sistem refigerasi

Pemahaman tentang Sistem Refrigerasi

Refrigerasi merupakan suatu kebutuhan dalam kehidupan saat ini terutama bagi masyarakat perkotaan. Karena itu kita perlu mempelajari sitem kerja refrigerasi dan sekaligus mengenal komponen-komponen refrigerasi. Refrigerasi dapat berupa lemari es pada rumah tangga, mesin pembeku (freezer), pendingin sayur dan buah-buahan pada super market dan sebagainya. Peralatan ini dapat dijumpai mulai dari skala kecil pada rumah tangga hingga skala besar pada aplikasi di industri. Sistem refrigerasi kompressi uap juga digunakan pada aplikasi tata udara (air condition). Aplikasi tata udara untuk hunian manusia, mesin yang digunakan dapat ditemui mulai dari skala kecil seperti AC window dan AC spilit dan skala besar seperti air cooled chiller.

1. Pendahuluan

Refrigerasi adalah proses pengambilan kalor atau panas dari suatu benda atau ruang untuk menurunkan temperaturnya. Kalor adalah salah satu bentuk dari energi, sehingga mengambil kalor suatu benda ekuivalen dengan mengambil sebagian energi dari molekul-molekulnya. Pada aplikasi tata udara (air conditioning), kalor yang diambil berasal dari udara. Untuk mengambil kalor dari udara, maka udara harus bersentuhan dengan suatu bahan atau material yang memiliki temperatur yang lebih rendah.

Suatu mesin refrigerasi akan memiliki tiga sistem terpisah yakni:

1. Sistem refrigerasi
2. Sumberdaya untuk menggerakkan kompresor, yang berupa motor listrik
3. Sistem kontrol untuk menjaga suhu benda atau ruangan seperti di inginkan.

Mesin refrigerasi dapat berupa lemari es pada rumah tangga, mesin pembeku (freezer), pendingin sayur dan buah-buahan pada supermarket, mesin pembeku daging dan ikan, dan sebagainya. Peralatan ini dapat dijumpai mulai dari skala kecil pada rumah tangga hingga skala besar pada aplikasi komersial dan industri.

Di samping itu, sistem refrigerasi komputer uap jugga digunakan pada aplikasi tata udara. Pada aplikasi tata udara untuk hunian manusia, mesin yang digunakan dapat ditemui mulai dari skala kecil seperti AC window dan AC split, sampai dengan skala menengah dan besar seperti packaget rooftop air conditioner, water-cooled chiller, dan air-cooled chiller.

2. Tujuan

1. Dengan memahami cara kerja sistem refrigerasi calon teknisi refrigerasi dapat lebih mudah mencari kesalahan atau kerusakan pada sistem refrigerasi.
2. Dengan memahami cara kerja sistem refrigerasi, masyarakat dapat menghindari kesalahan pemakaian dalam pengoperasian mesin refrigerasi.

3. Sistem Refrigerasi Sederhana

Sistem refrigerasi yang umum dan mudah dijumpai pada apliksai sehari-hari, baik untuk keperluan rumah tangga, komersial, dan industri, adalah sistem refrigerasi kompresi uap (vapor compression refrigeration). Pada sistem ini terdapat refrigeran (refrigerant), yakni suatu senyawa yang dapat berubah fase secara cepat dari uap ke cair dan sebaliknya. Pada saat terjadi perubahan fase dari cair ke uap, refrigeran akan mengambil kalor (panas) dari lingkungan. Sebaliknya, saat berubah fase dari uap ke cair, refrigeran akan membuang kalor (panas) ke lingkungan sekelilingnya.

Komponen utama dari suatu sistem refrigerasi kompresi uap adalah:

1. Evaporator
2. Kompresor
3. Kondenser
4. Alat ekspansi (metering device)

Semua komponen tersebut dihubungkan oleh suatu sistem pemipaan sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 5.

3.1 Evaporator

Evaporator adalah komponen yang digunakan untuk mengambil kalor dari suatu ruangan atau suatu benda yang bersentuhan dengannya. Pada evaporator terjadi pendidihan (boiling) atau penguapan (evaporation), atau perubahan fasarefrigran dari cair menjadi uap. Refrigeran pada umumnya memiliki titik didih yang rendah. Sebagai contoh, refrigeran 22 (R22) memiliki titik didih -41° C. Dengan demikian, refrigeran mampu menyerap kalor pada temperatur yang sangat rendah.

Evaporator dapat berupa koil telanjang tanpa sirip (bare pipe coil), koil bersirip (finned coil), pelat (plate evaporator) shell and coil, atau shell and tube evaporator. Jenis evaporator yang digunakan pada suatu sistem refrigerasi tergantung pada jenis aplikasinya.

3.2 Kompresor

Kompresor dikenal sebagai jantung dari suatu sistem refrigerasi, dan digunakan untuk menghisap dan menaikkan tekanan uap refrigeran yang berasal dari evaporator. Bagian pemipaan yang menghubungkan antara evaporator dengaan kompresor dikenal sebagai saluran hisap (suction line). Penambahan tekanan uap refrigeran dengan kompresor ini dimaksud agar refrigeran dapat mengembun pada temperatur yang relatif tinggi. Refrigeran yang keluar dari kompresor masih berfasa uap dengan tekanan tinggi. Perbandingan antara absolut tekanan buang (discharge pressure) dan tekanan isap (suction pressure) disebut dengan ratio kompresi (compression ratio).

Kompresor pada sistem refrigerasi dapat berupa kompresor torak (reciprocating compresor), rotary, scrol, screw, dan centrifugal. Kompresor yang paling umum dijumpai dan terdapat dalam berbagai tingkat kapasitas adalah kompresor torak.

Refrigeran yang masuk kedalam kompresor harus benar-benar berfasa uap. Adanya cairan yang masuk ke kompresor dapat merusak piston, silinder, piston ring dan batang torak. Karena itu, beberapa jenis mesin refrigerasi dilengkapi dengan liquid receiver untuk memastikan refrigeran yang diisap oleh kompresor benar-benar telah berfasa uap.

3.3 Kondenser

Kondenser berfungsi untuk mengembunkan atau mengkondensasikan refrigeran bertekanan tinggi dari kompresor. Pemipaan yang menghubungkan antara kompresor dengan kondenser dikenal dengan saluran buang (discharge line). Dengan demikian, pada kondenser terjadi perubahan fasa uap ke cair ini selalu disertai dengan penbuangan kalor ke lingkungan. Pada kondenser berpendingin udara (air cooled condenser), pembuangan kalor dilakukan ke udara. Pada kondenser berpendingin air (water cooled condenser), pembuangan kalor dilakukan ke air.

3.4 Alat Ekspansi (Metering Device )

Komponen ini berfungsi memberikan satu cairan refrigeran dalam tekanan rendah ke Evaporator sesuai dengan kebutuhan. Pada alat ekspansi terjadi penurunan tekanan refrigeran akibat adanya penyempitan aliran. Alat ekspansi dapat berupa pipa kapiler, katup ekspansi termostatik (TXV, thermostatik expansion valve, Gambar 3), katup ekspansi automatik, maupun katup ekspansi manual.

4. Komponen Pendukung pada Sistem Refrigerasi
4.1 Solenoid Valve

Pada sistem refrigerasi, solenoid valve atau katup solenoid dapat digunakaan untuk menyekat aliran refrigeran pada saat sistem tidak sedang bekerja. Pada berbagai aplikasi, katup solenoid juga dapat digunakan sebagai alat bantu untuk penghilangan bunga es pada evaporator dengan metode hot gas defrosts.

4.2 Filter Dryer
Komponen ini berfungsi menyaring kotoran dan menghilangkan uap air yang kemungkinan masih tertinggal pada sistem refrigerasi. Filter dryer dipasang pada liquid line, yakni saluran yang menghubungkan antara keluaran kondenser dengan alat ekspansi.
4.3 Sight Glass

Alat ini digunakan untuk mengamati secara visual kondisi refrigeran pada liquid line. Apabila ada pada sight glass terlihat ada gelembung, berarti kondensasi pada kondensor tidak berlangsung secara sempurna. Selain itu, dari warna yang tampak pada alat ini dapat dilihat apakah refrigeran pada sistem refrigerasi masih mengandung uap air atau tidak.

4.4 Access Port / Service Valve
Alat ini digunakan untuk keperluan pemvakuman dan pengisian refrigeran. Alat ini juga dapat digunakan untuk keperluan pumpdown.
4.5 Liquid Receiver
Alat ini digunakan untuk menampung refrigeran cair yang berasal dari kondenser. Liquid receiver dipasang padaliquid line sebelum filter dryer dan sight glass.

Gambar 4. Filter Drier dan Sight Glass

Gambar 5. Liquid Receiver

5. Peralatan Kontrol
Peralatan kontrol pada sistem refrigerasi umumnya digunakan untuk pengaman dan menjaga temperatur/kelembaban yang konstan pada harga yang diinginkan.
5.1 Termostat
Termostat merupakan alat kontrol yang digunakan untuk menjaga temperatur ruangan atau produk pada kisaran harga yang diinginkan.
5.2 Hlpstat
Hlpstat (high-low pressurestat) adalah alat kontrol yang memiliki fungsi menjaga sitem refrigerasi agar bekerja pada kisaran tekanan yang diinginkan.
5.3 Motor Over Load Proteksi

Semua kompresor yang berjenis hermatik harus dilengkapi dengan pengaman yang dapat melindungi motor dari pemanasan yang berlebihan, apapun penyebabnya. Pengaman jenis ini pada umumnya dirancang untuk dapat dipasang langsung pada motor dan memiliki hantaran hantaran termal yang baik. Dengan demikian, peralatan ini tidak saja sensitif terhadap pemanasan akibat arus yang berlebihan, namun juga pemanasan yang diakibatkan oleh tekanan discharge yang terlalu tinggi dan sebab-sebab lainnya. Pengaman ini berbeda dengan starting relay, yang hanya dapat memberikan pengamanan terhadap arus yang berlebihan, namun tidak dapat melindungi motor dari pemanasan yang berlebihan.

6. Kinerja Sistem Refrigerasi

Pada suatu sistem refrigerasi, besarnya kalor yang diambil oleh refrigeran pada evaporator dari lingkungannya akan sebanding dengan selisih entalpi antara keluaran dan masukan evaporator, ini dikenal dengan sebutan efek refrigerasi, q_E atau

q_E = h1 – h4

di mana:

q_E = Efek refrigerasi, (kJ/kg) atau (Btu/lb)

h2 = Entalpi refrigeran keluaran evaporator, (kJ/kg) atau (Btu/lb)

h1 = Entalpi refrigeran masukan evaporator, (kJ/kg) atau (Btu/lb)

Pada proses kompresi, entalpi refrigeran akan mengalami kenaikan akibat energi yang ditambahkan olehkompresor kepada refrigeran. Besarnya kenaikan energi refrigeran akan sebanding dengan kerja kompresor yang dinyatakan dengan:

W = h2 - h1

di mana:

W = Kerja kompresor, (kJ / kg) atau (Btu/lb)

h2 = Entalpi refrigeran keluaran kompresor, (kJ/kg) atau (Btu/lb)

h1 = Entalpi refrigeran masukan kompresor, (kJ/kg) atau (Btu/lb)

Perbandingan antara besarnya kalor dari lingkungan yang dapat diambil oleh evaporator dengan kerja kompresor yang harus diberikan disebut sebagai koefisien kinerja (coeffisient of performance, COP)

COP = q_Ε/W   atau COP =  (h1 – h4) / (h2 – h1)

Dengan rumus di atas, maka besar COP selalu lebih besar dari satu. Pembuangan kalor (heat rejection) pada kondenser sebanding dengan panjang garis proses pada kondenser, yakni garis mendatar bagian atas pada plot siklus pada diagram tekanan entalpi. Pembuangan kalor pada kondenser dinyatakan dengan:

q_C = h2 – h3

Karena

h2 – h3 = (h2 – h1) + (h1 – h4)

Maka:

q_C = W + q_C

Atau dengan kata lain Pembuangan panas kondenser = kerja kompresor + efek refrigerasi.

7. Kesimpulan

1. Komponen utama dari suatu sistem refrigerasi kompresi uap adalah: Evaporator.
2. Kompresor, Kondensor dan alat ekspansi.
3. Pada evaporator terjadi pendidihan (boiling) atau penguapan atau perubahan fasa.
4. Refrigeran dari cair menjadi uap.
5. Refrigeran mampu menyerap kalor pada temperatur yang sangat rendah mis: refrigerant.
6. 22 (R 22) memiliki titik didih -410 C.
7. Kompresor akan mengisap refrigeran dalam fasa uap dengan tekanan rendah, selanjutnya mengubah refrigeran fasa uap dengan tekanan tinggi.
8. Refrigeran yang masuk ke kompresor harus benar-benar berfasa uap, adanya cairan yang masuk ke kompresor dapat merusak piston, silinder, ring piston dan batang torak.

8. Daftar Pustaka

Arismunandar, W. 1998, Teknik Penyegaran udara, Penerbir erlangga;

Handoko. K, 1981. Teknik Lemari Es, PT. Ichtiar Baru Jakarta.

Instalasi Arus Kuat 2; P. Van Harten, E.Setiawan, 1995. Bina Cipta Bandung Cetakan ketiga; Agustus.

Roy J. Dossat, 2002. Principle of Refrigeration, Printice Hall ed-5.

Stocker. WR, 1987. Refrigerasi dan Pengkondisian Udara, Penerbit Erlangga. 

Sumber: Jurnal Teknik SIMETRIKA Vol. 4 No. 1 – April 2005

*) Staf Pengajar Teknik Mesin, Politeknik Negeri Medan