Sistem Refrigerasi

Proses reversibel didefinisikan sebagai proses yang jika dibalik akan melalui lintasan yang sama. Proses irreversibel adalah kebalikan dari proses reversibel. Siklus Carnot adalah sebuah siklus reversibel, yang pertama kali dikemukakan oleh Sandi Carnot pada tahun 1824, seorang insinyur Perancis. Mesin teoretis yang menggunakan siklus Carnot disebut dengan Mesin Kalor Carnot. Siklus Carnot yang dibalik dinamakan dengan siklus Carnot terbalik dan mesin yang menggunakan siklus carnot terbalik disebut dengan Mesin refrigerasi Carnot. Siklus Carnot dan siklus Mesin refrigerasi Carnot dapat di lihat pada Gambar 1.

                                                        (a)                                                   (b)

Gambar 1 (a) Siklus Carnot (b) Siklus Mesin Refrigerasi Carnot (Dalimunthe, 2004)

Proses pendinginan digunakan untuk menghilangkan panas dari reaksi kimia, untuk mencairkan gas pada pemisah dengan proses distilasi dan kondensasi serta untuk memurnikan produk dengan pembekuan khas satu komponen dari campuran cairan. Proses pendinginan juga digunakan dalam proses pengaturan suhu pada area pabrik untuk kenyamanan, proses dan penggunaan pada lingkungan yang berhubungan dengan panas. Proses pendinginan dihubungkan pada dua prinsip dasar yang dikenal dengan Hukum Termodinamika I dan II. 

 Sistem refrigerasi (mesin pendingin) merupakan sistem yang berfungsi untuk menyerap kalor dari suatu benda, sehingga suhu benda tersebut menjadi lebih rendah dari suhu awalnya. Sesuai dengan konsep  kekekalan energi,  panas tidak dapat  dimusnahkan tetapi dapat dipindahkan. Sehingga sistem refrigerasi selalu berhubungan dengan proses-proses aliran panas dan perpindahan panas. Sistem refrigerasi merupakan suatu proses yang berlangsung secara kontinyu antar berbagai komponen seperti kompresor, kondensor, katup ekspansi, dan evaporator. Komponen sistem refrigerasi dapat di lihat pada Gambar 2.

Gambar 2 Skema Siklus Kompresi Uap (Ambarita, 2010)

Pada  siklus  kompresi  uap,  di  evaporator  refrigeran  akan  menghisap panas  dari  lingkungan  sehingga  panas  tersebut  akan  menguapkan  refrigeran. Kemudian  uap  refrigeran  akan  dikompres  oleh  kompresor  hingga  mencapai tekanan kondensor, dalam kondensor uap refrigeran dikondensasikan dengan cara membuang panas dari uap refrigeran ke lingkungannya. Kemudian refrigeran akan kembali diteruskan ke dalam evaporator. Dalam diagram P-h siklus kompresi uap ideal dapat dilihat dalam Gambar 3.

Gambar 3 Diagram P–h Siklus Kompresi Uap Ideal (Ambarita, 2010)

Proses-proses yang terjadi pada siklus kompresi uap seperti pada Gambar 3 adalah sebagai berikut:

1)             Proses kompresi (1-2)

Proses ini dilakukan oleh kompresor dan berlangsung secara isentropik adiabatik.  Kondisi awal refrigeran pada saat masuk ke dalam kompresor adalah uap jenuh bertekanan rendah, setelah mengalami kompresi refrigeran akan menjadi uap bertekanan  tinggi.  Karena proses ini berlangsung  secara isentropik,  maka suhu ke luar kompresor pun meningkat. Besarnya kerja kompresi persatuan massa refrigeran dapat dihitung dengan menggunakan persamaan:

Keterangan:

h₁  =  entalpi refrigeran saat masuk kompresor (kJ/kg)

h₂ =  entalpi refrigeran saat keluar kompresor (kJ/kg)

2)             Proses kondensasi (2-3)

Proses ini berlangsung di dalam kondensor. Refrigeran yang  bertekanan tinggi dan  bersuhu tinggi yang  berasal dari kompresor  akan  membuang kalor sehingga fasenya  berubah menjadi cair. Hal ini berarti bahwa di dalam kondensor  terjadi  pertukaran  kalor   antara  refrigeran  dengan  lingkungannya (udara),  sehingga  panas  berpindah  dari  refrigeran  ke  udara  pendingin  yang menyebabkan uap refrigeran mengembun menjadi cair. Besar panas  persatuan massa refrigeran yang dilepaskan di kondensor dinyatakan sebagai:

Keterangan:

h₂  =  entalpi refrigeran saat masuk kondensor (kJ/kg)

h₃ =  entalpi refrigeran saat keluar kondensor (kJ/kg)

3)             Proses ekspansi (3-4)

Proses ekspansi ini berlangsung secara isentalpi. Hal ini berarti tidak terjadi perubahan  entalpi tetapi terjadi penurunan tekanan dan penurunan suhu,  atau dapat dituliskan dengan:

h₃ =  h₄

Keterangan:

h₃ =  entalpi refrigeran saat masuk katup ekspansi (kJ/kg)

h₄ =  entalpi refrigeran saat keluar katup ekspansi (kJ/kg)

Proses penurunan tekanan terjadi pada katup  ekspansi  yang  berbentuk pipa kapiler  atau  orifice  yang  berfungsi  untuk  mengatur  laju  aliran  refrigeran dan menurunkan tekanan.

4)             Proses evaporasi (4-1)

Proses ini berlangsung secara isobar isotermal (tekanan konstan dan suhu konstan) di  dalam evaporator. Panas dari lingkungan akan diserap oleh cairan refrigeran yang bertekanan rendah sehingga refrigeran berubah fase menjadi uap bertekanan rendah. Kondisi refrigeran saat  masuk evaporator sebenarnya adalah campuran cair dan uap, seperti pada titik 4 dari Gambar 2.5. Besarnya kalor yang diserap oleh evaporator persatuan massa refrigeran adalah:

 Keterangan:

h₁ =  entalpi refrigeran saat keluar evaporator (kJ/kg)

h₄ =  entalpi refrigeran saat masuk evaporator (kJ/kg)

Selanjutnya refrigeran kembali masuk ke dalam kompresor dan bersirkulasi lagi. Begitu seterusnya sampai kondisi yang diinginkan tercapai. Untuk menentukan harga entalpi pada masing-masing titik dapat di lihat dari tabel refrigeran.