Siklus Refrigerasi Kompresi Uap (SRKU)

Oleh: Tri Ayodha Ajiwiguna

Refrigerasi adalah proses mendinginkan sebuah objek sehingga temperaturnya lebih rendah dari pada lingkungannya. Ada beberapa jenis teknik refrigerasi seperti siklus refrigerasi kompresi uap, termoelektrik, termoakustik, dan lain-lain. Pada dasarnya hampir semua teknik refrigerasi adalah sebuah pompa kalor yang menghasilkan keadaan yang dingin di satu bagian dan keadaan panas di bagian lainnya. Jenis teknik refrigeasi yang paling umum digunakan saat ini adalah dengan siklus refrigerasi kompresi uap (SRKU). Hal ini dikarenakan selain dapat menghasilkan keadaan dengan temperatur yang sangat rendah, sistem ini juga memiliki performansi yang baik.

SRKU adalah salah satu siklus termodinamika yang memanfaatkan perubahan fasa fluida kerjanya. Penggunaan SRKU yang paling umum di Indonesia adalah untuk mesin pendingin seperti air conditioner atau lemari es. Namun, di negara yang memiliki musim dingin, siklus refrigerasi juga sering diterapkan sebagai pemanas ruangan.

SRKU menggunakan fluida kerja yang dinamakan refrigeran. Sering kali para teknisi menggunakan kata “freon” untuk menyebut refrigeran. Sebenarnya hal ini kurang tepat karena “freon” salah satu nama merek. Refrigeran memiliki titik didih (saturasi) pada temperatur sangat rendah dibandingkan dengan air, hal ini yang menjadi prinsip dasar penginginan. Seperti yang telah diketahui bahwa air pada tekanan 1 atm maka akan memiliki titik didih di temperatur sekitar 100 ^oC sedangkan refrigeran pada tekanan yang sama memiliki titk didih di bawah titik beku air, sebagai contoh R134a memiliki titik didih sekitar -26^oC. Semakin tinggi tekanan refrigeran maka semakin tinggi titik didihnya. Begitu pula sebaliknya, titik didih refrigeran akan semakin rendah jika tekanannya rendah. Titik didih memiliki arti bahwa perubahan fasa dari cair ke gas terjadi di temperatur tersebut. Begitu temperaturnya rendah maka penyerapan kalor dari lingkungan sekitar terjadi. Sifat termodinamika inilah yang diterapkan agar dapat menghasilkan keadaan dingin secara kontinu.

Untuk mendapatkan tekanan rendah refrigeran secara kontinu maka setidaknya dibutuhkan empat komponen utama, yaitu kompresor, kondenser, katup ekspansi, dan evaporator. Skema sederhana dari SRKU terlihat seperti pada gambar 1 (a) sedangkan sketsa SRKU dalam diagram Tekanan- Entalpi terlihat seperti gambar 1 (b).

(a) Skema siklus refrigerasi sederhana

(b) Diagram P-h siklus refrigerasi 

Gambar 1. Skema sederhana SRKU

Kompresor dapat diibaratkan sebagai jantung dari siklus refrigerasi karena memiliki tugas menghisap refrigerant dalam fasa gas (1) kemudian mengalirakan ke kondenser (2). Kondenser pada dasarnya adalah sebuah penukar kalor (Heat exchanger) yang berfungsi untuk membuang kalor yang ada pada refrigeran sehingga terkondensasi menjadi fasa cair (3). Setelah keluar dari kondenser, refrigeran mengalir ke katup ekspansi. Katup ekspansi merupakan celah agar aliran refrigeran terhambat. Akibat dari dorongan kompresor dan dihambat oleh katup ekspansi maka tekanan di titik 2 – 3 menjadi tinggi dan mengakibatkan temperature di kondenser juga tinggi. Oleh karena itu terjadi pembuangan kalor. Setelah melewati katup ekspansi tekanan refrigeran menjadi turun secara drastis dengan fasa refrigeran kebanyakan cair yang kemudian masuk ke komponen evaporator (4). Karena tekanan rendah maka temperaturnya juga turun secara drastis. Karena temperatur refrigeran yang sangat rendah maka kalor terserap oleh refrigeran di evaporator sehingga fasa refrigeran berubah dari yang kebanyakan adalah cair menjadi gas. Kemudian, refrigeran mengalami hal yang sama lagi pada saat masuk ke kompresor lagi.

Nilai Coefficient of Performance (COP) digunakan untuk menunjukkan seberapa baik kinerja dari sebuah siklus refrigerasi. Secara definisi COP merupakan perbandingan antara kalor yang dimanfaatkan dengan kerja yang dimasukkan ke dalam sistem. Jika siklus refrigerasi ini digunakan sebagai pendingin maka kalor yang dimanfaatkan adalah besarnya kalor yang diserap pada evaporator. Sedangkan jika siklus ini digunakan sebagai pemanas maka kelar yang dimanfaatkan adalah kalo yang dilpaskan pada kondenser.

Siklus Refrigerasi Ideal

Skema dari susunan komponen utama siklus refrigerasi dapat dilihat pada gambar 1 (a). Siklus refrigerasi ideal mengasumsikan proses pada masing-masing komponen sebagai berikut:

1.                  Proses kompresi terjadi secara isentropik.

2.                  Proses kondensasi terjadi secara isobarik hingga saturasi cair

3.                  Proses ekspansi terjadi secara isoentalpi.

4.                  Prosses evaporasi terjadi secara isobaric hingga saturasi gas

Proses-proses pada siklus refrigerasi biasanya digambarkan dalam diagram tekanan-entalpi (P-h). Untuk siklus refrigerasi ideal dapat dilihat pada gambar 2.

Gambar 1. (a) Siklus refrigerasi ideal pada diagram P-h.

Contoh soal:

Sebuah siklus refrigerasi ideal memiliki tekanan tinggi 1.2 MPa dan tekanan rendah 140 kPa. Jika laju aliran volume refrigeran saat masuk ke kompresor adalah 0.5 m³/detik. Tentukan:

a. kapasitas pendinginan dan temperratur terendah (kW)

b. Pembuangan kalor (kW)

c. Kerja pada kompresor (kW)

d. COP pendingin dan COP pemanas

Jawaban: