MODUL

4MESIN REFRIGERASI

Pada bab ini akan dibahas jenis-jenis siklus refrigerasi, kalsifikasi, karakteristik serta

aplikasinya. Siklus Refrigerasi Kompresi uap yang paling banyak digunakan akan dibahas lebih

rinci dibandingkan dengan jenis siklus refrigerasi lainnya.

4.1 PENDAHULUAN

Refrigerasi adalah suatu proses penyerapan panas dari suatu zat atau produk sehingga

temperaturnya berada dibawah temperatur lingkungan. Mesin refrigerasi atau disebut juga

mesin pendingin adalah mesin yang dapat menimbulkan efek refrigerasi tersebut, sedangkan

refrigeran adalah zat yang digunakan sebagai fluida kerja dalam proses penyerapan panas.

Secara umum bidang refrigerasi mencakup kisaran temperatur sampai dengan 123 K.

Sedangkan proses-proses dan teknik yang beroperasi pada kisaran temperatur di bawah 123 K

disebut Kriogenika (cryogenics)[1]. Pembedaan ini disebabkan karena adanya fenomena-

fenomena khas yang terjadi pada temperatur dibawah 100K di mana pada kisaran temperatur

ini gas-gas seperti nitrogen, oksigen, hidrogen, dan helium dapat mencair.

Saat ini aplikasi refrigerasi meliputi bidang yang sangat luas, mulai dari keperluan rumah

tangga, pertanian, sampai ke industri gas, petrokimia, perminyakan dsb. Berbagai jenis mesin

refrigerasi yang bekerja berdasarkan berbagai proses dan siklus dapat ditemui dalam praktek.

Namun demikian mesin refrigerasi dapat dikelompokan berdasarkan jenis siklusnya dan jenis

pemakaiannya. Berdasarkan jenis siklusnya mesin refrigerasi dapat dikelompokan menjadi:

1. Mesin refrigerasi siklus termodinamika.

2. Mesin refrigerasi silus termo-elektrik.

3. Mesin refrigerasi siklus termo-magnetik.

Yang termasuk mesin refrigerasi siklus termodinamika antara lain:

59

1. Mesin refrigerasi Siklus Kompresi Uap (SKU).

2. Mesin refrigerasi Siklus Absorbsi (SA).

3. Mesin refrigerasi Siklus Jet Uap (SJU) atau Siklus kompresi Jet.

4. Mesin refrigerasi Siklus Udara (SU).

5. Mesin refrigerasi Tabung Vorteks (TV) atau Pipa Vorteks.

Berdasarkan aplikasinya mesin refrigerasi dapat dikelompokan seperti yang ditunjukan pada

Tabel 4.1

Tabel 4.1 Kelompok aplikasi mesin refrigerasi

Jenis Mesin refrigerasi ContohRefrigerasi Domestik Lemari es, dispenser airRefrigerasi Komersial Pendingin minuman botol, box es krim,

lemari pendingin supermarketRefrigerasi Industri Pabrik es, cold storage, mesin pendingin

untuk industri prosesRefrigerasi transport Refrigerated truck, train and containersPengkondisian udara domestik dan komersial

AC window, split, dan package.

Chiller Water cooled and air cooled chillersMobile Air Condition (MAC) AC mobil

4.2 PRINSIP KERJA MESIN REFRIGERASI KOMPRESI UAP

Mesin refrigerasi Siklus Kompresi Uap merupakan jenis mesin refigerasi yang paling banyak

digunakan saat ini. Mesin refrigerasi ini terdiri dari empat komponen utama, yaitu kompresor,

kondensor, alat ekspansi dan evaporator. Susunan empat komponen tersebut secara skematik

ditunjukan pada Gambar 4.1.a dan sketsa proses Siklus Kompresi Uap Standar dalam diagram

T-s ditunjukan pada Gambar 4.1.b

Di dalam siklus kompresi uap standar ini, refrigeran mengalami empat proses (mengacu pada

Gambar 4.1.b), yaitu:

1. Proses 1-2: refrigeran meninggalkan evaporator dalam wujud uap jenuh dengan

temperatur dan tekanan rendah, kemudian oleh kompresor uap tersebut dinaikkan

tekanannya menjadi uap dengan tekanan yang lebih tinggi (tekanan kondensor).

Kompresi ini diperlukan untuk menaikkan temperatur refrigeran, sehingga temperatur

refrigeran di dalam kondensor lebih tinggi daripada temperatur lingkungannya.

60

Dengan demikian perpindahan panas dapat terjadi dari refrigeran ke lingkungan.

Proses kompresi ini berlangsung secara isentropik (adiabatik dan reversibel).

2. Proses 2-3: setelah mengalami proses kompresi, refrigeran berada dalam fasa panas

lanjut dengan tekanan dan temperatur tinggi. Untuk mengubah wujud-nya menjadi

cair, kalor harus dilepaskan ke lingkungan. Hal ini dilakukan pada penukar kalor yang

disebut kondensor. Refrigeran mengalir melalui kondensor dan pada sisi lain dialirkan

fluida pendingin (udara atau air) dengan temperatur lebih rendah daripada temperatur

refrigeran. Oleh karena itu kalor akan berpindah dari refrigeran ke fluida pendingin

dan sebagai akibatnya refrigeran mengalami penurunan temperatur dari kondisi uap

panas lanjut menuju kondisi uap jenuh, selanjutnya mengembun menjadi wujud cair.

Kemudian keluar dari kondensor dalam wujud cair jenuh. Proses ini berlangsung

secara reversibel pada tekanan konstan.

3. Proses 3-4: refrigeran, dalam wujud cair jenuh (tingkat keadaan 3, Gambar 2.1 (b)),

mengalir melalui alat ekspansi. Refrigeran mengalami ekspansi pada entalpi konstan

dan berlangsung secara tak-reversibel. Selanjutnya refrigeran keluar dari alat ekspansi

berwujud campuran uap-cair pada tekanan dan temperatur sama dengan tekanan serta

temperatur evaporator.

4. Proses 4-1: refrigeran, dalam fasa campuran uap-cair, mengalir melalui sebuah

penukar kalor yang disebut evaporator. Pada tekanan evaporator, titik didih refrigeran

haruslah lebih rendah daripada temperatur lingkungan (media kerja atau media yang

didinginkan), sehingga dapat terjadi perpindahan panas dari media kerja ke dalam

refrigeran. Kemudian refrigeran yang masih berwujud cair menguap di dalam

evaporator dan selanjutnya refrigeran meninggalkan evaporator dalam fasa uap jenuh.

Proses penguapan tersebut berlangsung secara reversibel pada tekanan yang konstan.

4.3 PRINSIP KERJA MESIN REFRIGERASI ABSORBSI

Komponen utama mesin refrigerasi absorbsi terdiri dari enam buah seperti yang ditunjukan

pada Gambar 4.2. Fungsi kompresor pada mesin refrigerasi SKU digantikan oleh absorber,

pompa dan generator. Fluida kerja yang digunakan adalah campuran tak bereaksi seperti air

(H2O) – ammonia (NH3), atau Lithium Bromida (LiBr2) – Air (H2O). Pada sistem H2O – NH3,

61

air berfungsi sebagai absorben dan amonia berfungsi sebagai refrigeran. Sedangakan pada

sistem LiBr2 – H2O, LiBr2 berfungsi sebagai absorben dan H2O berfungsi sebagai refrigeran.

Gambar 4.1 Siklus kompresi uap standar

(a) Diagram alir proses (b) Diagram temperatur-entropi

Campuran refrigeran – absorben dipanaskan di dalam generator sehingga refrigeran menguap

dan terpisah dari absorben. Uap refrigeran selanjutnya dimurnikan dalam rectifier dengan

mendinginkannya sehingga uap absorben yang terbawa akan mengembun dan mengalir

kembali ke generator. Uap refrigeran murni kemudian diembunkan di kondensor; kondensatnya

kemudian diekspansikan dan menyerap panas dengan penguapan di evaporator. Uap refrigeran

yang keluar dari evaporator dicampur dengan absorben (larutan lemah) yang keluar dari

generator; melewati katup ekspansi agar tekanannya sama dengan tekanan evaporator. Proses

absorbsi refrigeran biasanya berlangsung secara eksotermal; hasil dari proses ini akan

menghasilkan campuran refrigeran - absorben (larutan kuat) yang selanjutnya dipompakan ke

generator.

4.4 PRINSIP KERJA MESIN REFRIGERASI EJEKTOR UAP

62

Qrj

evaporator

Wkkom

pres

or

kondensoralat

eks

pan

si

2

Qrc

3

1

4

2

3

4 1

Entropi

Tem

per

atu

r

h konstan

(a) (b)

Pada mesin refrigerasi ejektor uap, air digunakan sebagai refrigeran. Air dididihkan di boiler,

uap yang terbentuk dilewatkan dalam ejektor. Seksi tekanan rendah dalam ejektor dihubungkan

dengan evaporator dengan demikian tekanan evaporator menjadi rendah dan uap yang

terbentuk tertarik oleh aliran uap berkecepatan tinggi dalam ejektor dan dibawa ke kondensor

untuk diembunkan. Kondensat yang terjadi dalam kondensor sebagian dialirkan ke eavaporator

setelah melewati katup ekspansi dan sisanya masuk ke dalam boiler untuk diuapkan kembali.

Gambar 4.3 menunjukkan skema mesin yang dimaksud.

Gambar 4.2. Skema mesin refrigerasi Siklus Absorbsi

Wp

Kondensor

Evaporator

Absorber

Qrc

Qre

Generator

Rectifier

QgenQabs

63

KondensorEvaporator

Ejektor

Boiler

Pompa

Gambar 4.3 Skema mesin refrigerasi ejektor uap

4.5 PRINSIP KERJA MESIN REFRIGERASI SIKLUS UDARA

Mesin refrigerasi siklus udara biasanya digunakan pada pesawat terbang, dan sistem ini baru

bekerja apabila pesawat telah terbang. Udara luar dengan kecepatan tinggi ditangkap oleh

difusor sehingga kecepatannya menjadi lebih lambat ketika memasuki sistem. Proses ini akan

menyebabkan temperatur dan tekanan udara meningkat. Untuk menurunkan temperaturnya

maka udara dilewatkan pada ekspander turbo sebelum memasuki kabin pesawat dan menyerap

beban panas yang timbul di sana. Udara kemudian dialirkan ke luar pesawat dengan

menggunakan kompresor.

Gambar 1.4 Skema mesin refrigerasi Siklus Udara

4.6 PRINSIP KERJA TABUNG VORTEKS

Tabung vorteks yang biasa juga disebut sebagai Tabung Ranque-Hilsch[2]. Peralatan ini terdiri

dari tabung lurus yang salah satu ujungnya dipasang orifis (orifice), sedangkan ujung lainnya

dipasang katup trotel (throttle valve). Nosel tangensial dipasang pada dinding luar pipa diujung

pipa yang dipasang orifis (lihat Gambar 4.5).

64

Qruang

kompresorEkspander Turbo

kabin

difusor

orifis

Katup trotel

Nosel tangensial

d D

LGas Panas

Gas Dingin

Gambar 4.5 Tabung Vorteks

Gas bertekanan dimasukan melalui nosel tangensial sehingga membentuk aliran vorteks dalam

tabung. Vorteks bagian luar akan bertemperatur lebih tinggi dari temperatur masuk dan

mengalir kearah kanan (ujung panas). Vorteks bagian dalam yang bertemperatur lebih rendah

dari temperatur masuk, karena kehilangan energi kinetik, akan mengalir ke kiri dan keluar

melalui ofrifis. Gas yang bertemperatur lebih rendah inilah yang akan dimanfaatkan. Bukaan

katup trotel akan mengatur temperatur dan banyaknya gas dingin yang keluar dari ujung kiri

(ujung dingin). Semakin besar bukaan katup semakin rendah temperatur gas dingin tetapi

semakin sedikit jumlahnya, demikian pula sebaliknya.

4.7 ANALISIS KINERJA MESIN REFRIGERASI KOMPRESI UAP

Parameter-parameter prestasi mesin refrigerasi kompresi uap, antara lain: kerja kompresi, laju

pengeluaran kalor, efek refrigerasi, dan koefisien performansi (coefficient of performance,

COP). Penentuan parameter-parameter tersebut dapat dibantu dengan penggunaan sketsa proses

pada diagram tekanan-entalpi (Gambar 1.6) dan tabel sifat-sifat refrigeran.

Gambar 4.6 Sketsa proses Siklus Refrigerasi Kompresi Uap Standar

65

23

4 1

Entalpi (h)

Teka

nan

isentropik

Kerja kompresi persatuan massa refrigeran ditentukan oleh perubahan entalpi pada proses 1-2

(Gambar 4.6) dan dapat dinyatakan sebagai:

(4-1)

Hubungan tersebut diturunkan dari persamaan energi dalam keadaan tunak, pada proses

kompresi adiabatik reversibel dengan perubahan energi kinetik dan energi potensial diabaikan.

Perbedaan entalpinya merupakan besaran negatif yang menunjukkan bahwa kerja diberikan

kepada sistem.

Kalor yang dibuang melalui kondensor dari refrigeran ke lingkungan yang lebih rendah

temperaturnya terjadi pada proses 2-3, yaitu:

(4-2)

Besaran ini bernilai negatif, karena kalor dipindahkan dari sistem refrigerasi ke lingkungan.

Pada proses 3-4 merupakan proses ekspansi refrigeran menuju tekanan evaporator. Proses ini

biasanya dimodelkan dengan proses cekik tanpa adanya perpindahan kalor (adiabatik) dan

proses berlangsung tak-reversibel, sehingga diperoleh hubungan: h3 = h4

Efek refrigerasi (qrc) adalah kalor yang diterima oleh sistem dari lingkungan melalui evaporator

per satuan laju massa refrigeran. Efek refrigerasi merupakan parameter penting, karena

merupakan efek yang berguna dan diinginkan dari suatu sistem refrigerasi.

(4-3)

Sedangkan kapasitas refrigerasi (Qrc) merupakan perkalian antara laju massa refrigeran dengan

efek refrigerasi.

Koefisien performansi, COP, adalah besarnya energi yang berguna, yaitu efek

refrigerasi, dibagi dengan kerja yang diperlukan sistem, yaitu kerja kompresi.

(4-4)

66

4.8 SIKLUS KOMPRESI UAP AKTUAL

Pada kenyataannya siklus kompresi uap mengalami penyimpangan dari kompresi uap standar,.

sebagaimana yang ditunjukkan pada Gambar 2.3. Perbedaan penting siklus kompresi uap aktual

dari siklus standar, adalah:

1. Terjadi penurunan tekanan di sepanjang pipa kondensor dan evaporator.

2. Adanya proses pembawahdinginan (sub-cooling) cairan yang meninggalkan

kondensor sebelum memasuki alat ekspansi

3. Pemanasan lanjut uap yang meninggalkan evaporator sebelum me-masuki

kompresor.

4. Terjadi kenaikan entropi pada saat proses kompresi (kompresi tak isentropik).

5. Proses ekspansi berlangsung non-adiabatik

Walaupun siklus aktual tidak sama dengan siklus standar, tetapi proses ideal dalam siklus

standar sangat bermanfaat, dan diperlukan untuk mempermudah analisis siklus secara teoritik.

Gambar 4.7 Siklus kompresi uap aktual dan siklus standar

67

penurunan tekanan

penurunantekanan

panas lanjut

bawah dingin

2'

1'4'

3' 23

4 1

Entalpi

Teka

nan

siklus aktual

siklus standar

4.9 MESIN REFRIGERASI SIKLUS KOMPRESI UAP (SKU)

Susunan komponen mesin refrigerasi ini secara skematik diperlihatkan pada Gambar 4.8.

Komponen utama yang akan dibahas adalah: (a) Kompresor, (b) Kondensor, (c) Filter-drier,

(d) Pipa kapiler, (e) Evaporator.

Gambar 4.8 Skema susunan komponen utama mesin refrigerasi SKU

4.9.1 Kompresor

Kompresor berfungsi untuk mensirkulasikan refrigeran dan menaikan tekanan refrigeran agar

dapat mengembun di kondensor pada temperatur di atas temperatur udara sekeliling.

Berdasarkan letak motornya kompresor dapat dikelompokan menjadi dua jenis yaitu kompresor

jenis terbuka dan kompresor jenis hermetik. Pada kompresor jenis terbuka motor terpisah

dengan kompresor dan daya dari motor ditransmisikan melalui sabuk (belt) atau sistem

transmisi daya lainnya. Pada kompresor hermetik, motor dan kompresor berada dalam satu

cangkang (selubung) yang kedap udara. Terdapat juga jenis kompresor yang lain yaitu sermi

hermetik. Berbeda dengan kompresor hermetik yang selubungnya disambung dengan las, maka

68

kompresor

kondensor

evaporator

Filter-drier

Pipa kapiler

pada kompresor semi hermetik selubungnya disambung dengan baut sehingga bisa dibuka

untuk berbagai keperluan servis termasuk untuk menggulung ulang kumparan motor listrik.

Pada mesin refrigerasi rumah tangga dan komersial jenis kompresor yang biasa

digunakan adalah kompresor tipe hermetik. Kompresornya dapat menggunakan kompresor

jenis torak, atau rotari seperti kompresor sudu (vane type), roller atau schroll.

Untuk melindungi bagian-bagian yang bergesek seperti torak dan dinding selinder serta

bantalan, maka kompresor diberi pelumas. Pelumas ini bisanya bercampur dengan refrigeran.

Pada kompresor hermetik yang digunakan untuk mesin refrigerasi rumah tanggal dan

komersial, biasanya digunakan pelumas yang larut dengan baik dalam refrigerannya.

4.9.2 Kondensor dan Evaporator

Kondensor adalah alat di mana refrigeran didinginkan sehingga mengembun. Pada mesin

refrigerasi rumah tangga dan komersial, panas pengembunan dibuang ke udara sekeliling secara

alami karena adanya perbedaan temperatur refrigeran dengan udara sekeliling.

Jenis kondensor yang digunakan pada mesin refrigerasi rumah tangga dan komersial pada

umumnya adalah jenis pipa polos dengan pendinginan alami. Dalam hal ini panas yang

berpindah secara alami dari refrigeran yang mengembun ke udara sekeliling akibat adanya

perbedaan temperatur.

69

(a) tipe terbuka (b) tipe hermetik

(c) semi hermetik

Gambar 4.9 Kompresor tipe terbuka, hermetik dan semi hermetik

Evaporator adalah alat tempat refrigeran menguap. Panas yang diperlukan untuk penguapan

diperoleh dari benda/media yang akan didinginkan. Proses penyerapan panas ini menyebabkan

penurunan temperatur pada benda/media yang akan didinginkan.

Jenis evaporator yang biasa digunakan adalah jenis evaporator permukaan pelat dan pipa polos.

Gambar 4.3 diperlihatkan contoh-contoh kondensor dan evaporator yang dibahas. Pada mesin

dengan kapaistas yang besar digunakan kondensor pipa bersirip.

4.9.3 Filter-drier dan Pipa Kapiler

Fungsi utama Filter-drier adalah menyerap uap air yang terlarut dalam refrigeran dan

menyaring padatan terlarut jika ada. Air dicegah masuk ke dalam pipa kapiler dan evaporator,

karena dapat menyebabkan penyumbatan oleh air yang menjadi es pada temperatur evaporator

yang rendah.

70

Evaporator Permukaan Pelat

Kondensor Pipa Polos

Gambar 4.10 Kondensor dan evaporator mesin refrigerasi domestik dan komersial

Terdapat dua jenis filter drier yaitu alumina aktif (bukan silica gel) dan molecular sieve.

Alumina aktif terbuat dari Al203 dapat menyerap uap air lebih banyak dari silica gel dan juga

dapat menyerap asam baik dari refrigeran maupun pelumas. Molecular sieves terbuat dari

logam alumina silikat, memiliki kemampuan menyerap uap air yang sangat tinggi. Saat ini

filter-drier yang banyak digunakan adalah jenis molecular sieves. Berdasarkan tingkatan

kemampuannya dalam menyerap uap air molecular sieve dibuat dalam 3 grade yaitu XH-5,

XH-7, dan XH-9. Semakin tinggi gradenya semakin tinggi kemampuannya dalam menyerap

uap air. Mesin dengan refrigeran R-12 bisanya menggunakan XH-5 sedangkan mesin dengan

refrigeran R-134a menggunakan XH-7 atau XH-9.

Pipa kapiler berfungsi untuk menurunkan tekanan refrigeran agar dapat menguap di evaporator

pada temperatur yang rendah. Tekanan refrigeran dapat diturunkan sebagai akibat adanya

gesekan pada pipa kapiler yang panjang dan berdiameter kecil.

Ukuran pipa kapiler biasanya dinyatakan dengan angka 10, 20 dan seterusnya hingga 90.

Anggka tersebut menunjukkan diameter pipa tersebut, grade 10 menunjukkan diameter pipa

0,010 inci.

REFERENSI

1. Barron, Randall F., Cryogenic System, Oxford University Press, New York 1985.

71

Pipa kapiler Filter-drier

Gambar 4.11 Filter-drier dan pipa kapiler pada mesin refrigerasi domestik dan komersial

2. Arora, C. P, Refrigeration and Air Conditioning, Mc. Graw-Hill International Editions,

Second Edition, 2001. ------------------------------------

72