Sistem Refrigerasi Uap

Sistem refrijerasi uap bertujuan untuk menjaga daerah dingin dengan temperatur di bawah temperatur sekitarnya. Hal tersebut biasanya dicapai dengan system refrijerasi uap.

A. Pengertian Sistem Refrijerasi Uap

Untuk  mengenalkan  aspek-aspek  refrigerasi,  pandanglah  sebuah  siklus refrigerasi uap Carnot. Siklus ini adalah kebalikan dari siklus daya uap Carnot. Siklus ini didapatkan dengan membalikkan siklus tenaga uap menunjukkan sekema kerja dan diagram T-s siklus refrijerasi uap Carnot yang di operasikan di antara daerah bertemperatur Tc dan daerah lain yang memiliki temperature yang lebih tinggi Th. Siklus ini dijalankan dengan refrijeran yang disirkulasikan secara tunak melalui komponen- komponen. Seluruh proses adalah reversible secara internal. Selain itu, karena perpindahan kalor antara refrijeran dan setiap daerah terjadi tanpa terjadi perubahan temperatur, maka tidak ada inversibilitas eksternal. Perpindahan energy ditunjukkan pada diagram tersebut memiliki nilai positif yang ditunjukkan oleh tanda panah.

Pada  siklus,  refrigeran  bersirkulasi  melalui  urutan  beberapa  komponen. Semua proses secara internal reversibel. Perpindahan kalor antara refrigeran dan setiap  bagian  terjadi  tanpa  perubahan  temperatur,  dan  tidak  ada  terjadi ireversibilitas eksternal.

Refrigeran masuk ke evaporator dalam bentuk 2 fase yaitu campuran cairan dan uap pada kondisi 4. Pada evaporator sebagian refrigeran berubah fase dari cair ke  uap  karena  perpindahan  kalor  dari  daerah  yang  bertemperatur  T_C  ke refrigeran. Temperatur dan tekanan refrigeran tetap konstan selama proses dari kondisi 4 ke kondisi 1. Refrigeran kemudian di kompresi secara adiabatik dart titik 1, dimana refrigeran berada pada kondisi 2 fase campuran cair-uap, menuju kondisi 2 dimana fase menjadi uap jenuh. Selama proses ini temperatur refrigeran naik dari TC ke TH, dan tekanan juga naik. Kemudian refrigeran masuk ke condenser dimana  fase refrigeran  akan  berubah  menjadi  cairan  jenuh  karena  terjadi perpindahan  kalor  kepada  daerah  yang  bertemperatur  TH.  Temperatur  dan tekanan tetap konstan selama proses 2 ke 3. Refrigeran kembali kekondisi pada saat masuk evaporator melalui proses ekspansi adiabatik pada turbin yaitu titik 3 ke titik 4. Pada proses ini temperatur turun dari T_H   ke T_C dan juga terjadi penurunan tekanan.

Karena siklus refrigerasi uap Carnot terdiri dari proses reversibel, luas daerah pada diagaram T-s adalah besar perpindahan kalor. Luas daerah 1-a-b-4-1 adalah kalor yang ditambahkan ke refrigeran dari daerah dingin dan luas daerah 2-a-b-3-2    adalah kalor yang dilepaskan ke daerah panas. Daerah tertutup 1-2-3-4-1 adalah perpindahan kalor bersih yang dipindahkan dari refrigeran. Perpindahan kalor bersih sebanding dengan kerja netto yang dilakukan pada refrijeran. Kerja bersih (netto) adalah selisih antara masukan kerja kompresor dan keluaran kerja turbin.

Koefisien kerja β dari setiap siklus refrijeran adalah rasio dari efek refrijerasi terhadap masukan diperlihatkan pada gambar diatas. Koefisien kerjanya adalah

Persaman ini mempresentasikan koefisien kinerja teoritis maksimum dari setiap siklus refrijerasi yang dioperasikan antara daerah bertemperatur Tc dan Th.

B. Komponen – komponen Refrigerasi Uap

1.     Evaporator

Proses yang terjadi di evaporator adalah proses evaporasi yang berlangsung secara isobar. Refrigerant yang mengalir ke evaporator berada dalam keadaan cair bertekanan rendah. Refrigerant cair tersebut akan mengalami perubahan fasa dari cair ke uap akibat dari proses penyerapan panas dari ruang/media yang akan didinginkan. Sehingga refrigerant yang masuk ke dalam kompresor keadaannya sudah menjadi uap.

2.     Kompresor

kompresor berfungsi untuk meningkatkan tekanan dari uap refrigerant. Uap refrigerant bertekanan rendah yang masuk ke kompresor. Kompresor keadaannya sudah menjadi uap.

3.     Kondensor

proses yang terjadi di kondensor adalah proses kondensasi. Uap refrigerant bertekanan tinggi dari kompresor akan mengalir masuk ke dalam kondenser sehingga fasanya dapat berubah dari uap menjadi cair. Proses kondensasi tersebut dilakukan untuk mendapatkan kembali refrigerant dengan fasa cair sehingga dapat dipergunakan secara berulang dalam siklusnya.

4.     Katup Ekspansi

Refrigerant cair yang bertekanan dan bertemperatur tinggi yang berasal dari kondensor akan mengalami proses ekspansi di katup ekspansi, sehingga tekanan dan temperatur refrigerant di evaporator akan menjadi rendah dan refrigerant tersebut dapat menyerap panas dari ruangan/media yang akan didinginkan.

C. Kinerja Sistem Kompresi Uap

Jika ireversebilitas di dalam evaporator dan condenser diabaikan, maka tidak akan ada penurunan tekanan akibat gesekan, dan refrijeran mengalir pada tekanan konstan melalui dua alat penukaran kalor. Jika kompresi terjadi tanpa ireversebilitas, dan perpindahan kalor “liar” ke lingkungan diabaikan, sehingga proses kompresi adalah isentropic. Dengan pertimbangan tersebut, siklus refrijerasi kompresi-uap yang ditandai dengan 1-2s-3-4-1 pada diagram T-s. siklus tersebut terdiri dari sederetan proses berikut:

Proses 1-2s : Kompresi isentropic refrijeran dari kondisi 1 hingga mencapai tekanan condenser pada kondisi 2s.

Proses 2s-3 : Perpindahan kalor dari refrijeran ketika mengalir pada kondisi konstan melaui condenser. Refrijeran keluar berupa cairan pada kondisi 3.

Proses 3-4 : Proses trotel dari trotle 3 ke campuran dua fasa cair-uap pada kondisi 4.

Proses 4-1 : perpindahan kalor ke refrigeran ketika mengalir pada tekanan konstan melalui evaporator.

Semua proses diatas secara internal adalah reversibel kecuali pada proses throttling. Walaupun ada proses ireversibel ini, siklus dianggap ideal.   Siklus 1-2-3-4-1 merupakan siklus aktual dimana terjadi proses ireversibel pada proses kompresi dari 1 ke 2 dan membutuhkan kerja input yang lebih besar. Efisiensi kompresor isentropik dirumuskan:

D. Analisis Terhadap Sistem Refrijerasi Kompresi – Uap

Sistem refrijerasi kompresi uap merupakan system refrijerasi yang paling umum digunakan saat ini. Tujuan dari sub bab ini adalah memperkenalkan fitur fitur penting dari system dengan tipe ini dan untuk memberikan ilustrasi bagaimana system tersebut dimodelkan secra termodinamik.

1.     Mengevaluasi Kerja dan Perpindahan Kalor Utama

Dengan melihat pengoperasian pada kondisi tunak sebuah system kompresi-uap. Yang ditunjukkan dalam gambar tersebut adalah kerja dan perpindahan kalor utama. Yang memiliki nilai positif searah dengan tanda panah. Perubahan energy kinetic dan Potensial diabaikan di dalam analisis-analisis berikut yang dilakukan terhadap komponen komponen. Kita mulai dengan evaporator, dimana efek refrijerasi yang diinginkan tercapai.

·         Pada saat refrijeran melewati evaporator, perpindahan kalor dari ruang yang refrijerasi menghasilkan penguapan refrijeran. Untuk volume atur yang melingkupi sisi refrijeran didalam evaporator tersebut, kesetimbagan laju massa dan energy terinduksi untuk memberikan laju perpindahan kalor per satuan massa dari aliran refrijerasi.

Dimana ṁ adalah laju aliran massa refrijeran. Laju perpindahan kalor  dapat disebut sebagai kapasitas refrijerasi. Dalam system satuan SI, kapasitas biasanya diekspresikan dalam kW. Dalam system satuan English, kapasitas refrijerasi dapat diekspresikan dalam Btu/h. Satuan lainnya yang umum dipakai untuk kapasitas refrijerasi dalam ton refrijerasi, yang sebanding dengan 200 Btu/min atau sekitar 211 kJ/min.

·         Refrijerasi yang meninggalkan evaporator dikompresikan ke tekanan dan temperature yang relative tinggi oleh kompresor. Mengasumsikan tidak ada perpindahan kalor kea tau dari kompresor, laju kesetimbangan massa dan energy untuk volume atur yang melingkup kompresor memberikan

Diman w/m adalah laju dari masukan daya persatuan massa dari aliran refrijeran.

·         Selanjutnya refrijeran melalui condenser, dimana refrijeran terkondensasi dan terjadi perpindahan kalor dari refrijeran ke lingkungan sekitarnya yang lebih dingin. Untuk volume atur yang melingkupi refrijeran pada sisi condenser, laju perpindahan kalor dari refrijran persatuan massa dari aliran refrijerasi adalah

Akhirnya, refrijeran pada kondisi 3 memasuki katup ekspansi dan berekspansi hingga mencapai tekanan evaporator. Proses ini biasanya dimodelkan sebagai proses trotel dengan

h4 = h3

Tekanan refrijeran berkurang di dalam ekspansi adiabatic irreversible, dan disertai dengan peningkatan entropi spesifik. Refrijeran keluar dari katup pada kondisi empat berupa campuran dua fase cair-uap.

Di dalam kompresi system uap, masukan daya netto sebanding dengan daya kompresor, karena katup ekspansi tidak melibatkan masukan ataupun keluaran daya. Dengan menggunakan kuantitas-kuantitas dan persamaan-persamaan yang diperkenalkan di atas, koefisien kinerja untuk system refrijerasi kompresi-uap dari gambar diatas adalah: 

Jika kondisi 1 sampai 4 adalah tetap, persamaan diatas dapat digunakan untuk mengevaluasi kerja dan perpindahan kalor utama dan koefisien kerja dari system kompresi-uap. Karena persamaan ini sudah dikmbangkan dengan mereduksi kesetimbangan laju massa dan energy, persamaan persamaan tersebut berlaku sama untuk kinerja actual dengan ireversibilitas di evaporator, kompresor, dan kondensor dan untuk kinerja ideal untuk kinerja ideal dimana efek tersebut tidak ada. Meskipun ireversibilitas di evaporator, kompresor, dan kondensor dapat memberikan efek yang cukup besar pada kinerja secra keseluruhan. Banyak yang bisa dipelajari mengenai pembahasan mengenai siklus ideal yang tidak memiliki inversibilitas. Siklus demikian menentukan limit atas kinerja dari siklus refrejerasi kompresi-uap.