Refrigerasi - Pengertian, Komponen Sistem dan Prinsip Kerjanya

Refrigerasi adalah suatu sistem, alat dan media yang berfungsi mengatur suhu hingga mencapai suhu di bawah ruangan dengan cara menyerap kalor dari suatu lingkungan kemudian melepaskannya ke lingkungan yang lain. Refrigerasi dicapai dengan melakukan penyerapan panas pada suhu rendah secara terus menerus, yang biasanya bisa dicapai dengan menguapkan suatu cairan secara kontinyu.

Penggunaan refrigerasi sangat dikenal pada sistem pendingin udara pada bangunan, transportasi, dan pengawetan suatu bahan makanan dan minuman. Penggunaan refrigerasi juga dapat ditemukan pada pabrik skala besar, contohnya proses dehidrasi gas, aplikasi pada industri petroleum seperti pemurnian minyak pelumas, reaksi suhu rendah dan proses pemisahan hidrokarbon yang mudah menguap.

Manfaat refrigerasi antara lain adalah sebagai berikut:

Pengkondisian udara pada mangan dalam bangunan/rumah, sehingga temperatur di dalam bangunan/rumah lebih dingin dibanding di luar rumah.
Pengolahan/transportasi/penyediaan bahan-bahan makanan/minuman menjadi legis terhadap aktivitas mikro organisme.
Pembuatan batu es dan dehidrasi gas dalam skala besar .
Pemurnian minyak pelumas pada industri minyak bumi.
Melangsungkan reaksi-reaksi kimia pada temperatur rendah.
Pemisahan terhadap komponen-komponen hidrokarbon yang mudah menguap.
Pencairan gas untuk mendapatkan gas mumi (O2 dan N2).

Komponen Sistem Refrigerasi

a. Kompresor

Kompressor adalah alat yang digunakan untuk menghisap uap refrigeran dan mengkompresinya sehingga tekanan uap refrigeran naik sampai ke tekanan yang diperlukan untuk pengembunan (kondensasi) uap regrigeran di dalam kondensor.

Kompresor bekerja dengan perbedaan tekanan sehingga bahan pendingin dapat mengalir dari satu bagian ke bagian yang lain dari sistem. Kompresor berfungsi untuk mengisap refrigeran dari evaporator dengan suhu dan tekanan rendah lalu memampatkan refrigeran tersebut sehingga tekanan dan suhunya meningkat untuk kemudian dialirkan ke kondensor.

Berdasarkan sistem kerjanya, terdapat empat jenis kompresor, yaitu:

Kompresor Piston/Torak. Kompresor ini menggunakan silinder dan piston untuk memampatkan gas. Biasanya jenis ini banyak digunakan untuk memampatkan gas. Tipe kompressor piston mempunyai kelebihan dalam hal kekuatan kompresinya sehinnga banyak digunakan pada mesin pendingin dan AC.
Kompresor Sudu/vane kompressor. Kompresor jenis ini kebanyakan digunakan untuk lemari es, freezer dan pengkondisan udara rumah tangga, juga digunakan sebagai kompresor pembantu pada bagian tekanan rendah sistem kompresi bertingkat besar.
Kompresor Rotari, Sekrup atau Heliks. Kompresor jenis ini bekerja dengan sebuah screw atau ulir yang berputar dalam silinder sambil mendorong udara atau gas searah putaran ulir. Kelebihan dari jenis kompresor ini adalah suaranya yang lebih kecil, serta getaran yang lebih kecil dibandingkan dengan jenis piston.
Kompresor Sentrifugal. Kompresor ini banyak digunakan untuk memindahkan uap air. Gas atau udara yang dipindahkan bergerak searah dengan putaran kompresor. Biasanya jenis ini dipergunakan untuk memindahkan gas dalam jumlah besar dan kapasitas yang memerlukan kecepatan.

b. Kondensor

Kondensor berfungsi untuk membuang kalor yang diserap dari evaporator dan panas yang diperoleh dari kompresor, serta mengubah wujud gas menjadi cair. Jumlah kalor yang dilepaskan dalam kondensor sama dengan jumlah kalor yang diserap oleh refrigeran di dalam evaporator setara ekuivalen dengan energi yang diperlukan untuk melakukan kerja kompresi dan kalor dari sistem.

Uap yang mengalir melalui satu susunan pipa-pipa, diembunkan sewaktu bersentuhan dengan permukaan pipa-pipa yang dialiri cairan pendingin. Pipa-pipa ini permukaannya dijaga agar tetap bertemparatur rendah dengan mengalirkan cairan pendingin.

Berdasarkan jenis zat pendingin yang digunakan, kondensor dibagi menjadi tiga jenis, yaitu:

Air Cooled Condenser (menggunakan udara sebagai cooling mediumnya). Kalor dipindahkan dari refrigeran ke udara dengan menggunakan sirkulasi alamiah atau paksa. Kondensor dibuat dari pipa baja, tembaga dengan diberi sirip untuk memperbaiki transfer kalor pada sisi udara. Refrigeran mengalir di dalam pipa dan udara mengalir di luarnya. Air-cooled condensor hanya digunakan untuk kapasitas kecil seperti refrigerator dan small water cooler.
Water Cooled Condenser (menggunakan air sebagai cooling mediumnya). Kondensor jenis ini terbagi menjadi tiga jenis, yaitu: a). Shell and Tube Condenser (Kondensor tipe Tabung dan Pipa), digunakan pada kondensor berukuran kecil sampai besar. biasa digunakan untuk air pendingin berupa ammonia dan freon. b). Shell and Coil Condenser (Kondensor tabung dan koil), banyak digunakan pada unit pendingin dengan Freon refrigerant berkapasitas lebih kecil, misalnya untuk penyegar udara, pendingin air, dan sebagainya. c). Tube and Tubes Condenser (Kondensor jenis pipa ganda), merupakan susunan dari dua pipa coaksial dimana refrigerant mengalir melalui saluran yang terbentuk antara pipa dalam dan pipa luar yang melintang dari atas ke bawah. Sedangkan air pendingin mengalir di dalam pipa dalam arah berlawanan, yaitu refrigerant mengalir dari atas ke bawah.
Evaporative Condensor. Refrigeran pertama kali melepaskan kalornya ke air kemudian air melepaskan kalornya ke udara dalam bentuk uap air. Udara meninggalkan uap air dengan kelembaban yang tinggi seperti dalam cooling tower. Oleh karena itu kondensor evaporative menggabungkan fungsi dari sebuah kondensor dan cooling tower. Evaporative condensor banyak digunakan di pabrik-pabrik amoniak.

c. Katup Ekspansi

Katup ekspansi digunakan untuk mengekspansi secara adiabatik cairan refrigeran yang bertekanan dan bertemperatur tinggi sampai mencapai tingkat keadaan tekanan dan temperatur rendah. Katup ekspansi berfungsi untuk mengalirkan dan menurunkan tekanan refrigran dari kondensor supaya mudah menguap di dalam evaporator.

Terdapat beberapa jenis katup ekspansi, yaitu:

Pipa Kapiler (Capilary Tube). Pipa kapiler adalah katup ekspansi yang umum digunakan untuk sistem refigerasi rumah tangga. Pipa kapiler adalah pipa tembaga dengan diameter lubang kecil dan panjang tertentu. Umumnya dengan diameter dalam 0,8 sampai 2,0 mm, dan panjangnya kurang dari 1 meter. Pipa kapiler dipasang sebagai pengganti katup ekspansi. Besarnya tekanan pipa kapiler bergantung pda ukuran diameter lubang panjang pipa kapiler.
Katup Ekspansi otomatis. Katup ekspansi otomatik termostatik berfungsi mengatur pembukaan katup, yaitu mengatur pemasukan refrigeran ke dalam evaporator, sesuai dengan beban pendinginan yang harus dilayani. Katup ekspansi otomatis menjaga agar tekanan hisap atau tekanan evaporator besarnya tetap konstan.
Katup ekspansi manual. Katup expansi manual adalah katup expansi dengan trotel yang diatur secara manual, yaitu menggunakan katup jarum yang berbeda dari katup stop yang biasa.
Katup ekspansi tekanan konstan (termotastik). Katup expansi tekanan konstan adalah katup expansi, dimana katup digerakkan oleh tekanan didalam evaporator, untuk mempertahankan supaya tekanan di dalam evaporator konstan. Katup ekspansi jenis ini mempertahankan besarnya panas lanjut pada uap refrigerant di akhir evaporator tetap konstan, apapun kondisi beban di evaporator.

d. Evaporator

Evaporator juga disebut juga dengan boiler, freezer, froster, cooling coil, chilling unit dan lain-lain. Fungsi evaporator adalah untuk menyerap panas dari udara atau air di dalam ruangan yang didinginkan. Kemudian membuang kalor tersebut melalui kondensor di ruang yang tidak didinginkan.

Evaporator mempunyai fungsi berkebalikan dengan kondensor. Evaporator terletak di antara pipa kapiler dan kompresor, yang merupakan daerah sisi tekanan rendah dari sistem. Evaporator dibuat dari bermacam-macam logam, tergantung dari bahan pendingin yang dipakai dan pemakaian dari evaporator sendiri. Logam yang banyak dipakai besi, baja, tembaga, kuningan dan aluminium.

Berdasarkan bentuk dan permukaan koilnya, evaporator dibagi menjadi tiga macam, yaitu:

Evaporator Pipa Telanjang (Bare Tube Evaporator).
Evaporator Pelat (Plate Surface Evaporator).
Evaporator Bersirip (Finned Evaporator).

Berdasarkan cara kerjanya secara ekspansi langsung, evaporator dibagi menjadi dua jenis, yaitu:

Flooded Evaporator.
Dry Expention Evaporator.

Berdasarkan konstruksinya evaporator dibagi menjadi dua jenis, yaitu:

Shell and Tube Evaporator.
Shell and Coil Evaporator.

e. Refrigeran

Refrigeran merupakan suatu media pendingin yang dapat berfungsi untuk menyerap kalor dari lingkungan atau untuk melepaskan kalor ke lingkungan. Refrigeran berfungsi sebagai media pendingin dengan menyerap kalor dari benda atau bahan lain seperti air atau udara ruangan, sehingga refrigeran tersebut dapat dengan mudah mengubah phasanya dari cair.

Sifat-sifat fisik termodinamika refrigeran yang digunakan dalam sistem refrigerasi perlu diperhatikan agar sistem dapat bekerja dengan aman dan ekonomis, adapun sifat refrigeran yang baik adalah sebagai berikut:

Tekanan penguapannya harus cukup tinggi, untuk menghindari kemungkinan terjadinya vakum pada evaporator dan turunnya efisiensi volum metrik karena naiknya perbandingan kompresi.
Tekanan pengembunan yang rendah sehingga perbandingan kompresinya rendah dan penurunan prestasi kompresor dapat dihindari.
Kalor laten penguapan harus tinggi agar panas yang diserap oleh evaporator lebih besar jumlahnya, sehingga untuk kapasitas yang sama, jumlah refrigerant yang dibutuhkan semakin sedikit.
Koefisien prestasi harus tinggi, ini merupakan parameter yang penting untuk menentukan biaya operasi.
Konduktifitas thermal yang tinggi untuk menentukan karakteristik perpindahan panas.
Viskositas yang rendah dalam fasa cair atau gas. Dengan turunnya tahanan aliran refrigerant dalam pipa kerugian tekanannya akan berkurang.
Konstata dielektrik yang kecil, tahanan listrik yang besar serta tidak menyebabkan korosi pada material isolasi listrik.
Refrigeran hendaknya stabil dan tidak bereaksi dengan material yang digunakan sehingga tidak menyebabkan korosi.
Refrigeran tidak boleh beracun dan berbau.
Refrigeran tidak boleh mudah terbakar dan meledak.
Dapat bercampur dengan minyak pelumas tetapi tidak merusak dan mempengaruhinya.
Harganya murah dan mudah dideteksi jika terjadi kebocoran.

Refrigeran yang digunakan pada sistem kompresi uap dapat dikelompokkan dalam beberapa jenis sesuai dengan unsur penyusunnya, yaitu:

Senyawa Halokarbon. Refrigeran yang memiliki satu atau lebih atom dari salah satu halogen yang tiga (klirin, fluorin, bromine).
Senyawa Anorganik. Senyawa anorganik sering digunakan pada masa awal perkembangan bidang refrigerasi dan pengkondisian udara.
Senyawa Hidrokarbon. Banyak senyawa hidrokarbon yang digunakan sebagai refrigeran khususnya dipakai untuk industri perminyakan dan petrokimia.
Azeotrop. Campuran Azeotrop dua substansi adalah campuran yang tidak bisa dipisahkan menjadi komponen-komponennya dengan cara distilasi. Azeotrop menguap dan mengembun sebagai substansi tunggal yang sifatnya berbeda dengan sifat pembentuknya.

Prinsip Kerja Regrigerasi

Proses yang terjadi pada sistem regrefigerasi terdiri dari beberapa siklus, yaitu:

Kompresor memompa bahan pendingin melalui seluruh sistem. Kompresor menarik gas refrigerant dingin melalui jalur isap (suction line) dari evaporator freezer. Pada saat yang sama, mengompres gas dan mepompa ke discharge line (jalur tekanan tinggi). Gas yang terkompresi temperaturnya meningkat tajam dan memasuki kondensor.
Kondensor melakukan fungsi yang mirip dengan radiator di sebuah mobil. Kondensor adalah koil pendingin untuk gas refrigerant panas. Dalam kondensor, panas tersebut dikeluarkan ke ruang udara di luar kabinet. Selama proses ini, gas refrigerant melepas panas dalam kabin dan merubah ke bentuk cair. Lalu cairan pendingin panas meninggalkan kondensor dan memasuki tabung (pipa) kapiler, Dan filter dryer atau saringan menghapus segala uap air atau kotoran.
Tabung kapiler diukur dengan seksama panjang dan diameter dalam untuk mengukur arus refrigerant cair dengan jumlah yang tepat untuk alirkan sesuai yang dibutuhkan untuk setiap unit. Sebuah panjang yang telah ditetapkan tabung kapiler biasanya disolder di sepanjang bagian luarsuction line, membentuk penukar panas, yang membantu untuk mendinginkan refrigerant cair panas dalam tabung kapiler. Pipa Kapiler kemudian dihubungkan ke pipa yang lebih besar yaitu evaporator.
Refrigeran keluar dari tabung kapiler dan memasuki tabung yang lebih besar atau evaporator. Peningkatan mendadak dalam bentuk diameter pipa membentuk daerah tekanan rendah dan suhu refrigerant turun secara drastis karena perubahan dari cair ke campuran cair dan gas. Dalam proses melewati evaporator, refrigerant menyerap panas dari area sekelilingnya. Refrigerant kemudian secara bertahap berubah dari cair ke campuran cair dan gas ke gas.
Gas refrigerant bertekanan rendah meninggalkan koil evaporator sekarang memasuki akumulator, yang dirancang berbentuk silinder besar untuk menjebak cairan refrigeran yang tidak atau belum berubah menjadi gas di evaporator. Karena tidak mungkin untuk kompres cairan, akumulator mencegahre frigerant dalam bentuk cairan kembali ke kompresor.
Gas refrigerant meninggalkan akumulator, kembali ke kompresor melalui garis isap, yang merupakan bagian dari panas exchanger, sehingga menyelesaikan siklus.Ppengaruh penambahan pelat datar vertikal pada tube penukar panas dengan tambahan aluminium foil yang mengelilingi tube, dan pengaruh besar ruang yang terbentuk di sisi bagian dalam penukar panas dimana tubenya memiliki jarak tertentu dengan styrofoam (ada rongga). Diperkirakan besar rongga yang ada akan berpengaruh pada besar laju perpindahan panas yang terjadi, demikian pula dengan efisiensi penukar panas menyeluruh.