Teknik Sistem Kerja Refrigerasi dan AC

REFRIGERASI DAN AC

?  Apakah Refrigerasi dan Penyejuk AC itu

Refrigerasi  dan  penyejuk  AC  digunakan  untuk  mendinginkan  produk  atau  lingkungan gedung. Sistim refrigerasi atau penyejuk AC (R) memindahkan panas dari tangki  reservoir rendah energi yang lebih dingin ke tangki reservoir energi tinggi yang lebih hangat (lihat Gambar 1).

 

Gambar 1. Penggambaran skematik
 sistim refrigerasi

Terdapat beberapa putaran/ loop perpindahan panas dalam sistim refrigerasi seperti terlihat pada Gambar 1. Energi panas bergerak dari kiri kekanan yang diambil dari ruangan dan dikeluarkan ke luar ruangan melalui lima putaran/ loop perpindahan panas:

·   Putaran/ loop udara dalam ruangan. Pada loop sebelah  kiri, udara dalam ruangan digerakkan oleh fan pemasok udara melalui kumparan pendingin, yang akan mentransfer panasnya ke air dingin/ chilled water. Udara dingin kemudian  mendinginkan ruangan gedung.

·      Putaran/ loop air dingin. Digerakkan oleh pompa air dingin/ chilled water, air kembali dari kumparan dingin ke penguap pendingin chiller untuk didinginkan ulang.

·     Putaran/ loop refrigeran. Dengan menggunakan refrigerant perubahan fase, kompresor chiller memompa panas dari air dingin/ chilled water ke air kondenser.

·       Putaran/ loop air kondenser. Air menyerap panas dari kondenser pendingin, dan pompa air kondenser mengirimkannya ke menara pendingin.

·     Putaran/ loop menara pendingin. Fan menara pendingin menggerakan udara melintasi aliran terbuka air kondenser panas, memindahkan panas ke luar ruangan.

?  Sistem Penyejuk AC

Tergantung pada penerapannya, terdapat berbagai opsi/ kombinasi penyejuk udara AC  yang tersedia untuk penggunaannya:

·         Penyejuk udara (untuk ruangan atau mesin-mesin)

·         Penyejuk udara AC Split

·         Unit kumparan fan pada sistim yang lebih besar

·         Unit handling udara pada sistim yang lebih besar

?  Sistim Refrigerasi (untuk proses)

Sistim refrigerasi berikut tersedia untuk proses-proses industri (misal plant pendingin) dan keperluan domestik (unit modul seperti kulkas):

·         Unit modul ekspansi langsung  yang berkapasitas kecil sama dengan kulkas.

·    Plant air dingin/ chilled water yang terpusat dengan air dingin/ chilled water  sebagai refrigeran sekundernya untuk kisaran suhu diatas 5 ^oC. Dapat juga digunakan  sebagai pembentuk gumpalan es.

·    Plant air garam, yang menggunakan air garam untuk suhu yang lebih rendah, refrigeran sekunder untuk penerapan suhu sub-nol, yang kemudian menjadi kapasitas  unit modul dan kapasitas plant yang terpusat.

·   Kapasitas plant hingga 50 TR (ton refrigerasi) biasanya dianggap sebagai unit  yang berkapasitas kecil, 50 – 250 TR sebagai unit berkapasitas menengah dan diatas 250 TR sebagai unit berkapasitas besar.

Sebuah perusahaan besar dapat memiliki sekumpulan unit, seringkali dengan pompa air dingin/ chilled water, pompa air kondenser, menara pendingin, sebagai utilitas diluar lokasi. Perusahaan yang sama mungkin juga memiliki dua atau tiga tingkat refrigerasi dan penyejuk AC seperti kombinasi antara:

·         Penyejuk udara AC yang nyaman (20 – 25 ^oC)

·         Sistim chilled water (80 – 100 ^oC)

·         Sistim air garam (penerapan sub-nol)

?  Jenis-Jenis Refrigerasi Dan Penyejuk Udara Ac

Bagian ini menerangkan dua prinsip jenis plant refrigerasi yang ditemukan di industri: Refrigerasi Kompresi Uap /Vapour Compression Refrigeration (VCR) dan Refrigerasi Penyerap Uap/ Vapour Absorption Refrigeration (VAR).  VCR menggunakan energi mekanis sebagai energi penggerak untuk refrigerasinya, sementara itu VAR menggunakan energy panas sebagai energi penggerak refrigerasinya.

?  Sistim Refrigerasi Kompresi Uap

Siklus refrigerasi kompresi mengambil keuntungan dari kenyataan bahwa fluida yang bertekanan tinggi pada suhu tertentu cenderung menjadi lebih dingin jika dibiarkan mengembang. Jika perubahan tekanan cukup tinggi, maka gas yang ditekan akan menjadi lebih panas daripada sumber dingin diluar (contoh udara diluar) dan gas yang mengembang akan menjadi lebih dingin daripada suhu dingin yang dikehendaki. Dalam kasus ini, fluida digunakan untuk mendinginkan lingkungan bersuhu rendah dan membuang panas ke lingkungan yang bersuhu tinggi.

Siklus refrigerasi kompresi uap memiliki dua keuntungan. Pertama, sejumlah besar energi panas diperlukan untuk merubah cairan menjadi uap, dan oleh karena itu banyak panas yang dapat dibuang dari ruang yang disejukkan. Kedua, sifat-sifat isothermal penguapan membolehkan pengambilan panas tanpa menaikan suhu fluida kerja ke suhu berapapun didinginkan. Hal ini berarti bahwa laju perpindahan panas menjadi tinggi, sebab semakin dekat suhu fluida kerja mendekati suhu sekitarnya akan semakin rendah laju perpindahan panasnya.

Siklus refrigerasi ditunjukkan dalam Gambar 3 dan 4 dan dapat dibagi menjadi tahapan- tahapan berikut:

·        1 – 2. Cairan refrigeran dalam evaporator menyerap panas dari sekitarnya,  biasanya udara, air atau cairan proses lain. Selama proses ini cairan merubah bentuknya dari cair menjadi  gas,  dan  pada  keluaran  evaporator  gas  ini  diberi  pemanasan   berlebih/ superheated gas.

·   2 – 3. Uap yang diberi panas berlebih masuk menuju kompresor dimana  tekanannya dinaikkan. Suhu juga akan meningkat, sebab bagian energi yang menuju proses kompresi dipindahkan ke refrigeran.

·       3 – 4. Superheated gas bertekanan tinggi lewat dari kompresor menuju kondenser. Bagian awal  proses  refrigerasi  (3-3a)  menurunkan  panas  superheated  gas  sebelum  gas  ini dikembalikan  menjadi  bentuk  cairan  (3a-3b). Refrigerasi  untuk  proses  ini  biasanya dicapai dengan menggunakan udara atau air. Penurunan suhu lebih lanjut  terjadi pada pekerjaan pipa dan penerima cairan (3b - 4), sehingga cairan refrigeran didinginkan ke tingkat lebih rendah ketika cairan ini menuju alat ekspansi. 

Gambar 3. Gambaran skematis siklus

 refrigerasi kompresi uap

Gambar 4. Gambaran skematis siklus

refrigerasi termasuk perubahan tekanannya

·    4 – 1. Cairan yang sudah didinginkan dan bertekanan tinggi melintas melalui  peralatan ekspansi, yang mana akan mengurangi tekanan dan mengendalikan aliran menuju kondenser harus mampu membuang panas gabungan yang masuk evaporator dan kondenser. Dengan kata lain: (1 - 2) + (2 - 3) harus sama dengan (3 - 4). Melalui alat ekspansi tidak terdapat panas yang hilang maupun yang diperoleh.

Jenis-jenis refrigeran yang digunakan dalam sistim kompresi uap

Terdapat berbagai jenis refrigeran yang digunakan dalam sistim kompresi uap. Suhu refrigerasi yang dibutuhkan sangat menentukan dalam pemilihan fluida. Refrigeran yang umum digunakan adalah yang termasuk kedalam keluarga chlorinated fluorocarbons (CFCs, disebut juga Freons): R-11, R-12, R-21, R-22 dan R-502. Sifat-sifat bahan-refrigeran tersebut diberikan dalam Tabel 2 dibawah:

Tabel 1. Sifat-sifat refrigeran yang biasa digunakan

*           Pada -10 ^oC

**          Pada Standar Tekanan Atmosfir (101,325 kPa)

Tabel 2. Kinerja refrigeran yang biasa digunakan

*           Pada  -15 ^oC Suhu Penguapan, dan 30 ^oC Suhu Kondenser

**          COP carnot = Koefisien Kinerja =Suhu.Penguapan / (Suhu.Kondensasi. - Suhu.Penguapan.)

Pemilihan refrigeran dan suhu pendingin dan beban yang diperlukan menentukan pemilihan kompresor, juga perancangan kondenser, evaporator, dan alat pembantu lainnya. Faktor tambahan seperti kemudahan dalam perawatan, persyaratan fisik ruang dan ketersediaan utilitas untuk peralatan pembantu (air, daya, dll.) juga mempengaruhi pemilihan komponen.

?  Sistim Refrigerasi Penyerapan Uap

Sistim refrigerasi penyerapan uap terdiri dari:

·         Absorber:   Penyerapan   uap   refrigeran   oleh   absorben   atau   adsorben   yang   cocok, membentuk larutan refrigeran yang kuat atau kaya dalam absorben/ adsorben

·         Pompa: Pemompaan larutan yang kaya dan menaikan tekanannya ke tekanan kondenser

·        Generator: Destilasi uap dari larutan kaya menyisakan larutan miskin untuk pendaur ulangan.

  

Gambar 5: Skema sederhana sistim
pendinginan absorpsi uap

Chiller absorpsi merupakan sebuah mesin, yang menghasilkan chilled water dengan menggunakan panas seperti steam, air panas, gas, minyak, dll. Chilled water diproduksi berdasarkan prinsip bahwa cairan (yakni refrigeran, yang menguap pada suhu rendah) menyerap panas dari sekitarnya apabila menguap. Air murni digunakan sebagai refrigeran dan larutan lithium bromide digunakan sebagai absorben.

Panas untuk sistim refrigerasi absorpsi uap dapat diberikan oleh limbah panas yang diambil dari proses, generator diesel, dll. Dalam kasus tersebut sistim absorpsi memerlukan listrik hanya untuk menjalankan pompa. Tergantung pada suhu yang diperlukan dan biaya energi, mungkin akan ekonomis apabila membangkitkan panas/steam untuk mengoperasikan sistim absorpsi.

Evaporator Refrigeran (air) menguap pada suhu sekitar   4oC   pada   kondisi   vakum tinggi 754 mm Hg dalam evaporator. Air dingin masuk menuju pipa-pipa penukar panas dalam evaporator dan memindahkannya ke refrigeran yang menguap. Refrigeran yang menguap (uap) berubah menjadi cairan lagi, sementara panas laten dari proses penguapan ini mendinginkan air dingin (pada diagram dari 12 oC hingga 7 oC). Air dingin kemudian digunakan untuk refrigerasi.

Absorber Untuk menjaga penguapan, uap refrigeran harus dibuang dari evaporator dan refrigeran (air) harus dipasok. Uap refrigeran diserap ke larutan lithium bromide, yang sesuai untuk menyerap uap refrigeran dalam absorber.  Panas  yang  dihasilkan dalam proses absorpsi secara terus menerus dikeluarkan dari sistim oleh air  pendingin.  Absorpsi  juga mencapai vakum dibagian dalam evaporator.

Generator Tekanan Tinggi Ketika larutan lithium bromide menjadi encer, kemampuan menyerap uap refrigeran berkurang. Untuk menjaga proses absorpsi berlangsung,  larutan  lithium bromide  yang  encer  harus dipekatkan lagi. Chiller  pengabsorpsi  diberikan dengan sistim pemekat larutan yang disebut generator. Media pemanas seperti steam, air panas, gas atau minyak berfungsi sebagai larutan pemekat. Larutan pekat dikembalikan ke absorber   untuk   menyerap   kembali uap refrigeran.

Kondenser Untuk melengkapi siklus refrigerasi, dan dengan demikian menjamin refrigerasi  berlangsung  terus menerus, maka diperlukan dua fungsi berikut 1.    Memekatkan dan mencairkan uap refrigeran yang teruapkan, yang dihasilkan  dalam  generator tekanan tinggi. 2.    Memasok  air  yang  terembunkan ke evaporator sebagai refrigeran (air) Untuk dua fungsi tersebut maka dipasang sebuah kondenser.

Sistim refrigerasi absorpsi yang menggunakan Li-Br-air sebagai refrigerannya memiliki Koefisien Kinerja/ Coefficient of Performance (COP) dalam kisaran 0,65 – 0,70 dan dapat menyediakan chilled water pada suhu 6,7 ^oC dengan suhu air refrigerasi 30 ^oC.  Sistim yang mampu memberikan chilled water pada suhu 3 ^oC juga tersedia. Sistim yang berdasarkan amoniak  beroperasi  diatas  tekanan  atmosfir  dan  mampu  beroperasi  pada  suhu  rendah (dibawah 0^oC). Mesin absorpsi tersedia dengan kapasitas antara 10-1500 ton. Walaupun biaya awal sistim absorpsi lebih tinggi daripada sistim kompresi namun biaya operasionalnya lebih rendah jika digunakan limbah panas.

?  Refrigerasi evaporatif dalam sistim refrigerasi absorpsi uap

Terdapat banyak kejadian dimana penyejuk udara AC, yang menetapkan pengendalian kelembaban hingga 50% untuk kenyamanan manusia atau untuk proses-proses, dapat digantikan oleh pendingin evaporatif yang rendah energi dan lebih murah.

Gambar 5. Skema pendinginan evaporatif

Konsepnya sangat sederhana dan sama dengan yang menggunakan menara pendingin. Udara dibawa  dan  bersinggungan  dekat  dengan  air  untuk  mendinginkan  udara  hingga  suhu mendekati suhu wet bulb. Udara dingin dapat digunakan untuk refrigerasi kenyamanan atau proses. Kerugiannya adalah bahwa udara kaya akan kadar air. Udara dingin dapat digunakan untuk kenyamanan atau untuk proses. Kerugiannya adalah udara akan kaya denganuap air. Meskipun demikian, ini merupakan alat pendingin yang sangat efisien dengan biaya yang sangat  rendah.  Sistim  komersial  yang  besar  menggunakan  bantalan  yang  diisi  selulosa dimana air disemprotkan. Suhu dapat dikontrol dengan pengontrolan aliran udara dan laju sirkulasi air. Kemungkinan refrigerasi evaporatif sangat menarik untuk refrigerasi bagi kenyamanan di daerah kering. Prinsip ini dipraktekkan di industri tekstil untuk proses-proses tertentu.