Termodinamika Kulkas

TERMODINAMIKA KULKAS Refrigeran adalah fluida kerja yang bersirkulasi dalam siklus refrigerasi. Refrigeran merupakan komponen terpenting siklus refrigerasi karena refrigeran yang menimbulkan efek pendinginan dan pemanasan pada mesin refrigerasi. ASHRAE (2005) mendefinisikan refrigeran sebagai fluida kerja di dalam mesin refrigerasi, pengkondisian udara, dan sistem pompa kalor. Refrigeran menyerap panas dari satu lokasi dan membuangnya ke lokasi yang lain, biasanya melalui mekanisme evaporasi dan kondensasi. Calm (2002) membagi perkembangan refrigeran dalam 3 periode: Periode pertama, 1830-an hingga 1930-an, dengan kriteria refrigeran "apa pun yang bekerja di dalam mesin refrigerasi". Refrigeran yang digunakan dalam periode ini adalah ether, CO2, NH3, SO2, hidrokarbon, H2O, CCl4, CHCs. Periode kedua, 1930-an hingga 1990-an menggunakan kriteria refrigeran: aman dan tahan lama (durable). Refrigeran pada periode ini adalah CFCs (Chloro Fluoro Carbons), HCFCs (Hydro Chloro Fluoro Carbons), HFCs (Hydro Fluoro Carbons), NH3, H2O. Periode ke-tiga, setelah 1990an, dengan kriteria refrigeran "ramah lingkungan". Refrigeran pada periode ini adalah HCFCs, NH3, HFCs, H2O, CO2.

R-134 R-12 Gambar 5-1. Refrigeran

Perkembangan mutakhir di bidang refrigeran utamanya didorong oleh dua masalah lingkungan, yakni lubang ozon dan pemanasan global. Sifat merusak ozon yang dimiliki oleh refrigeran utama yang digunakan pada periode ke-dua, yakni CFCs, dikemukakan oleh Molina dan Rowland (1974) yang kemudian didukung oleh data pengukuran lapangan oleh Farman dkk. (1985). Setelah keberadaan lubang ozon di lapisan atmosfer diverifikasi secara saintifik, perjanjian internasional untuk mengatur dan melarang penggunaan zat-zat perusak ozon disepakati pada 1987 yang terkenal dengan sebutan Protokol Montreal. CFCs dan HCFCs merupakan dua refrigeran utama yang dijadwalkan untuk dihapuskan masingmasing pada tahun 1996 dan 2030 untuk negara-negara maju (United Nation Environment Programme, 2000). Sedangkan untuk negara-negara berkembang, kedua refrigeran utama tersebut masing-masing dijadwalkan untuk dihapus (phased-out) pada tahun 2010 (CFCs) dan 2040 (HCFCs) (Powell, 2002). Pada tahun 1997, Protokol Kyoto mengatur pembatasan dan pengurangan gas-gas penyebab rumah kaca, termasuk HFCs (United Nation Framework Convention on Climate Change, 2005). Powell (2002) menerangkan beberapa syarat yang harus dimiliki oleh refrigeran pengganti, yakni:

1. Memiliki sifat-sifat termodinamika yang berdekatan dengan refrigeran yang hendak digantikannya, utamanya pada tekanan maksimum operasi refrigeran baru yang diharapkan tidak terlalu jauh berbeda dibandingkan dengan tekanan refrigeran lama yang ber-klorin. 2. Tidak mudah terbakar. 3. Tidak beracun. 4. Bisa bercampur (miscible) dengan pelumas yang umum digunakan dalam mesin refrigerasi. 5. Setiap refrigeran CFC hendaknya digantikan oleh satu jenis refrigeran ramah lingkungan. Setelah periode CFCs, R22 (HCFC) merupakan refrigeran yang paling banyak digunakan di dalam mesin refrigerasi dan pengkondisian udara. Saat ini beberapa perusahaan pembuat mesin-mesin refrigerasi masih menggunakan refrigeran R22 dalam produkproduk mereka. Meski refrigeran ini, termasuk juga refrigeran jenis HCFCs lainnya, dijadwalkan untuk dihapuskan pada tahun 2030 (untuk negara maju), namun beberapa negara Eropa telah mencanangkan jadwal yang lebih progresif, misalnya Swedia telah melarang penggunaan R22 dan HCFCs lainnya pada mesin refrigerasi baru sejak tahun 1998, sedangkan Denmark dan Jerman mengijinkan penggunaan HCFCs pada mesinmesin baru hanya hingga 31 Desember 1999 (Kruse, 2000). Protokol Montreal memaksa para peneliti dan industri refrigerasi membuat refrigeran sintetis baru, HFCs (Hydro Fluoro Carbons) untuk menggantikan refrigeran lama yang ber-klorin yang dituduh menjadi penyebab rusaknya lapisan ozon. Weatherhead dan Andersen (2006) mengemukakan bahwa sejak 8 tahun terakhir, penipisan kolom lapisan ozon tidak terjadi lagi. Kedua peneliti ini meyakini akan terjadinya pemulihan lapisan ozon. Meski demikian, keduanya tidak secara jelas merujuk turunnya penggunaan zat perusak ozon sebagai penyebab pulihnya lapisan ozon. Powell (2002) menyebutkan bahwa adanya kerjasama yang sangat baik antara produser refrigeran dan perusahaan pengguna refrigeran telah memungkinkan terjadinya transisi mulus dari era penggunaan CFCs secara besar-besaran di 1986 hingga penghapusan dan penggantiannya dengan R134a di tahun 1996. Banyak kalangan menyebutkan bahwa Protokol Montreal adalah salah satu perjanjian internasional di bidang lingkungan yang paling berhasil diterapkan.

Saat ini, HCFCs (yang pada dasarnya merupakan pengganti transisional untuk CFCs) telah memiliki 2 kandidat pengganti, yakni R410A (campuran dengan sifat mendekati zeotrop) dan R407C (campuran azeotrop) (Kruse, 2000). Hidrokarbon Propana (R290) juga berpotensi menjadi pengganti R22 (Kruse, 2000). R407C merupakan campuran antara R32/125/132a dengan komposisi 23/25/52, sedangkan R410A adalah campuran R32/125 dengan komposisi 50/50 (ASHRAE, 2005). Saat ini, beberapa perusahaan terkemuka di bidang refrigerasi dan pengkonsian udara telah menggunakan R410A dalam produk mereka. Gambar 5-2. Kulkas dengan refrigeran non CFC Jika Protokol Montreal dan Kyoto dilaksanakan secara penuh dan konsisten, maka secara umum pada saat ini belum ada pilihan refrigeran komersial selain refrigeran alami. Meskipun perlu dicatat bahwa baru-baru ini terdapat produsen refrigeran yang mengklaim keberhasilannya membuat refrigeran yang tidak merusak ozon dan tidak menimbulkan pemanasan global (ASHRAE, 2006). Beberapa refrigeran alami yang sudah digunakan pada mesin refrigerasi adalah: amonia (NH3), hidrokarbon (HC), karbondioksida (CO2), air, dan udara (Riffat dkk., 1997). Kata "alami" menekankan keberadaan zat-zat tersebut yang berasal dari sumber biologis atapun geologis; meskipun saat ini beberapa produk refrigeran alami masih didapatkan dari sumber daya alam yang tidak terbarukan, misalnya hidrokarbon yang didapatkan dari oil-cracking, serta amonia dan CO2 yang didapatkan dari gas alam (Powell, 2002). Penggunaan karbondioksida, air, dan udara pada refrigerator komersial masih memerlukan riset yang mendalam, sedangkan penggunaan amonia dan hidrokarbon, meskipun sudah cukup banyak dilakukan, masih memiliki peluang riset yang cukup banyak (Riffat dkk., 1997). Amonia bersifat racun (toxic) dan cukup mudah terbakar, sedangkan hidrokarbon termasuk dalam zat yang sangat mudah terbakar; oleh karena itu refrigeran tersebut secara umum sulit digunakan pada sistem ekspansi langsung. Sistem refrigerasi tak-langsung bisa digunakan untuk mengatasi kelemahan kedua refrigeran tersebut. Beberapa peneliti berusaha menekan tingkat keterbakaran refrigeran hidrokarbon dengan cara mencampurkannya bersama refrigeran lain yang tak mudah terbakar (Pasek dkk., 2006; Sekhar dkk., 2004; Dlugogorsky dkk., 2002). Granryd (2001) menekankan bahwa pada dasarnya sudah tersedia teknologi untuk meningkatkan keamanan pada sistem refrigerasi yang menggunakan refrigeran hidrokarbon, namun cara yang ekonomis untuk membuat sistem tersebut aman dan terbukti dapat digunakan dalam skala luas masih perlu dikembangkan lebih lanjut.

Refrigeran yang digunakan dalam sistem kompresi uap dikelompokkan menjadi refrigeran primer. Sedangkan jika fluida digunakan untuk memindahkan panas, maka fluida ini disebut sebagai refrigeran sekunder. Penggunaan refrigeran saat ini merupakan isu penting menyangkut pemanasan global. Pada bab ini, akan dijelaskan jenis refrigeran, sifat, dan penggunaannya saat ini.

B. Refrigeran Primer Refrigeran primer adalah refrigeran yang digunakan pada sistem kompresi uap. Refrigeran yang digunakan pada sistem pendinginan kompresi uap harus mempunyai mempunyai sifat-sifat kimia, fisika, termodinamika tertentu yang sesuai dengan kondisi penggunaan 1. Jenis Refrigeran a. Golongan Halokarbon Refrigeran golongn halokarbon adalah jenis refrigeran yang umum digunakan. Refrigeran jenis ini meliputi refrigeran yang terdiri dari satu atau lebih dari tiga jenis ion golongan halogen (klorin, fluorin, dan bromin). Beberapa jenis refrigeran halokarbon yang umum digunakan disajikan pada Tabel 1. Tabel 1. Jenis refrigeran halokarbon

Nomor refrigeran 11 12 13 22 40 113 115

Nama kimia

Rumus kimia

Trikloromonofluorometan Diklorodifluorometan Monoklorotrifluorometan Monoklorodifluorometan Metil klorida Triklorotrifluoroetan Diklorotetrafluoroetan

CCl3F CCl2F2 CClF3 CHClF2 CH3Cl CCl2FCClF2 CClF2CClF2

Sistem penomoran golongan halokarbon adalah sebagai berikut: nomor pertama dari sebelah kanan menunjukkan jumlah atom florin pada senyawa, nomor kedua dari kanan menunjukkan satu nilai lebih banyak dari jumlah atau, hidogren pada senyawa dan tiga digit dari kanan menunjukkan satu nilai lebih sedikit dari jumlah atom karbon. b. Senyawa Inorganik. Awalnya, saat pendinginan hanya digunakan untuk tujuan khusus, hanya amoniak dan karbon dioksida yang dapat digunakan sebagai refrogeran. Saat pendinginan mulai dikenalkan pada masyarakat, sulfur dioksida, metil klorida dan metilen klorida digunkan karena sesuai dengan kompresor sentrifugal. Metilrn klorida dan karbon dioksida, karena faktor keamanannya digunakan untuk sistem pengkondisian udara (AC). Semua refrigeran ini, selain amonia, tidak digunakan lagi, kecuali pada sistem yang lama. Amonia mempunyai sifat termal yang baik, dan masih digunakan pada lapangan es skating.

c. Senyawa Hidrokarbon Banyak senyawa hidrokarbon yang digunakan sebagai refrigeran, umumnya digunakan pada industri minyak bumi, seperti metana, etana, propana, etilen, dan isobutilen. Kesemuanya flammable dan eksplosif. Digolongkan sedikit beracun karena mengandung efek bius pada tingkat tertentu. Etana, metana, dan etilen digunakan pada pendinginan suhu ekstra rendah. Hidrokarbon sebagai refrigerant dalam sistem refrigerasi telah dikenal sejak tahun 1920-an, sebelum refrigerant sintetik dikenal. Ilmuwan yang tercatat sebagai promotor hidrokarbon sebagai refrigerant antara lain Linde (1916) dan Ilmuwan Dunia Albert Einstein (1920). Hidrokarbon kembali diperhitungkan sebagai alternatif pengganti CFC, setelah aspek lingkungan mengemuka, dan timbulnya permasalahan dalam peralihan dari CFC ke HFC, dikarenakan perlu adanya penyesuaian perangkat keras, pelumas, serta perlakuan khusus dalam operasional penggunaan bahan HFC : R-134a ini. Demikian sulitnya perlakuan R-134a sebagai pengganti R-12 serta masih memiliki dampak Global Warming Potential (GWP), bahkan Greenpeace suatu LSM di Jerman yang sebelumnya gencar mendorong peralihan R-12 ke R-134a, kemudian beralih memperomosikan penggunaan hidrokarbon sebagai refrigeran, seperti GTZ-Technology yang telah populer di daratan Eropa. Penggunaan refrigeran hidrokarbon terus meluas ke berbagai negara di kawasan Asia Pasific, dan. dewasa ini telah banyak dikenal berbagai merek refrigerant yang dihasilkan oleh berbagai negara, seperti yang berasal dari negara : Inggeris, Perancis, Jerman, Belanda, Kanada, Australia, Amerika, Korea, dan lain-lain, termasuk Indonesia.

Indonesia sebagai negara yang memiliki cadangan gas alam dan minyak bumi, disamping pemanfaatan sebagai bahan bakar, juga memiliki potensi sebagai negara yang dapat berkecimpung dalam hal refrigerant hidrokarbon maupun produk-produk ramah lingkungan berbasis hidrokarbon lainnya seperti : Aerosol propellant, foaming agent, solvent, dan lain-lain. Produk refrigerant hidrokarbon MUSI COOL merupakan refrigerant hidrokarbon yang sudah diproduksi di dalam negeri dengan beberapa grade

•

•

•

MC-12 dan MC-134 sebagai pengganti refrigerant R-12 dan R134a MC-12 dan MC-134 merupakan campuran propane dan i-butane dengan kandungan butane serendah mungkin agar tidak menggangu proses kondensasi pada sistem pendingin. Refrigerant ini digunakan pada kendaraan bermotor, kulkas dan dispenser MC-22 sebagai pengganti refrigerant R-22 MC-22 digunakan untuk pendingin ruangan/AC jenis Split, window maupun central. Refrigerant ini memerlukan kandungan propane yang sangat tinggi yaitu 99,7 % wt dengan impuritis butane dan olefin yang serendah mungkin atau mendekati nol agar kinerja sistem pendingin berjalan optimal. MC-600 sebagai refrigerant 600a MC-600 mempunyai kandungan ibutane yang sangat tinggi/dominan atau lebih besar dari 85 % wt dengan kandungan propane seminim mungkin. Refrigerant 600a saat ini digunakan sebagai media pendingin pada kulkas, yang beroperasi pada tekanan rendah. Ke depan prospek refrigerant ini sangat cerah karena kecenderungan penggunaannya tinggi.

Gambar 5-3. Refrigeran hydrocarbon (Musicool) buatan Pertamina

d. Azeotrop Senyawa azeotrop adalah suatu campuran yang tak dapat dipisahkan menjadi senyawa penyusunnya dengan cara distilasi. Senyawa ini menguap dan mengembun sebagai satu zat, tidak seperti campuran lainnya. Azeotrop yang paling dikenal adalah R502 yang merupakan campuran 48.8% R22 dan 51.2% R115. Azeotrop lainnya adalah R500, campuran dari 73.8% R-12 dan 26.2% R-152a. 2. Sifat Regfrigeran Dalam pemilihan refrigeran, sifat refrigeran yang penting antara lain sifat termodinamika, kimia, dan fisik. Sifat termodinamika yang penting antara lain titik didih, tekanan penguapan dan pengembunan, tekanan dan suhu kritis, titik beku, volume uap, COP, tenaga per ton refrigerasi. Sifat kimia berhubungan dengan reaksi

refrigeran terhadap keadaan sekitar, antara lain tidak mudah terbakar, tidak beracun, tidak bereaksi dengan air, minyak dan bahan konstruksi. Sedangkan sifat fisik refrigeran berhubungan dengan bahan itu sendiri,antara lain konduktivitas dan kekentalan. Sifat Refrigeran • •

•

•

•

•

• • • • • • •

Tekanan penguapan harus cukup tinggi Sebaiknya refrigeran memiliki suhu pada tekanan yang lebih tinggi, sehingga dapat dihindari kemungkinan terjadinya vakum pada evaporator dan turunnya efisiensi volumetrik karena naiknya perbandingan kompresi Tekanan pengembunan yang tidak terlampau tinggi, apabila tekanan pengembunannya terlalu rendah, maka perbandingan kompresinya menjadi lebih rendah, sehingga penurunan prestasi kondensor dapat dihindarkan, selain itu dengan tekanan kerja yang lebih rendah, mesin dapat bekerja lebih aman karena kemungkinan terjadinya kebocoran, kerusakan, ledakan dan sebagainya menjadi lebih kecil. Kalor laten penguapan harus tinggi, refrigeran yang mempunyai kalor laten penguapan yang tinggi lebih menguntungkan karena untuk kapasitas refrigerasi yang sama, jumlah refrigeran yang bersirkulasi menjadi lebih kecil Volume spesifik ( terutama dalam fasa gas ) yang cukup kecil, Refrigeran dengan kalor laten penguapan yang besar dan volume spesifik gas yang kecil (berat jenis yang besar) akan memungkinkan penggunaan kompresor dengan volume langkah torak yang lebih kecil. Dengan demikian untuk kapasitas refrigerasi yang sama ukuran unit refrigerasi yang bersangkutan menjadi lebih kecil Koefisien prestasi harus tinggi, dari segi karakteristik termodinamika dari refrigeran, koefisien prestasi merupakan parameter yang terpenting untuk menentukan biaya operasi Konduktivitas termal yang tinggi, konduktivitas termal sangat penting untuk menentukan karakteristik perpindahan kalor Viskositas yang rendah dalam fasa cair maupun fasa gas, dengan turunnya tahanan aliran refrigeran dalam pipa, kerugian tekanannya akan berkurang Konstanta dielektrika dari refrigeran yang kecil, tahanan listrik yang besar, serta tidak menyebabkan korosi pada material isolator listrik Refrigeran hendaknya stabil dan tidak bereaksi dengan material yang dipakai, jadi juga tidak menyebabkan korosi Refrigeran tidak boleh beracun Refrigeran tidak boleh mudah terbakar dan mudah meledak Sebaiknya refrigeran menguap pada tekanan sedikit lebih tinggi dari pada tekanan atmosfir. Dengan demikian dapat dicegah terjadinya kebocoran udara luar masuk sistem refrigeran karena kemungkinan adanya vakum pada seksi masuk kompresor (pada tekanan rendah).

Titik didih refrigeran merupakan salah satu faktor yang sangat penting: • •

Refrigeran yang memiliki titik didih rendah biasanya dipakai untuk keperluan operasi pendinginan temperatur rendah (refrigerasi) Refrigeran yang memiliki titik didih tinggi digunakan untuk keperluan pendinginan temperatur tinggi (pendinginan udara)

Titik didih refrigeran merupakan indikator yang menyatakan apakah refrigeran dapat menguap pada temperatur rendah yang diinginkan, tetapi pada tekanan yang tidak terlalu rendah. Dari segi termodinamika R12, R22, R500, R502, ammonia dapat dipakai untuk daerah suhu yang luas, dari keperluan pendinginan udara sampai ke refrigerasi. Sifat termofisik dari beberapa refrigeran disajikan pada tabel 5.1. Tabel 5.1. Sifat termofisik beberapa refrigeran

Parameter Simbol kimia Berat molekul Titik didih (0C, 1 atm) Titik beku (0C, 1 atm) Cp/Cv (g) Suhu kritik (0C) Tekanan kritik (kPa) Panas laten penguapan (kJ/kg)

R-12

R-22

R-114

R-500

R-502

R-717

R-718

CCl2F2 120.9 -29.8 -157.8 1.13 112.2 4115.7 161.7

CHClF2 86.5 -40.8 -160.0 1.18 96.1 4936.1 217.7

CClF2 170.9 3.6

99.29 -33.3

112 -45.6

NH3 17 -33.3 -77.8 1.31 132.8 1423.4 1314.2

H20 18 100 1.40

3. Atribut Lingkungan dan Atribut Kerja Pemilihan refrigeran lainnya dibuat berdasarkan atribut kerja dan lingkungan. Atribut kerja refrigeran adalah sifat yang berkaitan dengan penggunaan refrigeran. Sifat ini dibandingkan dengan beban kerja yang sama atau suhu evaporasi dan suhu kondensasi yang sama. Sifat yang dibandingkan antra lain COP, efek pendinginan, serta tekanan kondensasi dan evaporasi. Tabel 5.2 menampilkan atribut kerja bebrapa refrigeran dengan suhu kondensasi 300C dan suhu evaporasi -150C. Tabel 5.2. Atribut kerja beberapa refrigeran

Refrigeran 11 12 22 502 717

Tekanan Tekanan Rasio Efek Laju aliran massa per evaporasi kondensasi tekanan refrigerasi kW refrigerasi (L/det) (kPa) (kPa) (kJ/kg) 20.4 125.5 6.15 155.4 4.9 182.7 744.6 4.08 116.3 0.782 295.8 1192.1 4.03 162.8 0.476 349.6 1308.6 3.74 106.2 0.484 236.5 1166.6 4.93 1103.4 0.462

COP

5.03 4.70 4.66 4.37 4.76

Atribut lingkungan suatu refrigeran duhubungkan dengan reaksi refrigeran saat terlepas di atmosfer. Pada refrigeran halokarbon, atom klorin pada refrigeran akan berikatan dengan ozon di atmosfer, sehingga menyebabkan terjadinya penipisan ozon yang menyebabkan pemanasan global. Terdapat tiga jenis atribut lingkungan yang umum dikenal, GWP, ODP, dan tahun atmosferik.

GWP (Global Warming Potential) adalah ukuran seberapa banyak jumlah gas rumah kaca yang diperkirakan akan mempengaruhi pemanasan global. GWP merupakan suatu ukuran relatif yang membandingkan gas yang ingin diketahui nilainya dengan gas CO2 dalam jumlah yang sama. GWP juga harus diukur dalam waktu yang sama, umumnya diukur dalam waktu 100 tahun. ODP (Ozone Depletion Pottential) merupakan parameter yang menyatakan kemampuan suatu refrigeran untuk berikatan dengan ozon di stratosfer. Umumnya, makin banyak ion klorin dalam suatu refrigeran maka makin tinggi ODPnya. Siklus hidup menentukan lamanya suatu gas terurai di atmosfer. Atribut lingkungan beberapa refrigeran ditunjukkan pada tabel 5.3. Tabel 5.3. Atribut lingkungan refrigeran primer

Refrigeran Karbon dioksida Metana R-11 R-12 R-22 R-502 R-717 (Amonia)

Tahun atmosferik

ODP

GWP

50-200 12 + 3 50 + 5 120 13.3 -

0 0 1.0 1.0 0.055 0.283 0

1 21 4000 8500 1700 5600 Tidak ada

C. Refrigeran sekunder Seperti dijelaskan sebelumnya, refrigeran sekunder merupakan fluida yang membawa panas dari benda yang didinginkan ke evaporator suatu sistem pendinginan. Suhu refrigeran sekunder akan berubah saat refrigeran mengambil panas namun tidak berubah fasa. Air dapat digunakan sebagai refrigeran sekunder, namun hanya untuk kondisi operasi di atas titik beku air. Refrigeran yang umum digunakan adalah campuran garam dan air (brine) atau anti beku yang mempunyai titik beku di bawah 00C. Beberapa anti beku yang umum digunakan adalah campuran air dengan etilen glikol, propiln glikol atau kalsium klorida. Etilen glikol dapat digunakan dalam industri makanan karena tidak beracun. Refrigeran Inorganik Amonia (NH3) Air (H2O) CO2 Refrigeran 11 (CCL3F) Refrigeran 12 (CCL2F) Refrigeran 22 (CHCLF2)

Penggunaan Untuk cold storage, pabrik es, pendinginan bahan pangan Pendinginan tipe ejektor Sebagai karbondioksida padat atau es kering dan hanya digunakan untuk refrigerasi angkutan Pendinginan dengan kompresor sentrifugal untuk sistem AC ber-kapasitas besar Pendinginan dengan kompresor piston untuk refrigerasi unit kecil terutama water cooler, kulkas Pendinginan dengan kompresor tipe piston untuk unit refrigerasi kapasitas besar seperti pengemasan dan central AC

Refrigeran 502

Sumber

Untuk bahan pangan beku dalam kabinet, terutama untuk pendinginan di pasar swalayan

: Musicool refrigerant. http://www.up-3.com/up3.php?page=viewproducts&id=8 http://tep.fateta.ipb.ac.id/elearning/media/Teknik%20Pendinginan/bab5.php