsip dasar dari mesin pendingin dan pemanas.

 

Penemuan siklus pendingin merintis jalan bagi pembuatan dan perkembangan mesin pendingin. Karakteristik refrigeran dapat dianalisa dengan menggunakan Diagram Mollier yang menyatakan hubungan antara tekanan (P) pada ordinat dan entalpi (i) pada absis dari siklus refrigerasi, sehingga dikenal juga dengan diagram tekanan – entalpi atau diagram P-i  seperti pada gambar-3  dibawah ini.

  
Gambar-3 Skematis siklus refrigerasi 


Diagram Mollier dibagi menjadi tiga bagian oleh garis cair jenuh dan garis uap jenuh untuk membedakan tingkat keadaan cairan refrigeran super dingin (supercooled), uap basah dan uap super panas (superheated vapor). Dalam gambar tersebut juga biasa dilukiskan garis-garis isobar, isoentalpi, isoterm, dan isokhor yang menghubungkan titik-titik yang memiliki nilai-nilai yang sama dalam hal : tekanan, entalpi, temperatur, dan volume spesifik  Siklus refrigerasi dalam P-i Diagram  dapat dibagi menjadi 4 tahapan proses  yaitu kompresi, kondensasi (pengembunan), ekspansi, dan evaporasi  

   

Gambar-4 Siklus ideal kompresi uap   

•    Tahap A-B adalah proses kompresi dalam kompresor, di mana refrigeran dalam fase uap masuk menuju kompresor dimana tekanannya dinaikan. Suhu juga akan meningkat karena kalor yang diserap refrigeran pada waktu penguapan di evaporator energi kalornya dipindahkan ke refrigeran yang menuju proses kompresi di kompresor.

•    Tahap B-C digambarkan dengan garis tekanan konstan, dimana gas bertekanan tinggi yang keluar dari kompresor mengalami proses pengembunan di dalam kondensor dengan melepaskan kalor ke lingkungannya. 

•    Tahap C-D cairan yang sudah didinginkan dan bertekanan tinggi melintas melalui peralatan ekspansi yang fungsinya untuk memperbesar volume yang akan menurunkan tekanan refrigeran sehingga menjadi bentuk butiran-butiran cairan dengan suhu yang dingin saat masuk evaporator.

•   Tahapan D-A menunjukkan proses tekanan konstan yang terjadi selama penguapan dalam evaporator. Penguapan memerlukan kalor, cairan refrigeran dalam evaporator menyerap kalor dari sekitarnya.

 

Perhitungan Termodinamika Siklus  Refrigerasi           

Sifat  penting dari refrigeran adalah :      

               

•   Titik didih    

Titik didih merupakan temperatur dimana tekanan uap sebuah zat cair sama dengan tekanan eksternal yang dialami oleh cairan. Pada sistem pendingin, titik didih normal harus lebih rendah dari objek yang didinginkan, agar refrigeran yang masuk kompresor dari evaporator benar-benar dalam wujud gas supaya tidak merusak kompresor.

                      

• Coefficient of Performance (COP)

Koefisien kinerja atau COP adalah bilangan tidak berdimensi yang digunakan untuk menyatakan kinerja dari sebuah siklus termodinamik. COP merupakan ukuran untuk menyatakan efisiensi dari siklus refrigerasi, didefinisikan dengan persamaan :

                     

 

•   Temperatur saturasi rata-rata

Temperatur saturasi merupakan temperatur jenuhnya uap refrigerant bila  refrigeran hidrokarbon merupakan campuran dari beberapa komponen refrigeran, maka pada tekanan konstan, ada perbedaan antara temperatur saturasi cair (bubble point) dengan temperatur saturasi uap (dew point). Untuk mendapatkan temperatur saturasi rata-rata dari refrigeran campuran digunakan persamaan:

 

  

 

Efek refrigerasi  dari proses penguapan pada evaporator, dihitung berdasarkan selisih entalpi antara entalpi pada saat keluar evaporator dikurangi entalpi pada saat masuk evaporator :

  

∆He = iA – iD ....................................... (2 – 3)

 

  • Kerja proses kompresi pada kompresor, dihitung berdasarkan selisih entalpi yang keluar kompresor dikurangi entalpi masuk kompresor :

 Qw = iB – iA ................................. (2 – 4) 


  • Kalor pengembunan  pada proses kondensasi di kondensor, merupakan selisih entalpi dari entalpi masuk dikurangi entalpi keluar kondensor

 

Qc = iB – iD .................................. (2 – 5)

 

  • Jumlah refrigeran yang bersirkulasi dalam sistem :  

 


di mana Q adalah kapasitas refrigerasi, dimana besarnya  untuk satu ton refrigerasi yang  sebesar 3320 kcal/jam.

 


 

Analisa perbandingan MC-134 dengan R-134a                                   


Parameter yang berkaitan dengan efek penghematan energi dari refrigerant hidrokarbon adalah sifat Fisika dan termodinamika bahan seperti ditunjukan dalam table-1.

Tabel-1 :  Data sifat Fisika dan Termodinamika refrigerant Hidrokarbon

               

PROPERTIES

MC-134

HFC-134a

Enthalpy Liquid, kJ/kg

261

235

Enthalpy, v, kJ/kg

601

412

Density, l, kg/m3

531

1207

Density, v, kg/m3

12.90

32.35

Specific Heat, l, kJ/kg.K

2.53

1.42

Specific Heat, v, kJ/kg.K

1.89

1.03

Viscosity, l, uPa-s

128

195

Viscosity, v, uPa-s

7.9

11.7

Thermal Conductivity, l, mW/m-K

92

81

Thermal Conductivity,v, mW/m-K

18

14

Surface Tension . N/m .10-3

9.5

8.1

Speed of Sound, m/s, l

780

506

Speed of Sound,m/s, v

212

144

Saturated Pressure, bar

5.7

6.7

Temperatur Glide, 0C

7.7


                 

Tabel-2 Perbandingan Sifat Termal R 134a vs MC 134 

Tabel-3 Perbandingan Kinerja


                                   

Dari tabel-.3 refrigerator dengan MC-134 memberikan hasil kinerja yang lebih baik, terlihat dari parameter :

  •  Suhu evaporator terendah yang dicapai oleh MC-134 adalah -12 oC sedangkan oleh R-134a adalah -10 oC, maka hasil yang dicapai oleh MC-134 lebih dingin (∆T= 2 oC) dibandingkan hasil yang dicapai oleh  R-134a. Hal ini dikarenakan nilai efek refrigerasi MC -134 lebih besar dari R-134a.
  • Arus listrik saat diisi R-134a sebesar 1 A dengan MC- 134 sebesar 0.8 A terdapat penurunan listrik  0.2 A atau ±20 %.
  • Massa yang digunakan saat dengan R-134a sebesar 120 gram diisi MC 134 sebanyak 40 gram maka ada penurunan  ±30 %  membuat kerja kompresor denganan MC- 134 hanya memerlukan 30 % dari massa  R-134a.
  • Nilai tekanan hisap kompresor antara MC -134 relatif sama dengan R-134a.
  • Efek refrigerasi MC-134 yang besar, memberikan efek pada suhu evaporator yang lebih dingin.
  • COP lebih besar, menandakan efisiensi sistemnya lebih baik.
  • Massa menggunakan refrigeran hidrokarbon MC 134 lebih sedikit 30% dibandingkan menggunakan R-134a. Hal ini karena MC 134 memiliki nilai rapat massa lebih kecil (2.5 kg/m3) dibandingkan R 134a (5.3 kg/m3).

 Untuk mengetahui respon terhadap kecepatan penurunan suhu bisa dilihat pada gambar-5

Gambar-5 : Perbandingan kecepatan pendinginan

Dari gambar-5 suhu evaporator yang dicapai oleh MC-134 lebih rendah 2 oC dibandingkan dengan R-134a.

 

Penutup

  1. Suhu ruang pembeku (evaporator) kulkas menggunakan MC-134 (-12 oC lebih dingin dibandingkan R 134a (-10 oC).
  2. Refrigeran MC-134 dibandingkan R-134a dapat memberikan efek penghematan arus listrik ± 20 %.
  3. Parameter lainnya refrigeran MC-134 lebih baik dibanding R-134a