Rancang Bangun Mesin Pendingin Tanpa Listrik Untuk Mendinginkan Sayur- Sayuran Dan Buah- Buahan Dengan Menggunakan Air Melalui Pipa Kapiler Sebagai Refrijeran
5
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Teknik Pendingin
Teknik pendingin atau teknik refrijerasi adalah semua teknik yang digunakan
untuk menurunkan temperatur suatu medium sampai lebih rendah daripada temperatur
lingkungannya[3]. Dalam melakukan proses penurunan suhu ini, maka sejumlah energi
dalam bentuk panas harus diambil dari medium tersebut dan dibuang ke lingkungan.
Secara alami, panas hanya akan berpindah dari medium yang temperaturnya lebih
tinggi ke medium yang temperaturnya lebih rendah. Dengan kata lain, perpindahan
panas dari medium yang dingin ke medium yang lebih panas tidak akan mungkin
terjadi secara alami. Maka untuk membuat proses ini terjadi, digunakanlah teknik
refrijerasi. Karena refrijerasi adalah sebuah proses yang bertujuan menurunkan
temperatur, maka proses ini sering disebut dengan istilah fungsi refrijerasi yang
artinya proses yang berfungsi menurunkan temperatur sampai dapat mencapai
temperatur lingkungan. Dalam teknik pendingin banyak menggunakan aliran
konveksi, dan aliran konveksi terbagi dua jenis aliran konveksi,yaitu aliran konveksi
alamiah dan konveksi paksa. Aliran konveksi alamiah adalah pergerakan atau aliran
energi kalor terjadi karena akibat perbedaan massa jenis[26]. Konveksi alamiah terjadi
pada sistem ventilasi rumah, peristiwa angin darat dan angin laut,serta aliran asap
pada cerobong asap pabrik. Aliran konveksi paksa adalah suatu kejadian dimana
aliran panas dipaksa dialirkan ke tempat yang dituju dengan bantuan alat tertentu,
misal dengan kipas angin atau blower[26]. Penelitian ini menggunakan prinsip
konveksi alamiah karena proses perpindahan panas yang dialami terjadi secara
langsung oleh temperatur lingkungan dan tidak menggunakan bantuan alat atau
Universitas Sumatera Utara
6
dikenai kerja untuk mengalirkan panas dan hanya meninjau efisiensi kalor yang
didapat dari perubahan kalor dari lingkungan ke kalor di dalam ruang lemari
pendingin.
2.1.1 Istilah-istilah dalam Teknik Pendingin
1. Tekanan
Tekanan ialah gaya yang bekerja secara vertikal pada bidang datar luas 1
cm2,oleh benda padat, cair atau gas. Pada umumnya satuan kg/cm.
2. Bahan Pendingin (Refrigerant).
Refrigerant adalah suatu zat yang mudah menguap dan berfungsi sebagai
penghantar panas dalam sirkulasi pada saluran instalasi mesin pendingin.
Bahan pendingin (refrigerant) adalah suatu zat yang mudah berubah wujud
dari gas menjadi cair atau sebaliknya. Dapat mengambil panas dari evaporator
dan membuangnya di kondensor. Untuk instalasi Refrigerator/kulkas, AC
dipakai freon R-12 atau R-22 sebagai refrigerant.
3. Efek Pendinginan adalah kemampuan membawa kalor dari bahan pendingin
atau jumlah kalor yang dapat diserap oleh 1 pound bahan pendingin waktu
mulai evaporator. Satuannya dalam K Cal/Kg.
4. Kapasitas Pendinginan untuk menyatakan efek pendinginan, banyaknya kalori
panas yang di serap dalam satuan waktu dinyatakan dengan K Cal/Jam.
5. Frost,
bila kita mendinginkan udara terus-menerus, volume uap air dalam udara
menjadi kecil, dan sebagian uap air yang menyentuh pada permukaan suatu
benda yang rendah suhunya akan berbentuk embun-es yang halus. Peristiwa
demikian disebut Frost.
Universitas Sumatera Utara
7
6. Dingin
Dingin adalah suhunya rendah atau tidak ada panas. Dingin adalah akibat dari
pengambilan kalor. Lemari es menghasilkan dingin dengan mengambil kalori
dari bagian dalamnya. Lemari es tidak dapat menghilangkan kalor, tetapi dapat
memindahkan melalui bahan pendingin.
7. Tekanan Maksimum
Temperatur Maksimum benda gas seperti freon, bila di beri tekanan dalam
silinder tertutup di bawah suhu udara bebas, menjadi uap air jenuh dan
akhirnya berubah menjadi cairan melalui fase pengembunan. Akan tetapi, bila
suhu naik sampai suatu derajat, gas tersebut tidak mengembun lagi sekalipun di
beri tekanan. Benda gas mempunyai batas kemampuan di mana sudah tidak
berdaya untuk mengubah fase gas ke fase cair. Temperatur yang terdapat pada
batas tersebut disebut temperatur maksimum dan tekanan pada gas yang terjadi
pada batas tersebut dikatakan tekanan maksimum.
8. Temperatur/Suhu adalah derajat panas atau tingkat kedinginan.Ukuran suhu
dinyatakan dengan angka ini disebut seperti
0
C (derajat celcius),0F
(Fahrenheit).
9. Kalor (Panas ) adalah energi yang diterima oleh benda,sehingga suhu benda atau
wujudnya berubah.Jika kalor dilepaskan suhu dibenda akan turun.Kalor adalah
suatu
bentuk
energi
yang
dapat
dipindahkan,tretapi
tidak
dapat
dihilangkan.Satuan dari kalor joule (J).
2.1.2
Aplikasi Teknik Pendingin
Di dunia ini baik bidang engineering maupun bidang sosial, banyak
bidang yang menginginkan kondisi dengan temperatur lingkungan bahkan rela
Universitas Sumatera Utara
8
mengorbankan banyak biaya untuk mendapatkan kondisi lebih dingin dari
lingkungan.Berikut adalah aplikasi dari refrijerasi :
Industri
Manufaktur,
misalnya untuk
mendinginkan fluida
yang
disemprotkan pada kontak antara mesin perkakas dengan logam yang
diproses.
Industri Makanan, misalnya penurunan temperatur agar bakteri tidak dapat
berkembang biak dan membekukan makanan.
Industri Pengeringan, misalnya mengurangi kandungan uap air di udara
dengan mendinginkannya sampai di bawah temperatur saturasi.
Industri Konstruksi, misalnya dalam pembuatan balok-balok concrete
yang mendinginkan dulu komponennya agar setelah selesai dicetak,
thermal stress di dalam balok akan kecil.
Industri Pengkondisian Udara, misalnya mengkondisikan udara ruangan
agar nyaman dengan menurunkan suhu dan kelembabannya.
2.1.3
Sejarah Teknik Pendingin
Sejarah teknik pendinginan berkembang sejalan dengan perkembangan
peradaban manusia di wilayah sub-tropik. Secara alamiah, manusia yang
tinggal di wilayah sub-tropik menyadari bahwa bahan pangan yang mudah
rusak ternyata dapat disimpan lebih lama dan lebih baik pada saat musim
dingin dibandingkan dengan pada saat musim panas. Kesadaran inilah yang
memandu manusia pada saat itu mulai memanfaatkan “es alam” untuk
memperpanjang masa simpan bahan pangan yang mudah rusak[4].
Universitas Sumatera Utara
9
Penggunaan es alam ini bahkan masih dilakukan hingga abad ke-20, dan
bahkan menurut catatan IIR (Intenational Institute of Refrigeration) hingga awal abad
ke-20 penggunaan es alam masih lebih banyak dibandingkan “es buatan”[2]. Es alam
adalah es yang dihasilkan tanpa peralatan refrijerasi, baik yang diperoleh dari sungai
atau danau yang membeku pada musim dingin atau yang sengaja dibekukan secara
alamiah akibat radiasi termal dari permukaan air ke langit[4].
Di wilayah dengan kelembaban udara yang rendah, seperti Timur Tengah,
sejarah pendinginan dimulai dengan pendinginan evaporatif, yaitu dengan
menggantungkan tikar basah di depan pintu yang terbuka untuk mengurangi panasnya
udara dalam ruangan. Pada abad ke-15, Leonardo da Vinci telah merancang suatu
mesin pendingin evaporatif ukuran besar. Konon, mesin ini dipersembahkan untuk
Beatrice d’Este, istri Duke of Milan (Pita, 1981). Mesin ini mempunyai roda besar,
yang diletakkan di luar istana, dan digerakkan oleh air (sekali-sekali dibantu oleh
budak) dengan katup-katup yang terbuka-tutup secara otomatis untuk menarik udara
ke dalam drum di tengah roda. Udara yang telah dibersihkan di dalam roda dipaksa
keluar melalui pipa kecil dan dialirkan ke dalam ruangan[4].
Perkembangan teknik pendinginan selanjutnya masih terjadi secara tidak
sengaja, yaitu penggunaan larutan air-garam untuk mendapatkan suhu yang lebih
rendah. Menurut catatan Ibn Abi Usaibia, seorang penulis Arab, penggunaan larutan
air-garam ini sudah dilakukan di India sekitar abad ke-4. Garam yang digunakan pada
larutan tersebut adalah potasium nitrat, sebagaimana dicatat oleh seorang dokter Italia
bernama Zimara pada tahun 1530 dan dokter Spanyol bernama Blas Villafranca pada
tahun 1550. Fenomena pencampuran garam pada salju untuk mendapatkan suhu lebih
Universitas Sumatera Utara
10
rendah baru dapat dijelaskan oleh Battista Porta pada tahun 1589 dan Trancredo pada
tahun 1607[4].
Teknik pendinginan mulai berkembang secara ilmiah sejak abad ke-17,
dimulai dari penelitian tentang pemantulan melalui efek panas dan dingin yang
dilakukan oleh Robert Boyle (1627-1691) di Inggris dan Mikhail Lomonossov (17111765) di Rusia. Selanjutnya, penelitian mengenai termometri yang dimulai oleh
Galileo dikembangkan kembali oleh Guillaume Amontons (1663-1705) di Perancis,
Isaac Newton (1642-1727) di Inggris, Daniel Fahrenheit (1686-1736) orang German
yang bekerja di Inggris dan Belanda, René de Réaumur (1683-1757) di Perancis dan
Anders Celsius (1701-1744) di Swedia. Tiga ilmuwan yang disebutkan terakhir
merupakan penemu sistem skala pengukuran suhu, dan masing-masing namanya
diabadikan pada sistem skala tersebut yaitu Fahrenheit, Reaumur dan Celsius. Setelah
Anders Celsius menemukan termometer skala centesimal pada tahun 1742 di Swedia,
disepakati bahwa sistem skala yang digunakan pada Sistem Internasional adalah
Celsius[4].
Pada awal abad ke-18, William Cullen (1710-1790) menemukan terjadinya
penurunan suhu pada saat ethyl ether menguap. Cullen, bahkan, pada tahun 1755
berhasil mendapatkan sedikit es dengan cara menguapkan air di labu uap. Murid dan
penerus Cullen, yaitu seorang Scotland yang bernama Joseph Black (1728-1799)
berhasil menjelaskan pengertian panas dan suhu, sehingga sering dianggap sebagai
penemu kalorimetri. Bidang ini akhirnya dikembangkan dengan sangat baik oleh para
ilmuwan Perancis, seperti Pierre Simon de Laplace (1749-1827), Pierre Dulong
(1785-1838), Alexis Petit (1791-1820), Nicolas Clément-Desormes (1778-1841) dan
Victor Regnault (1810-1878) [4].
Universitas Sumatera Utara
11
Tulisan Sadi Carnot (1796-1832), seorang Perancis, yang sangat terkenal pada
tahun 1824 menjadi inspirasi bagi banyak penelitian yang dilakukan mengenai
berbagai konsep termodinamika dan sistem pendinginan, termasuk James Prescot
Joule (Inggris, 1818-1889), Julios von Mayer (Jerman, 1814-1878), Herman von
Helmholtz (Jerman, 1821-1894), Rudolph Clausius (Jerman, 1822-1888), Ludwig
Boltzmann (Austria, 1844-1906), dan William Thomson (Lord Kelvin, Inggris, 18241907) [4].
Penemuan-penemuan di atas menjadi awal yang sangat berharga dalam sejarah
penemuan mesin-mesin pendinginan dan zat-zat pendinginnya. Perkembangan ini
dimulai dengan mesin pendingin mekanis, setelah seorang Amerika bernama Oliver
Evans (1755-1819) mampu menjelaskan siklus refrijerasi kompresi uap. Pada tahun
1835, seorang Amerika lainnya yang bekerja di Inggris yaitu Jacob Perkins (17661849) berhasil mendapatkan paten untuk mesin pendingin temuannya yang bekerja
berdasarkan siklus kompresi uap tersebut[4].
Fluida kerja (refrijeran) yang digunakan Perkins pada mesin pendinginnya
tersebut adalah ethyl ether. James Harrison (1816-1893), seorang Skotlandia yang
pindah ke Australia, berhasil membuat mesin pendingin yang dapat bekerja dengan
baik pada skala industrial. Mesin tersebut dipatenkan oleh Harrison pada tahun 1855,
1856, dan 1857. Mesin pendingin Harrison, yang diproduksi di Inggris, masih
menggunakan ethyl ether sebagai fluida kerja, dan mampu menghasilkan es maupun
larutan pendingin (refrijeran sekunder) [4].
Dengan ditemukannya mesin pendingin sistem kompresi uap, terjadi
perkembangan yang cepat dalam penemuan zat-zat pendingin (refrijeran). Charles
Tellier (1828-1913), seorang Perancis, memperkenalkan penggunaan dimethyl ehter
Universitas Sumatera Utara
12
sebagai refigeran. Pada tahun 1862, Tellier juga meneliti penggunaan amonia (NH3)
sebagai refrijeran, meskipun penggunaannya secara luas pada skala industrial baru
dapat dilakukan oleh seorang Jerman Carl von Linde (1842-1934). Refrijeran amonia
masih banyak digunakan hingga sekarang, khususnya pada industri pembekuan
pangan[4].
Thaddeus Lowe (1832-1913) mulai menggunakan karbon-dioksida (CO2)
sebagai refrijeran. Meskipun sempat ditinggalkan, penggunaan karbon-dioksida
belakangan ini kembali dikembangkan sebagai refrijeran yang ramah lingkungan.
Sulfur-dioksida (SO2) pertama kali digunakan sebagai refrijeran oleh ahli fisika Swiss
Raoul Pierre Pictet (1846-1929), tetapi akhirnya tidak digunakan lagi sesaat sebelum
perang dunia II. Metil-klorida (Ch3Cl) juga digunakan oleh orang Perancis C.
Vincent sebagai refrijeran pada tahun 1878, meskipun akhirnya hilang dari peredaran
pada tahnun 1960-an[4].
Didasarkan pada hasil penelitian Swarts yang dilakukan selama kurun 18931907 di Ghent, suatu tim peneliti Frigidaire Corporation di Amerika, yang dipimpin
oleh Thomas Midgley berhasil mengembangkan refrijeran fluoro-carbon pertama
pada tahun 1930. Refrijeran fluoro-carbon dianggap sebagai refrijeran yang aman
karena tidak bersifat toksik dan tidak mudah terbakar. Refrijeran CFC (chloro-fluorocarbon) pertama, yaitu R12 (CF2Cl2) mulai dilepas ke pasar pada tahun 1931, diikuti
dengan refrijeran HCFC (hidro-chloro-fluoro-carbon) pertama, yaitu R22 (CHF2Cl)
pada tahun 1934. Pada tahun 1961, campuran azeotropik pertama, yaitu R502
(R22/R115), diperkenalkan ke pasar sebagai refrijeran[4].
Refrijeran CFC, khususnya R12, dianggap sebagai zat yang sangat istimewa
sebagai fluida kerja mesin pendingin sistem kompresi uap, hingga pemenang Nobel
Universitas Sumatera Utara
13
dari Amerika (F.S. Rowland dan M.J. Molina) mempublikasikan hasil penelitiannya
pada tahun 1974. Rowland dan Molina menyimpulkan bahwa klorin yang dilepaskan
oleh zat halogenasi hidrokarbon menyebabkan terjadinya perusakan lapisan ozon di
angkasa. Untuk menganggapi temuan ini, pada tahun 1987 telah disepakati Protokol
Montreal mengenai pelarangan penggunaan zat-zat yang bersifat merusak lapisan
ozon[4].
Refrijeran CFC dan HCFC termasuk pada kategori zat perusak ozon, sehingga
penggunaannya sebagai refrijeran juga dilarang. Sebagai gantinya, disarankan
penggunaan HFC (hidro-fluoro-carbon), yaitu refrijeran yang dihalogenasi tapi tidak
diklorinasi. Akan tetapi, refrijeran HFC, baik yang murni (R134a) maupun
campurannya (R410A, R407A, R404A, dll), juga menimbulkan efek lingkungan yaitu
pemanasan global. Pada Protokol Kyoto, yang ditanda-tangani pada 11 Desember
1997, refrijeran HFC termasuk zat yang dilarang peredarannya karena menyebabkan
pemanasan global. Indonesia, sebagai negara yang ikut meratifikasi Protokol
Montreal maupun Protokol Kyoto, berkewajiban untuk melaksanakan setiap fasal
dalam protokol yang disepakati tersebut[4].
Perkembangan lain dalam sistem kompresi uap adalah pada komponen
peralatannya. Pada awalnya mesin pendingin sistem kompresi uap menggunakan
kompresor dengan piston yang besar dan lambat, tetapi sejak akhir abad ke-19
berubah menjadi lebih ringan dan cepat. Pada tahun 1934 A. Lysholm berhasil
mengembangkan kompresor ulir dengan rotor ganda di Swedia, sedangkan pada tahun
1967 B. Zimmern mengembangkan kompresor ulir rotor tunggal di Perancis[4].
Kompresor scroll sebenarnya telah dipatenkan oleh seorang Perancis bernama
Leon Creux pada tahun 1905, tetapi baru dapat dikembangkan pada tahun 1970-
Universitas Sumatera Utara
14
an. Kompresor sentrifugal dikembangkan atas dasar penelitian seorang Perancis
bernama Auguste Rateau tahun 1890 dan orang Amerika bernama Willis Carrier
tahun 1911.
Kompresor hermetik dikembangkan untuk mengatasi kebocoran
refrijeran oleh Father Audiffren pada tahun 1905 di Perancis, dan digunakan sangat
banyak saat ini[4].
2.1.4
Sistem Kerja Teknik Pendingin atau Refrijerasi
Pada dasarnya sistem refrijerasi dibagi menjadi dua[5], yaitu:
1. Sistem refrijerasi mekanik
Sistem refrijerasi ini menggunakan mesin-mesin penggerak atau dan alat
mekanik lain dalam menjalankan siklusnya. Yang termasuk dalam sistem
refrijerasi mekanik di antaranya adalah:
a. Siklus Kompresi Uap (SKU)
b. Refrijerasi siklus udara
c. Kriogenik/refrijerasi temperatur ultra rendah
d. Siklus sterling
2. Sistem refrijerasi non mekanik
Berbeda dengan sistem refrijerasi mekanik, sistem ini tidak memerlukan
mesin-mesin penggerak seperti kompresor dalam menjalankan siklusnya.
Yang termasuk dalam sistem refrijerasi non mekanik di antaranya:
a. Refrijerasi tradisional
b. Refrijerasi termoelektrik
c. Refrijerasi siklus absorbsi
d. Refrijerasi steam jet
e. Refrijerasi magnetic dan Heat pipe
Universitas Sumatera Utara
15
Dari sekian banyak jenis-jenis sistem refijerasi, yang paling umum digunakan
adalah refrijerasi dengan sistem kompresi uap. Namun seiring dengan berkembangnya
teknologi, para ilmuwan sedang berusaha mengembangkan teknologi mesin pendingin
yang lebih ramah lingkungan. Dimulai dari pengembangan mesin pendingin hemat
energi, dimana konsumsi listrik oleh refrijerasi ditekan hingga sekecil mungkin. Pada
masa kini, banyak ilmuwan mulai menciptakan mesin pendingin tanpa listrik dimana
tanpa listrik sekalipun barang- barang seperti sayur- sayuran dan buah- buahan dapat
terjaga kesegarannya selalu. Teknik pendingin ini sebenarnya telah lama ditemukan
dan digunakan oleh manusia terutama manusia yang tinggal di daerah tropis.
2.2
Mesin Pendingin
Mesin Pendingin adalah suatu peralatan yang digunakan untuk mendinginkan
air, atau peralatan yang berfungsi untuk memindahkan panas ke suatu tempat yang
temperaturnya lebih tinggi.Di dalam sistem pendinginan dalam menjaga temperatur
rendah memerlukan pembuangan kalor dari produk pada temperatur rendah ke tempat
pembuangan kalor yang lebih tinggi
[4]
.Sekarang ini terdapat berbagai jenis mesin
pendingin,antara lain :
Pendingin Ruangan (AC)
Mesin pendingin jenis ini dipakai untuk menyejukkan hawa atau udara
didalam ruangan seperti kantor, bar, bioskop, dan dipakai juga dalam
kendaraan seperti mobil,gerbong kereta api, bus, kamar kapal laut,
kapal udara, dan lain sebagainya.
Universitas Sumatera Utara
16
Refrigerator (Kulkas)
Mesin ini pada umumnya digunakan dalam rumah tangga. Fungsi
utama dari mesin ini adalah meningkatkan daya tahan buah-buahan,
sayur-sayuran serta bahan makanan yang lainnya agar tetap segar.
Freezer (Lemari Pendingin)
Mesin pendingin jenis ini banyak digunakan direstoran-restoran. Pada
umumnya, mesin ini digunakan untuk membuat es.
2.3
Refrijerasi Tradisional
Sistem
refrijerasi
tradisional
telah
banyak
ditinggalkan
dikarenakan
berkembangnya jaman. Sistem refrijerasi yang paling banyak digunakan pada jaman
sekarang adalah refrijerasi yang menggunakan siklus kompresi uap (SKU). Namun
beberapa jenis sistem pendingin tradisional masih digunakan hingga sekarang dengan
tujuan tertentu. Misalnya, pedagang sayur dan buah masih menggunakan sistem
pendingin tradisional. Sayur sayur atau buah- buah yang belum terjual habis disimpan
di dalam karung goni dan kemudian karung goni tersebut dibasahi dengan air. Dengan
begitu, suhu dalam goni akan tetap terjaga dan kadar air daripada sayur atau buah juga
terjaga.Namun sistem pendinginan dengan goni ini kurang higienis.
Selain penggunaan goni, juga ada sistem pendingin dengan menggunakan
pot.Pendingin dari pot ini ditemukan oleh Mohammed Bah Abba, pria berkebangsaan
Nigeria[6]. Kerja kerasnya mampu menyelamatkan jutaan hidup warga afrika yang
hidup didaerah terpencil dan sangat membutuhkan sistem pengawetan bahan makanan
sederhana dimana didaerah tersebut belum ada instalasi listrik. Dengan sistem
pendingin yang diciptakanya tomat dan cabai merah dapat bertahan selama tiga
minggu, sedangkan terong dapat bertahan dalam keadaan layak makan selama 27 hari.
Universitas Sumatera Utara
17
Sistem pendingin pot-in-pot dibuat dengan menempatkan pot yang terbuat dari
tanah liat (tembikar) ke dalam pot tembikar yang lebih besar. Ruang diantara kedua
pot kemudian diisi bahan pasir basah yang terjaga kelembapanya. Evaporasi dari pasir
basah pada ruang antara pot kecil dan pot besar menyebabkan efek dingin pada area
dalam pot kecil. Sangat sederhana namun dapat berkerja sebagai pendingin. Gambar
2.1 merupakan gambar pendingin dengan sistem pot-in-pot.
Gambar 2.1. Pendingin Tradisional Sistem Pot-In-Pot[6]
Mohammed Bah Abba juga mengatakan bahwa dari hasil percobaan tersebut
diketahui bahwa sistem pendingin ini dapat mencapai suhu 19,4°C dalam waktu 13
jam. Data hasil pengukuran pada pendingin pot-in pot ditampilkan pada tabel 2.1
Universitas Sumatera Utara
18
Tabel 2.1. Hasil pengukuran menggunakan termometer pada pendingin sistem pot-in-pot[6] :
Di
Waktu pendinginan
Suhu dalam pot (°C)
Suhu udara luar (°C)
15 menit
23,7
23,8
20 menit
23,6
24,0
30 menit
23,2
23,8
45 menit
21,7
24,7
1 jam
21,0
24,8
1 jam 15 menit
20,4
25,0
1 jam 30 menit
20,1
24,7
1 jam 40 menit
19,9
24,7
2 jam 30 menit
19,5
24
2 jam 40 menit
19,4
24.4
13 jam
19,4
25
China,
tepatnya
Shanghai,
ilmuwan-
ilmuwan
bekerja
keras
dalam
mengembangkan mesin pendingin tanpa listrik yang dapat digunakan oleh masyarakat
kelas menengah ke bawah untuk mendinginkan makanan mereka. Pada musim
kemarau, suhu di daerah terbuka pada siang hari dapat mencapai 41°C dan pada
malam hari sekitar 37°C. Hal ini tentu saja menyebabkan makanan cepat rusak.
Gambar 2.2. menunjukkan mesin pendingin yang dirancang oleh seorang ilmuwan
asal China dimana lemari pendingin ini tidak menggunakan listrik dan refrijeran.
Mesin pendingin ini hanya memanfaatkan air sebagai media pendingin . Refrijerasi
ini dapat dikatakan menggunakan sistem evaporasi dan memanfaatkan cuaca dalam
menghasilkan dingin[7].
Universitas Sumatera Utara
19
Gambar 2.2. Lemari Pendingin Tradisional dengan Air Sebagai Media Pendingin[7]
2.4
Refrijeran, Media Pendingin dan Absorbent
Refrijeran adalah fluida fluida kerja utama pada suatu siklus refrijerasi yang
bertugas menyerap panas pada temperatur dan tekanan rendah dan membuang panas
pada temperatur dan tekanan tinggi[8] .Umumnya refrijeran mengalami perubahan fasa
dalam suatu siklus kecuali pada siklus gas.
Media pendingin (cooling media ) adalah media yang digunakan untuk
mengantarkan efek refrijerasi ke tempat yang membutuhkan[8].Hal ini dapat
dijelaskan sebagai berikut. Sistem pendingin udara pada unit yang besar, seperti
bangunan komersial, menempatkan siklus pendingin terpusat pada suatu tempat. Dan
ruangan yang menggunakan efek refrijerasi relatif jauh dari unit ini, untuk keperluan
ini adalah lebih baik menggunakan medium lain daripada harus menggunakan
medium lain daripada harus mensirkulasikan refrijeran ke tiap ruangan. Medium yang
lain inilah yang disebut sebagi medium pendingin atau sering juga disebut sebagai
refrijeran sekunder. Medium yang biasanya sering digunakan adalah air, glycol, dan
larutan garam.
Universitas Sumatera Utara
20
Cairan absorben (liquid absorbent) adalah cairan yang digunakan untuk
menyerap uap refrijeran dan membentuk ikatan kimia (chemical bonding).
Kemampuan absorben mengikat refrijeran ini disebut sebagai afinitas. Istilah ini
jarang digunakan dan hanya dapat ditemui pada siklus absorpsi. Zat yang umum
digunakan sebagai absorbent antara lain : Air, Lithium Bromida (LiBr), dan
Amonia[8].
2.4.1 Syarat Refrijeran ( Bahan Pendingin)
Suatu bahan pendingin mempunyai syarat–syarat untuk keperluan proses
pendinginan antara lain[9] :
a. Tidak beracun dan tidak berbau dalam semua keadaan.
b. Tidak dapat terbakar atau meledak bila bercampur dengan udara, minyak
pelumas dan sebagainya
c. Tidak menyebabkan korosi terhadap bahan logam yang dipakai pada sistem
pendingin.
d. Bila terjadi kebocoran mudah diketahui dengan alat–alat yang sederhana
maupun dengan alat detector kobocoran
e. Mempunyai titik didih dan tekanan kondensasi yang rendah
f. Mempunyai kalor laten penguapan yang besar, agar panas yang diserap
evaporator sebesar–besarnya.
g. Viskositas dalam fase cair maupun fase gas rendah agar aliran refrijeran dalam
pipa sekecil mungkin.
h. Harganya tidak mahal dan mudah diperoleh.
i. Konduktifitas thermal yang tinggi.
Universitas Sumatera Utara
21
j. Konstanta dieletrika dari refrijeran yang kecil, tahanan lisrtrik yan besar, serta
tidak menyebabkan korosi pada material isolator listrik.
2.4.2 Jenis- Jenis Refrijeran
Secara umum, refrijeran terbagi atas 2 jenis yaitu[9] :
1. Refrijeran Primer
Refrijeran adalah zat yang berfungsi sebagai media pendingin dengan
menyerap kalor dari benda atau bahan lain seperti air atau udara ruangan,
sehingga refrijeran tersebut dapat dengan mudah merubah phasanya dari cair
menjadi gas. Sedangkan pada saat terjadinya pelepasan kalor oleh refrijeran
terjadi perubahan phasa dari gas bertekanan tinggi jenuh menjadi
cair.Refrijeran primer yang biasa digunakan dapat digolongkan sebagai
berikut:
a. Senyawa Halokarbon
Refrijeran yang memiliki satu atau lebih atom dari salah satu halogen yang
tiga (klirin, fluorin, bromin). Ketentuan bilangan, nama kimia, dan rumus
kimia sejumlah anggota kelompok ini yang ditemukan diperdagangan
Universitas Sumatera Utara
22
Tabel 2.2. Senyawa Halokarbon[9]
Ketentuan
Panorama
Nama Kimia
Rumus Kimia
R-11
R-12
R-13
R-22
R-40
R-113
R-114
Trikloromonofluorometana
Diklorodifluorometana
Monoklorotrifluorometana
Monoklorodifluorometana
Meniklorida
Triklorotrifluoroetan
Diklorotetrafluoroetana
CCl3F
CCl2F2
CClF3
CHClF2
CCH3Cl
CCl2FCClF2
CClF2CClF2
b. Senyawa Anorganik
Senyawa anorganik sering digunakan pada masa awal perkembangan bidang
refrijerasi dan pengkondisian udara.Beberapa senyawa anorganik diuraikan
pada tabel 2.3
Tabel 2.3. Senyawa Anorganik[9]
Ketentuan
Panorama
Nama Kimia
Rumus Kimia
717
718
729
744
764
Amoniak
Air
Udara
Karbondioksida
Sulfur dioksida
NH3
H2O
O2
CO2
SO2
c. Senyawa Hidrokarbon
Banyak senyawa hidrokarbon yang cocok digunakan sebagai refrijeran,
khususnya dipakai untuk industri perminyakan dan petrokimia.
d. Azeotrop
Campuran Azeotrop dua substansi adalah campuran yang tidakdapat
dipisahkan menjadi komponen-komponennya dengan caradestilasi. Azeotrop
menguap dan mengembun sebagai substansitunggal yang sifatnya berbeda
Universitas Sumatera Utara
23
dengan sifat pembentukannya. Azeotrop yang paling banyak dikenal adalah R502 yang merupakan campuran 48,8% R-22 dan 51,2% R-115.
2. Refrijeran sekunder
Refrijeran sekunder adalah fluida yang mengangkut kalor dari bahan yang
sedang didinginkan ke evaporator pada sistem refrijerasi. Refrijeran sekunder
mengalami perubahan temperatur bila menyerap kalor dan membebaskannya
pada evaporator, tetapi tidak mengalami perubahan phasa. Anti beku yang
banyak digunakan adalah larutan air dan glikol etalin, glikol propelin, ataupun
kalsium klorida. Salah satu sifat larutan anti beku yang penting adalah titik
pembekuannya.
Berikut ini adalah jenis-jenis refrigran dan penggunaannya.
a. Udara
Penggunaan umum refrigran udara sebagai refrigran adalah di pesawat
terbang,sistem udara yang ringan menjadi kompensasi bagi COP-nya yang
rendah.
b. Ammonia
Jenis ini digunakan pada instalasi suhu rendah pada industri besar. Banyak
sistem ammonia yang baru, mulai yang digunakan pada setiap tahun.
c. Karbondioksida
Refrigran ini kadang-kadang digunakan untuk pembekuan dengan cara
sentuhan langsung dengan bahan makanan. Tekanan pengembunannya yang
tinggi biasanya membatasi penggunaannya hanya pada bagian suhu yang
rendah dalam sistem kaskada (Cascade), yang untuk bagian suhu tingginya
digunakan refrigran lain.
Universitas Sumatera Utara
24
d. Refrijran 11
Bersama dengan refrijran 113, refrijran ini populer untuk sistem-sistem
kompresor tunggal.
e. Refrijran 12
Refrijran ini terutama digunakan dengan kompressor torak untuk melayani
refrijerasi rumah tangga dan didalam pengkondisian udara kendaraan otomotif.
f. Refrijran 22
Karena biaya kompressor dapat lebih murah jika menggunakan refrijran 22
dibandingkan dengan refrigran 12, maka refrijran ini telah banyak mengambil
peranan refrijran 12 untuk keperluan pengkondisian udara.
g. Refrijran 502
Refrijran ini adalah jenis refrijran yang terbaru, dengan sejumlah keuntungan
seperti yang dimiliki refrijran 22, tetapi mempunyai kelebihan dari sifatnya
terhadap minyak, dan suhu buang (discharge temperature) yang lebih rendah
dibanding refrijran 22.
2.5
Air Sebagai Media Pendingin
Air merupakan kebutuhan penting dalam proses produksi dan kegiatan lain
dalamsuatu industri. Penggunaan air industri dapat memanfaatkan air permukaan, air
sebagai sumberair. Penggunaan air permukaan dan air tanah mengharuskan untuk
mengolah air. Air merupakan kebutuhan penting dalam proses produksi dan kegiatan
lain dalam suatuindustri.[10] Untuk itu diperlukan penyediaan air bersih yang secara
kualitas memenuhi standaryang berlaku dan secara kuantitas dan kontinuitas harus
memenuhi kebutuhan industri sehingga proses produksi tersebut dapat berjalan
dengan baik. Dengan adanya standar baku mutu untuk air bersih industri, setiap
industri memiliki pengolahan air sendiri-sendiri sesuai dengan kebutuhan industri .[10]
Universitas Sumatera Utara
25
Air sebagai media pendingin telah digunakan sejak lama. Bahkan sebelum
ditemukannya jenis- jenis refrijeran lainnya, air telah digunakan sebagai media
pendingin. Pada masa sekarang ini, pengggunaan air sebagai media pendingin telah
semakin berkurang dikarenakan kemampuan air dalam menurunkan suhu lebih lambat
daripada refrijeran lainnya. Namun dikarenakan beberapa hal, air juga memiliki
beberapa keunggulan jika dibandingkan dengan refrijeran- refrijeran lainnya.
Beberapa faktor yang membuat air menjadi coolant yang baik adalah :
1. Sangat berlimpah dan tidak mahal
2. Dapat ditangani dengan mudah dan aman digunakan
3. Dapat membawa panas per unit volume dalam jumlah besar
4. Mengalami pengembangan atau penyusutan volume dalam jumlah cukup kecil
pada perubahan suhu dalam range normal
5. Tidak bersifat beracun dan ramah lingkungan
Pada umumnya air digunakan sebagai media pendingin karena faktor- faktor
sebagai berikut :
1. Air merupakan materi yang mudah diperoleh dalam jumlah besar
2. Mudah dalam pengaturan dan pengolahan
3. Menyerap panas cukup tinggi per satuan volume
4. Tidak mudah menyusut secara berarti dalam batasan dengan adanya
perubahan temperatur pendingin
Universitas Sumatera Utara
26
Adapun syarat- syarat air yang digunakan sebagai media pendingin :
1. Jernih, maksudnya air harus bersih, tidak terdapat partikel- partikel kasar
yaitu batu, kerikil, atau partikel- partikel halus seperti pasir, tanah dan lumut
yang menyebabkan air kotor
2. Tidak menyebabkan korosi
2.6
Pemilihan Kayu Sebagai Bahan Dasar dalam Pembuatan Rangka Mesin
Pendingin Tanpa Listrik
Kayu adalah batang atau cabang serta ranting tumbuhan yang telah mengeras
dan mengalami lignifikasi (pengayuan). Kayu terbentuk akibat akumulasi selulosa
dan lignin pada dinding sel berbagai jaringan pada batang. Kayu banyak digunakan
dalam kehidupan sehari- hari mulai dari memasak, pembuatan perabot rumah tangga
( meja, kursi dan lain lain), bahan bangunan ( pintu, jendela dan lain- lain), bahan
utama pembuatan kertas dan lain- lain.[11]
Penggunaan kayu sebagai bahan dasar dalam pembuatan rangka lemari
pendingin tanpa listrik ini didasari oleh beberapa hal antara lain:
1. Kayu mudah didapatkan
2. Mudah dibentuk dan tidak memerlukan keahlian yang cukup tinggi dalam
proses pengolahannya (Bila dibandingkan dengan pembuatan mesin pendingin
dari logam lainnya yang memerlukan keahlian khusus dalam penempaannya)
3. Kayu sangat kokoh dan tahan lama (Bergantung pada jenis kayu yang
digunakan)
4. Tujuan pembuatan lemari pendingin tanpa listrik ini adalah agar dapat
diaplikasikan oleh masyarakat pedesaan atau kurang mampu dalam
Universitas Sumatera Utara
27
menyimpan makanan berupa sayur atau buah sehingga tahan lama. Oleh
karena itu, penggunaan kayu sebagai bahan dasar juga merupakan salah satu
opsi yang bagus dalam pembuatan rangkanya.
Salah satu syarat utama daripada kayu yang boleh digunakan dalam
pembuatan rangka lemari pendingin ini adalah kayu harus tahan air. Hal ini
dikarenakan rangka kayu ini juga memiliki kontak langsung dengan air. Untuk
mencegah kelapukan pada kayu, pemilihan kayu juga merupakan salah satu hal yang
penting. Kayu- kayu yang tahan air antara lain[12] :
1. Kayu bingkarai
2. Kayu ulin
3. Kayu jati
4. Kayu Ingul
Kayu bingkarai adalah kayu yang memilki kualitas cukup tinggi. Selain itu,
kayu bingkarai mudah diproses seperti diserut, dipotong dan diukir sehingga kayu
jenis ini masuk ke dalam katagori kayu pertukangan. [11] Kayu ini juga dikenal sebagai
kayu yang tahan terhadap cuaca ( tahan panas dan dingin serta hujan). Kekerasan
kayu Bangkirai cukup tinggi, antara 880-990 kg/m3 (pada level MC 12%). Gambar
2.3. [11] menunjukkan gambar kayu bingkarai.
Gambar 2.3. Kayu Bingkarai[11]
Universitas Sumatera Utara
28
Kayu ulin atau lebih sering dikenal dengan nama kayu besi, adalah salah satu
jenis kayu yang memiliki sifat fisik yang keras, tahan terhadap perubahan suhu,
kelembaban dan pengaruh air laut.[13] Oleh karena sifat fisiknya yang kuat, kayu ulin
ini banyak digunakan sebagai bahan bangunan, ataupun digunakan pada suatu
konstruksi. Densitas daripada kayu ulin ini adalah sekitar 720 -850 kg/m3 (pada level
MC 12%). Gambar 2.4.[13] menunjukkan gambar kayu ulin.
Gambar 2.4. Kayu Ulin[13]
Kayu jati adalah salah satu kayu yang bermutu tinggi. Kayu jati adalah kayu
kelas 1 karena kekuatan, keawetan dan keindahannya. Secara teknis, kayu jati
memilki kelas kekuatan 1 dan kelas keawetan 1. Kayu ini sangat tahan terhadap
serangan rayap. Walaupun sifatnya yang keras dan kuat, kayu jati tetaplah mudah
diproses. Pada zaman dulu, kayu jati bahkan digunakan sebagai bahan dasar
pembuatan kapal. Densitas daripada kayu jati adalah sekitar 630-720 kg/m3 (pada
level MC 12%)[14]. Gambar 2.5. menunjukkan gambar kayu jati.
Universitas Sumatera Utara
29
Gambar 2.5. Kayu Jati[14]
Kayu Ingul atau Suren (Toona sinensis) mempunyai berat jenis 0,4-0,7
g/cm3[15]. Kayu ini banyak tumbuh di daerah Sumatera kecuali Jambi. Orang
Sumatera Utara sering menggunakan kayu ingul sebagai bahan baku pembuatan
perahu dan kapal dikarenakan tahan air dan rayap serta ringan.Kapal dari kayu ini
biasanya dapat bertahan hingga 10 tahun.
Gambar 2.6 Kayu Ingul atau Suren[15]
Universitas Sumatera Utara
30
Berikut ini adalah tabel 2.4 perbedaan keunggulan dan kekurangan masing masing
jenis kayu di atas. [11] [13] [14] [15]
Tabel 2.4 perbedaan keunggulan dan kekurangan masing masing jenis kayu
Kayu Bingkarai
Kayu Ulin
Kayu Jati
Kayu Ingul
Kayu yang
Disebut juga
Merupakan
Kekuatan
kayu
yang
paling kuat
sebagai kayu
besi dan sering
digunakan dalam
pembangunan
rumah
Kayu yang
paling sering
digunakan
dalam
pembuatan
perabot rumah
tangga.
paling sering
digunakan
dalam
pembuatan
perahu dan
kapal oleh
masyarakat
sekitar Danau
Toba
Densitas pada
level MC 12%
(kg/m3)
Konduktivitas
Ketahanan
terhadap air dan
rayap
880-990
720 -850
630-720
500-720
0.87
0.83
0.85
0.89
Tahan air dan
Tahan air dan
Tahan air dan
Tahan air dan
rayap
rayap
rayap
rayap
Susah
dicari
karena kayu jenis
Kemudahan
mencari
ini
Mudah dicari
sering
ditebang namun
tidak
persediaan kayu
Mudah Dicari
Mudah dicari
Mudah Dicari
dilakukan
penanaman
kembali
Harga / batang
Rp. 160.000,00
Rp.400.000,00
Rp. 100.000,00
/batang
/batang
/batang
(1 batang memiliki
ukuran 2x3x4)
Rp.75.000,00/
Batang
Universitas Sumatera Utara
31
Jika dilihat dari keunggulan dan kekurangan masing- masing jenis batang,
maka penulis memilih kayu jati sebagai bahan dasar pembuatan rangka mesin
pendingin tanpa listrik ini.
2.7
Penggunaan Goni sebagai Tempat Penguapan Air
Karung goni terbuat dari serat goni dimana serat- serat ini diperoleh dari
pohon goni. [16] Serat goni sangatlah kasar sehingga serat goni ini tidak digunakan
dalam bahan pembuatan pakaian. Biasanya serat ini digunakan untuk keperluan
pabrik dan tekstil, dan adapula untuk kerajinan tangan. Untuk masyarakat pedesaan,
goni digunakan untuk menyimpan sayur- sayuran atau buah- buahan agar tetap terjaga
kesegarannya. Buah atau sayur yang telah digonikan ini kemudian disemprot atau
disiram dengan air. Tujuannya adalah agar kadar air pada buah atau sayur yang
disimpan tetap terjaga.
Namun pemanfaatan goni sebagai tempat penyimpanan langsung makanan
sangatlah tidak higienis. Tetapi daya serap air goni sangatlah tinggi. Oleh karena itu,
penulis tetap memanfaatkan goni sebagai tempat penyimpanan air. Penulis
menggunakan goni bersih demi menjaga higienitas dalam pembuatan mesin pendingin
tanpa listrik ini. Harga karung goni bersih berkisar antara Rp. 15.000,00 /yard dengan
1 yard = 0,9144 meter.[16]
2.8
Penggunaan Pipa Kapiler sebagai Saluran Air
Pipa Kapiler yang dimaksud disini adalah pipa yang berbahan kuningan
(tembaga) dengan koefisien konduksi 109 J/m.s.C[17]. Pipa Kapiler digunakan sebagai
media perantara untuk mengalirkan air dari reservoir atas ke reservoir bawah dan
menempel ke kain goni agar kain goni menjadi semakin lembab dan dapat
Universitas Sumatera Utara
32
menurunkan suhu dalam ruangan peti pendingin buah dan sayur-sayuran.Diameter
pipa yang digunakan yaitu, 5/6” atau 7,9 mm dengan pertimbangan laju aliran fluida
dan luas rambatan perpindahan kalor yang proporsional terhadap dimensi ruang
lemari pendingin dan tangki air yang terbuat dari bahan aluminium.
2.9
Penggunaan Tangki Air berbahan dasar Aluminium
Tangki air berfungsi menampung air yang akan dialirkan ke pipa tembaga
disebelah kanan dan kiri lemari pendingin.Ukuran Tangki yaitu (470 x 520 x 100)
mm dengan dasar dimensi panjang dan lebar lemari pendingin yang digunakan
sebagai rangka penopang tangki dan tebal aluminium yang dipakai yaitu 1,3mm
dengan koefisien konduksi 205 J/m.s.C[17] dengan pertimbangan agar sanggup
menampung air sebanyak 23 liter atau 23 kg .
2.10
Prinsip Kerja Lemari Pendingin Tanpa Listrik yang Menggunakan Air
Sebagai Media Pendingin
Prinsip kerja daripada mesin pendingin ini cukuplah sederhana. Kuncinya
yakni pemanfaatan suhu dan kelembaban lingkungan.
Semakin tinggi suhu
lingkungan dan semakin kecil kelembaban lingkungan, maka semakin rendah suhu
yang tercipta dalam refrijerasi. Oleh sebab itu,refrijerasi ini hanyalah cocok
digunakan pada lingkungan dengan suhu yang cukup tinggi ( daerah subtropis dan
tropis).
Pada gambar 2.2. sebelumnya dapat dilihat bahwa mesin pendingin tersebut
menggunakan goni sebagai wadah atau tempat berkumpulnya air. Air tersebut
memiliki 2 fungsi yaitu :
1. Mencegah panas dari udara luar masuk ke dalam pendingin.
2. Menyerap panas yang dikeluarkan buah dan sayur
Universitas Sumatera Utara
33
Oleh karena itu, kandungan air pada goni harus tetap dijaga. Jika air sempat
kering, maka panas dari lingkungan akan masuk ke dalam pendingin dan panas yang
dikeluarkan oleh sayur dan buah juga tidak diserap oleh air. Akibatnya sayur dan
buah pada pendingin lebih cepat membusuk.
2.11 Perkiraan Beban Pendingin (Cooling Load)
Beban pendingin adalah laju panas yang harus dipindahakan dari ruangan ke
lingkungan sehingga suhu dan kandungan uap airnya terjaga seperti yang diinginkan.
[18]
Ada beberapa metode dapat diterapkan dalam perhitungan beban pendingin,
namun metode yang paling umum digunakan adalah metode yang diajukan ASHRAE.
Metode ini menggunakan parameter yang didapat dengan cara pengumpulan data dan
juga eksperimen. Besar kecilnya beban pendingin bergantung pada sumbernya. Secara
garis besar pembagian beban pendingin ini dapat dilihat pada gambar 2.7
Gambar 2.7 Beban Pendingin [18]
Universitas Sumatera Utara
34
Pada mesin pendingin tanpa listrik ini, besar beban pendingin diperoleh dari dua
hal, yaitu :
1. Panas dari udara luar
2. Panas dari dalam refrijerasi
2.11.1 Panas dari udara luar
Akibat masuknya udara luar, baik secara sengaja ditambahkan maupun
akibat kebocoan (tidak sengaja), akan menjadi beban bagi ruangan yang
dikondisikan. Panas udara dari luar biasanya ada 2 yaitu panas dari udara
ventilasi dan panas dari udara infiltrasi. Pada kasus ini, panas dari udara luar
hanyalah panas udara infiltrasi atau dari kebocoran (secara tidak disengaja),
sehingga besar panas udara luar dari ventilasi diabaikan. Jumlah panas akibat
masuknya udara luar ini terdiri atas 2 jenis yaitu panas sensibel dan panas
laten. Panas sensibel adalah panas yang diterima atau dilepaskan suatu materi
sebagai akibat perubahan suhunya. Panas laten adalah panas yang diterima
atau dilepaskan suatu materi karena perubahan fasanya.
Panas sensibel dari udara luar infiltrasi ini dapat kita hitung dengan rumus
sebagai berikut.[19]
Qs =1, 23Q(T0 - T1 ) ....................................................... (2-1)
Dimana : Qs= Panas sensibel (Watt)
Q = laju aliran udara luar yang masuk ke dalam ruangan (L/s)
T0= temperatur di luar ruangan (°C)
T1= temperatur di dalam ruangan (°C)
Universitas Sumatera Utara
35
Panas laten dari udara luar infiltrasi dapat kita hitung dengan rumus
sebagai berikut.[20]
Ql = 3010Q(w0 - w1 ) ..................................................... (2-2)
Dimana : Ql= Panas laten (Watt)
Q = laju aliran udara luar yang masuk ke dalam ruangan (L/s)
w0= kelembaban di luar ruangan (kg air/ kg udara kering)
w1= kelembaban di dalam ruangan (kg air/ kg udara kering)
2.11.2 Panas dari dalam Refrijerasi
Panas dari dalam refrijerasi adalah panas yang dihasilkan
akibat proses konversi energi yang terjadi di dalam ruangan.[19] Panas yang
dihasilkan dari dalam refrijerasi adalah berasal dari sayur- sayuran atau buahbuahan yang tersimpan di dalamnya. Besar panas dari dalam refrijerasi dapa
dihitung dengan rumus:
QDalam = QTotal - (Qs +Ql ) ................................................... (2-3)
Dimana : Q Dalam = Panas dari dalam refrijerasi (Watt)
Q Total = Panas total daripada refrijerasi (Watt)
QS
= Panas sensibel (Watt)
Ql
= Panas Laten (Watt)
2.11.3 Panas Total Refrijerasi
Panas total daripada refrijerasi dapat
dihitung melalui
banyaknya panas yang dibutuhkan dalam penguapan air pada goni dan pipa
kapiler. Proses penguapan air ini merupakan proses konveksi alamiah, proses
konduksi dan radiasi. Ketiga proses ini terjadi pada ke-5 sisi lemari pendingin.
Proses konduksi pada dinding refrijerasi dirumuskan dengan rumus :[21],
Universitas Sumatera Utara
36
æD T ö
Qkond = k ´ A ´ ç ÷ .................................................. (2-4)
è L ø
Dimana : Qkond = besar panas konduksi (Watt)
k = konduktivitas termal (W/m .K)
A = luas penampang (m2)
ΔT = perbedaan suhu (°C)
L = tebal dinding (m)
Besar konduktivitas suatu benda dapat dilhat pada tabel konduktivitas termal.
Berikut ini adalah tabel konduktivitas termal yang sering digunakan.
Tabel 2.5 Tabel konduktivitas termal[17]
Jenis Benda
Perak
Tembaga
Kuningan
Aluminium
Baja
Es
Kaca
Air
Konduktivitas
Termal (J/m.s.C)
420
380
109
205
40
2
3.35
2.39
Proses konveksi pada dinding refrijerasi dirumuskan dengan rumus :[21]
Qkonv = h ´ A ´ D T ..................................................... (2-5)
Dimana : Qkonv = besar panas konveksi (Watt)
h = koefisien konveksi (W/m2 K)
A = luas penampang (m2)
ΔT = perbedaan suhu (°C)
Universitas Sumatera Utara
37
Besar nilai koefisien konveksi dapat kita cari dengan menentukan
terlebih dahulu menentukan besar Rayleigh number yaitu dengan rumus:[21]
Ra L
g Ts T L3
.................................................. (2-6)
v
Dimana : RaL = besar Rayleigh Number
g = gravitasi bumi =9,8 m/s2
Ts = Temperatur suhu luar/ lingkungan (°C)
T∞ = Temperatur dalam pendingin (°C)
L = Tinggi lemari pendingin (m)
Jika besar nilai rayleigh diantara 104≤RaL≤109 , maka aliran yang
terjadi adalah aliran laminar. Jika nilai Rayleigh berada diantara 109≤
RaL≤1012, maka aliran yang terjadi adalah aliran turbulen.
Selanjutnya, dihitung besar bilangan nusselt. Untuk aliran laminar,
besar bilangan nusselt dapat kita hitung dengan rumus :
1
N uL = 0.68 +
4
0.670R aL
é
4
9 9
16
ë
û
........................................... (2-7)
ù
ê 1+ (0.492 / Pr) ú
Dimana : NuL = Bilangan Nusselt
RaL = Bilangan Rayleigh
Untuk aliran turbulen, kita gunakan rumus sebagai berikut :
ü
ì
ï
ïï
2
ï
1
6
aL
0.387R
N uL = í 0.825 +
9 ù
ï
é
16
ï
ê 1+ (0.492 / Pr) ú
ïî
ë
û
ïï
ý
...................................... (2-8)
8
27
ï
ï
ïþ
Universitas Sumatera Utara
38
Dimana : NuL = Bilangan Nusselt
RaL = Bilangan Rayleigh
Setelah diperoleh bilangan nusselt, maka besar nilai koefisien konveksi
dapat dihitung dengan rumus :
h=
N uL ´ k
.............................................................. (2t
9)
Dimana : h = koefisien konveksi ( W/ m K)
t = tinggi pendingin (m)
penggunaan pipa tembaga disisi kiri dan kanan lemari pendingin memiliki
perpindahan panas. Perpindahan panas terjadi dari refrijeran ke dinding dalam
ke dinding luar lalu ke zat pendingin. Tidak semua panas refrijeran dapat
diserap oleh zat pendingin karena adanya koefisien pindah panas pada dinding
pipa. Koefisien pindah panas ini dihitung dengan persamaan[22]:
.........................................(2-10)
Dimana :
Uo
ho
hi
x
Ao
Am
Ai
= koefisien pindah panas keseluruhan (W/m2K)
= koefisien pindah panas di dalam pipa (W/m2K)
= koefisien pindah panas di luar pipa (W/m2K)
= tebal pipa (m)
= luas pipa luar (m2)
= luas rata-rata pipa (m2)
= luas pipa dalam (m2)
Jika cairan berada di dalam pipa, maka koefisien pindah panas di dalam pipa
dihitung dengan:
....................................(2-11)
Universitas Sumatera Utara
39
Dimana :
h
D
k
V
ρ
μ
cp
= koefisien konveksi (W/m2K)
= diameter dalam pipa (m)
= konduktifitas termal fluida (W/mK)
= kecepatan aliran fluida (m/det)
= rapat massa fluida (kg/m3)
= viskositas fluida (Pa.detik)
= panas jenis fluida (J/kgK)
Proses radiasi pada dinding refrijerasi dirumuskan dengan rumus :[21]
Qrad = e As (Ts4 - T¥ 4 ) .................................................. (2-10)
Dimana : Qrad = Panas radiasi (Watt)
ε = emisivitas
A = luas penampang (m2)
σ = konstanta Stefan Boltzman (5,67 x 10-8 W/m-2 K-4)
Ts = Temperatur suhu luar (°C)
T∞ = Temperatur dalam pendingin (°C)
Emisivitas setiap benda berbeda- beda. Untuk benda berwarna hitam
emisivitas bernilai 1. Sedangkan untuk benda berwarna putih emisivitas
bernilai 0. Berikut ini adalah tabel emisivitas daripada beberapa jenis bahan
yang sering digunakan
Tabel 2.6 Tabel emisivitas[23]
Emisivitas Beberapa Material pada suhu 300K
Material
Emisivitas
Aluminium foil
0.07
Tembaga
0.03
Emas
0.03
Perak
0.02
Stainless Steel
0.17
Batu bata
0.93-0.96
Kayu
0.82-0.92
Air
0.96
Universitas Sumatera Utara
40
2.11.4 Efisiensi pada Refrijerasi
Efisiensi adalah perbandingan yang terbaik antara input (masukan) dan
output (hasil antara keuntungan dengan sumber-sumber yang dipergunakan),
seperti halnya juga hasil optimal yang dicapai dengan penggunaan sumber
yang terbatas. Dengan kata lain hubungan antara perhitungan yang telah
diselesaikan. [21]
Efisiensi pada refrijerasi adalah perbandingan antara selisih nilai output dan
input dengan nilai input. Besar efisiensi pada refrijerasi dapat kita hitung
dengan rumus :
h =
Qtotal - (Qdalam + Qs + Ql )
´ 100% ..................................... (2-11)
Qdalam + Qs + Ql
Dimana : η = efisiensi refrijerasi (%)
Q total= Panas total daripada refrijerasi (Watt)
Q Dalam = Panas dari dalam refrijerasi (Watt)
QS
= Panas sensibel (Watt)
Ql
= Panas Laten (Watt)
2.12 Kesegaran Buah dan Sayur
Buah memiliki masa simpan yang relatif rendah sehingga buah dikenal
sebagai bahan pangan yang cepat rusak dan hal ini sangat berpengaruh
terhadap kualitas masa simpan buah. Mutu simpan buah sangat erat kaitannya
dengan proses respirasi dan transpirasi selama penanganan dan penyimpanan
di mana akan menyebabkan susut pasca panen seperti susut fisik yang diukur
dengan berat; susut kualitas karena perubahan ujud (kenampakan), cita rasa,
warna atau tekstur yang menyebabkan bahan pangan kurang disukai
konsumen; susut nilai gizi yang berpengaruh terhadap kualitas buah. Mutu
simpan buah akan lebih bertahan lama jika laju respirasi rendah dan transpirasi
Universitas Sumatera Utara
41
dapat dicegah dengan meningkatkan kelembaban relatif, menurunkan suhu
udara. Pada umumnya komoditas yang mempunyai umur simpan pendek
mempunyai laju respirasi tinggi atau peka terhadap suhu rendah[23]. Jeruk
manis yang bermutu baik adalah [24]:
• Bentuk buah
: bulat sampai agak lonjong Indonesia Cold
Chain Project Appendix Volume D2
• Ukuran buah
• Kulit buah masak
: sedang dengan berat kurang lebih 190 g
: relatif halus, ketebalan sedang sampai tebal
dan banyak mengandung minyak.
Buah dan sayuran mengandung air sangat banyak antara 80-95%
sehingga sangatlah mudah mengalami kerusakan karena benturan-benturan
fisik. Kerusakan fisik dapat terjadi pada seluruh tahapan dari kegiatan sebelum
panen, selanjutnya pemanenan, 5 penanganan, grading, pengemasan,
transportasi, penyimpanan, dan akhirnya sampai ke tangan konsumen. Suhu
adalah factor sangat penting yang paling berpengaruh terhadap laju
kemunduran dari komoditi pascapanen. Setiap peningkatan 10oC laju
kemunduran meningkat dua sampai tiga kali[25]. Penyimpanan buah jeruk
optimal pada suhu 4-9 oC. Pada suhu dingin ini jeruk dapat bertahan sampai 8
-14 minggu.Untuk penelitian ini diasumsikan kesegaran buah dan sayur
berada pada nilai 1-10 yang dipengaruhi oleh suhu penyimpanan di dalam
lemari pendingin.
Universitas Sumatera Utara
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Teknik Pendingin
Teknik pendingin atau teknik refrijerasi adalah semua teknik yang digunakan
untuk menurunkan temperatur suatu medium sampai lebih rendah daripada temperatur
lingkungannya[3]. Dalam melakukan proses penurunan suhu ini, maka sejumlah energi
dalam bentuk panas harus diambil dari medium tersebut dan dibuang ke lingkungan.
Secara alami, panas hanya akan berpindah dari medium yang temperaturnya lebih
tinggi ke medium yang temperaturnya lebih rendah. Dengan kata lain, perpindahan
panas dari medium yang dingin ke medium yang lebih panas tidak akan mungkin
terjadi secara alami. Maka untuk membuat proses ini terjadi, digunakanlah teknik
refrijerasi. Karena refrijerasi adalah sebuah proses yang bertujuan menurunkan
temperatur, maka proses ini sering disebut dengan istilah fungsi refrijerasi yang
artinya proses yang berfungsi menurunkan temperatur sampai dapat mencapai
temperatur lingkungan. Dalam teknik pendingin banyak menggunakan aliran
konveksi, dan aliran konveksi terbagi dua jenis aliran konveksi,yaitu aliran konveksi
alamiah dan konveksi paksa. Aliran konveksi alamiah adalah pergerakan atau aliran
energi kalor terjadi karena akibat perbedaan massa jenis[26]. Konveksi alamiah terjadi
pada sistem ventilasi rumah, peristiwa angin darat dan angin laut,serta aliran asap
pada cerobong asap pabrik. Aliran konveksi paksa adalah suatu kejadian dimana
aliran panas dipaksa dialirkan ke tempat yang dituju dengan bantuan alat tertentu,
misal dengan kipas angin atau blower[26]. Penelitian ini menggunakan prinsip
konveksi alamiah karena proses perpindahan panas yang dialami terjadi secara
langsung oleh temperatur lingkungan dan tidak menggunakan bantuan alat atau
Universitas Sumatera Utara
6
dikenai kerja untuk mengalirkan panas dan hanya meninjau efisiensi kalor yang
didapat dari perubahan kalor dari lingkungan ke kalor di dalam ruang lemari
pendingin.
2.1.1 Istilah-istilah dalam Teknik Pendingin
1. Tekanan
Tekanan ialah gaya yang bekerja secara vertikal pada bidang datar luas 1
cm2,oleh benda padat, cair atau gas. Pada umumnya satuan kg/cm.
2. Bahan Pendingin (Refrigerant).
Refrigerant adalah suatu zat yang mudah menguap dan berfungsi sebagai
penghantar panas dalam sirkulasi pada saluran instalasi mesin pendingin.
Bahan pendingin (refrigerant) adalah suatu zat yang mudah berubah wujud
dari gas menjadi cair atau sebaliknya. Dapat mengambil panas dari evaporator
dan membuangnya di kondensor. Untuk instalasi Refrigerator/kulkas, AC
dipakai freon R-12 atau R-22 sebagai refrigerant.
3. Efek Pendinginan adalah kemampuan membawa kalor dari bahan pendingin
atau jumlah kalor yang dapat diserap oleh 1 pound bahan pendingin waktu
mulai evaporator. Satuannya dalam K Cal/Kg.
4. Kapasitas Pendinginan untuk menyatakan efek pendinginan, banyaknya kalori
panas yang di serap dalam satuan waktu dinyatakan dengan K Cal/Jam.
5. Frost,
bila kita mendinginkan udara terus-menerus, volume uap air dalam udara
menjadi kecil, dan sebagian uap air yang menyentuh pada permukaan suatu
benda yang rendah suhunya akan berbentuk embun-es yang halus. Peristiwa
demikian disebut Frost.
Universitas Sumatera Utara
7
6. Dingin
Dingin adalah suhunya rendah atau tidak ada panas. Dingin adalah akibat dari
pengambilan kalor. Lemari es menghasilkan dingin dengan mengambil kalori
dari bagian dalamnya. Lemari es tidak dapat menghilangkan kalor, tetapi dapat
memindahkan melalui bahan pendingin.
7. Tekanan Maksimum
Temperatur Maksimum benda gas seperti freon, bila di beri tekanan dalam
silinder tertutup di bawah suhu udara bebas, menjadi uap air jenuh dan
akhirnya berubah menjadi cairan melalui fase pengembunan. Akan tetapi, bila
suhu naik sampai suatu derajat, gas tersebut tidak mengembun lagi sekalipun di
beri tekanan. Benda gas mempunyai batas kemampuan di mana sudah tidak
berdaya untuk mengubah fase gas ke fase cair. Temperatur yang terdapat pada
batas tersebut disebut temperatur maksimum dan tekanan pada gas yang terjadi
pada batas tersebut dikatakan tekanan maksimum.
8. Temperatur/Suhu adalah derajat panas atau tingkat kedinginan.Ukuran suhu
dinyatakan dengan angka ini disebut seperti
0
C (derajat celcius),0F
(Fahrenheit).
9. Kalor (Panas ) adalah energi yang diterima oleh benda,sehingga suhu benda atau
wujudnya berubah.Jika kalor dilepaskan suhu dibenda akan turun.Kalor adalah
suatu
bentuk
energi
yang
dapat
dipindahkan,tretapi
tidak
dapat
dihilangkan.Satuan dari kalor joule (J).
2.1.2
Aplikasi Teknik Pendingin
Di dunia ini baik bidang engineering maupun bidang sosial, banyak
bidang yang menginginkan kondisi dengan temperatur lingkungan bahkan rela
Universitas Sumatera Utara
8
mengorbankan banyak biaya untuk mendapatkan kondisi lebih dingin dari
lingkungan.Berikut adalah aplikasi dari refrijerasi :
Industri
Manufaktur,
misalnya untuk
mendinginkan fluida
yang
disemprotkan pada kontak antara mesin perkakas dengan logam yang
diproses.
Industri Makanan, misalnya penurunan temperatur agar bakteri tidak dapat
berkembang biak dan membekukan makanan.
Industri Pengeringan, misalnya mengurangi kandungan uap air di udara
dengan mendinginkannya sampai di bawah temperatur saturasi.
Industri Konstruksi, misalnya dalam pembuatan balok-balok concrete
yang mendinginkan dulu komponennya agar setelah selesai dicetak,
thermal stress di dalam balok akan kecil.
Industri Pengkondisian Udara, misalnya mengkondisikan udara ruangan
agar nyaman dengan menurunkan suhu dan kelembabannya.
2.1.3
Sejarah Teknik Pendingin
Sejarah teknik pendinginan berkembang sejalan dengan perkembangan
peradaban manusia di wilayah sub-tropik. Secara alamiah, manusia yang
tinggal di wilayah sub-tropik menyadari bahwa bahan pangan yang mudah
rusak ternyata dapat disimpan lebih lama dan lebih baik pada saat musim
dingin dibandingkan dengan pada saat musim panas. Kesadaran inilah yang
memandu manusia pada saat itu mulai memanfaatkan “es alam” untuk
memperpanjang masa simpan bahan pangan yang mudah rusak[4].
Universitas Sumatera Utara
9
Penggunaan es alam ini bahkan masih dilakukan hingga abad ke-20, dan
bahkan menurut catatan IIR (Intenational Institute of Refrigeration) hingga awal abad
ke-20 penggunaan es alam masih lebih banyak dibandingkan “es buatan”[2]. Es alam
adalah es yang dihasilkan tanpa peralatan refrijerasi, baik yang diperoleh dari sungai
atau danau yang membeku pada musim dingin atau yang sengaja dibekukan secara
alamiah akibat radiasi termal dari permukaan air ke langit[4].
Di wilayah dengan kelembaban udara yang rendah, seperti Timur Tengah,
sejarah pendinginan dimulai dengan pendinginan evaporatif, yaitu dengan
menggantungkan tikar basah di depan pintu yang terbuka untuk mengurangi panasnya
udara dalam ruangan. Pada abad ke-15, Leonardo da Vinci telah merancang suatu
mesin pendingin evaporatif ukuran besar. Konon, mesin ini dipersembahkan untuk
Beatrice d’Este, istri Duke of Milan (Pita, 1981). Mesin ini mempunyai roda besar,
yang diletakkan di luar istana, dan digerakkan oleh air (sekali-sekali dibantu oleh
budak) dengan katup-katup yang terbuka-tutup secara otomatis untuk menarik udara
ke dalam drum di tengah roda. Udara yang telah dibersihkan di dalam roda dipaksa
keluar melalui pipa kecil dan dialirkan ke dalam ruangan[4].
Perkembangan teknik pendinginan selanjutnya masih terjadi secara tidak
sengaja, yaitu penggunaan larutan air-garam untuk mendapatkan suhu yang lebih
rendah. Menurut catatan Ibn Abi Usaibia, seorang penulis Arab, penggunaan larutan
air-garam ini sudah dilakukan di India sekitar abad ke-4. Garam yang digunakan pada
larutan tersebut adalah potasium nitrat, sebagaimana dicatat oleh seorang dokter Italia
bernama Zimara pada tahun 1530 dan dokter Spanyol bernama Blas Villafranca pada
tahun 1550. Fenomena pencampuran garam pada salju untuk mendapatkan suhu lebih
Universitas Sumatera Utara
10
rendah baru dapat dijelaskan oleh Battista Porta pada tahun 1589 dan Trancredo pada
tahun 1607[4].
Teknik pendinginan mulai berkembang secara ilmiah sejak abad ke-17,
dimulai dari penelitian tentang pemantulan melalui efek panas dan dingin yang
dilakukan oleh Robert Boyle (1627-1691) di Inggris dan Mikhail Lomonossov (17111765) di Rusia. Selanjutnya, penelitian mengenai termometri yang dimulai oleh
Galileo dikembangkan kembali oleh Guillaume Amontons (1663-1705) di Perancis,
Isaac Newton (1642-1727) di Inggris, Daniel Fahrenheit (1686-1736) orang German
yang bekerja di Inggris dan Belanda, René de Réaumur (1683-1757) di Perancis dan
Anders Celsius (1701-1744) di Swedia. Tiga ilmuwan yang disebutkan terakhir
merupakan penemu sistem skala pengukuran suhu, dan masing-masing namanya
diabadikan pada sistem skala tersebut yaitu Fahrenheit, Reaumur dan Celsius. Setelah
Anders Celsius menemukan termometer skala centesimal pada tahun 1742 di Swedia,
disepakati bahwa sistem skala yang digunakan pada Sistem Internasional adalah
Celsius[4].
Pada awal abad ke-18, William Cullen (1710-1790) menemukan terjadinya
penurunan suhu pada saat ethyl ether menguap. Cullen, bahkan, pada tahun 1755
berhasil mendapatkan sedikit es dengan cara menguapkan air di labu uap. Murid dan
penerus Cullen, yaitu seorang Scotland yang bernama Joseph Black (1728-1799)
berhasil menjelaskan pengertian panas dan suhu, sehingga sering dianggap sebagai
penemu kalorimetri. Bidang ini akhirnya dikembangkan dengan sangat baik oleh para
ilmuwan Perancis, seperti Pierre Simon de Laplace (1749-1827), Pierre Dulong
(1785-1838), Alexis Petit (1791-1820), Nicolas Clément-Desormes (1778-1841) dan
Victor Regnault (1810-1878) [4].
Universitas Sumatera Utara
11
Tulisan Sadi Carnot (1796-1832), seorang Perancis, yang sangat terkenal pada
tahun 1824 menjadi inspirasi bagi banyak penelitian yang dilakukan mengenai
berbagai konsep termodinamika dan sistem pendinginan, termasuk James Prescot
Joule (Inggris, 1818-1889), Julios von Mayer (Jerman, 1814-1878), Herman von
Helmholtz (Jerman, 1821-1894), Rudolph Clausius (Jerman, 1822-1888), Ludwig
Boltzmann (Austria, 1844-1906), dan William Thomson (Lord Kelvin, Inggris, 18241907) [4].
Penemuan-penemuan di atas menjadi awal yang sangat berharga dalam sejarah
penemuan mesin-mesin pendinginan dan zat-zat pendinginnya. Perkembangan ini
dimulai dengan mesin pendingin mekanis, setelah seorang Amerika bernama Oliver
Evans (1755-1819) mampu menjelaskan siklus refrijerasi kompresi uap. Pada tahun
1835, seorang Amerika lainnya yang bekerja di Inggris yaitu Jacob Perkins (17661849) berhasil mendapatkan paten untuk mesin pendingin temuannya yang bekerja
berdasarkan siklus kompresi uap tersebut[4].
Fluida kerja (refrijeran) yang digunakan Perkins pada mesin pendinginnya
tersebut adalah ethyl ether. James Harrison (1816-1893), seorang Skotlandia yang
pindah ke Australia, berhasil membuat mesin pendingin yang dapat bekerja dengan
baik pada skala industrial. Mesin tersebut dipatenkan oleh Harrison pada tahun 1855,
1856, dan 1857. Mesin pendingin Harrison, yang diproduksi di Inggris, masih
menggunakan ethyl ether sebagai fluida kerja, dan mampu menghasilkan es maupun
larutan pendingin (refrijeran sekunder) [4].
Dengan ditemukannya mesin pendingin sistem kompresi uap, terjadi
perkembangan yang cepat dalam penemuan zat-zat pendingin (refrijeran). Charles
Tellier (1828-1913), seorang Perancis, memperkenalkan penggunaan dimethyl ehter
Universitas Sumatera Utara
12
sebagai refigeran. Pada tahun 1862, Tellier juga meneliti penggunaan amonia (NH3)
sebagai refrijeran, meskipun penggunaannya secara luas pada skala industrial baru
dapat dilakukan oleh seorang Jerman Carl von Linde (1842-1934). Refrijeran amonia
masih banyak digunakan hingga sekarang, khususnya pada industri pembekuan
pangan[4].
Thaddeus Lowe (1832-1913) mulai menggunakan karbon-dioksida (CO2)
sebagai refrijeran. Meskipun sempat ditinggalkan, penggunaan karbon-dioksida
belakangan ini kembali dikembangkan sebagai refrijeran yang ramah lingkungan.
Sulfur-dioksida (SO2) pertama kali digunakan sebagai refrijeran oleh ahli fisika Swiss
Raoul Pierre Pictet (1846-1929), tetapi akhirnya tidak digunakan lagi sesaat sebelum
perang dunia II. Metil-klorida (Ch3Cl) juga digunakan oleh orang Perancis C.
Vincent sebagai refrijeran pada tahun 1878, meskipun akhirnya hilang dari peredaran
pada tahnun 1960-an[4].
Didasarkan pada hasil penelitian Swarts yang dilakukan selama kurun 18931907 di Ghent, suatu tim peneliti Frigidaire Corporation di Amerika, yang dipimpin
oleh Thomas Midgley berhasil mengembangkan refrijeran fluoro-carbon pertama
pada tahun 1930. Refrijeran fluoro-carbon dianggap sebagai refrijeran yang aman
karena tidak bersifat toksik dan tidak mudah terbakar. Refrijeran CFC (chloro-fluorocarbon) pertama, yaitu R12 (CF2Cl2) mulai dilepas ke pasar pada tahun 1931, diikuti
dengan refrijeran HCFC (hidro-chloro-fluoro-carbon) pertama, yaitu R22 (CHF2Cl)
pada tahun 1934. Pada tahun 1961, campuran azeotropik pertama, yaitu R502
(R22/R115), diperkenalkan ke pasar sebagai refrijeran[4].
Refrijeran CFC, khususnya R12, dianggap sebagai zat yang sangat istimewa
sebagai fluida kerja mesin pendingin sistem kompresi uap, hingga pemenang Nobel
Universitas Sumatera Utara
13
dari Amerika (F.S. Rowland dan M.J. Molina) mempublikasikan hasil penelitiannya
pada tahun 1974. Rowland dan Molina menyimpulkan bahwa klorin yang dilepaskan
oleh zat halogenasi hidrokarbon menyebabkan terjadinya perusakan lapisan ozon di
angkasa. Untuk menganggapi temuan ini, pada tahun 1987 telah disepakati Protokol
Montreal mengenai pelarangan penggunaan zat-zat yang bersifat merusak lapisan
ozon[4].
Refrijeran CFC dan HCFC termasuk pada kategori zat perusak ozon, sehingga
penggunaannya sebagai refrijeran juga dilarang. Sebagai gantinya, disarankan
penggunaan HFC (hidro-fluoro-carbon), yaitu refrijeran yang dihalogenasi tapi tidak
diklorinasi. Akan tetapi, refrijeran HFC, baik yang murni (R134a) maupun
campurannya (R410A, R407A, R404A, dll), juga menimbulkan efek lingkungan yaitu
pemanasan global. Pada Protokol Kyoto, yang ditanda-tangani pada 11 Desember
1997, refrijeran HFC termasuk zat yang dilarang peredarannya karena menyebabkan
pemanasan global. Indonesia, sebagai negara yang ikut meratifikasi Protokol
Montreal maupun Protokol Kyoto, berkewajiban untuk melaksanakan setiap fasal
dalam protokol yang disepakati tersebut[4].
Perkembangan lain dalam sistem kompresi uap adalah pada komponen
peralatannya. Pada awalnya mesin pendingin sistem kompresi uap menggunakan
kompresor dengan piston yang besar dan lambat, tetapi sejak akhir abad ke-19
berubah menjadi lebih ringan dan cepat. Pada tahun 1934 A. Lysholm berhasil
mengembangkan kompresor ulir dengan rotor ganda di Swedia, sedangkan pada tahun
1967 B. Zimmern mengembangkan kompresor ulir rotor tunggal di Perancis[4].
Kompresor scroll sebenarnya telah dipatenkan oleh seorang Perancis bernama
Leon Creux pada tahun 1905, tetapi baru dapat dikembangkan pada tahun 1970-
Universitas Sumatera Utara
14
an. Kompresor sentrifugal dikembangkan atas dasar penelitian seorang Perancis
bernama Auguste Rateau tahun 1890 dan orang Amerika bernama Willis Carrier
tahun 1911.
Kompresor hermetik dikembangkan untuk mengatasi kebocoran
refrijeran oleh Father Audiffren pada tahun 1905 di Perancis, dan digunakan sangat
banyak saat ini[4].
2.1.4
Sistem Kerja Teknik Pendingin atau Refrijerasi
Pada dasarnya sistem refrijerasi dibagi menjadi dua[5], yaitu:
1. Sistem refrijerasi mekanik
Sistem refrijerasi ini menggunakan mesin-mesin penggerak atau dan alat
mekanik lain dalam menjalankan siklusnya. Yang termasuk dalam sistem
refrijerasi mekanik di antaranya adalah:
a. Siklus Kompresi Uap (SKU)
b. Refrijerasi siklus udara
c. Kriogenik/refrijerasi temperatur ultra rendah
d. Siklus sterling
2. Sistem refrijerasi non mekanik
Berbeda dengan sistem refrijerasi mekanik, sistem ini tidak memerlukan
mesin-mesin penggerak seperti kompresor dalam menjalankan siklusnya.
Yang termasuk dalam sistem refrijerasi non mekanik di antaranya:
a. Refrijerasi tradisional
b. Refrijerasi termoelektrik
c. Refrijerasi siklus absorbsi
d. Refrijerasi steam jet
e. Refrijerasi magnetic dan Heat pipe
Universitas Sumatera Utara
15
Dari sekian banyak jenis-jenis sistem refijerasi, yang paling umum digunakan
adalah refrijerasi dengan sistem kompresi uap. Namun seiring dengan berkembangnya
teknologi, para ilmuwan sedang berusaha mengembangkan teknologi mesin pendingin
yang lebih ramah lingkungan. Dimulai dari pengembangan mesin pendingin hemat
energi, dimana konsumsi listrik oleh refrijerasi ditekan hingga sekecil mungkin. Pada
masa kini, banyak ilmuwan mulai menciptakan mesin pendingin tanpa listrik dimana
tanpa listrik sekalipun barang- barang seperti sayur- sayuran dan buah- buahan dapat
terjaga kesegarannya selalu. Teknik pendingin ini sebenarnya telah lama ditemukan
dan digunakan oleh manusia terutama manusia yang tinggal di daerah tropis.
2.2
Mesin Pendingin
Mesin Pendingin adalah suatu peralatan yang digunakan untuk mendinginkan
air, atau peralatan yang berfungsi untuk memindahkan panas ke suatu tempat yang
temperaturnya lebih tinggi.Di dalam sistem pendinginan dalam menjaga temperatur
rendah memerlukan pembuangan kalor dari produk pada temperatur rendah ke tempat
pembuangan kalor yang lebih tinggi
[4]
.Sekarang ini terdapat berbagai jenis mesin
pendingin,antara lain :
Pendingin Ruangan (AC)
Mesin pendingin jenis ini dipakai untuk menyejukkan hawa atau udara
didalam ruangan seperti kantor, bar, bioskop, dan dipakai juga dalam
kendaraan seperti mobil,gerbong kereta api, bus, kamar kapal laut,
kapal udara, dan lain sebagainya.
Universitas Sumatera Utara
16
Refrigerator (Kulkas)
Mesin ini pada umumnya digunakan dalam rumah tangga. Fungsi
utama dari mesin ini adalah meningkatkan daya tahan buah-buahan,
sayur-sayuran serta bahan makanan yang lainnya agar tetap segar.
Freezer (Lemari Pendingin)
Mesin pendingin jenis ini banyak digunakan direstoran-restoran. Pada
umumnya, mesin ini digunakan untuk membuat es.
2.3
Refrijerasi Tradisional
Sistem
refrijerasi
tradisional
telah
banyak
ditinggalkan
dikarenakan
berkembangnya jaman. Sistem refrijerasi yang paling banyak digunakan pada jaman
sekarang adalah refrijerasi yang menggunakan siklus kompresi uap (SKU). Namun
beberapa jenis sistem pendingin tradisional masih digunakan hingga sekarang dengan
tujuan tertentu. Misalnya, pedagang sayur dan buah masih menggunakan sistem
pendingin tradisional. Sayur sayur atau buah- buah yang belum terjual habis disimpan
di dalam karung goni dan kemudian karung goni tersebut dibasahi dengan air. Dengan
begitu, suhu dalam goni akan tetap terjaga dan kadar air daripada sayur atau buah juga
terjaga.Namun sistem pendinginan dengan goni ini kurang higienis.
Selain penggunaan goni, juga ada sistem pendingin dengan menggunakan
pot.Pendingin dari pot ini ditemukan oleh Mohammed Bah Abba, pria berkebangsaan
Nigeria[6]. Kerja kerasnya mampu menyelamatkan jutaan hidup warga afrika yang
hidup didaerah terpencil dan sangat membutuhkan sistem pengawetan bahan makanan
sederhana dimana didaerah tersebut belum ada instalasi listrik. Dengan sistem
pendingin yang diciptakanya tomat dan cabai merah dapat bertahan selama tiga
minggu, sedangkan terong dapat bertahan dalam keadaan layak makan selama 27 hari.
Universitas Sumatera Utara
17
Sistem pendingin pot-in-pot dibuat dengan menempatkan pot yang terbuat dari
tanah liat (tembikar) ke dalam pot tembikar yang lebih besar. Ruang diantara kedua
pot kemudian diisi bahan pasir basah yang terjaga kelembapanya. Evaporasi dari pasir
basah pada ruang antara pot kecil dan pot besar menyebabkan efek dingin pada area
dalam pot kecil. Sangat sederhana namun dapat berkerja sebagai pendingin. Gambar
2.1 merupakan gambar pendingin dengan sistem pot-in-pot.
Gambar 2.1. Pendingin Tradisional Sistem Pot-In-Pot[6]
Mohammed Bah Abba juga mengatakan bahwa dari hasil percobaan tersebut
diketahui bahwa sistem pendingin ini dapat mencapai suhu 19,4°C dalam waktu 13
jam. Data hasil pengukuran pada pendingin pot-in pot ditampilkan pada tabel 2.1
Universitas Sumatera Utara
18
Tabel 2.1. Hasil pengukuran menggunakan termometer pada pendingin sistem pot-in-pot[6] :
Di
Waktu pendinginan
Suhu dalam pot (°C)
Suhu udara luar (°C)
15 menit
23,7
23,8
20 menit
23,6
24,0
30 menit
23,2
23,8
45 menit
21,7
24,7
1 jam
21,0
24,8
1 jam 15 menit
20,4
25,0
1 jam 30 menit
20,1
24,7
1 jam 40 menit
19,9
24,7
2 jam 30 menit
19,5
24
2 jam 40 menit
19,4
24.4
13 jam
19,4
25
China,
tepatnya
Shanghai,
ilmuwan-
ilmuwan
bekerja
keras
dalam
mengembangkan mesin pendingin tanpa listrik yang dapat digunakan oleh masyarakat
kelas menengah ke bawah untuk mendinginkan makanan mereka. Pada musim
kemarau, suhu di daerah terbuka pada siang hari dapat mencapai 41°C dan pada
malam hari sekitar 37°C. Hal ini tentu saja menyebabkan makanan cepat rusak.
Gambar 2.2. menunjukkan mesin pendingin yang dirancang oleh seorang ilmuwan
asal China dimana lemari pendingin ini tidak menggunakan listrik dan refrijeran.
Mesin pendingin ini hanya memanfaatkan air sebagai media pendingin . Refrijerasi
ini dapat dikatakan menggunakan sistem evaporasi dan memanfaatkan cuaca dalam
menghasilkan dingin[7].
Universitas Sumatera Utara
19
Gambar 2.2. Lemari Pendingin Tradisional dengan Air Sebagai Media Pendingin[7]
2.4
Refrijeran, Media Pendingin dan Absorbent
Refrijeran adalah fluida fluida kerja utama pada suatu siklus refrijerasi yang
bertugas menyerap panas pada temperatur dan tekanan rendah dan membuang panas
pada temperatur dan tekanan tinggi[8] .Umumnya refrijeran mengalami perubahan fasa
dalam suatu siklus kecuali pada siklus gas.
Media pendingin (cooling media ) adalah media yang digunakan untuk
mengantarkan efek refrijerasi ke tempat yang membutuhkan[8].Hal ini dapat
dijelaskan sebagai berikut. Sistem pendingin udara pada unit yang besar, seperti
bangunan komersial, menempatkan siklus pendingin terpusat pada suatu tempat. Dan
ruangan yang menggunakan efek refrijerasi relatif jauh dari unit ini, untuk keperluan
ini adalah lebih baik menggunakan medium lain daripada harus menggunakan
medium lain daripada harus mensirkulasikan refrijeran ke tiap ruangan. Medium yang
lain inilah yang disebut sebagi medium pendingin atau sering juga disebut sebagai
refrijeran sekunder. Medium yang biasanya sering digunakan adalah air, glycol, dan
larutan garam.
Universitas Sumatera Utara
20
Cairan absorben (liquid absorbent) adalah cairan yang digunakan untuk
menyerap uap refrijeran dan membentuk ikatan kimia (chemical bonding).
Kemampuan absorben mengikat refrijeran ini disebut sebagai afinitas. Istilah ini
jarang digunakan dan hanya dapat ditemui pada siklus absorpsi. Zat yang umum
digunakan sebagai absorbent antara lain : Air, Lithium Bromida (LiBr), dan
Amonia[8].
2.4.1 Syarat Refrijeran ( Bahan Pendingin)
Suatu bahan pendingin mempunyai syarat–syarat untuk keperluan proses
pendinginan antara lain[9] :
a. Tidak beracun dan tidak berbau dalam semua keadaan.
b. Tidak dapat terbakar atau meledak bila bercampur dengan udara, minyak
pelumas dan sebagainya
c. Tidak menyebabkan korosi terhadap bahan logam yang dipakai pada sistem
pendingin.
d. Bila terjadi kebocoran mudah diketahui dengan alat–alat yang sederhana
maupun dengan alat detector kobocoran
e. Mempunyai titik didih dan tekanan kondensasi yang rendah
f. Mempunyai kalor laten penguapan yang besar, agar panas yang diserap
evaporator sebesar–besarnya.
g. Viskositas dalam fase cair maupun fase gas rendah agar aliran refrijeran dalam
pipa sekecil mungkin.
h. Harganya tidak mahal dan mudah diperoleh.
i. Konduktifitas thermal yang tinggi.
Universitas Sumatera Utara
21
j. Konstanta dieletrika dari refrijeran yang kecil, tahanan lisrtrik yan besar, serta
tidak menyebabkan korosi pada material isolator listrik.
2.4.2 Jenis- Jenis Refrijeran
Secara umum, refrijeran terbagi atas 2 jenis yaitu[9] :
1. Refrijeran Primer
Refrijeran adalah zat yang berfungsi sebagai media pendingin dengan
menyerap kalor dari benda atau bahan lain seperti air atau udara ruangan,
sehingga refrijeran tersebut dapat dengan mudah merubah phasanya dari cair
menjadi gas. Sedangkan pada saat terjadinya pelepasan kalor oleh refrijeran
terjadi perubahan phasa dari gas bertekanan tinggi jenuh menjadi
cair.Refrijeran primer yang biasa digunakan dapat digolongkan sebagai
berikut:
a. Senyawa Halokarbon
Refrijeran yang memiliki satu atau lebih atom dari salah satu halogen yang
tiga (klirin, fluorin, bromin). Ketentuan bilangan, nama kimia, dan rumus
kimia sejumlah anggota kelompok ini yang ditemukan diperdagangan
Universitas Sumatera Utara
22
Tabel 2.2. Senyawa Halokarbon[9]
Ketentuan
Panorama
Nama Kimia
Rumus Kimia
R-11
R-12
R-13
R-22
R-40
R-113
R-114
Trikloromonofluorometana
Diklorodifluorometana
Monoklorotrifluorometana
Monoklorodifluorometana
Meniklorida
Triklorotrifluoroetan
Diklorotetrafluoroetana
CCl3F
CCl2F2
CClF3
CHClF2
CCH3Cl
CCl2FCClF2
CClF2CClF2
b. Senyawa Anorganik
Senyawa anorganik sering digunakan pada masa awal perkembangan bidang
refrijerasi dan pengkondisian udara.Beberapa senyawa anorganik diuraikan
pada tabel 2.3
Tabel 2.3. Senyawa Anorganik[9]
Ketentuan
Panorama
Nama Kimia
Rumus Kimia
717
718
729
744
764
Amoniak
Air
Udara
Karbondioksida
Sulfur dioksida
NH3
H2O
O2
CO2
SO2
c. Senyawa Hidrokarbon
Banyak senyawa hidrokarbon yang cocok digunakan sebagai refrijeran,
khususnya dipakai untuk industri perminyakan dan petrokimia.
d. Azeotrop
Campuran Azeotrop dua substansi adalah campuran yang tidakdapat
dipisahkan menjadi komponen-komponennya dengan caradestilasi. Azeotrop
menguap dan mengembun sebagai substansitunggal yang sifatnya berbeda
Universitas Sumatera Utara
23
dengan sifat pembentukannya. Azeotrop yang paling banyak dikenal adalah R502 yang merupakan campuran 48,8% R-22 dan 51,2% R-115.
2. Refrijeran sekunder
Refrijeran sekunder adalah fluida yang mengangkut kalor dari bahan yang
sedang didinginkan ke evaporator pada sistem refrijerasi. Refrijeran sekunder
mengalami perubahan temperatur bila menyerap kalor dan membebaskannya
pada evaporator, tetapi tidak mengalami perubahan phasa. Anti beku yang
banyak digunakan adalah larutan air dan glikol etalin, glikol propelin, ataupun
kalsium klorida. Salah satu sifat larutan anti beku yang penting adalah titik
pembekuannya.
Berikut ini adalah jenis-jenis refrigran dan penggunaannya.
a. Udara
Penggunaan umum refrigran udara sebagai refrigran adalah di pesawat
terbang,sistem udara yang ringan menjadi kompensasi bagi COP-nya yang
rendah.
b. Ammonia
Jenis ini digunakan pada instalasi suhu rendah pada industri besar. Banyak
sistem ammonia yang baru, mulai yang digunakan pada setiap tahun.
c. Karbondioksida
Refrigran ini kadang-kadang digunakan untuk pembekuan dengan cara
sentuhan langsung dengan bahan makanan. Tekanan pengembunannya yang
tinggi biasanya membatasi penggunaannya hanya pada bagian suhu yang
rendah dalam sistem kaskada (Cascade), yang untuk bagian suhu tingginya
digunakan refrigran lain.
Universitas Sumatera Utara
24
d. Refrijran 11
Bersama dengan refrijran 113, refrijran ini populer untuk sistem-sistem
kompresor tunggal.
e. Refrijran 12
Refrijran ini terutama digunakan dengan kompressor torak untuk melayani
refrijerasi rumah tangga dan didalam pengkondisian udara kendaraan otomotif.
f. Refrijran 22
Karena biaya kompressor dapat lebih murah jika menggunakan refrijran 22
dibandingkan dengan refrigran 12, maka refrijran ini telah banyak mengambil
peranan refrijran 12 untuk keperluan pengkondisian udara.
g. Refrijran 502
Refrijran ini adalah jenis refrijran yang terbaru, dengan sejumlah keuntungan
seperti yang dimiliki refrijran 22, tetapi mempunyai kelebihan dari sifatnya
terhadap minyak, dan suhu buang (discharge temperature) yang lebih rendah
dibanding refrijran 22.
2.5
Air Sebagai Media Pendingin
Air merupakan kebutuhan penting dalam proses produksi dan kegiatan lain
dalamsuatu industri. Penggunaan air industri dapat memanfaatkan air permukaan, air
sebagai sumberair. Penggunaan air permukaan dan air tanah mengharuskan untuk
mengolah air. Air merupakan kebutuhan penting dalam proses produksi dan kegiatan
lain dalam suatuindustri.[10] Untuk itu diperlukan penyediaan air bersih yang secara
kualitas memenuhi standaryang berlaku dan secara kuantitas dan kontinuitas harus
memenuhi kebutuhan industri sehingga proses produksi tersebut dapat berjalan
dengan baik. Dengan adanya standar baku mutu untuk air bersih industri, setiap
industri memiliki pengolahan air sendiri-sendiri sesuai dengan kebutuhan industri .[10]
Universitas Sumatera Utara
25
Air sebagai media pendingin telah digunakan sejak lama. Bahkan sebelum
ditemukannya jenis- jenis refrijeran lainnya, air telah digunakan sebagai media
pendingin. Pada masa sekarang ini, pengggunaan air sebagai media pendingin telah
semakin berkurang dikarenakan kemampuan air dalam menurunkan suhu lebih lambat
daripada refrijeran lainnya. Namun dikarenakan beberapa hal, air juga memiliki
beberapa keunggulan jika dibandingkan dengan refrijeran- refrijeran lainnya.
Beberapa faktor yang membuat air menjadi coolant yang baik adalah :
1. Sangat berlimpah dan tidak mahal
2. Dapat ditangani dengan mudah dan aman digunakan
3. Dapat membawa panas per unit volume dalam jumlah besar
4. Mengalami pengembangan atau penyusutan volume dalam jumlah cukup kecil
pada perubahan suhu dalam range normal
5. Tidak bersifat beracun dan ramah lingkungan
Pada umumnya air digunakan sebagai media pendingin karena faktor- faktor
sebagai berikut :
1. Air merupakan materi yang mudah diperoleh dalam jumlah besar
2. Mudah dalam pengaturan dan pengolahan
3. Menyerap panas cukup tinggi per satuan volume
4. Tidak mudah menyusut secara berarti dalam batasan dengan adanya
perubahan temperatur pendingin
Universitas Sumatera Utara
26
Adapun syarat- syarat air yang digunakan sebagai media pendingin :
1. Jernih, maksudnya air harus bersih, tidak terdapat partikel- partikel kasar
yaitu batu, kerikil, atau partikel- partikel halus seperti pasir, tanah dan lumut
yang menyebabkan air kotor
2. Tidak menyebabkan korosi
2.6
Pemilihan Kayu Sebagai Bahan Dasar dalam Pembuatan Rangka Mesin
Pendingin Tanpa Listrik
Kayu adalah batang atau cabang serta ranting tumbuhan yang telah mengeras
dan mengalami lignifikasi (pengayuan). Kayu terbentuk akibat akumulasi selulosa
dan lignin pada dinding sel berbagai jaringan pada batang. Kayu banyak digunakan
dalam kehidupan sehari- hari mulai dari memasak, pembuatan perabot rumah tangga
( meja, kursi dan lain lain), bahan bangunan ( pintu, jendela dan lain- lain), bahan
utama pembuatan kertas dan lain- lain.[11]
Penggunaan kayu sebagai bahan dasar dalam pembuatan rangka lemari
pendingin tanpa listrik ini didasari oleh beberapa hal antara lain:
1. Kayu mudah didapatkan
2. Mudah dibentuk dan tidak memerlukan keahlian yang cukup tinggi dalam
proses pengolahannya (Bila dibandingkan dengan pembuatan mesin pendingin
dari logam lainnya yang memerlukan keahlian khusus dalam penempaannya)
3. Kayu sangat kokoh dan tahan lama (Bergantung pada jenis kayu yang
digunakan)
4. Tujuan pembuatan lemari pendingin tanpa listrik ini adalah agar dapat
diaplikasikan oleh masyarakat pedesaan atau kurang mampu dalam
Universitas Sumatera Utara
27
menyimpan makanan berupa sayur atau buah sehingga tahan lama. Oleh
karena itu, penggunaan kayu sebagai bahan dasar juga merupakan salah satu
opsi yang bagus dalam pembuatan rangkanya.
Salah satu syarat utama daripada kayu yang boleh digunakan dalam
pembuatan rangka lemari pendingin ini adalah kayu harus tahan air. Hal ini
dikarenakan rangka kayu ini juga memiliki kontak langsung dengan air. Untuk
mencegah kelapukan pada kayu, pemilihan kayu juga merupakan salah satu hal yang
penting. Kayu- kayu yang tahan air antara lain[12] :
1. Kayu bingkarai
2. Kayu ulin
3. Kayu jati
4. Kayu Ingul
Kayu bingkarai adalah kayu yang memilki kualitas cukup tinggi. Selain itu,
kayu bingkarai mudah diproses seperti diserut, dipotong dan diukir sehingga kayu
jenis ini masuk ke dalam katagori kayu pertukangan. [11] Kayu ini juga dikenal sebagai
kayu yang tahan terhadap cuaca ( tahan panas dan dingin serta hujan). Kekerasan
kayu Bangkirai cukup tinggi, antara 880-990 kg/m3 (pada level MC 12%). Gambar
2.3. [11] menunjukkan gambar kayu bingkarai.
Gambar 2.3. Kayu Bingkarai[11]
Universitas Sumatera Utara
28
Kayu ulin atau lebih sering dikenal dengan nama kayu besi, adalah salah satu
jenis kayu yang memiliki sifat fisik yang keras, tahan terhadap perubahan suhu,
kelembaban dan pengaruh air laut.[13] Oleh karena sifat fisiknya yang kuat, kayu ulin
ini banyak digunakan sebagai bahan bangunan, ataupun digunakan pada suatu
konstruksi. Densitas daripada kayu ulin ini adalah sekitar 720 -850 kg/m3 (pada level
MC 12%). Gambar 2.4.[13] menunjukkan gambar kayu ulin.
Gambar 2.4. Kayu Ulin[13]
Kayu jati adalah salah satu kayu yang bermutu tinggi. Kayu jati adalah kayu
kelas 1 karena kekuatan, keawetan dan keindahannya. Secara teknis, kayu jati
memilki kelas kekuatan 1 dan kelas keawetan 1. Kayu ini sangat tahan terhadap
serangan rayap. Walaupun sifatnya yang keras dan kuat, kayu jati tetaplah mudah
diproses. Pada zaman dulu, kayu jati bahkan digunakan sebagai bahan dasar
pembuatan kapal. Densitas daripada kayu jati adalah sekitar 630-720 kg/m3 (pada
level MC 12%)[14]. Gambar 2.5. menunjukkan gambar kayu jati.
Universitas Sumatera Utara
29
Gambar 2.5. Kayu Jati[14]
Kayu Ingul atau Suren (Toona sinensis) mempunyai berat jenis 0,4-0,7
g/cm3[15]. Kayu ini banyak tumbuh di daerah Sumatera kecuali Jambi. Orang
Sumatera Utara sering menggunakan kayu ingul sebagai bahan baku pembuatan
perahu dan kapal dikarenakan tahan air dan rayap serta ringan.Kapal dari kayu ini
biasanya dapat bertahan hingga 10 tahun.
Gambar 2.6 Kayu Ingul atau Suren[15]
Universitas Sumatera Utara
30
Berikut ini adalah tabel 2.4 perbedaan keunggulan dan kekurangan masing masing
jenis kayu di atas. [11] [13] [14] [15]
Tabel 2.4 perbedaan keunggulan dan kekurangan masing masing jenis kayu
Kayu Bingkarai
Kayu Ulin
Kayu Jati
Kayu Ingul
Kayu yang
Disebut juga
Merupakan
Kekuatan
kayu
yang
paling kuat
sebagai kayu
besi dan sering
digunakan dalam
pembangunan
rumah
Kayu yang
paling sering
digunakan
dalam
pembuatan
perabot rumah
tangga.
paling sering
digunakan
dalam
pembuatan
perahu dan
kapal oleh
masyarakat
sekitar Danau
Toba
Densitas pada
level MC 12%
(kg/m3)
Konduktivitas
Ketahanan
terhadap air dan
rayap
880-990
720 -850
630-720
500-720
0.87
0.83
0.85
0.89
Tahan air dan
Tahan air dan
Tahan air dan
Tahan air dan
rayap
rayap
rayap
rayap
Susah
dicari
karena kayu jenis
Kemudahan
mencari
ini
Mudah dicari
sering
ditebang namun
tidak
persediaan kayu
Mudah Dicari
Mudah dicari
Mudah Dicari
dilakukan
penanaman
kembali
Harga / batang
Rp. 160.000,00
Rp.400.000,00
Rp. 100.000,00
/batang
/batang
/batang
(1 batang memiliki
ukuran 2x3x4)
Rp.75.000,00/
Batang
Universitas Sumatera Utara
31
Jika dilihat dari keunggulan dan kekurangan masing- masing jenis batang,
maka penulis memilih kayu jati sebagai bahan dasar pembuatan rangka mesin
pendingin tanpa listrik ini.
2.7
Penggunaan Goni sebagai Tempat Penguapan Air
Karung goni terbuat dari serat goni dimana serat- serat ini diperoleh dari
pohon goni. [16] Serat goni sangatlah kasar sehingga serat goni ini tidak digunakan
dalam bahan pembuatan pakaian. Biasanya serat ini digunakan untuk keperluan
pabrik dan tekstil, dan adapula untuk kerajinan tangan. Untuk masyarakat pedesaan,
goni digunakan untuk menyimpan sayur- sayuran atau buah- buahan agar tetap terjaga
kesegarannya. Buah atau sayur yang telah digonikan ini kemudian disemprot atau
disiram dengan air. Tujuannya adalah agar kadar air pada buah atau sayur yang
disimpan tetap terjaga.
Namun pemanfaatan goni sebagai tempat penyimpanan langsung makanan
sangatlah tidak higienis. Tetapi daya serap air goni sangatlah tinggi. Oleh karena itu,
penulis tetap memanfaatkan goni sebagai tempat penyimpanan air. Penulis
menggunakan goni bersih demi menjaga higienitas dalam pembuatan mesin pendingin
tanpa listrik ini. Harga karung goni bersih berkisar antara Rp. 15.000,00 /yard dengan
1 yard = 0,9144 meter.[16]
2.8
Penggunaan Pipa Kapiler sebagai Saluran Air
Pipa Kapiler yang dimaksud disini adalah pipa yang berbahan kuningan
(tembaga) dengan koefisien konduksi 109 J/m.s.C[17]. Pipa Kapiler digunakan sebagai
media perantara untuk mengalirkan air dari reservoir atas ke reservoir bawah dan
menempel ke kain goni agar kain goni menjadi semakin lembab dan dapat
Universitas Sumatera Utara
32
menurunkan suhu dalam ruangan peti pendingin buah dan sayur-sayuran.Diameter
pipa yang digunakan yaitu, 5/6” atau 7,9 mm dengan pertimbangan laju aliran fluida
dan luas rambatan perpindahan kalor yang proporsional terhadap dimensi ruang
lemari pendingin dan tangki air yang terbuat dari bahan aluminium.
2.9
Penggunaan Tangki Air berbahan dasar Aluminium
Tangki air berfungsi menampung air yang akan dialirkan ke pipa tembaga
disebelah kanan dan kiri lemari pendingin.Ukuran Tangki yaitu (470 x 520 x 100)
mm dengan dasar dimensi panjang dan lebar lemari pendingin yang digunakan
sebagai rangka penopang tangki dan tebal aluminium yang dipakai yaitu 1,3mm
dengan koefisien konduksi 205 J/m.s.C[17] dengan pertimbangan agar sanggup
menampung air sebanyak 23 liter atau 23 kg .
2.10
Prinsip Kerja Lemari Pendingin Tanpa Listrik yang Menggunakan Air
Sebagai Media Pendingin
Prinsip kerja daripada mesin pendingin ini cukuplah sederhana. Kuncinya
yakni pemanfaatan suhu dan kelembaban lingkungan.
Semakin tinggi suhu
lingkungan dan semakin kecil kelembaban lingkungan, maka semakin rendah suhu
yang tercipta dalam refrijerasi. Oleh sebab itu,refrijerasi ini hanyalah cocok
digunakan pada lingkungan dengan suhu yang cukup tinggi ( daerah subtropis dan
tropis).
Pada gambar 2.2. sebelumnya dapat dilihat bahwa mesin pendingin tersebut
menggunakan goni sebagai wadah atau tempat berkumpulnya air. Air tersebut
memiliki 2 fungsi yaitu :
1. Mencegah panas dari udara luar masuk ke dalam pendingin.
2. Menyerap panas yang dikeluarkan buah dan sayur
Universitas Sumatera Utara
33
Oleh karena itu, kandungan air pada goni harus tetap dijaga. Jika air sempat
kering, maka panas dari lingkungan akan masuk ke dalam pendingin dan panas yang
dikeluarkan oleh sayur dan buah juga tidak diserap oleh air. Akibatnya sayur dan
buah pada pendingin lebih cepat membusuk.
2.11 Perkiraan Beban Pendingin (Cooling Load)
Beban pendingin adalah laju panas yang harus dipindahakan dari ruangan ke
lingkungan sehingga suhu dan kandungan uap airnya terjaga seperti yang diinginkan.
[18]
Ada beberapa metode dapat diterapkan dalam perhitungan beban pendingin,
namun metode yang paling umum digunakan adalah metode yang diajukan ASHRAE.
Metode ini menggunakan parameter yang didapat dengan cara pengumpulan data dan
juga eksperimen. Besar kecilnya beban pendingin bergantung pada sumbernya. Secara
garis besar pembagian beban pendingin ini dapat dilihat pada gambar 2.7
Gambar 2.7 Beban Pendingin [18]
Universitas Sumatera Utara
34
Pada mesin pendingin tanpa listrik ini, besar beban pendingin diperoleh dari dua
hal, yaitu :
1. Panas dari udara luar
2. Panas dari dalam refrijerasi
2.11.1 Panas dari udara luar
Akibat masuknya udara luar, baik secara sengaja ditambahkan maupun
akibat kebocoan (tidak sengaja), akan menjadi beban bagi ruangan yang
dikondisikan. Panas udara dari luar biasanya ada 2 yaitu panas dari udara
ventilasi dan panas dari udara infiltrasi. Pada kasus ini, panas dari udara luar
hanyalah panas udara infiltrasi atau dari kebocoran (secara tidak disengaja),
sehingga besar panas udara luar dari ventilasi diabaikan. Jumlah panas akibat
masuknya udara luar ini terdiri atas 2 jenis yaitu panas sensibel dan panas
laten. Panas sensibel adalah panas yang diterima atau dilepaskan suatu materi
sebagai akibat perubahan suhunya. Panas laten adalah panas yang diterima
atau dilepaskan suatu materi karena perubahan fasanya.
Panas sensibel dari udara luar infiltrasi ini dapat kita hitung dengan rumus
sebagai berikut.[19]
Qs =1, 23Q(T0 - T1 ) ....................................................... (2-1)
Dimana : Qs= Panas sensibel (Watt)
Q = laju aliran udara luar yang masuk ke dalam ruangan (L/s)
T0= temperatur di luar ruangan (°C)
T1= temperatur di dalam ruangan (°C)
Universitas Sumatera Utara
35
Panas laten dari udara luar infiltrasi dapat kita hitung dengan rumus
sebagai berikut.[20]
Ql = 3010Q(w0 - w1 ) ..................................................... (2-2)
Dimana : Ql= Panas laten (Watt)
Q = laju aliran udara luar yang masuk ke dalam ruangan (L/s)
w0= kelembaban di luar ruangan (kg air/ kg udara kering)
w1= kelembaban di dalam ruangan (kg air/ kg udara kering)
2.11.2 Panas dari dalam Refrijerasi
Panas dari dalam refrijerasi adalah panas yang dihasilkan
akibat proses konversi energi yang terjadi di dalam ruangan.[19] Panas yang
dihasilkan dari dalam refrijerasi adalah berasal dari sayur- sayuran atau buahbuahan yang tersimpan di dalamnya. Besar panas dari dalam refrijerasi dapa
dihitung dengan rumus:
QDalam = QTotal - (Qs +Ql ) ................................................... (2-3)
Dimana : Q Dalam = Panas dari dalam refrijerasi (Watt)
Q Total = Panas total daripada refrijerasi (Watt)
QS
= Panas sensibel (Watt)
Ql
= Panas Laten (Watt)
2.11.3 Panas Total Refrijerasi
Panas total daripada refrijerasi dapat
dihitung melalui
banyaknya panas yang dibutuhkan dalam penguapan air pada goni dan pipa
kapiler. Proses penguapan air ini merupakan proses konveksi alamiah, proses
konduksi dan radiasi. Ketiga proses ini terjadi pada ke-5 sisi lemari pendingin.
Proses konduksi pada dinding refrijerasi dirumuskan dengan rumus :[21],
Universitas Sumatera Utara
36
æD T ö
Qkond = k ´ A ´ ç ÷ .................................................. (2-4)
è L ø
Dimana : Qkond = besar panas konduksi (Watt)
k = konduktivitas termal (W/m .K)
A = luas penampang (m2)
ΔT = perbedaan suhu (°C)
L = tebal dinding (m)
Besar konduktivitas suatu benda dapat dilhat pada tabel konduktivitas termal.
Berikut ini adalah tabel konduktivitas termal yang sering digunakan.
Tabel 2.5 Tabel konduktivitas termal[17]
Jenis Benda
Perak
Tembaga
Kuningan
Aluminium
Baja
Es
Kaca
Air
Konduktivitas
Termal (J/m.s.C)
420
380
109
205
40
2
3.35
2.39
Proses konveksi pada dinding refrijerasi dirumuskan dengan rumus :[21]
Qkonv = h ´ A ´ D T ..................................................... (2-5)
Dimana : Qkonv = besar panas konveksi (Watt)
h = koefisien konveksi (W/m2 K)
A = luas penampang (m2)
ΔT = perbedaan suhu (°C)
Universitas Sumatera Utara
37
Besar nilai koefisien konveksi dapat kita cari dengan menentukan
terlebih dahulu menentukan besar Rayleigh number yaitu dengan rumus:[21]
Ra L
g Ts T L3
.................................................. (2-6)
v
Dimana : RaL = besar Rayleigh Number
g = gravitasi bumi =9,8 m/s2
Ts = Temperatur suhu luar/ lingkungan (°C)
T∞ = Temperatur dalam pendingin (°C)
L = Tinggi lemari pendingin (m)
Jika besar nilai rayleigh diantara 104≤RaL≤109 , maka aliran yang
terjadi adalah aliran laminar. Jika nilai Rayleigh berada diantara 109≤
RaL≤1012, maka aliran yang terjadi adalah aliran turbulen.
Selanjutnya, dihitung besar bilangan nusselt. Untuk aliran laminar,
besar bilangan nusselt dapat kita hitung dengan rumus :
1
N uL = 0.68 +
4
0.670R aL
é
4
9 9
16
ë
û
........................................... (2-7)
ù
ê 1+ (0.492 / Pr) ú
Dimana : NuL = Bilangan Nusselt
RaL = Bilangan Rayleigh
Untuk aliran turbulen, kita gunakan rumus sebagai berikut :
ü
ì
ï
ïï
2
ï
1
6
aL
0.387R
N uL = í 0.825 +
9 ù
ï
é
16
ï
ê 1+ (0.492 / Pr) ú
ïî
ë
û
ïï
ý
...................................... (2-8)
8
27
ï
ï
ïþ
Universitas Sumatera Utara
38
Dimana : NuL = Bilangan Nusselt
RaL = Bilangan Rayleigh
Setelah diperoleh bilangan nusselt, maka besar nilai koefisien konveksi
dapat dihitung dengan rumus :
h=
N uL ´ k
.............................................................. (2t
9)
Dimana : h = koefisien konveksi ( W/ m K)
t = tinggi pendingin (m)
penggunaan pipa tembaga disisi kiri dan kanan lemari pendingin memiliki
perpindahan panas. Perpindahan panas terjadi dari refrijeran ke dinding dalam
ke dinding luar lalu ke zat pendingin. Tidak semua panas refrijeran dapat
diserap oleh zat pendingin karena adanya koefisien pindah panas pada dinding
pipa. Koefisien pindah panas ini dihitung dengan persamaan[22]:
.........................................(2-10)
Dimana :
Uo
ho
hi
x
Ao
Am
Ai
= koefisien pindah panas keseluruhan (W/m2K)
= koefisien pindah panas di dalam pipa (W/m2K)
= koefisien pindah panas di luar pipa (W/m2K)
= tebal pipa (m)
= luas pipa luar (m2)
= luas rata-rata pipa (m2)
= luas pipa dalam (m2)
Jika cairan berada di dalam pipa, maka koefisien pindah panas di dalam pipa
dihitung dengan:
....................................(2-11)
Universitas Sumatera Utara
39
Dimana :
h
D
k
V
ρ
μ
cp
= koefisien konveksi (W/m2K)
= diameter dalam pipa (m)
= konduktifitas termal fluida (W/mK)
= kecepatan aliran fluida (m/det)
= rapat massa fluida (kg/m3)
= viskositas fluida (Pa.detik)
= panas jenis fluida (J/kgK)
Proses radiasi pada dinding refrijerasi dirumuskan dengan rumus :[21]
Qrad = e As (Ts4 - T¥ 4 ) .................................................. (2-10)
Dimana : Qrad = Panas radiasi (Watt)
ε = emisivitas
A = luas penampang (m2)
σ = konstanta Stefan Boltzman (5,67 x 10-8 W/m-2 K-4)
Ts = Temperatur suhu luar (°C)
T∞ = Temperatur dalam pendingin (°C)
Emisivitas setiap benda berbeda- beda. Untuk benda berwarna hitam
emisivitas bernilai 1. Sedangkan untuk benda berwarna putih emisivitas
bernilai 0. Berikut ini adalah tabel emisivitas daripada beberapa jenis bahan
yang sering digunakan
Tabel 2.6 Tabel emisivitas[23]
Emisivitas Beberapa Material pada suhu 300K
Material
Emisivitas
Aluminium foil
0.07
Tembaga
0.03
Emas
0.03
Perak
0.02
Stainless Steel
0.17
Batu bata
0.93-0.96
Kayu
0.82-0.92
Air
0.96
Universitas Sumatera Utara
40
2.11.4 Efisiensi pada Refrijerasi
Efisiensi adalah perbandingan yang terbaik antara input (masukan) dan
output (hasil antara keuntungan dengan sumber-sumber yang dipergunakan),
seperti halnya juga hasil optimal yang dicapai dengan penggunaan sumber
yang terbatas. Dengan kata lain hubungan antara perhitungan yang telah
diselesaikan. [21]
Efisiensi pada refrijerasi adalah perbandingan antara selisih nilai output dan
input dengan nilai input. Besar efisiensi pada refrijerasi dapat kita hitung
dengan rumus :
h =
Qtotal - (Qdalam + Qs + Ql )
´ 100% ..................................... (2-11)
Qdalam + Qs + Ql
Dimana : η = efisiensi refrijerasi (%)
Q total= Panas total daripada refrijerasi (Watt)
Q Dalam = Panas dari dalam refrijerasi (Watt)
QS
= Panas sensibel (Watt)
Ql
= Panas Laten (Watt)
2.12 Kesegaran Buah dan Sayur
Buah memiliki masa simpan yang relatif rendah sehingga buah dikenal
sebagai bahan pangan yang cepat rusak dan hal ini sangat berpengaruh
terhadap kualitas masa simpan buah. Mutu simpan buah sangat erat kaitannya
dengan proses respirasi dan transpirasi selama penanganan dan penyimpanan
di mana akan menyebabkan susut pasca panen seperti susut fisik yang diukur
dengan berat; susut kualitas karena perubahan ujud (kenampakan), cita rasa,
warna atau tekstur yang menyebabkan bahan pangan kurang disukai
konsumen; susut nilai gizi yang berpengaruh terhadap kualitas buah. Mutu
simpan buah akan lebih bertahan lama jika laju respirasi rendah dan transpirasi
Universitas Sumatera Utara
41
dapat dicegah dengan meningkatkan kelembaban relatif, menurunkan suhu
udara. Pada umumnya komoditas yang mempunyai umur simpan pendek
mempunyai laju respirasi tinggi atau peka terhadap suhu rendah[23]. Jeruk
manis yang bermutu baik adalah [24]:
• Bentuk buah
: bulat sampai agak lonjong Indonesia Cold
Chain Project Appendix Volume D2
• Ukuran buah
• Kulit buah masak
: sedang dengan berat kurang lebih 190 g
: relatif halus, ketebalan sedang sampai tebal
dan banyak mengandung minyak.
Buah dan sayuran mengandung air sangat banyak antara 80-95%
sehingga sangatlah mudah mengalami kerusakan karena benturan-benturan
fisik. Kerusakan fisik dapat terjadi pada seluruh tahapan dari kegiatan sebelum
panen, selanjutnya pemanenan, 5 penanganan, grading, pengemasan,
transportasi, penyimpanan, dan akhirnya sampai ke tangan konsumen. Suhu
adalah factor sangat penting yang paling berpengaruh terhadap laju
kemunduran dari komoditi pascapanen. Setiap peningkatan 10oC laju
kemunduran meningkat dua sampai tiga kali[25]. Penyimpanan buah jeruk
optimal pada suhu 4-9 oC. Pada suhu dingin ini jeruk dapat bertahan sampai 8
-14 minggu.Untuk penelitian ini diasumsikan kesegaran buah dan sayur
berada pada nilai 1-10 yang dipengaruhi oleh suhu penyimpanan di dalam
lemari pendingin.
Universitas Sumatera Utara