Analisis eksergi penggunaan refrigeran pada sistem refrigerasi kompresi uap

ANALISIS EKSERGI PENGGUNAAN REFRIGERAN PADA SISTEM REFRIGERASI KOMPRESI UAP

Oleh :

SANTI ROSELINDA SILALAHI F14101107

2006

DEPARTEMEN TEKNIK PERTANIAN FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN

ANALISIS EKSERGI PENGGUNAAN REFRIGERAN PADA SISTEM REFRIGERASI KOMPRESI UAP

SKRIPSI

Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN

Pada Departemen Teknik Pertanian Fakultas Teknologi Pertanian

Institut Pertanian Bogor

Oleh :

SANTI ROSELINDA SILALAHI F14101107

2006

FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR

Santi Roselinda Silalahi. F14101107. Analisis Eksergi Penggunaan Refrigeran

pada Sistem Refrigerasi Kompresi Uap. Di bawah bimbingan : Armansyah H.

Tambunan. 2006.

RINGKASAN

Proses termodinamik reversible adalah proses yang dapat berbalik ke keadaan semula tanpa merubah sedikitpun kondisi lingkungan. Sehingga sistem dan lingkungannya dapat kembali ke keadaan awalnya pada akhir dari proses balik. Jika ini terjadi maka pertukaran panas bersih dan kerja bersih antara sistem dengan lingkungannya dapat dikatakan tidak ada (nol). Semua proses nyata adalah tidak mampu balik (irreversible). Beberapa faktor yang menyebabkan ketidakmampubalikan pada siklus pendingin kompresi uap adalah gesekan dan perpindahan panas melalui perbedaan suhu batas pada evaporator, kompresor kondensor dan pipa-pipa refrigeran, kondisi subcooling agar seluruh refrigeran berada pada kondisi cair pada saat memasuki katup ekspansi, dan superheating agar seluruh refrigeran berada pada kondisi uap sebelum memasuki kompresor, dan input panas pada pipa-pipa saluran refrigeran

Prinsip hukum termodinamika pertama adalah bahwa energi dapat dikonversikan dari satu bentuk ke bentuk lain dan bersifat kekal. Untuk mengetahui besarnya energi yang dapat dikonversikan menjadi kerja secara cermat, mengetahui lokasi dan besarnya energi yang hilang dan tak terpakai digunakan suatu metode analisis eksergi. Pada kenyataannya, analisis eksergi telah menjadi suatu metoda penting dalam studi pendinginan.

Eksergi merupakan bagian energi yang dapat dikonversikan menjadi kerja. Analisis eksergi adalah suatu metoda analisis yang merupakan penerapan dari hukum termodinamika kedua yang digunakan untuk mengetahui efisien tidaknya suatu proses dalam penggunaan energi. Tujuan analisis eksergi adalah untuk mencari lokasi dalam proses yang energinya tidak efisien (Sutanto, 1985).

Untuk memudahkan pemahaman tentang siklus pendingin, pengembangan sebuah program tentang sistem pendingin sangat diperlukan. Program ini adalah sebuah simulasi sistem pendingin yang dibuat dengan bahasa pemrograman Visual Basic 6 (VB. 6). Penelitian ini bertujuan untuk melakukan analisis eksergi terhadap penggunaan berbagai refrigeran pada sistem refrigerasi kompresi uap.

Analisis eksergi pada penelitian ini dilakukan dalam beberapa tahap, yaitu memasukkan data-data yang dibutuhkan (properti termodinamika refrigeran yang dipilih, temperatur pada kondensor, temperatur evaporator, temperatur fluida pendingin kondensor, temperatur ruangan yang didinginkan, kapasitas refrigerasi dan efisiensi kompressor), tahap perhitungan oleh komputer, dan tahap tampilan hasil perhitungan. Refrigeran yang dipakai dalam analisis ini antara lain adalah refrigeran R717, refrigeran R12, refrigeran R22, dan refrigeran R134a. Proses

analisis dan pengkajian eksergi ini dikerjakan dengan bantuan komputer menggunakan program Visual Basic versi 6.0.

Ada dua skenario yang digunakan pada penelitian ini. Skenario pertama suhu evaporasi berkisar antara -20°C dan -4°C sedangkan suhu kondensasi berkisar tetap pada suhu 30°C. Kemudian skenario kedua suhu keluar kondensasi berkisar antara 24° dan 40° C sedangkan suhu evaporasi berada pada kisaran – 4 °C. Sehingga dapat digunakan asumís untuk penentuan tingkat keadaan: 1) suhu ruang pendingin sama dengan suhu evaporator dan suhu udara sekitar dianggap 30° C;, 2) Suhu evaporasi berkisar antara -20°C dan -4°C;, 3) Suhu keluar kompresor adalah 80 °C;, 4) Suhu kondensasi berkisar pada suhu 30°C;, 5) Suhu kondensasi berkisar antara 24° dan 40° C;, 6) Suhu evaporasi berada pada kisaran – 4 °C;, 7) Beban pendinginan (Qe) sebesar 1 kW.

Desain parameter untuk alat penukar kalor yang digunakan sebagai kondensor dan evaporator juga perla diperhatikan. Parameter untuk evaporator dianggap sama dengan parameter untuk kondensor. Efisiensi isentropik pada kompresor dianggap 85%. Dan prosesnya diasumsikan keadaan isentropik. Desain alat penukar kalor (heat exchanger) dapat diuraikan sebagai berikut : diameter luar dan diameter dalam tabung berturut-turut sebesar 16.4 mm dan 6.68 mm.Sedangkan puncak dan ketebalan fin sebesar 275 dan 0.254 mm. Rasio antara area aliran bebas dengan area frontal 0.449 dan rasio antara area transfer panas dengan volume total 269 m2/m3. Sedangkan rasio antara area fin dan area total sebesar 0.83 dan untuk kecepatan udara keluar diasumsikan sebesar 5 m/detik.

Penurunan tekanan di evaporator maupun di kondensor terjadi oleh karena proses irreversibilitas. Penurunan tekanan yang paling besar terjadi di evaporator karena panjang pipa akan menyebabkan gesekan lebih besar. Penurunan tekanan di evaporator menurun seiring dengan suhu evaporasi yang semakin bertambah. Ini dikarenakan berat jenis refrigeran menurun ketika suhu refrigeran meningkat dengan berat jenis yang lebih rendah Sedangkan penurunan tekanan di kondensor tidak sebesar penurunan tekanan di evaporator, hal ini disebabkan suhu di kondensor yang lebih tinggi daripada di evaporator mengakibatkan massa jenis refrigeran di kondensor lebih kecil, sehingga koefisien gesek menurun.

COP (Coefficient of Performance) didefinisikan sebagai jumlah pendinginan yang dapat diproduksi per satuan kerja. Nilai COP dari siklus meningkat dengan peningkatan suhu evaporasi dengan asumsi suhu kondensasi konstan. Sebaliknya nulai COP akan mengalami penurunan pada suhu kondensasi yang meningkat dengan asumsi suhu evaporasi dalam keadaan konstan. Refrigeran R12 memiliki nilai COP yang paling tinggi pada suhu evaporasi dan pada suhu kondensasi yang bervariasi, yaitu sebesar 8.047 dan 5.813. Refrigeran R12 memiliki nilai entalpi yang paling besar daripada ketiga refrigeran lainnya karena refrigeran ini menguap pada suhu yang lebih rendah. Refrigeran yang memiliki nilai COP terendah pada variasi suhu evaporasi dan suhu kondensasi adalah R134a sebesar 5.044 dan 4.39 karena refrigeran ini menguap pada suhu yang lebih tinggi.

Efisiensi hukum II termodinamika yang dikenal dengan efisiensi eksergi atau effectiveness dapat didefinisikan sebagai perbandingan kerja minimum yang dibutuhkan terhadap input kerja aktual Efisiensi eksergi akan meningkat seiring dengan meningkatnya suhu evaporasi pada suhu kondensasi constan dan penurunan suhu kondensasi dengan asumís suhu evaporasi dalam keadaan konstan. Efisiensi eksergi terkecil terjadi pada refrigeran R-134a. Hal ini berarti pada refrigeran R-134a memberikan kehilangan eksergi yang relatif besar dibandingkan refrigeran R12, refrigeran R22 ataupun refrigeran R717.

Eksergi yang hilang dalam kondensor meningkat, sedangkan dalam evaporator menurun seiring dengan naiknya suhu evaporator. Semakin tinggi perbedaan suhu pada komponen kondensor dan evaporator, maka semakin tinggi pula eksergi yang hilang. Sementara itu jumlah eksergi yang hilang di dalam kondensor akan meningkat untuk mengganti penurunan persentase eksergi yang hilang dalam evaporator. Yang perlu diperhatikan adalah meningkatnya eksergi yang hilang di dalam kondensor tidak diartikan sebagai penurunan eksergi yang hilang yang terjadi di dalam evaporator karena eksergi yang hilang di dalam komponen lainnya juga meningkat.

INSTITUT PERTANIAN BOGOR FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN

ANALISIS EKSERGI PENGGUNAAN REFRIGERAN PADA SISTEM REFRIGERASI KOMPRESI UAP

SKRIPSI

Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN

Pada Departemen Teknik Pertanian Fakultas Teknologi Pertanian

Institut Pertanian Bogor

Oleh :

SANTI ROSELINDA SILALAHI F14101107

Dilahirkan pada tanggal 20 Mei 1984 Di Pematangsiantar

Tanggal lulus : 30 Januari 2006 Disetujui oleh : Bogor, 3 Januari 2006

Dr. Ir. Armansyah H. Tambunan, M. Agr Dosen Pembimbing

Mengetahui :

Dr. Ir. Wawan Hermawan, M. S Ketua Departemen Teknik Pertanian

I. PENDAHULUAN

A.LATAR BELAKANG

Proses termodinamika reversible adalah proses yang dapat berbalik ke keadaan semula tanpa merubah sedikitpun kondisi lingkungan. Sehingga sistem dan lingkungannya dapat kembali ke keadaan awalnya pada akhir dari proses balik. Jika ini terjadi maka pertukaran panas bersih dan kerja bersih antara sistem dengan lingkungannya dapat dikatakan tidak ada (nol).

Semua proses nyata adalah tidak mampu balik (irreversible). Beberapa faktor yang menyebabkan ketidakmampubalikan pada siklus pendingin kompresi uap adalah gesekan dan perpindahan panas melalui perbedaan suhu batas pada evaporator, kompresor kondensor dan pipa-pipa refrigeran, kondisi subcooling agar seluruh refrigeran berada pada kondisi cair pada saat memasuki katup ekspansi, dan superheating agar seluruh refrigeran berada pada kondisi uap sebelum memasuki kompresor, dan input panas pada pipa-pipa saluran refrigeran

Prinsip hukum termodinamika pertama adalah bahwa energi dapat dikonversikan dari satu bentuk ke bentuk lain dan bersifat kekal. Pada kenyataannya potensial energi untuk digunakan yang terdapat dalam satu sistem akan mengalami penurunan akibat adanya sifat irreversibilitas. Hal ini juga berlaku dalam sistem refrigerasi. Untuk mengetahui besarnya energi yang dapat dikonversikan menjadi kerja secara cermat, mengetahui lokasi dan besarnya energi yang hilang dan tak terpakai digunakan suatu metode analisis eksergi.

Dari sudut pandang hukum Termodinamika pertama, COP adalah suatu ukuran khas untuk mengevaluasi sistem pendinginan. Namun demikian, menurut hukum Termodinamika kedua, analisis eksergi adalah ukuran yang umum diterapkan. Berdasarkan analisis eksergi, Yumrutas (2002) telah

mengembangkan suatu model komputasi untuk menyelidiki sistem refrigerasi kompresi uap dengan refrigeran amonia. Pada kenyataannya, analisis eksergi telah menjadi suatu metoda penting dalam studi pendinginan. Tujuan analisis eksergi adalah untuk mencari lokasi dalam proses yang energinya tidak efisien (Sutanto, 1985).

Terdapat berbagai macam sistem pendingin seperti kompresi uap, pendingin absorpsi dan lain-lain. Salah satu sistem pendingin yang banyak digunakan pada saat ini adalah sistem kompresi uap. Demikian pula ada bermacam refrigeran yang berkaitan dengan itu, seperti CFC (Chlorofluorocarbon), hidrokarbon atau ammonia. Dengan semakin berkembangnya pemanfaatan sistem pendingin dalam kehidupan manusia, maka diperlukan studi yang lebih baik tentang siklus pendingin. Untuk memudahkan pemahaman tentang siklus pendingin, pengembangan sebuah program tentang sistem pendingin sangat diperlukan.

B. TUJUAN

Penelitian ini bertujuan untuk melakukan analisis eksergi terhadap penggunaan beberapa refrigeran pada sistem refrigerasi kompresi uap.

RIWAYAT HIDUP

Penulis dilahirkan di Pematangsiantar, pada tanggal 20 Mei 1984. Penulis adalah anak kedua dari lima bersaudara dari pasangan Bapak Maludin Silalahi dan Ibu Dinar Panggabean. Penulis menyelesaikan pendidikan dasar di SD RK 2 Pematangsiantar pada tahun 1995.

Kemudian penulis melanjutkan pendidikan lanjutan pada SLTPN 8 Pematangsiantar, dan lulus pada tahun 1998. Pada tahun yang sama penulis melanjutkan pendidikan lanjutan tingkat atas di SMUN 3 Pematangsiantar dan lulus pada tahun 2001.

Pada tahun 2001, penulis masuk IPB melalui jalur UMPTN (Ujian Masuk Perguruan Tinggi Negeri). Penulis diterima di program studi Teknik Pertanian, Departemen Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor. Pada tahun 2004, penulis mengambil Sub Program Studi (SPS) Teknik Biosistem. Penulis melaksanakan Praktek Lapangan dengan judul “Mempelajari Aspek Keteknikan pada Proses Produksi Daging Rajungan (Crab meat) di PT Tonga Tiur Putra Rembang-Jawa Tengah”. Sebagai tugas akhir untuk memperoleh gelar sarjana, penulis melakukan penelitian dengan judul “Analisis Eksergi Penggunaan Refrigeran pada Sistem Refrigerasi Kompresi Uap”.

Selama masa perkuliahan penulis aktif dalam organisasi Persekutuan Mahasiswa Kristen (UKM-PMK). Pengalaman kerja penulis adalah sebagai staf pengajar Fisika, Matematika SMP pada lembaga bimbingan belajar Kastia. Dan pengajar les privat untuk mata pelajaran Fisika, Matematika dan Kimia SMU.

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis ucapkan pada Tuhan atas karunia dan penyertaaNya yang begitu besar kepada penulis, sehingga pada akhirnya penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini. Tugas akhir ini berjudul “Analisis Eksergi Penggunaan Refrigeran pada Sistem Refrigerasi Kompresi Uap”.

Penyelesaian tugas akhir ini merupakan salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknologi Pertanian di Departemen Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor.

Pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terimakasih kepada : 1. Dr. Ir. Armansyah H. Tambunan, M.Agr selaku dosen pembimbing

akademik atas segala bimbingan, arahan dan nasihatnya selama masa studi, penelitian dan penyelesaian tugas akhir.

2. Dr. Leopold O. Nelwan, STP,MSi selaku dosen penguji atas masukan dan nasihatnya

3. Ir. Mohamad Solahudin, MSi selaku dosen penguji atas segala kritik dan sarannya.

4. Yang terkasih Papa, Mama, Abang Hendri, Evi, Patar, Ricky dan Abang Udur atas segala kasih sayang, doa, nasihat, dan dukungan moril dan material yang tiada terkira kepada penulis.

5. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu-persatu atas bantuan dan dukungannya.

Mengingat keterbatasan penulis, kritik dan saran membangun sangat penulis harapkan dari pembaca. Semoga skripsi ini dapat berguna bagi semua pihak yang membutuhkannya.

Januari 2006

ANALISIS EKSERGI PENGGUNAAN REFRIGERAN PADA SISTEM REFRIGERASI KOMPRESI UAP

Oleh :

SANTI ROSELINDA SILALAHI F14101107

2006

DEPARTEMEN TEKNIK PERTANIAN FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN

ANALISIS EKSERGI PENGGUNAAN REFRIGERAN PADA SISTEM REFRIGERASI KOMPRESI UAP

SKRIPSI

Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN

Pada Departemen Teknik Pertanian Fakultas Teknologi Pertanian

Institut Pertanian Bogor

Oleh :

SANTI ROSELINDA SILALAHI F14101107

2006

FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR

Santi Roselinda Silalahi. F14101107. Analisis Eksergi Penggunaan Refrigeran

pada Sistem Refrigerasi Kompresi Uap. Di bawah bimbingan : Armansyah H.

Tambunan. 2006.

RINGKASAN

Proses termodinamik reversible adalah proses yang dapat berbalik ke keadaan semula tanpa merubah sedikitpun kondisi lingkungan. Sehingga sistem dan lingkungannya dapat kembali ke keadaan awalnya pada akhir dari proses balik. Jika ini terjadi maka pertukaran panas bersih dan kerja bersih antara sistem dengan lingkungannya dapat dikatakan tidak ada (nol). Semua proses nyata adalah tidak mampu balik (irreversible). Beberapa faktor yang menyebabkan ketidakmampubalikan pada siklus pendingin kompresi uap adalah gesekan dan perpindahan panas melalui perbedaan suhu batas pada evaporator, kompresor kondensor dan pipa-pipa refrigeran, kondisi subcooling agar seluruh refrigeran berada pada kondisi cair pada saat memasuki katup ekspansi, dan superheating agar seluruh refrigeran berada pada kondisi uap sebelum memasuki kompresor, dan input panas pada pipa-pipa saluran refrigeran

Prinsip hukum termodinamika pertama adalah bahwa energi dapat dikonversikan dari satu bentuk ke bentuk lain dan bersifat kekal. Untuk mengetahui besarnya energi yang dapat dikonversikan menjadi kerja secara cermat, mengetahui lokasi dan besarnya energi yang hilang dan tak terpakai digunakan suatu metode analisis eksergi. Pada kenyataannya, analisis eksergi telah menjadi suatu metoda penting dalam studi pendinginan.

Eksergi merupakan bagian energi yang dapat dikonversikan menjadi kerja. Analisis eksergi adalah suatu metoda analisis yang merupakan penerapan dari hukum termodinamika kedua yang digunakan untuk mengetahui efisien tidaknya suatu proses dalam penggunaan energi. Tujuan analisis eksergi adalah untuk mencari lokasi dalam proses yang energinya tidak efisien (Sutanto, 1985).

Untuk memudahkan pemahaman tentang siklus pendingin, pengembangan sebuah program tentang sistem pendingin sangat diperlukan. Program ini adalah sebuah simulasi sistem pendingin yang dibuat dengan bahasa pemrograman Visual Basic 6 (VB. 6). Penelitian ini bertujuan untuk melakukan analisis eksergi terhadap penggunaan berbagai refrigeran pada sistem refrigerasi kompresi uap.

Analisis eksergi pada penelitian ini dilakukan dalam beberapa tahap, yaitu memasukkan data-data yang dibutuhkan (properti termodinamika refrigeran yang dipilih, temperatur pada kondensor, temperatur evaporator, temperatur fluida pendingin kondensor, temperatur ruangan yang didinginkan, kapasitas refrigerasi dan efisiensi kompressor), tahap perhitungan oleh komputer, dan tahap tampilan hasil perhitungan. Refrigeran yang dipakai dalam analisis ini antara lain adalah refrigeran R717, refrigeran R12, refrigeran R22, dan refrigeran R134a. Proses

analisis dan pengkajian eksergi ini dikerjakan dengan bantuan komputer menggunakan program Visual Basic versi 6.0.

Ada dua skenario yang digunakan pada penelitian ini. Skenario pertama suhu evaporasi berkisar antara -20°C dan -4°C sedangkan suhu kondensasi berkisar tetap pada suhu 30°C. Kemudian skenario kedua suhu keluar kondensasi berkisar antara 24° dan 40° C sedangkan suhu evaporasi berada pada kisaran – 4 °C. Sehingga dapat digunakan asumís untuk penentuan tingkat keadaan: 1) suhu ruang pendingin sama dengan suhu evaporator dan suhu udara sekitar dianggap 30° C;, 2) Suhu evaporasi berkisar antara -20°C dan -4°C;, 3) Suhu keluar kompresor adalah 80 °C;, 4) Suhu kondensasi berkisar pada suhu 30°C;, 5) Suhu kondensasi berkisar antara 24° dan 40° C;, 6) Suhu evaporasi berada pada kisaran – 4 °C;, 7) Beban pendinginan (Qe) sebesar 1 kW.

Desain parameter untuk alat penukar kalor yang digunakan sebagai kondensor dan evaporator juga perla diperhatikan. Parameter untuk evaporator dianggap sama dengan parameter untuk kondensor. Efisiensi isentropik pada kompresor dianggap 85%. Dan prosesnya diasumsikan keadaan isentropik. Desain alat penukar kalor (heat exchanger) dapat diuraikan sebagai berikut : diameter luar dan diameter dalam tabung berturut-turut sebesar 16.4 mm dan 6.68 mm.Sedangkan puncak dan ketebalan fin sebesar 275 dan 0.254 mm. Rasio antara area aliran bebas dengan area frontal 0.449 dan rasio antara area transfer panas dengan volume total 269 m2/m3. Sedangkan rasio antara area fin dan area total sebesar 0.83 dan untuk kecepatan udara keluar diasumsikan sebesar 5 m/detik.

Penurunan tekanan di evaporator maupun di kondensor terjadi oleh karena proses irreversibilitas. Penurunan tekanan yang paling besar terjadi di evaporator karena panjang pipa akan menyebabkan gesekan lebih besar. Penurunan tekanan di evaporator menurun seiring dengan suhu evaporasi yang semakin bertambah. Ini dikarenakan berat jenis refrigeran menurun ketika suhu refrigeran meningkat dengan berat jenis yang lebih rendah Sedangkan penurunan tekanan di kondensor tidak sebesar penurunan tekanan di evaporator, hal ini disebabkan suhu di kondensor yang lebih tinggi daripada di evaporator mengakibatkan massa jenis refrigeran di kondensor lebih kecil, sehingga koefisien gesek menurun.

COP (Coefficient of Performance) didefinisikan sebagai jumlah pendinginan yang dapat diproduksi per satuan kerja. Nilai COP dari siklus meningkat dengan peningkatan suhu evaporasi dengan asumsi suhu kondensasi konstan. Sebaliknya nulai COP akan mengalami penurunan pada suhu kondensasi yang meningkat dengan asumsi suhu evaporasi dalam keadaan konstan. Refrigeran R12 memiliki nilai COP yang paling tinggi pada suhu evaporasi dan pada suhu kondensasi yang bervariasi, yaitu sebesar 8.047 dan 5.813. Refrigeran R12 memiliki nilai entalpi yang paling besar daripada ketiga refrigeran lainnya karena refrigeran ini menguap pada suhu yang lebih rendah. Refrigeran yang memiliki nilai COP terendah pada variasi suhu evaporasi dan suhu kondensasi adalah R134a sebesar 5.044 dan 4.39 karena refrigeran ini menguap pada suhu yang lebih tinggi.

Efisiensi hukum II termodinamika yang dikenal dengan efisiensi eksergi atau effectiveness dapat didefinisikan sebagai perbandingan kerja minimum yang dibutuhkan terhadap input kerja aktual Efisiensi eksergi akan meningkat seiring dengan meningkatnya suhu evaporasi pada suhu kondensasi constan dan penurunan suhu kondensasi dengan asumís suhu evaporasi dalam keadaan konstan. Efisiensi eksergi terkecil terjadi pada refrigeran R-134a. Hal ini berarti pada refrigeran R-134a memberikan kehilangan eksergi yang relatif besar dibandingkan refrigeran R12, refrigeran R22 ataupun refrigeran R717.

Eksergi yang hilang dalam kondensor meningkat, sedangkan dalam evaporator menurun seiring dengan naiknya suhu evaporator. Semakin tinggi perbedaan suhu pada komponen kondensor dan evaporator, maka semakin tinggi pula eksergi yang hilang. Sementara itu jumlah eksergi yang hilang di dalam kondensor akan meningkat untuk mengganti penurunan persentase eksergi yang hilang dalam evaporator. Yang perlu diperhatikan adalah meningkatnya eksergi yang hilang di dalam kondensor tidak diartikan sebagai penurunan eksergi yang hilang yang terjadi di dalam evaporator karena eksergi yang hilang di dalam komponen lainnya juga meningkat.

INSTITUT PERTANIAN BOGOR FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN

ANALISIS EKSERGI PENGGUNAAN REFRIGERAN PADA SISTEM REFRIGERASI KOMPRESI UAP

SKRIPSI

Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN

Pada Departemen Teknik Pertanian Fakultas Teknologi Pertanian

Institut Pertanian Bogor

Oleh :

SANTI ROSELINDA SILALAHI F14101107

Dilahirkan pada tanggal 20 Mei 1984 Di Pematangsiantar

Tanggal lulus : 30 Januari 2006 Disetujui oleh : Bogor, 3 Januari 2006

Dr. Ir. Armansyah H. Tambunan, M. Agr Dosen Pembimbing

Mengetahui :

Dr. Ir. Wawan Hermawan, M. S Ketua Departemen Teknik Pertanian

I. PENDAHULUAN

A.LATAR BELAKANG

Proses termodinamika reversible adalah proses yang dapat berbalik ke keadaan semula tanpa merubah sedikitpun kondisi lingkungan. Sehingga sistem dan lingkungannya dapat kembali ke keadaan awalnya pada akhir dari proses balik. Jika ini terjadi maka pertukaran panas bersih dan kerja bersih antara sistem dengan lingkungannya dapat dikatakan tidak ada (nol).

Semua proses nyata adalah tidak mampu balik (irreversible). Beberapa faktor yang menyebabkan ketidakmampubalikan pada siklus pendingin kompresi uap adalah gesekan dan perpindahan panas melalui perbedaan suhu batas pada evaporator, kompresor kondensor dan pipa-pipa refrigeran, kondisi subcooling agar seluruh refrigeran berada pada kondisi cair pada saat memasuki katup ekspansi, dan superheating agar seluruh refrigeran berada pada kondisi uap sebelum memasuki kompresor, dan input panas pada pipa-pipa saluran refrigeran

Prinsip hukum termodinamika pertama adalah bahwa energi dapat dikonversikan dari satu bentuk ke bentuk lain dan bersifat kekal. Pada kenyataannya potensial energi untuk digunakan yang terdapat dalam satu sistem akan mengalami penurunan akibat adanya sifat irreversibilitas. Hal ini juga berlaku dalam sistem refrigerasi. Untuk mengetahui besarnya energi yang dapat dikonversikan menjadi kerja secara cermat, mengetahui lokasi dan besarnya energi yang hilang dan tak terpakai digunakan suatu metode analisis eksergi.

Dari sudut pandang hukum Termodinamika pertama, COP adalah suatu ukuran khas untuk mengevaluasi sistem pendinginan. Namun demikian, menurut hukum Termodinamika kedua, analisis eksergi adalah ukuran yang umum diterapkan. Berdasarkan analisis eksergi, Yumrutas (2002) telah

mengembangkan suatu model komputasi untuk menyelidiki sistem refrigerasi kompresi uap dengan refrigeran amonia. Pada kenyataannya, analisis eksergi telah menjadi suatu metoda penting dalam studi pendinginan. Tujuan analisis eksergi adalah untuk mencari lokasi dalam proses yang energinya tidak efisien (Sutanto, 1985).

Terdapat berbagai macam sistem pendingin seperti kompresi uap, pendingin absorpsi dan lain-lain. Salah satu sistem pendingin yang banyak digunakan pada saat ini adalah sistem kompresi uap. Demikian pula ada bermacam refrigeran yang berkaitan dengan itu, seperti CFC (Chlorofluorocarbon), hidrokarbon atau ammonia. Dengan semakin berkembangnya pemanfaatan sistem pendingin dalam kehidupan manusia, maka diperlukan studi yang lebih baik tentang siklus pendingin. Untuk memudahkan pemahaman tentang siklus pendingin, pengembangan sebuah program tentang sistem pendingin sangat diperlukan.

B. TUJUAN

Penelitian ini bertujuan untuk melakukan analisis eksergi terhadap penggunaan beberapa refrigeran pada sistem refrigerasi kompresi uap.

RIWAYAT HIDUP

Penulis dilahirkan di Pematangsiantar, pada tanggal 20 Mei 1984. Penulis adalah anak kedua dari lima bersaudara dari pasangan Bapak Maludin Silalahi dan Ibu Dinar Panggabean. Penulis menyelesaikan pendidikan dasar di SD RK 2 Pematangsiantar pada tahun 1995.

Kemudian penulis melanjutkan pendidikan lanjutan pada SLTPN 8 Pematangsiantar, dan lulus pada tahun 1998. Pada tahun yang sama penulis melanjutkan pendidikan lanjutan tingkat atas di SMUN 3 Pematangsiantar dan lulus pada tahun 2001.

Pada tahun 2001, penulis masuk IPB melalui jalur UMPTN (Ujian Masuk Perguruan Tinggi Negeri). Penulis diterima di program studi Teknik Pertanian, Departemen Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor. Pada tahun 2004, penulis mengambil Sub Program Studi (SPS) Teknik Biosistem. Penulis melaksanakan Praktek Lapangan dengan judul “Mempelajari Aspek Keteknikan pada Proses Produksi Daging Rajungan (Crab meat) di PT Tonga Tiur Putra Rembang-Jawa Tengah”. Sebagai tugas akhir untuk memperoleh gelar sarjana, penulis melakukan penelitian dengan judul “Analisis Eksergi Penggunaan Refrigeran pada Sistem Refrigerasi Kompresi Uap”.

Selama masa perkuliahan penulis aktif dalam organisasi Persekutuan Mahasiswa Kristen (UKM-PMK). Pengalaman kerja penulis adalah sebagai staf pengajar Fisika, Matematika SMP pada lembaga bimbingan belajar Kastia. Dan pengajar les privat untuk mata pelajaran Fisika, Matematika dan Kimia SMU.

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis ucapkan pada Tuhan atas karunia dan penyertaaNya yang begitu besar kepada penulis, sehingga pada akhirnya penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini. Tugas akhir ini berjudul “Analisis Eksergi Penggunaan Refrigeran pada Sistem Refrigerasi Kompresi Uap”.

Penyelesaian tugas akhir ini merupakan salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknologi Pertanian di Departemen Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor.

Pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terimakasih kepada : 1. Dr. Ir. Armansyah H. Tambunan, M.Agr selaku dosen pembimbing

akademik atas segala bimbingan, arahan dan nasihatnya selama masa studi, penelitian dan penyelesaian tugas akhir.

2. Dr. Leopold O. Nelwan, STP,MSi selaku dosen penguji atas masukan dan nasihatnya

3. Ir. Mohamad Solahudin, MSi selaku dosen penguji atas segala kritik dan sarannya.

4. Yang terkasih Papa, Mama, Abang Hendri, Evi, Patar, Ricky dan Abang Udur atas segala kasih sayang, doa, nasihat, dan dukungan moril dan material yang tiada terkira kepada penulis.

5. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu-persatu atas bantuan dan dukungannya.

Mengingat keterbatasan penulis, kritik dan saran membangun sangat penulis harapkan dari pembaca. Semoga skripsi ini dapat berguna bagi semua pihak yang membutuhkannya.

Januari 2006

DAFTAR ISI

Halaman

RIWAYAT HIDUP ...iii

KATA PENGANTAR ...iv

DAFTAR ISI ...v

DAFTAR TABEL ...vii

DAFTAR GAMBAR ...ix

DAFTAR LAMPIRAN ...xi

DAFTAR SIMBOL ...xii

I. PENDAHULUAN ... 1

A. LATAR BELAKANG ... 1

B. TUJUAN ... 2

II. TINJAUAN PUSTAKA ... 3

A. MODEL SIMULASI ...3

B. SISTEM REFRIGERASI KOMPRESI UAP ...4

1. Prinsip Kerja Mesin Refrigerasi Kompresi Uap ...6

1.a. Kompresor ...6

1.b. Kondensor ...7

1.c. Katup Ekspansi ...7

1.d. Evaporator ...7

2. Proses Evaporasi dan Kondensasi ...8

2.a. Evaporasi (Penguapan) ...8

2.b. Kondensasi (Pengembunan) ...8

C. ANALISIS EKSERGI SISTEM REFRIGERASI KOMPRESI UAP ....8

D. REFRIGERAN ...14

1. Properti Termodinamika Refrigeran ...15

1.a. Refrigeran R717 ...16

1.c. Refrigeran R22 ...17 1.d. Refrigeran R134a ...17 2. Aliran Refrigeran ...18

2.a. Penurunan Tekanan (Pressure Drop) ...18 2.b. Tekanan Pengembunan dan Tekanan Penguapan ...19 E. TINJAUAN ATAS PENELITIAN SEBELUMNYA ...20 III. METODE PENELITIAN . ... ...23 A. PENDEKATAN TEORITIK ... 23 B. DATA MASUKAN ... 24 C. DIAGRAM ALIR PERHITUNGAN ... ...25 IV. HASIL DAN PEMBAHASAN ... 29 A. PROPERTI TERMODINAMIKA REFRIGERAN ... 29 B. ALIRAN REFRIGERAN ...34

1. Tekanan Evaporasi dan Tekanan Kondensasi ...34 2. Penurunan Tekanan (Pressure Drop) ...36 C. ANALISIS EKSERGI ...37 1 COP (Coefficient of Performance) ... 39 2. Efisiensi Eksergi ... 40 3 Kehilangan Eksergi (ExergyLoss) ... 42 V. KESIMPULAN DAN SARAN ... 45 A. KESIMPULAN ... 45 B. SARAN ... 46 DAFTAR PUSTAKA ... 47 LAMPIRAN ... 49

DAFTAR TABEL

Halaman Tabel 1. Desain standard refrigeran yang digunakan (ASHRAE, 1993)...16 Tabel 2. Perbandingan performansi refrigeran per kilowatt refrigerasi ...19 Tabel 3. Tabel hasil penelitian Leidenfrost, 1980 pada RH (relatifHumidity)

= 65% ...21 Tabel 4. Tekanan evaporasi beberapa refrigeran pada variasi suhu

evaporasi yang diperoleh dari persamaan polinomial

dengan program aplikasi curve expert ……….………….….34 Tabel 5. Tekanan kondensasi beberapa refrigeran pada variasi suhu

kondensasi yang diperoleh dari persamaan polinomial

dengan program aplikasi curve expert ……….….….…….34 Tabel 6. Pressure Drop dari komponen mesin refrigerasi kompresi

uap pada suhu kondensasi (pada suhu evaporasi -20°C) .…….….…37 Tabel 7. Pressure Drop dari komponen mesin refrigerasi kompresi

uap pada suhu evaporasi (pada suhu kondensasi 30°C).………….…37 Tabel.8. Persamaan tekanan jenuh refrigeran ………...….52 Tabel 9. Persamaan entalpi gas refrigeran ………...52 Tabel 10. Persamaan entalpi cairan refrigeran ………...….52 Tabel 11. Persamaan entropi gas refrigeran ...53 Tabel 12. Persamaan entropi cairan refrigeran ...53 Tabel 13. Persamaan volume spesifik cairan refrigeran ..………...………....53 Tabel 14. Persamaan volume spesifik gas refrigeran ………...…...……54 Tabel 15. Persamaan panas jenis spesifik gas refrigeran ………...………54 Tabel 16. Nilai panas jenis uap (Cpg) beberapa refrigeran ……….………..….55 Tabel 17. Sifat-sifat cairan dan uap jenuh refrigeran R-717 ...56 Tabel 18. Sifat-sifat cairan dan uap jenuh refrigeran R-12 ...57 Tabel 19. Sifat-sifat cairan dan uap jenuh refrigeran R-22 ...58

Tabel 20. Sifat-sifat cairan dan uap jenuh refrigeran R-134a ...59 Tabel 21. Nilai COP beberapa refrigeran pada variasi suhu evaporasi

(pada suhu kondensasi 30 oC) ...60 Tabel 22. Nilai COP beberapa refrigeran pada variasi suhu kondensasi

(pada suhu evaporasi -20 oC) ...60 Tabel 23. Nilai efisiensi eksergi beberapa refrigeran pada variasi suhu

kondensasi (pada suhu evaporasi -20 oC) ...61 Tabel 24. Nilai efisiensi eksergi beberapa refrigeran pada variasi suhu

DAFTAR GAMBAR

Halaman Gambar 1. Skema sederhana siklus pendinginan kompresi uap ...4 Gambar 2. Kompresor ...6 Gambar 3. Suhu-entropi siklus pendinginan isentropik ...9 Gambar 4. Diagram suhu-entropi siklus pendinginan ...9 Gambar 5. Tabung refrigeran ...15 Gambar 6. Refrigeran R22 ...17 Gambar 7. Persentase eksergi dan kerugian eksergi total sebagai

fungsi suhu evaporator dan suhu kondensor ...20 Gambar 8. Skema sederhana tahapan simulasi ...……….………23 Gambar 9. Diagram alir simulasi eksergi sistem refrigerasi

kompresi uap ...25 Gambar 10. Grafik hubungan suhu terhadap tekanan ………...…29 Gambar 11. Grafik hubungan suhu terhadap entalpi cairan ………..29 Gambar 12. Grafik hubungan suhu terhadap entalpi gas ………...…...30 Gambar 13. Grafik hubungan suhu terhadap entropi cairan ………....…...30 Gambar 14. Grafik hubungan suhu terhadap entropi gas ………...30 Gambar 15. Grafik hubungan suhu terhadap volume spesifik cairan ……....31 Gambar 16. Grafik hubungan suhu terhadap volume spesifik gas …………31 Gambar 17. Grafik hubungan suhu terhadap panas spesifik ……….31 Gambar 18. Grafik hubungan suhu terhadap volume spesifik udara …...….32 Gambar 19. Diagram

T

−

s

refrigeran R717 ...32 Gambar 20. Diagram

T

−

s

refrigeran R12 ...33 Gambar 21. Diagram T-s Refrigeran 22 ...33 Gambar 22. Diagram T-s Refrigeran-134a ...33 Gambar 23. Diagram P−h refrigeran R717 ...35 Gambar 24. Diagram P−h refrigeran R12 ...35

Gambar 25. Diagram P−h refrigeran R22 ...36 Gambar 26. Diagram P−h refrigeran R134a ...36

Gambar 27. Grafik hubungan suhu evaporasi dengan nilai COP

Beberapa refrigeran ...39 Gambar 28. Grafik hubungan suhu kondensasi dengan nilai

COP beberapa refrigeran ...39 Gambar 29. Grafik hubungan suhu kondensasi dengan efisiensi eksergi

menggunakan beberapa refrigeran ...40 Gambar 30. Grafik hubungan suhu evaporasi dengan efisiensi eksergi

menggunakan beberapa refrigeran ...41 Gambar 31. Eksergi pada T-s diagram ...41 Gambar 32. Grafik hubungan suhu evaporasi dengan exergy loss

menggunakan beberapa refrigeran ...42 Gambar 33. Grafik hubungan suhu kondensasi dengan exergy loss

menggunakan beberapa refrigeran ...43 Gambar 34. Tampilan pertama saat memilih jenis refrigeran R717 ...62 Gambar 35. Tampilan kedua saat memilih jenis refrigeran R717 ...62 Gambar 36. Tampilan pertama saat memilih jenis refrigeran R12 ...63 Gambar 37. Tampilan kedua saat memilih jenis refrigeran R12 ...63 Gambar 38. Tampilan pertama saat memilih jenis refrigeran R22 ...64 Gambar 39. Tampilan kedua saat memilih jenis refrigeran R22 ...64 Gambar 40. Tampilan pertama saat memilih jenis refrigeran R134a ...65 Gambar 41. Tampilan kedua saat memilih jenis refrigeran R134a ...65

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman Lampiran 1. Algoritma perhitungan analisis eksergi ...50 Lampiran 2. Persaman-persamaan yang digunakan ...……...52 Lampiran 3. Tabel. Nilai panas jenis uap (Cpg) beberapa refrigeran …...…55 Lampiran 4. Tabel sifat-sifat cairan dan uap jenuh refrigeran R-717 ...56 Lampiran 5. Tabel sifat-sifat cairan dan uap jenuh refrigeran R-12 ...57 Lampiran 6. Tabel sifat-sifat cairan dan uap jenuh refrigeran R-22 ...58 Lampiran 7. Tabel sifat-sifat cairan dan uap jenuh refrigeran R-134a ...59 Lampiran 8. Tabel hasil perhitungan dengan program ...60 Lampiran 9. Tampilan program saat memilih refrigeran R717 ...62 Lampiran 10. Tampilan program saat memilih refrigeran R12 ...63 Lampiran 11. Tampilan program saat memilih refrigeran R22 ...64 Lampiran 12. Tampilan program saat memilih refrigeran R134a ...65

DAFTAR SIMBOL

A

A

_f

/

= rasio area fin dan area total

ph

c

= panas spesifik udara, [kJ/kg.0C]

pr

c

= panas spesifik refrigeran, [kJ/kg.0C]

o

D

= diameter luar tabung, [mm]

h

D

= diameter dalam tabung, [mm]

fD = faktor gesekan

G

= kecepatan aliran massa maksimum, [kg/m2.det.]

h = entalpi refrigeran keluar dari kondensor, (kJ/kg refrigeran) h1 = entalpi refrigeran pada saat keluar dari evaporator,(kJ/kg) h2 = entalpi refrigeran pada saat keluar dari kompresor, (kJ/kg) h3 = entalpi refrigeran pada saat keluar dari kondensor, (kJ/kg) h4 = entalpi refrigeran pada saat keluar dari katup ekspansi, (kJ/kg)

L

= panjang pipa, [mm]

.

m = laju aliran refrigeran, (kg/detik)

i

m

= laju alir massa masukan, [kg/det.] e

m

= laju alir massa luaran, [kg/det.]

n

= jumlah pipa terpasang paralel

p1 = tekanan refrigeran pada saat berwujud gas, (Pa)

P

= tekanan, [Pa]

P

Δ

= jatuh tekanan, [Pa]

qcomp = kerja kompresor, (kW)

qcond = laju panas yang dipindahkan kondensor, (kW) qe = laju panas yang diterima evaporator, (kW)

gen

s1 = entropi refrigeran pada saat keluar dari evaporator, (kJ/kg.K) s2 = entropi refrigeran pada saat keluar dari kompresor, (kJ/kg.K) s3 = entropi refrigeran pada saat keluar dari kondensor, (kJ/kg.K) s4 = entropi refrigeran pada saat keluar dari katup ekspansi

(kJ/kg.K)

i

T

_fan, = suhu udara pada masukan fan, [K]

e

T

_fan, = suhu udara pada luaran fan, [K]

o

T

= suhu udara sisi luar, [K] e

T

= suhu penguapan, [K]

T

= suhu, [K]

T1 = suhu refrigeran pada saat keluar dari evaporator, (K) T2 = suhu refrigeran pada saat keluar dari kompresor, (K) T3 = suhu refrigeran pada saat keluar dari kondensor, (K) T4 =suhu refrigeran pada saat keluar dari katup ekspansi, (K)

t

= ketebalan fin, [mm]

V = volume ruang pembeku,(m3)

x = fraksi massa

e

q

= beban pendinginan spesifik, [kJ/kg] con

q

= beban kondenser, [kJ/kg]

e

Q

= beban pendinginan, [kJ]

s

= entropi spesifik, [kJ/kg.K] m

u

= kecepatan rata, [m/det.]

e

V

= kecepatan udara pada masukan fan, [m/det.]

w

= kerja spesifik, [kJ/kg]

c

W = kerja kompresor ideal, [kJ]

rev

W

= kerja dapat balik, [kJ]

s(gen)Δp = produksi entropi dikarenakan kehilangan tekanan, (kJ/kg.K) vo = volume spesifik fluida di luar pipa, (L/kg)

vi = volume spesifik fluida di dalam pipa, (L/kg) ve = kecepatan udara pada bagian keluar kipas, (m/s) Ve = kecepatan udara pada bagian ke luar pipa, (m/s) ws = kerja kompresor isentropik, (kJ)

w12 = kerja yang hilang pada proses kompresi, (kJ) wm = beberapa kerja yang hilang di kompresor, (kJ) w23 = kerja yang hilang di kondensor, (kJ)

wf,23 = kerja karena kehilangan tekanan di kondensor, (kJ) w34 = kerja yang hilang di katup ekspansi, (kJ)

w41 = kerja yang hilang di evaporator, (kJ)

wf,41 = kerja karena kehilangan tekanan di evaporator, (kJ)

α

= area transfer panas per volume total, [m2/m3] c

η

= efisiensi isentropik kompresor

ρ

= rapatan, [kg/m3]

I. PENDAHULUAN

B.LATAR BELAKANG

Proses termodinamika reversible adalah proses yang dapat berbalik ke keadaan semula tanpa merubah sedikitpun kondisi lingkungan. Sehingga sistem dan lingkungannya dapat kembali ke keadaan awalnya pada akhir dari proses balik. Jika ini terjadi maka pertukaran panas bersih dan kerja bersih antara sistem dengan lingkungannya dapat dikatakan tidak ada (nol).

Semua proses nyata adalah tidak mampu balik (irreversible). Beberapa faktor yang menyebabkan ketidakmampubalikan pada siklus pendingin kompresi uap adalah gesekan dan perpindahan panas melalui perbedaan suhu batas pada evaporator, kompresor kondensor dan pipa-pipa refrigeran, kondisi subcooling agar seluruh refrigeran berada pada kondisi cair pada saat memasuki katup ekspansi, dan superheating agar seluruh refrigeran berada pada kondisi uap sebelum memasuki kompresor, dan input panas pada pipa-pipa saluran refrigeran

Prinsip hukum termodinamika pertama adalah bahwa energi dapat dikonversikan dari satu bentuk ke bentuk lain dan bersifat kekal. Pada kenyataannya potensial energi untuk digunakan yang terdapat dalam satu sistem akan mengalami penurunan akibat adanya sifat irreversibilitas. Hal ini juga berlaku dalam sistem refrigerasi. Untuk mengetahui besarnya energi yang dapat dikonversikan menjadi kerja secara cermat, mengetahui lokasi dan besarnya energi yang hilang dan tak terpakai digunakan suatu metode analisis eksergi.

Dari sudut pandang hukum Termodinamika pertama, COP adalah suatu ukuran khas untuk mengevaluasi sistem pendinginan. Namun demikian, menurut hukum Termodinamika kedua, analisis eksergi adalah ukuran yang umum diterapkan. Berdasarkan analisis eksergi, Yumrutas (2002) telah

mengembangkan suatu model komputasi untuk menyelidiki sistem refrigerasi kompresi uap dengan refrigeran amonia. Pada kenyataannya, analisis eksergi telah menjadi suatu metoda penting dalam studi pendinginan. Tujuan analisis eksergi adalah untuk mencari lokasi dalam proses yang energinya tidak efisien (Sutanto, 1985).

Terdapat berbagai macam sistem pendingin seperti kompresi uap, pendingin absorpsi dan lain-lain. Salah satu sistem pendingin yang banyak digunakan pada saat ini adalah sistem kompresi uap. Demikian pula ada bermacam refrigeran yang berkaitan dengan itu, seperti CFC (Chlorofluorocarbon), hidrokarbon atau ammonia. Dengan semakin berkembangnya pemanfaatan sistem pendingin dalam kehidupan manusia, maka diperlukan studi yang lebih baik tentang siklus pendingin. Untuk memudahkan pemahaman tentang siklus pendingin, pengembangan sebuah program tentang sistem pendingin sangat diperlukan.

B. TUJUAN

Penelitian ini bertujuan untuk melakukan analisis eksergi terhadap penggunaan beberapa refrigeran pada sistem refrigerasi kompresi uap.

II. TINJAUAN PUSTAKA

A. MODEL SIMULASI

Menurut Subagyo et al. (1986), simulasi adalah duplikasi atau abstraksi dari persoalan dalam kehidupan nyata ke dalam model matematik. Dalam hal ini dilakukan penyederhanaan, sehingga pemecahan dengan model matematika bisa dilakukan. Model simulasi bisa membantu memecahkan suatu masalah secara jauh lebih ekonomis daripada tanpa model ini, tetapi tidak menjamin bahwa model yang disusun sudah merupakan model yang paling tepat.

Model simulasi dapat dikelompokkan ke dalam beberapa penggolongan, antara lain adalah model stokastik atau probabilistik, model deterministik, model statik, model dinamik dan model heuristik. Model stokastik adalah kebalkan dari model deterministik dan model statik kebalikan dari model dinamik. Model simulasi stokastik disebut model simulasi yang menggunakan permodelan matematik untuk mempelajari suatu sistem yang berkarakteristik adanya kejadian acak (random events).

Menurut Muslich (1993) dalam Rahajeng (1997), tahapan atau prosedur yang perlu dilakukan dalam melakukan simulasi adalah formulasi masalah, menentukan kelayakan simulasi, menyusun model, memvalidasi model, menerapkan model simulasi dan menganalisa hasil simulasi. Formulasi masalah dilakukan untuk menentukan alternatif metode pemecahan masalah. Pemecahan masalah yang rumit sering kali tidak dapat dilakukan dengan teknik analisa biaya sehingga alternatif pemecahan dengan simulasi sangat memungkinkan pemecahan yang lebih baik.

Validasi model dilakukan untuk meyakinkan bahwa model simulasi mencerminkan sistem yang sebenarnya. Validasi dilakukan dengan cara membandingkan hasil simulasi dengan hasil sebenarnya. Akan tetapi jika model simulasi itu sifatnya memberikan prediksi, perbandingan hasil tersebut

dilakukan setelah validasi model dilakukan, model validasi harus dicoba dengan memberikan nilai dan parameternya. Jika analisa keluaran dari simulasi tersebut menunjukkan kesesuaian dengan tujuan, maka model simulasi tersebut dapat digunakan. Akan tetapi jika tujuan tersebut tidak terpenuhi maka perlu dilakukan perubahan desain dan formulasi model, sehingga model simulasi ini merupakan suatu prosedur kerja trial and error (uji coba). Tujuan simulasi secara umum yaitu untuk menyingkat waktu, untuk keselamatan (safety), dan mengurangi biaya.

B. SISTEM REFRIGERASI KOMPRESI UAP

Perpindahan panas dari medium yang bersuhu rendah ke medium yang bersuhu lebih tinggi akan membutuhkan peralatan khusus yang dikenal dengan mesin pendingin (mesin refrigerasi). Mesin ini merupakan sebuah siklus yang banyak digunakan pada mesin pendingin dan biasa disebut sebagai siklus refrigerasi kompresi uap. Komponen dasar yang digunakan mesin ini adalah: kondensor, evaporator, kompresor, dan pipa kapiler (katup ekspansi) dan juga beberapa perlengkapan tambahan dan pipa-pipa penghubung (Gambar 1).

Gambar 1. Skema sederhana siklus pendinginan kompresi uap

Uap refrigeran bertekanan rendah, dihisap dari evaporator ke kompresor menjadi uap yang bertekanan tinggi ke arah alat pengembun (kondensor). Dengan cara mendinginkan dengan air atau udara, uap panas

Kondensor

Evaporator

Kompresor

bertekanan tinggi itu mengembun menjadi cairan. Panas pengembunan dibuang dari refrigeran bersama air atau udara pendinginan kondensor.

Dari kondensor, cairan refrigeran mengumpul di dalam tangki penerimaan sebagai cairan bertekanan tinggi. Cairan bertekanan tinggi ini mengalir melalui katup ekspansi yang menentukan jumlah cairan refrigeran bertekanan rendah mengaliri gulungan pipa evaporator. Di dalam evaporator, refrigeran mendidih, memuai atau menguap. Tenaga panas untuk menguap itu diserap dari lingkungan sekitar ruangan dan juga dari medium yang didinginkan. Panas yang dikandung oleh uap refrigeran bertekanan rendah, diisap melalui pipa pengisapan, ke dalam kompresor, untuk dimampatkan menjadi uap refrigeran bertekanan tinggi, dan selanjutnya diubah menjadi refrigeran cair yang dapat lagi digunakan untuk proses refrigerasi selanjutnya. Demikianlah diselesaikan siklus dari sistem kompresi uap untuk diulangi seterusnya selama proses refrigerasi.

Dari hukum I thermodinamika, pengukuran kinerja dari siklus refrigerasi ditunjukkan oleh COP (Coefficient of Performance). COP merupakan perbandingan tingkat keluaran panas yang bermamfaat yang dikirimkan oleh unit pompa panas yang lengkap (tergolong pengganti pemenas) ke tingkat penyesuaian masukan energi, pada unit konsisten dan di bawah kondisi-kondisi spesifik.

Pada siklus kompresi uap di pendingin carnot, COP didefinisikan sebagai jumlah pendinginan yang dapat diproduksi per satuan kerja yang digunakan yang dirumuskan dengan:

e c

e

net e

T

T

T

W

Q

COP

−

=

=

...(1)

dimana Qe adalah beban pendingan, Wnet adalah input kerja bersih, Te adalah suhu evaporator, dan Tc adalah suhu kondensor.

COP juga merupakan rasio perbandingan antara selisih entalpi di kompresor dengan selisih entalpi di evaporator, yang dapat dinyatakan dengan

1 2 4 1 h h h h COP − − = ...(2)

Kerja yang digunakan pada siklus aktual selalu lebih besar daripada yang reversible dan perbedaan ini merupakan kerja yang hilang (loss work), yang disebut juga exergy loss atau irreversibility. Exergy loss dapat diperoleh dari perhitungan pertumbuhan entropi, yang merupakan ukuran penting dari suatu proses yang irreversible. Pertumbuhan entropi untuk aliran yang steady dinyatakan dengan:

∑

∑

∑

−

−

≥

=

i i i i in i e out e gen

T

Q

s

m

s

m

S

0

……….(3)

Pertumbuhan entropi adalah jumlah eksergi output dikurangi eksergi input dan dikurangi laju perpindahan entropi melalui permukaan kendali dimana suhu mutlak yang terjadi adalah Ti. Eksergi yang hilang (exergy loss) digambarkan sebagai ukuran ketidakmampubalikan suatu proses termodinamika. Eksergi yang hilang dapat dihitung dengan rumus:

gen o

L

T

S

W

=

………..………...(4)

Efisiensi hukum II termodinamika yang dikenal dengan efisiensi eksergi atau effectiveness dapat didefinisikan sebagai perbandingan kerja minimum yang dibutuhkan terhadap input kerja aktual, yaitu:

L rev rev ac rev

W

W

W

W

W

II

+

=

=

η

_{………...…....….(5)}

Sedangkan,

_⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

−

=

(

)

0

1

3 1 e rev

T

T

h

h

W

……...…...(6)

1. Prinsip Kerja Mesin Refrigerasi Kompresi Uap 1.a. Kompresor

Kompresor berfungsi untuk menggerakkan sistem refrigerasi agar dapat mempertahankan suatu perbedaan tekanan rendah dan tekanan tinggi pada sistem.

Gambar 2. Kompresor

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.

1.b. Kondensor

Kondensor adalah bagian refrigeran 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.

1.c. 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.

1.d. Evaporator

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.

2. Proses Evaporasi dan Kondensasi 2.a. Evaporasi (Penguapan)

Evaporasi suatu cairan berawal dan mungkin berlanjut sampai semuanya sudah dalam bentuk uap. Selama periode ini, suhu evaporasi pada kedaan jenuh tetap konstan pada tekanan jenuh. Panas yang ditambahkan selama fase perubahan ini merupakan perubahan entalpi selama evaporasi yang mengakibatkan kenaikan energi internal dan terjadinya kerja mekanis dalam merubah cairan tersebut untuk mengatasi tekanan konstan.

Kerja mekanis bisa mencapai 5 – 10% dari total entalpi uap dan jumlah tersebut tergantung pada tekanan yang terjadi. Jumlah entalpi cairan pada keadaan jenuh dan perubahan entalpi penguapan merupakan entalpi uap jenuh.

2.b. Kondensasi (Pengembunan)

Kondensasi merupakan kebalikan dari proses evaporasi, yaitu perubahan uap refrigeran yang mampat jenuh akan panas, mengembun menjadi cairan. Agar proses ini terlaksana, diperlukan usaha pengeluaran

panas dari uap jenuh refrigeran itu. Dalam terminologi fisika, kecepatan dan jarak antara molekul gas menurun diakibatkan oleh panas yang berlangsung sehingga zat tersebut mengembun, membentuk butiran cairan yang dinamakan embun dan berada di permukaan kondensasi.

C. ANALISIS EKSERGI SISTEM REFRIGERASI KOMPRESI UAP

Proses termodinamik reversible adalah proses yang dapat berbalik ke keadaan semula tanpa merubah sedikitpun kondisi lingkungan. Sehingga sistem dan lingkungannya dapat kembali ke keadaan awalnya pada akhir dari proses balik. Jika ini terjadi maka pertukaran panas bersih dan kerja bersih antara sistem dengan lingkungannya dapat dikatakan tidak ada (nol).

Gambar 3. Suhu-entropi siklus pendinginan isentropik

Semua proses nyata adalah tidak mampu balik (irreversible). Beberapa faktor yang menyebabkan ketidakmampubalikan pada siklus pendingin kompresi uap adalah gesekan dan perpindahan panas melalui perbedaan suhu batas pada evaporator, kompresor kondensor dan pipa-pipa refrigeran, kondisi subcooling agar seluruh refrigeran berada pada kondisi cair pada saat memasuki katup ekspansi, dan superheating agar seluruh refrigeran berada pada kondisi uap sebelum memasuki kompresor, dan input panas pada pipa-pipa saluran refrigeran. Siklus refrigerasi kompresi uap aktual diperlihatkan pada Gambar 4 (Yumrutas, 2002).

1 2

3

4

Evaporasi Kondensasi

Gambar 4. Diagram suhu-entropi siklus pendinginan

Eksergi merupakan bagian energi yang dapat dikonversikan menjadi kerja. Analisis eksergi adalah suatu metoda analisis yang merupakan penerapan dari hukum termodinamika kedua yang digunakan untuk mengetahui efisien tidaknya suatu proses dalam penggunaan energi. Tujuan analisis eksergi adalah untuk mencari lokasi dalam proses yang energinya tidak efisien (Sutanto, 1985).

Anggapan (asumsi) yang dibuat dalam analisis ini adalah: (i) steady state, aliran steady.

(ii) kerugian tekanan diabaikan kecuali yang ada di evaporator dan kondensor.

(iii) kompresor adiabatik dan katup ekspansi.

(iv) keadaan jenuh pada saat pengeluaran kondensor dan evaporator.

Garis a-b-c-d-a pada Gambar 4, menunjukkan siklus pendinginan dapat balik dan garis 1-2-3-4-1 menunjukkan diagram T −s untuk siklus pendinginan aktual. Garis 1-2S merepresentasikan proses kompresi isentropik.

cairan saturasi di kondisi 3’ pada tekanan luaran kompresor. Untuk kondisi aktual, hal itu “unavoidable” guna beberapa jatuh tekanan di kondensor sehingga luaran kondenser di kondisi 3, dan sebagai masukan katup ekspansi. Meninggalkan katup ekspansi di kondisi 4 dan masuk ke evaporator. Siklus lengkap sebagai refrigeran ke luar dari evaporator di kondisi 1, sebenarnya di kondisi 1’, sebab adanya jatuh tekanan di evaporator.

Entropi pembangkitan dan kerja hilang dapat dihitung untuk proses kompresi tak dapat balik adiabatik (irreversible-adiabatic) menggunakan persamaan (2) dan (3):

1 2 12

gen,

s

s

S

=

−

………...………..(7).

)

(

_{2 1}

12

T

s

s

w

=

_o

−

………..…...………..(8).

Jika dalam keadaan isentropic, maka Sgen,12 = 0 dan W12 = 0 karena S1 = S2 Daya hilang tersebut direpresentasikan oleh area b’-b-m-n-b’ dalam diagram

s

T− , seperti ditunjukkan pada Gambar 4

Kerja hilang di dalam kondensor dapat diperoleh dari:

)

(

_{3 2}

con

23

q

T

s

s

w

=

+

_o

−

……….……...……...…….(9),

dengan:

con

q

= jumlah panas yang kembali dari pendinginan sebagai aliran melalui kondensor dan dapat dihitung dari:

" 3 2 2 3

con

h

h

h

h

q

=

−

=

−

……….…….………...…...(10).

Hal ini dapat ditunjukkan dengan mengintegrasikan sepanjang 3”-2:

cons 2 3" con 2

d

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

_∫

P

s

T

q

………...(11).

Mengacu ke persamaan (8) dan Gambar 2 (area 2-3’-3”-p-r-s-b’-2) yang merepresentasikan kerja hilang akibat transfer (pindah) panas dan friksi fluida sirkulasi di dalam kondenser. Kerja hilang yang dihasilkan dalam katup ekspansi yang direpresentasikan oleh area t-s-r-u-t dan diperoleh dari:

)

(

_{4 3}

34

T

s

s

w

=

_o

−

……….………...(12)

Gesekan akibat adanya aliran refrigeran di dalam evaporator dan transfer panas dari ruang yang didinginkan pada suhu

T

_c adalah sumber timbulnya kerja hilang dan dapat dihitung dari:

e b o o

T

q

T

s

s

T

w

₄₁

=

(

₁

−

₄

)

−

………..………...(13).

Untuk proses dapat balik dan siklus pendinginan aktual dipertimbangkan sebagai keseimbangan energi (energy balance) yang dapat dihitung untuk beban pendinginan yang sama sebagai:

)

(

)

(

s

₁

s

T

₄

s

_1"

s

₄

T

q

q

_c

=

_b

=

_c

−

_d

=

−

…………...….(14).

Sehingga persamaan (12) menjadi:

)

(

₄

41

T

s

s

w

=

_{o d}

−

………...…...(15),

yang dapat ditunjukkan hubungannya dengan area t-u-v-c-t. Sehingga:

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

_{4 4 4 1 1 1"}

41

T

T

s

s

T

T

s

s

T

s

s

w

=

_o

−

_d

−

+

_c

−

−

_d

+

_c

−

…...(16),

seperti ditunjukkan pada area t-4-e-c-t, e-f-a-d-e, dan f-1”-y-m-f. Pembangkitan entropi yang diakibatkan rugi-rugi tekanan melalui kondenser dapat juga ditunjukkan dengan asumsi, bahwa fluida kerja sama dengan gas

ideal di daerah superheating dengan sebuah konstatnta panas spesifik (

c

_pr):

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

−

+

−

=

Δ

' 2 2 pr 3 3 2 3 23 gen,

ln

'

'

2

)

(

T

T

c

T

T

h

h

s

s

p

S

....……(17)

Pembangkitan entropi yang diakibatkan rugi-rugi tekanan melalui evaporator ditunjukkan dengan:

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

+

−

−

−

=

Δ

4 1 4 1 4 1 41

gen,

)

2

(

T

T

h

h

s

s

p

S

…………....……...…(18).

Pembangkitan entropi yang diakibatkan transfer panas sama dengan perbedaan antara produksi entropi total dan produksi entrpi yang diakibatkan oleh rugi-rugi tekanan:

p

S

S

S

)

_q

=

−

(

)

Δ

(

_{gen gen gen} ………...……..………(19).

Penghitungan kerja fan di bawah nilai konstanta panas spesifik diasumsikan dengan:

2

)

(

2 fan, fan,

ph e i e

f

V

T

T

c

w

=

−

+

………....….…..…….…(20)

dengan:

i

T

= suhu udara masukan fan dan

T

_e= suhu udara luaran fan. Persamaan (19) memberikan bentuk asumsi kompresi udara isentropik:

2

1

1

2 / ) 1 ( 1 1 ph e k k f

V

p

p

T

c

w

+

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎣

⎡

−

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

Δ

+

=

− ………….…….….…(21)

Untuk kerja hilang di kompresor:

s c

s

m

w

w

w

=

−

η

………...….…(22)

dengan:

s

w

= kerja kompresor isentropik yang diperoleh dari: 1

2

h

h

w

_s

=

_s

−

………..………...……(23)

Kemudian, syarat kerja aktual dari siklus pendinginan menjadi:

41 , 41 34 23 , 23 12

ac

w

s

w

w

m

w

w

f

w

w

w

f

w

=

+

+

+

+

+

+

+

.…...(24)

Turun tekanan melalui evaporator dan kondenser dihitung menggunakan persamaan: 2 2 m D D u D L f

P = ρ

Δ ………...………...…...(25),

dengan persamaan faktor friksi ( f_D) yang diberikan untuk tabung “smooth” berdasarkan Yumrutas (2002):

(

)

[

]

2

64 , 1 Re ln 79 ,

0 − −

= D

D

f ………..………..….(26).

Bilangan Reynold (Re) diperoleh dari persamaan :

μ ρ_d um

=

Re ………...(27),

dengan nilai massa jenis (ρ) dan nilai kecepatan rata-rata (Um) diperoleh dari persamaan :

v 1 =

ρ ...(28), dan

A m u_m ρ . = ...(29)

Turun tekanan yang tidak terkait dengan aliran yang melintasi sekelompok “finned-tube” dihitung menggunakan persamaan:

(

)

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎣

⎡

−

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

+

=

Δ

i m f f i o i

v

v

A

A

f

v

v

v

G

P

1

1

2

2 2

σ

……..….…....(30) dengan: m u

G=ρ ...(31)

2

o i m

v

v

v

=

−

...(32)

D. REFRIGERAN

Salah satu bahan terpenting dalam refrigerasi adalah refrigeran. Jenis refrigeran yang digunakan dalam sistem refrigerasi mempengaruhi suhu udara yang dihembuskan dalam ruang pendingin. Refrigeran merupakan sejenis medium atau alat untuk memindahkan atau mengambil panas dari evaporator

dan mebuangnya ke kondensor. Refrigeran juga merupakan media penghantar yang dapat menyerap kalor pada suhu rendah (dengan cara evaporasi) dan melepaskan kalor pada suhu dan tekanan yang tinggi (kondensasi).

Beberapa sifat dan ciri utama dari refrigeran adalah :

1. Mempunyai titik beku yang lebih rendah daripada setiap suhu yang terdapat dalam sistem,

2. Panas laten vaporasi refrigeran harus tinggi, 3. Tekanan pengembunan rendah,

4. Perbedaan tekanan antara sisi tinggi dan sisi rendah adalah serendah mungkin,

5. Tidak mudah terurai, tidak terbakar dan meledak dalam keadaan gas atau cairan,

6. Tidak korosif, tidak beracun/

Secara kimia, pengelompokan refrigeran bisa dibagi atas : 1) halocarbons (R-22, R-32, R-125, R-134a, dll); 2) azeotropes (R-507, R-503, dll); 3) zeotropes/non-azeotropes (R-410A, R-407C, dll);4) organic compounds (ethane, propane, butane, dll); dan 5) inorganic compounds (ammonia/R-717, CO2/R-744).

Sedangkan kelompok halocarbons bisa dibagi atas : 1) CFC (chlorofluorocarbon), contoh R-12; 2) HCFC (hydrochlorofluorocarbon), contoh R-22; dan 3) HFC (hydrofluorocarbon), contoh R-134a, yang tidak mengandung chlorine sehingga no ozone-depletion, tapi tetap menyumbang pada global warming. Selain itu, ada juga klasifikasi sebagai berikut : 1) pure refrigerant (R-22, R-32, R-134a); 2) mixture refrigerant (R-410A, R-407C), yang terbagi atas azeotropic dan non-azeotropic; dan 3) natural refrigerant (NH3, CO2)

Gambar 5. Tabung refrigeran

Hal-hal yang perlu diperhatikan untuk pemakaian/pemilihannya, selain safety dan ramah lingkungan, adalah physical properties, contohnya sistem pendingin yang didesain untuk R-134a tidak bisa dipakai untuk CO2, karena pada temperatur yang sama, tekanan CO2 sekitar delapan kali lebih besar daripada tekanan R-134a, juga vapor density CO2 sekitar enam kali lebih besar daripada R-134a, hal ini terkait dengan kemampuan kompresor pada sistem. Selain karakteristik fisik refrigeran yang berdampak pada kapasitas masing-masing komponen siklus refrigerasi, karakteristik kimia refrigeran juga sangat berpengaruh terhadap kelayakan penggantian refrigeran.

Mengganti refrigeran dengan tipe yang berbeda perlu memperhatikan grafik untuk masing-masing refrigeran tersebut, terutama nilai P dan T evaporator saat penguapannya dan nilai P dan T saat kondensasinya. Juga perlu diperhatikan harga entalpi dan tekanan dalam diagram tekanan – entalpi (P-h) dari masing-masing refrigeran, karena hal tersebut akan menentukan kebutuhan kerja untuk kompresor, besarnya panas yang dibuang oleh kondensor atau panas yang diserap evaporator.

1. Properti Termodinamika Refrigeran

Substansi kerja dalam sistem refrigerasi disebut refrigeran. Refrigeran merupakan fluida kerja yang vital dalam refrigerasi, pengkondisian udara dan sistem pemompaan panas.

Tabel 1. Desain standard refrigeran yang digunakan (ASHRAE, 1993)

Nomor refrigeran

Nama kimia atau komponen

Formula kimia

Methana R12 R22

Dichlorodifluoromethane Chlorodifluoromethane

CCl2F2 CHClF2 Ethana

R134a 1,1,1,2-tetrafluoroethane CH2FCF3 Senyawa

anorganik

R717 Ammonia NH3

1.a. Refrigeran R717

Refrigeran R717 termasuk refrigeran yang sering digunakan baik di kalangan industri maupun masyarakat luas. Diantara refrigeran alami lainnya, R717 merupakan alternatif pertama sebagai pengganti R22 dan R502. Produksi refrigeran R717 di seluruh dunia mencapai 120 juta ton dan hanya sebagian kecil (± 5 %) digunakan dalam peralatan refrigerasi. Refrigeran R717 tidak menyebabkan menipisnya lapisan ozon (ODP = 0) dan tidak secara langsung menyebabkan efek rumah kaca (GWP = 0), selain itu uap refrigeran ammonia lebih ringan daripada udara

1.b. Refrigeran R12

Refrigeran R-12 merupakan refrigeran yang sangat terkenal dan banyak digunakan untuk memperoleh suhu yang rata-rata, Refrigeran ini termasuk dalam golongan CFC (chlorofluorocarbon) yang dapat menyebabkan kerusakan lapisan ozon yang tinggi (ODP = 1) dan pemanasan global (GWP = 8500). Refrigeran R-12 termasuk jenis refrigeran yang bersifat aman untuk digunakan dalam proses refrigerasi. Karakteristik dari

refrigeran ini yaitu sifat kemudahan mengalirnya yang tinggi (keadaan cair). Selain itu, refrigeran R12 tidak menyebabkan ledakan, tidak membawa aliran listrik dan berubah wujud di air.

1.c. Refrigeran R22

Refrigeran R22, difluorochloromethane termasuk ke dalam golongan HCFC (hydrochlorofluorocarbon), dengan nilai ODP sebesar 0.05 dan menyebabkan pemanasan global yang tinggi dengan nilai GWP sebesar 1700. Jika dibandingkan dengan R12, refrigeran R22 tidak bagus bila bercampur dengan oli. Koefisien pindah panas refrigeran ini selama pendidihan dan pengembunan sebesar 25 – 30 % lebih tinggi daripada R12.

Refrigeran R22 memiliki tekanan kondensasi dan suhu keluar yang lebih tinggi dalam mesin refrigerasi. Toleransi konsentrasi refrigeran R22 di udara sebesar 3000 mg/m3 di bawah pencahayaan selama 1 jam. Refrigeran ini banyak digunakan untuk mendapatkan temperatur yang rendah pada saat proses kompresi, dalam sistem pengkondisian dan pompa panas.

Gambar 6. Refrigeran R22

1.d. Refrigeran R134a

Rumus kimia dari refrigeran R134a adalah CF3CFH2, (tetrafluoroethane). Molekul refrigeran R134a lebih kecil daripada molekul refrigeran R12 sehingga bersifat lebih aman digunakan. Refrigeran ini termasuk dalam golongan HFC (hydrofluorocarbon) dan bersifat tidak beracun. Karakteristik refrigeran R134a tidak digunakan pada temperatur yang tinggi, lebih rendah daripada refrigeran R12, yaitu hanya kira-kira 8 – 10 0C. Selain itu, refrigeran ini juga tidak digunakan pada tekanan uap jenuh

yang tinggi. Data-data energi refrigeran ini lebih buruk daripada refrigeran R12, diantaranya volume spesifik efek refrigerasi yang lebih rendah 6% pada suhu -180C.

2. Aliran Refrigeran

Refrigeran menyerap panas dari suatu lingkungan dan membuangnya ke tempat yang lain yang biasanya melalui proses evaporasi dan kondensasi. Perubahan fase muncul pada proses penyerapan dan sistem mekanisasi kompresi uap, akan tetapi perubahan fase tersebut tidak muncul pada sistem operasi suatu siklus gas yang menggunakan fluida seperti udara. Desain peralatan refrigerasi sangat tergantung pada sifat-sifat refrigeran yang dipilih.

Sifat-sifat refrigeran meliputi karakteristik hubungan suhu-entropi cairan dan uap jenuh. Kelangkaan untuk kegiatan refrigerasi diperlukan untuk sifat-sifat termodinamika lainnya.

2a. Penurunan Tekanan (PressureDrop)

Aliran refrigeran selama melewati kondensor, evaporator dan pipa saluran akan mengalami penurunan tekanan (pressure drop). Juga selama proses berlangsung akan terjadi kehilangan atau peningkatan panas, tergantung pada perbedaan suhu antara suhu refrigeran dan suhu lingkungannya.

Di dalam evaporator terjadi pressure drop yang besar karena efek kumulatif dari dua faktor. Pertama, pressure drop dalam evaporator karena gesekan yang dinamakan pressure drop gesekan. Kedua, seiring dengan proses penguapan maka volume akan meningkat dan kecepatan juga meningkat. Kenaikan energi kinetik bersumber dari penurunan entalpi. Pressure drop yang terakhir ini dinamakan disebut sebagai pressure drop momentum.

Di dalam kondensor, pressure drop yang terjadi tidak nampak dengan jelas karena pressure drop gesekan adalah positif , sedangkan pressure drop momentum negatif. Kemungkinan ini terjadi karena adanya

kenaikan tekanan selama kondensasi akibat penurunan volume dan energi kinetik.

Akibat adanya berbagai macam pressure drop, maka kapasitas peralatan mengalami penurunan dan konsumsi tenaga per unit refrigerasi menngkat. Atas dasar ini maka nilai COP siklus aktual menurun.

Silinder kompresor biasanya lebih panas dari lingkungan sekitarnya sehingga terjadi kehilangan panas. Ini akan mengurangi kerja kompresi, sehingga pendinginan di kompresor freon akan dilakukan dengan udara melalui konveksi alami. Kompresor amonia menggunakan air untuk tujuan pendinginan.

2b. Tekanan Pengembunan dan Tekanan Penguapan

Tekanan penguapan sebaiknya positif dan sedekat mungkin dengan tekanan atmosfir. Jika tekanan penguapan terlalu rendah maka volume uap pada saat pengisapan akan menjadi besar. Tekanan positif diperlukan untuk menghilangkan kemungkinan masuknya udara dan air ke dalam sistem. Karena itu, titik didih refrigeran harus lebih rendah dari suhu refrigerasi.

Refrigeran R717 dan R22 adalah refrigeran bertekanan tinggi bila dibandingkan dengan refrigeran R12 dan refrigeran R134a. Rasio tekanan menunjukkan penurunan untuk setiap penurunan titik didih. Refrigeran R12 dan R22 memiliki rasio tekanan yang hampir sama.

Tabel 2. Perbandingan performansi refrigeran per kilowatt refrigerasi (Syarief M.A. dan Kumendong, J., 1992)

Nama Refrige-ran Tekanan Evaporator (MPa) Tekanan konden- sor (MPa) Rasio kom- presi Volume spesifik suction gas

(m3/kg)

Tenaga (power) (kW) COP R717 R12 R22 R134a 0.236 0.183 0.296 1.623 1.164 0.745 1.192 4.637 4.94 4.07 4.03 2.86 0.5106 0.0914 0.0774 0.206 0.207 0.213 0.210 0.364 4.84 4.69 4.75 2.74

E. TINJAUAN ATAS PENELITIAN SEBELUMNYA

Tahun 2002, Yumrutas et al., mengembangkan suatu model komputasi analisis eksergi untuk menyelidiki sistem refrigerasi kompresi uap dengan refrigeran amonia. Software EES (Engineering Equation Solver) digunakan sebagai alat perhitungan dan simulasi. Asumsi yang digunakan adalah aliran steady state, kerugian tekanan pada kompresor dan katup ekspansi diabaikan. Hasil yang diperoleh adalah sebagaimana Gambar 7 dibawah ini, dan dapat dinyatakan bahwa efisiensi eksergi meningkat dengan naiknya suhu evaporator dan menurunnya suhu kondensor.

Gambar 7. Persentase eksergi dan kerugian eksergi total sebagai fungsi suhu evaporator dan suhu kondensor

Boelman at.al., 2004, melakukan analisis terhadap definisi efisiensi eksergi pada alat penukar kalor sederhana untuk diterapkan pada peralatan yang beroperasi pada suhu lingkungan (To). Ia memperkenalkan parameter T’ sebagai suhu tak berdimensi (skalar). Ia menyatakan bahwa definisi efisiensi eksergi universal merupakan perbandingan antara jumlah eksergi yang keluar dari sistem dengan jumlah eksergi yang masuk ke dalam sistem, dan efisiensi eksergi fungsional adalah perbandingan antara perubahan eksergi produk dengan perubahan eksergi sumber.

Analisis energi merupakan pendekatan mendasar dan tradisional untuk menghitung proses konversi energi yang beragam. Analisisnya menggunakan konsep kekekalan energi. Namun pendekatan ini sudah kurang efisien untuk digunakan, karena mengabaikan perjalanan proses. Sebagai solusi digunakan pendekatan modern untuk mengalisis proses yang dikenal dengan analisis eksergi (Chengqin, 2003). Analisis eksergi pada pembekuan dapat ditinjau dari tiga aspek yaitu dari aspek proses pembekuan (Bruttini et. al.,2000, Tambunan et. al., 2003)), alat pembeku (Leidenfrost (1980), Yumrutas (2002)., Yang, et al., 2005), dan analisis eksergi yang berkaitan dengan refrigeran yang digunakan.

Untuk analisis eksergi pada alat refrigerasi dilakukan oleh Leidenfrost (1980) dimana dilakukan analisis eksergi pada sistem refrigerasi dengan refrigeran R-12. Metode yang digunakan adalah perhitungan dan perbandingan efisiensi eksergi alat refrigerasi sistem kompresi uap dengan beberapa jenis kondensor berbeda. Hasil yang diperoleh adalah sebagaimana tabel 3. Dari hasil penelitiannya dapat disimpulkan bahwa efisiensi eksergi paling besar untuk sistem kompresi uap terjadi pada kondensor dengan pendinginan evaporatif, dimana daya total yang digunakan sebesar 470.73 kW.

Tabel 3. Tabel hasil penelitian Leidenfrost, 1980 pada RH (relatifHumidity)

= 65%

Tipe Konden- sor

Perhitungan

Kondensor dengan Pendingin

udara lingkungan

Pendingin udara yang didinginkan

Pendingin air dengan air dari menara

pendingin

Pendinginan evaporatif

Daya (kW) 634.49 617.90 524.69 470.73

Efisiensi eksergi

(%) 29.12 29.91 35.22 39.26

Anggraheni, D. A. (2003) melakukan kajian energi pembekuan ikan patin dan daging ayam broiler dengan metode lempeng sentuh dan vakum. Dalam penelitian ini dilakukan perhitungan untuk mencari nilai laju pembekuan, laju konsumsi energi, besarnya eksergi pada pembekuan lempeng sentuh dan vakum.

Dari hasil perhitungan diperoleh nilai rata-rata laju pembekuan ikan patin dan daging ayam broiler dengan pembekuan lempeng sentuh berturut-turut sebesar 6.90 cm/jam dan 4.84 cm/jam. Sedangkan nilai rata-rata laju pembekuan ikan patin dengan pembekuan vakum sebesar 12.41 cm/jam dan ayam broiler sebesar 11.27 cm/jam. Besarnya laju konsumsi energi pembekuan lempeng sentuh ikan patin berkisar antara 298.03 kJ/kg sampai 385.07 kJ/kg. Input energi pada pembekuan vakum lebih besar, karena diperlukan energi untuk menurunkan tekanan oleh pompa vakum. Eksergi maksimum yang didapat selama proses pembekuan lempeng sentuh dan vakum ikan patin secara berurutan adalah 81.34 kJ/kg dan 93.57 kJ/kg, sedangkan untuk ayam broiler secara berurutan adalah 77.27 kJ/kg dan 81.36 kJ/kg. Eksergi pada pembekuan vakum lebih tinggi daripada lempeng sentuh, karena pada penghitungan eksergi pembekuan vakum dilibatkan besarnya tekanan yang telah dapat yang diturunkan.

III. METODE PENELITIAN

A. PENDEKATAN TEORITIK

Analisis eksergi merupakan suatu metoda analisis yang merupakan penerapan dari hukum termodinamika kedua yang digunakan untuk mengetahui efisien tidaknya suatu proses dalam penggunaan energi. Tujuan analisis eksergi adalah untuk mencari lokasi dalam proses yang energinya tidak efisien (Sutanto, 1985).

Analisis eksergi pada penelitian ini dilakukan dalam beberapa tahap, yaitu memasukkan data-data yang dibutuhkan (properti termodinamika refrigeran yang dipilih, suhu pada kondensor, temperatur evaporator, temperatur fluida pendingin kondensor, temperatur ruangan yang didinginkan, kapasitas refrigerasi dan efisiensi kompressor), tahap perhitungan oleh komputer, dan tahap tampilan hasil perhitungan. Refrigeran yang dipakai dalam analisis ini antara lain adalah refrigeran R717, refrigeran R12, refrigeran R22, dan refrigeran R134a.

Gambar 8. Skema sederhana tahapan simulasi

B. DATA MASUKAN

Proses analisis dan pengkajian eksergi ini dikerjakan dengan bantuan komputer menggunakan program Visual Basic versi 6.0. Model perhitungan yang berdasarkan pada analisis eksergi ini dilakukan untuk menyelidiki pengaruh perbedaan refrigeran terhadap eksergi yang hilang dan efisiensi hukum II thermodinamika daur refrigerasi sistem kompresi uap. Hasil dari penelitian ini menunjukkan bahwa jenis refrigeran mempunyai pengaruh yang kuat terhadap kehilangan eksergi total maupun eksergi dalam kompresor, katup ekspansi, evaporator dan kondensor.

Analisis eksergi pada penelitian ini dilakukan dalam beberapa tahap, memasukkan data input yang dibutuhkan (properti termodinamika refrigeran, temperatur pada kondensor, temperatur evaporator, temperatur fluida pendingin kondensor, temperatur ruangan yang didinginkan, kapasitas refrigerasi dan effisiensi kompressor), tahap perhitungan oleh komputer, dan

Sistem Refrigerasi Kompresi Uap

KAJIAN EKSERGI

Pemakaian refrigeran yang berbeda (R717, R12, R22, R134a)

Pengaruh suhu evaporasi dan suhu kondensasi Thermal Propertiesdari refrigeran yang dipilih

Kehilangan eksergi di setiap komponen mesin refrigerasi

tahap tampilan hasil perhitungan. Refrigeran yang dipakai dalam simulasi ini antara lain adalah refrigeran R717, refrigeran R12, refrigeran R22, dan refrigeran R134a.

Pada simulasi ini digunakan data-data dari sifat thermal properties dari setiap refrigeran yang digunakan (R717, R12, R22, R134a) yang diperoleh dari berbagai sumber, diantaranya internet, buku-buku yang terkait dan jurnal (dapat dilihat pada lampiran). Data-data tersebut diolah dan dimasukkan ke program aplikasi curve expert kemudian dibuat menjadi persamaan polynomial. Persaman-persamaan tersebut dimasukkan ke dalam program Visual Basic (VB 6.0) sehingga menjadi suatu simulasi scocastic (perkiraan).

C. DIAGRAM ALIR PERHITUNGAN

Mulai

Pilih refigeran (R717, R12, R22, R134a)

Sifat-sifat termal (Thermal properties) dari refrigeran yang dipilih

Masukkan suhu evaporasi (Tev) dan suhu kondensasi (Tcond yang diinginkan dan dikonversikan ke satuan

Kelvin (TevapK dan TcondK)

Tekanan di evaporator Pev (kPa) Tekanan di kondensor Pcd (kPa) Suhu yang keluar dari kompresor (Tcp-e)

Entalpi pada saat keluar kondensor h3 (kJ/kg)

Entalpi menuju evaporator berwujud cair h4-f (kJ/kg) Entalpi pada saat keluar dari evaporator h1 (kJ/kg)

Panas jenis refigeran dalam bentuk gas (Cpg) Entropi pada saat keluar evaporator S1 (kJ/kg.K)

Entropi pada saat keluar kondensor S3(kJ/kg.K)

Massa jenis refrigeran di kondensor (rho23) Massa jenis refrigeran evaporator (rho41) Massa jenis refrigeran (rho)

Volume spesifik di dalam pipa (vi) volume spesifik di luar pipa (vo)

s

= entropi spesifik

.sd = entropi pada saat keadaan

Entalpi pada saat keadaan super jenuh (h2s)

Entalpi pada saat keluar dari katup ekspansi (h4), kJ/kg Entalpi pada saat keluar dari kompresor (h2), kJ/kg

Tebal produk (x ), cm Molekul relatif (mr)

Entropi pada saat keluar kompresor (s2), kJ/kg.K Entropi menuju evaporator berwujud cair (s4f), kJ/kg.K Entropi pada saat keluar dari katup ekspansi (s4), kJ/kg.K entalpi menuju evaporator berwujud cair h4-f (kJ/kg)

a

Kecepatan rata-rata aliran refrigeran (vm) (Persamaan. 32)

Entropi pembangkitan pada proses kompresi(Sgen12) (Persamaan 7)

Kerja yang hilang pada proses kompresi(w12) (Persamaan 8)

Beban kondensor (qcon) (Persamaan 10)

Kerja yang hilang di kondensor (w23) (Persamaan 11)

Kerja yang hilang di katup ekspansi (w34) (Persamaan 12)

Beban kompresor (qc) (Persamaan 14)

Kerja yang hilang di evaporator (w41) (Persamaan 15)

Kerja kompresor isentropik (ws) (Persamaan 23)

Beberapa kerja yang hilang di kompresor (wm) (Persamaan 22)

Kecepatan rata-rata di kondensor (um23) (Persamaan 29)

Bilangan Reynold aliran refrigeran di kondensor (Re23) (Persamaan 27)

Koefisien gesekan(friction) aliran refrigeran di kondensor (fD23) (Persamaan 26)

b b

Kecepatan aliran massa maksimum di kondensor (G23) (Persamaan 31)

Jatuh tekanan di kondensor (∆P23) (Persamaan 29)

Kecepatan rata-rata di evaporator (um41) (Persamaan 29)

Bilangan Reynold aliran refrigeran di evaporator (Re41) (Persamaan 27)

Koefisien gesekan(friction) aliran refrigeran di evaporator (fD41) (Persamaan 26)

Kecepatan aliran massa maksimum di evaporator (G41) (Persamaan 31)

Jatuh tekanan di evaporator (∆P41) (Persamaan 30)

Kecepatan rata-rata di tumpukan pipa (um) (Persamaan 29)

Bilangan Reynold aliran refrigeran di tumpukan pipa(ReD) (Persamaan 27)

Koefisien gesekan(friction) aliran refrigeran di tumpukan pipa (fD) (Persamaan 26)

Kecepatan aliran massa maksimum di tumpukan pipa (GD) (Persamaan 31)

Jatuh tekanan di tumpukan pipa (∆PD) (Persamaan 30)

Kerja karena kehilangan tekanan di kondensor (Wf23) (Persamaan 21)

c

Gambar 9. Diagram alir simulasi eksergi sistem refrigerasi kompresi uap Kerja karena kehilangan tekanan di evaporator (Wf41)

(Persamaan 21)

Kerja aktual (Wac) (Persamaan 24)

Kerja dapat balik (Wrev) (Persamaan 6)

Kehilangan eksergi (Wl) (Persamaan 4)

Koefisien performansi (COP) (Persamaan 2)

Efisiensi eksergi (ηII) (Persamaan 5)

Lampiran 8. Tabel hasil perhitungan dengan program

Tabel 21. Nilai COP beberapa refrigeran pada variasi suhu evaporasi (pada suhu kondensasi 30 oC)

T evaporasi ( C )

COP

R717 R12 R22 R134a

-20 4.128 4.956 3.901 3.539

-18 4.42 5.229 4.135 3.666

-16 4.736 5.525 4.387 3.805

-14 5.08 5.848 4.663 3.96

-12 5.455 6.203 4.964 4.131

-10 5.864 6.593 5.295 4.322

-8 6.314 7.026 5.662 4.535

-6 6.809 7.507 6.07 4.774

-4 7.358 8.047 6.526 5.044

Tabel 22. Nilai COP beberapa refrigeran pada variasi suhu kondensasi (pada suhu evaporasi -20 oC)

T Kondensasi ( C )

COP

R717 R12 R22 R134a

24 4.802 5.813 4.542 4.39

26 4.559 5.502 4.309 4.077

28 4.335 5.217 4.096 3.795

30 4.128 4.956 3.901 3.539

32 3.936 4.716 3.723 3.305

34 3.758 4.494 3.558 3.092

36 3.592 4.290 3.406 2.897

38 3.438 4.100 3.265 2.717

Lampiran 8. (lanjutan)

Tabel 23. Nilai efisiensi eksergi beberapa refrigeran pada variasi suhu kondensasi (pada suhu evaporasi -20 oC)

T Kondensasi ( C )

Efisiensi eksergi (ηII) (%)

R717 R12 R22 R134a

24 14.2 12.7 12.6 9.6

26 13.9 12.5 12.4 9.2

28 13.7 12.3 12.2 8.9

30 13.5 12.1 11.9 8.5

32 13.3 11.9 11.8 8.2

34 13.5 11.8 11.6 7.8

36 12.8 11.6 11.4 7.5

38 12.6 11.4 11.2 7.1

40 12.4 11.2 11.0 6.8

Tabel 24. Nilai efisiensi eksergi beberapa refrigeran pada variasi suhu evaporasi (pada suhu kondensasi 30 oC)

T Evaporasi ( C )

Efisiensi eksergi (ηII) (%)

R717 R12 R22 R134a

-20 9.7 8.6 8.6 6.4

-18 10.2 9.0 9.0 6.7

-16 10.7 9.5 9.5 6.9

-14 11.2 9.9 9.9 7.3

-12 11.7 10.4 10.4 7.5

-10 12.2 10.8 10.8 7.8

-8 12.6 11.3 11.2 8.0

-6 13.1 11.7 11.6 8.3

Lampiran 9. Tampilan program saat memilih refrigeran R717

Gambar 34. Tampilan pertama saat memilih jenis refrigeran R717

Lampiran 10. Tampilan program saat memilih refrigeran R12

Gambar 36. Tampilan pertama saat memilih jenis refrigeran R12

Lampiran 11. Tampilan program saat memilih refrigeran R22

Gambar 38. Tampilan pertama saat memilih jenis refrigeran R22

Lampiran 12. Tampilan program saat memilih refrigeran R134a

Gambar 40. Tampilan pertama saat memilih jenis refrigeran R134a