Sistem Refrigerasi

Kebutuhan akan kondisi udara yang nyaman pada masa kini sudah merupakan suatu kebutuhan yang harus dipenuhi, terutama pada ruangan atau gedung yang biasa digunakan untuk kegiatan tertentu misalnya hotel, perpustakaan, perkantoran, bank, rumah sakit, laboratorium, gedung olah raga dan lain-lain. Salah satu cara yang dilakukan oleh manusia untuk menciptakan suatu kondisi yang nyaman disekitarnya adalah dengan memasang sistem pengkondisian udara (air conditioning) pada ruangan atau gedung di mana mereka berada. Sistem air conditioning (AC) mengontrol temperatur, kelembaban dan sirkulasi udara di dalam ruangan sehingga tercipta kondisi yang nyaman bagi penghuninya.

 

Gambar 1. Contoh mesin refrigerasi

Sebagai contoh, secara umum rangkaian mesin refrigerasi pada gambar 1 terdiri dari kondensor, rangkaian pipa, solenoid valve, evaporator dan kompresor. Gambaran umum cara kerja dari mesin refrigerasi adalah refrigeran dikompresikan pada tekanan tertentu secara isentropik sehingga mengalami kenaikan suhu. Maka setelah dikompresikan tekanan dan suhu akan naik, setelah itu refrigeran dilewatkan pada condenser. Disini refrigeran yang bersuhu tinggi diambil kalornya, akibatnya refrigerant menglami penurunan suhu serta mengalami perubahan wujud dari gas ke wujud cair. Setelah itu refrigeran dilewatkan pada filter drier, disini filter drier berfungsi untuk menyaring kotoran dan uap air yang terkandung pada refrigeran. Karena kotoran dapat mengganggu kinerja dari expansion valve dan uap air dapat bereaksi dengan  refrigeran membentuk asam. Setelah itu refrigeran dilewatkan pada side glass and moisture indicator yang berfungsi untuk memantau kualitas refrigeran yang akan masuk ke peralatan kontrol (solenoid valve). Jika pada moisture indicator menunjukkan refrigeran memiliki kandungan air tinggi (wet) maka dapat segera dilakukan langkah preventif seperti menutup katup solenoid.

Selanjutnya refrigeran diteruskan ke solenoid valve untuk mengontrol debitnya. Pengontrolan ini terkait dengan kebutuhan pendinginan pada air conditioner. Refrigeran yang telah terkontrol debitnya dilewatkan pada expansion valve. Pada expansion valve ini refrigeran yang sebelumnya bertekanan tinggi diexpansikan sehingga tekanan dan suhunya turun, pada proses ini fase refrigerant sebagian telah berubah menjadi gas. Kerja katup ekspansi dikontrol oleh tekanan output setelah melewati evaporator. Selanjutnya setelah melewati expansion valve, refrigeran dilewatkan pada evaporator, evaporator ini terletak diruangan dan difungsikan sebagai media heat transfer sehingga refrigeran yang bersuhu dingin dapat menangkap panas ruangan. Pada penangkapan panas ini, panas yang di tangkap refrigeran digunakan utuk perubahan fase refrigeran menuju fase gas seluruhnya. Pada tahap ini ruangan akan menjadi lebih dingin karena panasnya telah diambil oleh refrigeran. Untuk gambaran jelas dari proses utama mesin pendingin adalah seperti pada grafik P-Q (gambar 2).

Gambar 2. Diagram P-Q dari siklus refrigerasi

Siklus refrigerasi ditunjukkan dalam Gambar 2 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 kondensor. 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.

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

• Komponen-Komponen Utama Sistem Refrigerasi

1.      Kompressor

Kompresor adalah bagian yang terpenting dari suatu proses refrigerasi, tidak hanya melakukan kompresi yang masuk pada tekanan gas yang tinggi tapi juga menimbulkan tekanan rendah yang masuk ke kompresor atau bekerja membuat perbedaan tekanan, sehingga bahan dapat mengalir dari satu bagian ke lain bagian dari sistem. Karena adanya perbedaan tekanan antara sisi tekanan tinggi dan sisi tekanan rendah, maka bahan pendingin cair dapat mengalir melalui alat pengatur bahan pendingin ke evaporator.

Kompresor pada sistem refrigerasi gunanya untuk :

a.                Menurunkan tekanan di dalam evaporator, sehingga bahan pendingin cair di evaporator dapat menguap pada suhu yang lebih rendah dan menyerap kalor lebih banyak dari ruang di dekat evaporator.

b.               Menghisap bahan pendingin gas dari evaporator dengan suhu rendah lalu memampatkan gas tersebut sehingga menjadi gas suhu tinggi dan tekanan tinggi. Kemudian mengalirkannya ke kondensor, sehingga gas tersebut dapat memberikan kalornya pada zat yang mendingin, maka di dalam kondensor terjadi pengembunan.

2.      Kondensor

Kondensor berfungsi untuk membuang kalor dan mengubah wujud bahan pendingin dari gas menjadi cair, dan juga suatu alat untuk membuat kondensasi bahan pendingin gas dari kompresor dengan temperatur tinggi dan tekanan tinggi. Bahan pendingin di dalam kondensor dapat mengeluarkan kalor yang diserap dari evaporator dan panas yang ditambahkan oleh kompresor dan alat pengatur bahan pendingin jadi pada sisi tekanan tinggi dari sistem.

Unit tersebut memakai udara yang mendinginkan kondensor dengan memakai fan motor yang dapat meniupkan udara ke arah kondensor dalam jumlah yang lebih besar, sehingga kapasitas kondensor bertambah, bentuk kondensor ini disebut Air Cooled Condensor, serta dengan memakai sistem pipa dengan sistem sirip – sirip (tube and fin condenser) sebagai pendingin dengan luas permukaan untuk terjadinya perpindahan kalor yang baik.

3.      Evaporator

Evaporator adalah penukar kalor yang didalamnya mengalir cairan refrigeran yang berfungsi sebagai penyerap panas dari produk yang didinginkannya sambil berubah fase. Kadang-kadang evaporator disebut freezing unit, low side, cooling unit atau nama lainnya yang menggambarkan fungsinya atau lokasinya. Temperatur refrigeran di dalam evaporator selalu lebih rendah daripada temperatur sekelilingnya, sehingga dengan demikian panas dapat mengalir ke refrigeran.

Evaporator mempunyai konstruksi sama dengan kondensor, yang mana fungsinya kebalikan dari kondensor, tidak untuk membuang kalor kepada udara disekitarnya tetapi untuk mengambil kalor dari udara sekitar. Evaporator tempatnya di antara katup ekspansi dan kompresor, jadi pada sisi tekanan rendah dari sistem.

Evaporator merupakan ruangan tempat bahan pendingin cair menguap, bahan pendingin gas ditampung di akumulator lalu mengalir ke kompresor, evaporator memberikan kalor kapada bahan pendingin cair sebagai kalor latent penguapan, sehingga bahan pendingin menguap. Berdasarkan prinsip kerjanya evaporator di unit ini memakai evaporator kering (Dry or direct expansion evaporator).

4.      Katup Ekspansi

Biasanya, unit sistem refrigerasi memakai 3 macam katup ekspansi, antara lain :

a.       AXV

b.      TXV

c.       CTV

• AXV : Disebut juga katup ekspansi tekanan konstan yang mana dapat mempertahankan tekanan evaporator konstan pada beban evaporator yang berubah-ubah. Katup ekspansi ini dapat mengatur jumlah refrigerant yang masuk ke evaporator dalam batas yang sama dengan kapasitas hisap kompresor. Selama sistem sedang bekerja, katup tersebut dapat mempertahankan tekanan evaporator dan saluran hisap tetap konstan, sehingga beban kompresor juga menjadi konstan. Jadi katup tersebut akan membuat kapasitas yang konstan pada beban berubah – ubah, katup tersebut bekerja hanya dipengaruhi oleh tekanan refrigerant di evaporator 0,7 bar, dengan kapasitas katup terssbut direncanakan untuk temperatur evaporator 5°C dan temperature cairan masuk ke evaporator 40°C.

• TXV : Katup ekspansi tersebut dapat mengatur jumlah refrigerant yang mengalir ke evaporator sesuai dengan beban evaporator dan mempertahankan effisiensi evaporator yang maksimum pada setiap keadaan beban evaporator yang berubah – ubah, serta dapat mempertahankan gas panas lanjut yang konstan yang tidak mengatur tekanan dan temperatur dalam evaporator, tetapi mengontrol jumlah refrigerant yang mengalir masuk evaporator, selain dikontrol oleh tekanan rendah dalam evaporator juga oleh temperatur dan tekanan akhir evaporator. Katupe ekspansi ini mempunyai batas temperatur evaporator yang besar dan super heat yang mudah disetel. Waktu kompresor sedang bekerja menghisap refrigerant dari evaporator, maka tekanan evaporator menjadi rendah, waktu kompresor berhenti tekanan evaporator menjadi tinggi dan lubang saluran refrigerant tertutup rapat. Katup ekspansi telah diatur oleh pabrik dengan super heated 5-7°C dengan tekanan 0, untuk tekanan kerja maksimum pada temperature tinggi 3,4 bar dan temperatur rendah 0,82 bar.

• CTV : Pipa kapiler dibuat dari pipa tembaga dengan lubang dalam yang sangat kecil, panjang dan lubang pipa kapiler dapat mengontrol jumlah bahan pendingin yang mengalir ke evaporator. Gunanya untuk menurunkan tekanan bahan pendingin cair yang mengalir melaluinya dan membangkitkan tekanan bahan pendingin di kondensor.

• Siklus Refrigerasi Kompresi 

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.