Topik 9, Sistem Pendinginan1Topik9Sistem PendinginanF. Kusnandar, P. Hariyadi dan E. SyamsirTuiuan Instruksional Khusus:(T-Setelah menyelesaikan sub-topik 9.1 ini, mahasiswa diharapkan mampu menjelaskan prinsip sistem refrigerasi kompresi uap, komponen-komponen dalam sistem refrigerasi dart fungsinya, karakteristik refrigeran serta siklus refrigerasi.PendahuluanPendinginan merupakan salah satu metode pengawetan pangan. Proses pengawetan terjadi karena terjadinya penghambatan aktivitas mikroorganisme, reaksi enzimatis, kimia dan biokimia. Pada suhu ini pertumbuhan hamper seluruh mikroba patogen dihambat, tetapi beberapa mikroba pembusuk masih mungkin tumbuh. Suhu pendinginan umumnya berkisar antaral6C- (-2C) sehingga tidak menyebabkan proses pembekuan produk pangan. Untuk beberapa produk pangan (misal pisang), pendinginan dapat menyebabkan kerusakan tekstur yang disebut dengan chilling injury:Salah satu metode pendinginan yang banyak digunakan adalah sistem refrigerasi kompresi mekanis. Alat pendingin di rumah tangga, seperti kulkas, air condition (AC) atau cold storage, umumnya menggunakan prinsip sistem refrigerasi kompresi mekanis ini.Menurut hukum kedua dari termodinamika, panas mengatir dari suhu yang tinggi ke suhu yang rendah. Dafam suatu sistim yang suhunya diinginkan selalu lebih rendah dari suhu lingkungan, maka harus dibuat suatu kondisi agar panas bisa mengalir dari suhu yang lebih rendah ke suhu yang lebih tinggi. Sistim refrigerasi kompresi mekanis bisa dianggap sebagai sebuah pompa yang mengalirkan panas dari daerah yang suhunya rendah ke daerah yang suhunya tinggi.Di dalam suatu sistem refrigerasi kompresi uap, bagian (daerah) yang memiliki suhu rendah dijaga agar suhunya selalu lebih rendah dari sistem yang didinginkannya agar proses pindah panas di dalam sistem refrigerasi bisa ber- langsung secara spontan. Pada bagian (daerah) yang memiliki suhu tinggi, maka suhunya harus dipertahankan seialu lebih tinggi dari suhu lingkungan sehingga panas yang diserap oieh sistem refrigerasi tersebut bisa dilepas ke lingkungan.Daerah bersuhu tinggi dan bersuhu rendah ini bisa dipertahankan di dalam sistim refrigerasi dengan menggunakan refrigeran cair yang disirkuiasikan secaraberulang dan kontinyu didalam sistem. Suhu pendidihan atau kondensasi cairan merupakan fungsi dari tekanan absolut. Penurunan tekanan refrigeran menyebabkan suhu didihnya turun. Pada kondisi ini, panas dari bahan akan diabsorbsi oleh refrigeran dalam bentuk panas penguapan refrigeran pada suhu dan tekanan rendah. Jika uap refrigeran dikompresikan ke tekanan tinggi, maka uap refrigeran tersebut akan terkondensasi pada suhu tinggi. Pada saat terkonden- sasi dari uap menjadi cair, refrigeran akan melepaskan panas yang diserapnya pada suhu dan tekanan tinggi.Komponen Sistim Refrigerasi Kompresi MekanisGambar 1 memperlihatkan skema sistem refrigerasi kompresi mekanis yang umum digunakan. Dalam sistem refrigerasi ini digunakan refrigeran sebagai media perantara untuk membawa panas dari bahan sehingga menimbulkan efek pendinginan. Komponen-komponen utama yang terdapat dalam sistem refrigerasi kompresi mekanis adaiah (a) evaporator, (b) kondenser, (c) katup ekspansi (expansion valve), dan (d) kompresor (compressor).Gambar 1. Skema refrigerator dengan sistem kompresi mekanisEvaporatorEvaporator berfungsi sebagai pengambil panas yang terdapat dalam ruangan yang akan didinginkan. Di dalam evaporator, terjadi perubahan wujud refrigeran dari cairan menjadi uap. Proses perubahan wujud refrigeran ini memerlukan energi yang sangat besar yang diambil dari lingkungan dalam ruang refrigerator. Ketika proses penguapan refrigeran terjadi, panas dari bahan pangan yang ada di daiam ruang refrigerator akan diambil.Dalam sistem refrigerasi dikenal dua macam evaporator, yaitu ekspansi langsung (direct expansion) dan ekspansi tidak langsung (indirect expansion). Pada ekspansi langsung, refrigeran langsung menguap di dalam coil pendingin dan kontak langsung dengan obyek yang diinginkan. Pada evaporator tidak lang- sung, digunakan medium perantara untuk mengambil panas pada saat menguap. Medium perantara inilah yang kemudian dipompakan ke obyek yang akan didi- nginkan. Evaporator tidak langsung digunakan jika lokasi pendinginan berada di tempat yang berjauhan. Medium perantara yang sering digunakan adalah air jika suhu masih di atas beku, dan larutan garam (campuran CaCI2 dan etilen atau propilen glikol) untuk suhu yang lebih rendah dari suhu beku.KondenserFungsi kondenser dalam sistem refrigerasi adalah sebagai "pembuang" atau memindahkan panas dari bahan ke lingkungan. Suhu dan tekanan dalam kondenser meningkat, sehingga refrigeran akan melepaskan energi dalamnya ke lingkungan, dan mengalami kondensasi (mengembun). Panas dari refrigeran akan dipindahkan ke medium lain seperti air atau udara.Katup ekspansi (expansion valve)Katup ekspansi merupakan komponen utama untuk mengendalikan laju alir refrigeran sehingga suplai refrigeran konstan. Katup ekspansi memisahkan antara saluran yang bertekanan tinggi dan saluran bertekanan rendah. Saluran antara kompresor dan katup ekspansi yang melalui kondenser memiliki tekanan yang tinggi. Sebaliknya, di dalam saluran antara kompresor dan katup ekspansi yang melalui evaporator memiiiki tekanan rendah. Perbedaan tekanan ini akan menyebabkan refrigeran yang berbentuk cair pada tekanan tinggi akan sangat mudah menguap pada bagian evaporator, Keadaan mudah menguap tersebut dimanfaatkan untuk mengambil panas dari lingkungan di dalam evaporator.KompresorKompresor berfungsi untuk meningkatkan suhu dan tekanan dari refrigeran setelah keiuar dari evaporator. Melalui proses kompresi (penekanan) suhu refrigeran dapat ditingkatkan sehingga melebihi suhu di sekelilingnya.Kompresor yang banyak digunakan dalam sistem refrigerasi adalah tipe "reciprocating" *centrifugal" dan "rotary" Kompresor "reciprocating"terdiri dari piston yang bergerak maju mundur di dalam suatu silinder. Kompresor jenis centrifugal terdiri dari impeler sentrifugal yang dilengkapi dengan beberapa pisau (blade) yang berputar dengan cepat, sedangkan kompresor jenis rotary berisikan vane yang berotasi di dalam suatu silinder.RefrigeranSistem refrigerasi kompresi mekanis harus mampu memindahkan atau membawa panas dari ruangan dimana bahan disimpan melalui media perantara. Media perantara untuk pemindahan panas ini disebut sebagai refrigeran, yaitu zat yang mudah berubah wujud dari cair menjadi gas akibat menerima panas dari lingkungannya. Oleh karena itu, refrigeran umumnya memiliki titik didih yang jauh lebih rendah dari air. Di antara zat yang sering digunakan sebagai refrigeran adalah amonia dan freon. Namun, penggunaan freon, terutama Freon 12 (R12) sekarang ini dibatasi, karena dapat merusak lapisan ozon.Sifat refrigeran yang penting adalah memiiiki titik didih yang rendah. Titik didih refrigeran dapat berubah tergantung pada perubahan tekanannya. Misal- nya, untuk meningkatkan titik didih amonia dari -33.3C menjadi 0C, tekanan harus dinaikkan menjadi 428.5 kPa (62.1 psia). Refrigeran juga harus memiliki panas laten yang tinggi untuk menguap. Panan iaten yang tinggi penting untuk efesiensi dan mempercepat proses pendinginan, karena dengan panas laten yang tinggi, jumlah kalor yang dapat dipindahkan per satuan waktu akan lebih banyak. Sifat-sifat refrigeran lain yang diperlukan adalah (a) memiliki titik beku di bawah suhu penguapan, (b) memiliki suhu kritis yang cukup tinggi agar wujud refrigeran dapat berubah wujud dan mengambil kalor lebih efesien; (c) aman, tidak korosif, dan stabil secara kimiawi; (d) mudah dideteksi jika terjadi kebocoran refrigeran (misalnya dengan bau); dan (e) harga yang murah untuk keperiuan industri. Tabel 1 memperlihatkan beberapa sifat dari dua jenis refrigeran, yaitu amonia dan freon. Amonia memiliki panas laten penguapan yang lebih tinggi dibanding refrigeran lain.Siklus Refrigerasi Kompresi MekanisProses pembuangan panas dari bahan di dafam sistem refrigerasi kompresi mekanis berlangsung secara terus menerus dengan mengikuti suatu siklus refrigerasi. Pergerakan refrigeran dari satu bagian ke bagian lain akan menyebabkan perubahan fase dari cair ke uap dan sebaliknya. Perubahan ini disebabkan ada- nya siklus perubahan tekanan dan suhu yang mengakibatkan refrigeran dapat mengambil atau melepaskan panas.Tabel 1. Sifat dari refrigeran amoniak dan freonSifat refrigeranAmoniakFreonSuhu evaporator (C)-68-(-7)-73 - 100Tekanan evaporator (kPa)236,5182,7Tekanan kondenser(kPa)1166.5744,6Panas laten penguapan (kJ/kg)1314,2161,7Sirkuiasi per ton refrigerasi (kg/sfr)31 x 10"22.8 x 10"2StabilitasTidakYaMudah terbakar (flammable)YaTidakBauAcridEtherealSecara skematis, siklus refrigerasi dapat diperlihatkan pada Gambar 2. Garis-garis pada daerah persegi menunjukkan siklus aliran refrigeran ketika melewati kompresor, kondenser, katup ekspansi dan evaporator, sedangkan tanda panah menunjukkan arah aliran refrigeran. Dalam siklus refrigerasi ini, refrigeran akan mengalir melalui jalur sistem refrigerasi dan mengalami peru- bahan-perubahan'fase dari cair menjadi gas dan sebaliknya.Diagram P-H (Mollier)Diagram P-H atau diagram Mollier (Gambar 1 bagian bawah) menggam- barkan perubahan fase refrigeran ketika melewati siklus refrigerasi, dalam bentuk hubungan antara enthalpy (pada sumbu x) dan tekanan tekanan (pada suhu y). Diagram P-H pada Gambar 1 adalah bentuk yang telah disederhanakan, dimana terdapat garis-garis sebagai fungsi dari tekanan dan enthalpy, yaitu (a) saturated liquid, (b) saturated vapor, (c) constant temperature line, dan (d) constant entropy line.Diagram P-H ini sangat berguna untuk melihat perubahan fase refrigeran selama melewati kompresor, kondenser, katup ekspansi dan evaporator. Diagram P-H akan berbeda untuk jenis refrigeran yang berbeda. Refrigeran pada kombi- nasi tekanan dan enthalpy di titik sepanjang saturated liquid line berada dalam fase fase cairan jenuh, sedangkan yang berada pada saturated vapor line berada dalam fase uap jenuh. Perubahan tekanan dan energi dari refrigeran yang ber- langsung di sepanjang constant temperature line berlangsung pada suhu yang konstan, sedangkan yang berada di sepanjang constant entropy line memiliki nilai entropy yang sama.vaportotifWTXturt lintfrtropyttme2 "3Enthalpy (H; kJ/kg)Gambar 2. Diagram hubungan tekanan (P) dan enthalpy (H) dalam sistem refrigerasi (Diagram Mollier)Pada diagram P-H tersebut, garis trapesium yang melewati titik-titik a, b, c, d dan e menunjukkan perubahan fase refrigeran pada dua kondisi tekanan, yaitu PI dan P2. Tekanan PI disebut sisi tekanan rendah, sedangkan P2 disebut sisi tekanan tinggi. HI adalah tekanan pada saat refigeran dalam kondisi cairan jenuh (memotong saturated liquid line), H2 pada saat uap jenuh (memotong saturated vapor line), dan H3 pada saat uap mencapai superheated (lewat jenuh). Garis miring di sebelah kiri menunjukkan garis dimana refrigeran berada pada fase cair jenuh (saturated liquid line), sedangkan vertikal garis miring di sebelah kanan menunjukkan garis dimana refrigeran berada pada fase uap jenuh (saturated vapor fine). Refrigeran yang berada pada kedua garis tersebut akan berada pada fase campuran cair-uap. Pergerakan refrigeran dari titik e ke a menunjukkan perubahan ke fase uap jenuh, sedangkan pergerakan refrigeran dari titik b ke d menunjukkan perubahan ke fase cairan jenuh. Pada saat refrigeran berubah fase dari cair menjadi uap, maka refrigeran akan menyerap panas (enthalpy), dimana panas ini diperoleh dari bahan dan menyebabkan suhu bahan menurun. Sedangkan pada saat refrigeran berubah fase dari uap menjadi cair, refrigeran akan melepaskan kalor ke lingkungan.Secara bertahap, siklus refrigerasi yang digambarkan dalam diagram P-H dapat dijelaskan sebagai berikut:Pada saat dialirkan dari posisi a (dimana refrigeran berada dalam fase uap jenuh) ke posisi b melewati kompresor, maka refrigeran akan mengalami penekanan (kompresi) dari PI ke P2. Sebagai akibat peningkatan tekanan ini, suhu refrigeran akan meningkat melebihi suhu di sekelilingnya Sebagai akibatnya, refrigeran mencapai kondisi lewat panas (superheated vapor) di posisi b. Panas yang diperlukan untuk berubah dari jenuh menjadi lewat jenuh ini membutuhkan kalor sebesar H3-H2.Dari posisi b, refrigeran akan bergerak menuju kondenser. Ketika melewati kondenser, refrigeran secara berangsur-angsur akan mengalami perubahan fase (kondensasi) dari superheated vapor, uap jenuh (saturated vapor), dan akhirnya cairan jenuh (saturated liquid) di posisi d. Perubahan fase ini terjadi pada tekanan konstan (P2). Pada saat perubahan fase dari uap superheated ke cair jenuh ini refrigeran melepaskan panas ke lingkungannya (udara atau air). Besarnya panas yang dibebaskan dari superheated vapor ke saturated liquid adalah H3-H1. Refrigeran yang telah mengalami kondensasi ini akan ditampung pada tangki refrigeran (di posisi d).Refrigeran cair jenuh (saturated liquid) di posisi d kemudian akan dipompa lagi untuk memasuki katup ekspansi menuju posisi e. Akibat adanya penu- runan tekanan dari P2 ke PI, sebagian dari refrigeran berubah fase menjadi gas. Dengan demikian, refrigeran yang keluar dari katup ekpansi adalah campuran antara fraksi cair dan gas yang dikenal dengan istilah "flash gas". Refrigeran yang mengalami perubahan fase memiliki enthalpy HI.Dengan kondisi tekanan dan suhu lebih rendah dibanding lingkungannya, refrigeran akan dengan mudah menyerap panas dari lingkungan (termasuk bahan pangan) di bagian evaporator. Penyerapan panas ini terjadi ketika refrigeran dari posisi e melewati evaporator untuk berangsur-angsur menguap sehingga mencapai uap jenuh (saturated vapor) di posisi a. Panas yang diperlukan untuk evaporasi dari campuran cair-uap di posisi e ke saturated vaporti\ posisi a adalah H2-H1. Selanjutnya, refrigeran berubah fase kembali menjadi superheated vapor dengan adanya perubahan tekanan ketika melewati kompresor. Demikianlah siklus ini berlangsung secara terus menerus sehingga menyebabkan kalor dari bahan diambil yang menyebabkan suhunya turun.RangkumanDaftar PustakaFellows,PJ. 1992. Food Processing Technology: Principle and Practice. Ellis Hor- wood, New York.Sharma,S.K., Mulvaney,S.l dan Rizvi,S.S.H. 2000. Food Process Engineering: Theory and Laboratory Experiments. Wiley Interscience, New York.Singh,R.P. and Heldman,D.R. 2001. Introduction to Food Engineering. 3rd ed, Academic Press, San Diego, CA.Toledo,R.T. 1991. Fundamentals of Food Process Engineering. Van Nostrand Reinhold, New York.Topik9Sistem PendinginanF. Kusnandar, P. Hariyadi dan E. SyamsirPendahuluanProsedur untuk menentukan siklus refrigerasi kompresi mekanis memer- lukan data panas laten penguapan dan panas jenis cairan refrigeran dalam kon- disi jenuh (saturated liquid). Shelton dan Grossman (1985) telah membuatnya menjadi kurva diagram hubungan antara tekanan dan entalpi atau diagram P-H atau disebut juga Diagram Mollier (Gambar 1). Diagram ini akan menyederha- nakan perhitungan yang kompleks dalam menentukan performance dari siklus refrigerasi kompresi mekanis dengan menggunakan refrigeran murni. Seperti telah dijelaskan dalam Sub-topik 9.1, siklus refrigerasi dapat diplotkan dalam bentuk diagram P-H.Gambar 1. Diagram hubungan tekanan (P) dan entalpi (H) dalam sistem refrigerasi (Diagram Mollier)Beberapa karakteristik untuk menyatakan performance sistem refrigerasi adaiah laju refrigeran, laju keija dalam kompresor, panas yang diserap oleh evaporator, dan coefficient of performance (COP). Untuk menghitung performance sistem refrigerasi tersebut, perlu diketahui nilai tekanan (HI, H2 dan H3) dan tekanan (PI dan P2). Nilai-nilai tersebut adalah sebagai berikut:PI: Tekanan refrigeran pada kondisi saturated liquid P2: Tekanan refrigeran pada kondisi saturated vapor HI: Entalpi pada saat refrigeran pada kondisi saturated liquid H2: Entalpi pada saat refrigeran pada kondisi saturated vapor H3: Entalpi pada saat refrigeran pada kondisi superheated vaporCara menggunakan diagram P-H (Mollier)Diagram P-H atau diagram Mollier digunakan untuk menentukan nilai-nilai PI, P2, HI, H2 dan H3 pada kondisi tertentu. Diagram P-H spesifik untuk setiap refrigeran. Gambar 2 dan 3 secara berturut-turut adalah diagram Mollier untuk refrigeran Freon 12 dan amonia. Gambar tersebut mem perl ihatkan saturated liquid lines di sebelah kiri dan saturated vapor lines di sebelah kanan. Dalam diagram juga terdapat constant enthropy lines dan constant temperature lines. Nilai tekanan berada pada sumbu y (dalam satuan psia), sedangkan entalpi pada sumbu x (dalam satuan BTU/lb).Umumnya, dalam perhitungan-perhitungan performance sistem refrigerasi, informasi tekanan tidak tersedia, tetapi yang diketahui adalah suhu refrigeran di bagian evaporator dan kondenser. Untuk mengetahui tekanan uap refrigeran pada suhu tertentu, maka dapat digunakan grafik tekanan uap refrigeran pada berbagai suhu (Gambar 4). Dalam grafik tersebut, sumbu x adalah suhu refrigeran (dalam C), sedangkan sumbu y adalah tekanan uapnya (dalam Ibf/in2). Untuk mengetahui nilai tekanan dan entalpi dalam sistem SI, maka dapat digunakan faktor konversi (lihat kembali Topik 1 tentang Satuan dan Dimensi).Langkah-langka'h yang harus dilakukan untuk menentukan nilai entalpi (HI, H2 dan H3) dan tekanan (PI dan P2) dari diagram P-H Mollier adalah sebagai berikut:(a) Tentukan tekanan uap dari sistem, yaitu tekanan pada saat refrigeran berada pada kondisi saturated liquid (PI) dan pada saat refrigeran pada saat saturated vapor (P2) dengan menggunakan grafik hubungan suhu-tekanan (Gambar 4). Dalam grafik tersebut, terdapat beberapa kurva untuk jenis refrigeran yang berbeda, yaitu freon 12 (R12), freon 22 (R22), R13B1 dan R717 (amonia). Pilih grafik yang sesuai dengan refrigeran yang digunakan.PI ditentukan dari suhu refrigeran ketika mencapai uap jenuh di evaporator.P2 ditentukan dari suhu refrigeran pada saat mencapai saturated liquid setelah melewati kondenser.EnthalpyBTU/lb above saturated Liquid at -4QFGambar 2. Diagram entalpi vs tekanan untuk Freon 12 (R12)Enthalpy - BTU/lb Above Saturated Liquid at -40 FGambar 3. Diagram entalpi vs tekanan untuk amoniaTemperatureGambar 4. Tekanan uap refrigeran sebagai fungsi dari suhu(b) Bila PI dan P2 telah diketahui, maka dapat ditentukan nilai HI, H2 dan H3sebagai berikut:HI ditentukan dengan menarik garis horisontal dari titik P2 hingga berpo- tongan dengan saturated liquid line pada diagram Mollier, kemudian dari titik ini ditarik garis vertikal sehingga memotong sumbu x.H2 ditentukan dengan menarik garis horisontal dari titik PI hingga berpo- tongan dengan saturated vapor line pada diagram Mollier, kemudian dari titik ini ditarik garis vertikal sehingga memotong sumbu x.H3 ditentukan dengan cara membuat garis perpotongan antara PI dengan H2 pada garis saturated vapor line, kemudian dari titik ini ditarik garis sepanjang constant entropy line ke atas sehingga berpotongan dengan garis pada saat P2 tercapai (dibuat dahulu garis horisontal dari P2 sehingga memotong constant temperature line pada suhu refrigeran akan mengalami kondensasi). Dari titik perpotongan pada P2 ini, kemudian ditarik garis ke bawah sepanjang kurva constant temperature line (suhu kondensasi) sehingga memotong sumbu x (lihat diagram Mollier). Titik pada sumbu x menunjukkan nilai H3.Perhitungan Dalam Sistem RefrigerasiDalam disain sistem refrigerasi perlu terdapat beberapa parameter yang sering digunakan untuk mengetahui kemampuan refrigerator. Parameter-para- meter yang dimaksud adalah (a) jumlah panas yang dipindahkan dari produk ke refrigeran, (b) beban pendingin, (c) laju alir refrigeran, (d) kerja pada kompresor, (e) panas yang dilepaskan kondenser, (f) panas yang diserap refrigeran di evaporator, dan (g) koefisien kinerja dari sistem refrigerasi (coefficent of perfor- mance). Dalam perhitungan diperlukan diagram Mollier (Gambar 1 dan 2) dan grafik hubungan suhu-tekanan (Gambar 3), terutama untuk menentukan nilai PI, P2, HI, H2 dan H3.Jumlah panas yang dipindahkan dari produkjumlah panas yang berpindah dari bahan ke refrigeran dipengaruhi oleh massa bahan pangan yang didinginkan, panas spesifik dari bahan pangan, dan perubahan suhu yang diinginkan. Hal ini dapat dinyatakan dengan persamaan 1.Q = m Cp AT(1)dimana: Q = jumlah panas yang dihilangkan (joule atau BTU) m = ma'ssa bahan pangan (kg) Cp = panas spesifik bahan pangan (joule/kgC) AT = perbedaan suhu bahan (To-Tl), dimana To adatah suhu awai bahan dan 11 adalah suhu bahan yang diinginkan setelah pendinginan (C)Beban pendinginanBeban pendinginan (cooling load) adalah total energi panas yang harus dihilangkan untuk mendapatkan penurunan suhu yang diinginkan. Satuan yang umum digunakan untuk menyatakan jumlah panas yang dipindahkan adalah ton refrigerasi, yaitu laju pembuangan panas untuk membekukan 1 ton air selama 24 jam. Untuk air, panas yang diperlukan untuk perubahan wujud dari cair ke es adalah 12.000 BTU/jam yang dapat dinyatakan dengan rum us berikut (persamaan 2):(H2-H\)Mton = -(2)12.000dimana M adalah berat refrigeran yang bersirkulasi melalui sistem refrigerator per satuan waktu.Laju refrigeranPerhitungan untuk menentukan laju refrigeran dapat dihitung dari beban pendinginan (ton refrigerasi) dibagi dengan perubahan entalpi dalam sistem evaporator (H2-H1) (persamaan 3).. .. ,.Beban pendinginanKecepatan alir refrigeran = v =-2(3)HI H1Panas yang diiepaskan kondenserDalam kondenser teijadi perubahan entalpi sebagai akibat kerja dari kondenser untuk merubah fase refrigeran dari fase superheated ke fase cairan jenuh pada tekanan tetap, yaitu sebesar H3-H1. Banyaknya panas yang diiepaskan oleh refrigeran ke lingkungan dapat dihitung dengan persamaan 4.Qc = v(H3-Hl)(4)Panas yang diserap refrigeran di evaporatorDalam evaporator terjadi perubahan entalpi sebagai akibat kerja dari evaporator untuk merubah fase refrigeran dari fase cair ke fase uap jenuh dengan cara menyerap panas dari lingkungannya, yaitu sebesar H2-H1. Jumlah panas yang diserap oleh refrigeran dapat dihitung dengan persamaan 5.Panas yang diserap di evaporator - Qe = v(H2-Hl)(5)Kerja pada /CompressorPada kompresor terjadi perubahan entalpi sebagai akibat kerja dari pening- katan tekanan dari PI ke P2, sehingga refrigeran berubah dari fase uap jenuh ke fase superheated. Kompresor akan memberikan kerja dengan mengikuti garis entropi konstan pada diagram Mollier. Kerja yang diberikan oleh kompresor dapat dihitung dengan persamaan 6.(6)Ydimana: v = laju alir refrigeran (J/detik)H2 = entalpi refrigeran sebelum kompresi (J/kg) H3 = entalpi refrigeran setelah kompresi (J/kg) y = Cp/CyNilai y tergantung dari jenis refrigeran, yaitu untuk CHCI2F2 (R12)=l,14, CHCIF2 (R22)=l,18, dan amonia (R 717)= 1,29.Koefisien kinerja (Coefficent of performance atau COP)Kegunaan suatu sistem refrigerasi kompresi mekanis adalah memidahkan panas dari lingkungan yang bersuhu rendah ke lingkungan yang bersuhu tinggi. Biasanya, jumlah panas yang dapat diserap oleh refrigeran di evaporator lebih besar (H2-H1) dibandingkan dengan jumlah panas yang dapat diberikan oleh kompresor (H3-H2). Istilah yang dipakai untuk menilai unjuk kerja suatu sistem refrigerasi ini adalah "coefficient of performance" atau COP, yaitu perbandingan antara panas yang diserap oleh refrigeran pada saat melewati evaporator dengan panas yang dipasok oleh kompresor (persamaan 7).(7)(H3-H2)Kerja yang diperlukan untuk mendinginkanKerja yang diperlukan untuk pendinginan dapat dinyatakan dengan persamaan 8 berikut:pJH2_HWyCOPK }Dengan mensubstitusikan persamaan 2 ke persamaan 8, maka diperoleh kerja untuk proses pendinginan (dalam satuan BTU/jam tonr) sebagai berikut:(ton,)(\ 2.000) yCOPn _ , . . t BTU P dinyatakan dalam satuanjam(tonr)Bila dinyatakan sebagai kerja yang diperlukan dalam unit horse power (HP), maka diperoleh nilai:HP 4,715tonr yCOPBerat refrigeran yang bersirkulasiBerat refrigeran yang bersirkulasi dalam sistem refrigerasi dapat dihitung dari rasio antara kapasitas pendinginan per ton refrigerasi (12.000 BTU/jam) dengan kapasitas pendinginan per satuan berat refrigeran (H2-H1) (BTU/lb atau Joule/kg):Berat refrigeran = kapasitas pendinginan per ton refrigerasi(11)H2- HIContoh IsSuatu sistem refrigerasi dioperasikan pada suhu coil evaporator (sisi tekanan rendah) -30F (-34f4C) dan suhu kondenser (sisi tekanan tinggi) 100F (37,8C). Refrigeran yang digunakan adalah R12 dengan nilai cp/cv = 1,14.Tentukanlah sisi tekanan tinggi dan tekanan rendahTentukanlah nilai HI, H2 dan H3Buat diagram P-HTentukanlah (i) kapasitas refrigerasi, dan (ii) COP!Hitunglah tenaga yang diperlukan (HP) per ton refrigerasi!(0 Hitunglah jumlah refrigeran yang diperlukan per ton refrigerasi! JawabDengan menggunakan Gambar 1 untuk R12, maka nilai tekanan rendah (PI) pada suhu evaporator 30QF adalah 12,3 psia (PI) atau 85 kPa, sedangkan sisi tekanan tinggi (P2) pada 100F adalah 133 psia (P2) atau 910 kPa.Dengan menggunakan Diagram Mollier untuk R12 (Gambar 1), maka dapat ditentukan nilai-nilai HI, H2 dan H3 sebagai berikut:HI: garis perpotongan antara garis horisontal pada tekanan 133 psia (P2) dengan saturated liquid line, kemudian ditarik garis vertikal sehingga memotong sumbu x. Diperoleh nilai 32 BTU/lb (8.4 kJ/kg)H2: garis perpotongan antara garis horisontal pada tekanan 12,3 psia (PI) dengan saturated vapor line, kemudian ditarik garis vertikal sehingga memotong sumbu x. Diperoleh nilai 74 BTU/lb (17,2 kJ/kg).H3: ditarik garis horisontal dari P2 sehingga memotong constant temperature line pada suhu kondensasi tertentu (100F). Garis pada proses kompresi diperoleh dengan cara menarik garis dari perpotongan PI dengan H2 sepanjang entropy line sehingga memotong garis perpotongan antara P2 pada suhu kondensasi tersebut. Nilai H3 diperoleh dengan menarik garis memotong sumbu x melalui constant temperature line, Diperoleh nilai 94 BTU/lb (21,8 kJ/kg).(c) Diagram P-H dibuat dengan memplot data tekanan (PI dan P2) dan entalpi (HI, H2 dan H3)Pi'5 a.a13312.33274 94Enthalpy (H; btu/lb)(d) (i) Kapasitas refrigerasi = H2 - HI = 74 - 32 = 42 BTU/lb = 98.000 J/kg (iO COP == (74 - 32)/(94 -74) = 2,1(H3 - H2) HP 4,715(e)= 4,716/(1,14*2,1) = 1,97 HP/tonrton r yCOP(f) Refrigeran yang dibutuhkan per ton refrigerasi= 12.000 BTU/h / 42 BTU/lb = 286 lb refrigeran/jam = 129 kg/jam.tonrhubunganggafikan;igntu|^i^i iti' kompresor, ko- --^anl^^^pfir^^btdipi yaj ' t^g^n-;ketika|RangkumanDaftar PustakaFellows,P.J. 1992. Food Processing Technology: Principle and Practice. Ellis Horwood, New York.Singh,R.P. and Heldman,D.R. 2001. Introduction to Food Engineering. 3rd ed, Academic Press, San Diego, CA.Toledo,R.T. 1991. Fundamentals of Food Process Engineering. Van Nostrand Reinhold, New York.