Sistim Refrigerasi Kompresi Uap

Deskripsi

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.

Siklus refrigerasi ditunjukkan dalam Gambar 1 dan 2 dan 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 kondenser. 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

Gambar 1. Gambaran skematis siklus refrigerasi kompresi uap

Gambar 2. Gambaran skematis siklus refrigerasi termasuk perubahan tekanannya
(Biro Efisiensi Energi, 2004)

Kondenser harus mampu membuang panas gabungan yang masuk evaporator dan kondenser.
Dengan kata lain: (1 - 2) + (2 - 3) harus sama dengan (3 - 4). Melalui alat ekspansi tidak terdapat panas yang hilang maupun yang diperoleh.

Jenis-jenis refrigeran yang digunakan dalam sistim kompresi uap

Terdapat berbagai jenis refrigeran yang digunakan dalam sistim kompresi uap. Suhu refrigerasi yang dibutuhkan sangat menentukan dalam pemilihan fluida. Refrigeran yang umum digunakan adalah yang termasuk kedalam keluarga chlorinated fluorocarbons (CFCs, disebut juga Freons): R-11, R-12, R-21, R-22 dan R-502.

Sifat-sifat bahan-refrigeran dan kinerja bahan refrigeran tersebut diberikan dalam 2 Tabel dibawah:

Pemilihan refrigeran dan suhu pendingin dan beban yang diperlukan menentukan pemilihan kompresor, juga perancangan kondenser, evaporator, dan alat pembantu lainnya. Faktor tambahan seperti kemudahan dalam perawatan, persyaratan fisik ruang dan ketersediaan utilitas untuk peralatan pembantu (air, daya, dll.) juga mempengaruhi pemilihan komponen.

Komponen Komponen Pokok Refrigerasi

Operasi refrigerasi butuh suatu mesin yang disebut dengan refrigerator. Refrigerator merupakan kumpulan serangkaian peralatan, seperti:
1. Kompressor.
2. Kondensor.
3. Akumulator.
4. Mesin ekspansi / katup ekspansi.
5. Evaporator.

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

Kompressor ini digerakkan oleh sumber tenaga dari mesin penggerak, seperti:
• Motor listrik
• Motor bakar
• Diesel
• Mesin uap
• Turbin gas
Pada kompressor, berlaku persamaan neraca energi;

Karena kompressi, fluida kerja (uap refrigerant) terkompressi menjadi naik entalpinya (H2 > H ), sehingga dapat dikatakan energi dari sumber digunakan untuk menaikkan entalpi fluida kerja.

2. Kondensor
Kondensor merupakan alat penukar panas yang berguna untuk mendinginkan uap refrigerant dari kompressor agar dapat mengembun menjadi cairan. Pada saat pengembunan ini, refrigerant mengeluarkan sejumlah kalori (panas pengembunan) yang mana panas ini diterima oleh media pendingin di dalam kondensor.

3. Akumulator
Merupakan alat yang berguna untuk mengumpulkan cairan refrigerant yang berasal dari kondensor. Dengan adanya alat ini akan memudahkan pengaturan stock dari total refrigerant.

4. Mesin Ekspansi atau Katup Ekspansi
Mesin atau katup ekspansi ini berfungsi untuk menurunkan tekanan dari cairan refrigerant sebelum masuk ke evaporator, sehingga akan memudahkan refrigerant menguap di evaporator dan menyerap kalori (panas) dari media yang didinginkan.

5. Evaporator
Juga merupakan alat penukar panas. Refrigerant cair dengan tekanan rendah setelah proses ekspansi, diuapkan dalam alat ini. Untuk penguapan refrigerant cair ini tentunya diperlukan sejumlah kalori, yang mana diambil dari media yang akan didinginkan oleh sistem refrigerasi. Misalnya pada mesin Air Conditioning (AC), media yang didinginkan adalah udara di dalam ruangan (kamar). Begitu pula pada kulkas, media yang didinginkan adalah ruangan dalam kulkas dan segala sesuatu yang berada dalam kulkas. Uap refrigerant yang terbentuk di evaporator langsung dihisap oleh kompressor, demikian seterusnya mengulangi langkah pertama tadi sehingga membentuk suatu siklus, yang disebut dengan siklus refrigerasi.

Pengkondisian Udara (AC) (3)

Artikel Iptek - Bidang Energi dan Sumber Daya Alam
Oleh Yuli Setyo Indartono

Setelah mengulas tantangan kontemporer yang dihadapi oleh teknologi refrigerasi/pengkondisian udara serta beberapa alternatif sistem yang telah dikembangkan untuk menghadapi tantangan tersebut, bagian ke-3 dari seri tulisan tentang refrigerasi ini mengulas perkembangan teknologi di bidang refrigeran (fluida kerja mesin refrigerasi) dan teknologi mesin refrigerasi itu sendiri.

Perkembangan Teknologi di Bidang Refrigeran

Refrigeran adalah fluida kerja yang bersirkulasi dalam siklus refrigerasi. Refrigeran merupakan komponen terpenting siklus refrigerasi karena dialah yang menimbulkan efek pendinginan dan pemanasan pada mesin refrigerasi. Seperti telah dijelaskan pada Bagian 1, masalah kontemporer yang menghadang refrigeran adalah munculnya lubang ozon dan pemanasan global.

ASHRAE (2005) mendefinisikan refrigeran sebagai fluida kerja di dalam mesin refrigerasi, pengkondisian udara, dan sistem pompa kalor. Refrigeran menyerap panas dari satu lokasi dan membuangnya ke lokasi yang lain, biasanya melalui mekanisme evaporasi dan kondensasi. Calm (2002) membagi perkembangan refrigeran dalam 3 periode: Periode pertama, 1830-an hingga 1930-an, dengan kriteria refrigeran "apa pun yang bekerja di dalam mesin refrigerasi". Refrigeran yang digunakan dalam periode ini adalah ether, CO2, NH3, SO2, hidrokarbon, H2O, CCl4, CHCs. Periode ke-dua, 1930-an hingga 1990-an menggunakan kriteria refrigeran: aman dan tahan lama (durable). Refrigeran pada periode ini adalah CFCs (Chloro Fluoro Carbons), HCFCs (Hydro Chloro Fluoro Carbons), HFCs (Hydro Fluoro Carbons), NH3, H2O. Periode ke-tiga, setelah 1990-an, dengan kriteria refrigeran "ramah lingkungan". Refrigeran pada periode ini adalah HCFCs, NH3, HFCs, H2O, CO2.

Perkembangan mutakhir di bidang refrigeran utamanya didorong oleh dua masalah lingkungan, yakni lubang ozon dan pemanasan global. Sifat merusak ozon yang dimiliki oleh refrigeran utama yang digunakan pada periode ke-dua, yakni CFCs, dikemukakan oleh Molina dan Rowland (1974) yang kemudian didukung oleh data pengukuran lapangan oleh Farman dkk. (1985). Setelah keberadaan lubang ozon di lapisan atmosfer diverifikasi secara saintifik, perjanjian internasional untuk mengatur dan melarang penggunaan zat-zat perusak ozon disepakati pada 1987 yang terkenal dengan sebutan Protokol Montreal. CFCs dan HCFCs merupakan dua refrigeran utama yang dijadwalkan untuk dihapuskan masing-masing pada tahun 1996 dan 2030 untuk negara-negara maju (United Nation Environment Programme, 2000). Sedangkan untuk negara-negara berkembang, kedua refrigeran utama tersebut masing-masing dijadwalkan untuk dihapus (phased-out) pada tahun 2010 (CFCs) dan 2040 (HCFCs) (Powell, 2002). Pada tahun 1997, Protokol Kyoto mengatur pembatasan dan pengurangan gas-gas penyebab rumah kaca, termasuk HFCs (United Nation Framework Convention on Climate Change, 2005).
Powell (2002) menerangkan bebeapa syarat yang harus dimiliki oleh refrigeran pengganti, yakni:

1. Memiliki sifat-sifat termodinamika yang berdekatan dengan refrigeran yang hendak digantikannya, utamanya pada tekanan maksimum operasi refrigeran baru yang diharapkan tidak terlalu jauh berbeda dibandingkan dengan tekanan refrigeran lama yang ber-klorin.
2. Tidak mudah terbakar.
3. Tidak beracun.
4. Bisa bercampur (miscible) dengan pelumas yang umum digunakan dalam mesin refrigerasi.
5. Setiap refrigeran CFC hendaknya digantikan oleh satu jenis refrigeran ramah lingkungan.

Setelah periode CFCs, R22 (HCFC) merupakan refrigeran yang paling banyak digunakan di dalam mesin refrigerasi dan pengkondisian udara. Saat ini beberapa perusahaan pembuat mesin-mesin refrigerasi masih menggunakan refrigeran R22 dalam produk-produk mereka. Meski refrigeran ini, termasuk juga refrigeran jenis HCFCs lainnya, dijadwalkan untuk dihapuskan pada tahun 2030 (untuk negara maju), namun beberapa negara Eropa telah mencanangkan jadwal yang lebih progresif, misalnya Swedia telah melarang penggunaan R22 dan HCFCs lainnya pada mesin refrigerasi baru sejak tahun 1998, sedangkan Denmark dan Jerman mengijinkan penggunaan HCFCs pada mesin-mesin baru hanya hingga 31 Desember 1999 (Kruse, 2000).

Protokol Montreal memaksa para peneliti dan industri refrigerasi membuat refrigeran sintetis baru, HFCs (Hydro Fluoro Carbons) untuk menggantikan refrigeran lama yang ber-klorin yang dituduh menjadi penyebab rusaknya lapisan ozon. Weatherhead dan Andersen (2006) mengemukakan bahwa sejak 8 tahun terakhir, penipisan kolom lapisan ozon tidak terjadi lagi. Kedua peneliti ini meyakini akan terjadinya pemulihan lapisan ozon. Meski demikian, keduanya tidak secara jelas merujuk turunnya penggunaan zat perusak ozon sebagai penyebab pulihnya lapisan ozon. Powell (2002) menyebutkan bahwa adanya kerjasama yang sangat baik antara produser refrigeran dan perusahaan pengguna refrigeran telah memungkinkan terjadinya transisi mulus dari era penggunaan CFCs secara besar-besaran di 1986 hingga penghapusan dan penggantiannya dengan R134a di tahun 1996. Banyak kalangan menyebutkan bahwa Protokol Montreal adalah salah satu perjanjian internasional di bidang lingkungan yang paling berhasil diterapkan.

Saat ini, HCFCs (yang pada dasarnya merupakan pengganti transisional untuk CFCs) telah memiliki 2 kandidat pengganti, yakni R410A (campuran dengan sifat mendekati zeotrop) dan R407C (campuran azeotrop) (Kruse, 2000). Hidrokarbon Propana (R290) juga berpotensi menjadi pengganti R22 (Kruse, 2000). R407C merupakan campuran antara R32/125/132a dengan komposisi 23/25/52, sedangkan R410A adalah campuran R32/125 dengan komposisi 50/50 (ASHRAE, 2005). Saat ini, beberapa perusahaan terkemuka di bidang refrigerasi dan pengkonsian udara telah menggunakan R410A dalam produk mereka.

Jika Protokol Montreal dan Kyoto dilaksanakan secara penuh dan konsisten, maka secara umum pada saat ini belum ada pilihan refrigeran komersial selain refrigeran alami. Meskipun perlu dicatat bahwa baru-baru ini terdapat produsen refrigeran yang mengklaim keberhasilannya membuat refrigeran yang tidak merusak ozon dan tidak menimbulkan pemanasan global (ASHRAE, 2006). Beberapa refrigeran alami yang sudah digunakan pada mesin refrigerasi adalah: amonia (NH3), hidrokarbon (HC), karbondioksida (CO2), air, dan udara (Riffat dkk., 1997). Kata "alami" menekankan keberadaan zat-zat tersebut yang berasal dari sumber biologis atapun geologis; meskipun saat ini beberapa produk refrigeran alami masih didapatkan dari sumber daya alam yang tidak terbarukan, misalnya hidrokarbon yang didapatkan dari oil-cracking, serta amonia dan CO2 yang didapatkan dari gas alam (Powell, 2002).

Penggunaan karbondioksida, air, dan udara pada refrigerator komersial masih memerlukan riset yang mendalam, sedangkan penggunaan amonia dan hidrokarbon, meskipun sudah cukup banyak dilakukan, masih memiliki peluang riset yang cukup banyak (Riffat dkk., 1997). Amonia bersifat racun (toxic) dan cukup mudah terbakar, sedangkan hidrokarbon termasuk dalam zat yang sangat mudah terbakar; oleh karena itu refrigeran tersebut secara umum sulit digunakan pada sistem ekspansi langsung. Sistem refrigerasi tak-langsung bisa digunakan untuk mengatasi kelemahan kedua refrigeran tersebut. Beberapa peneliti berusaha menekan tingkat keterbakaran refrigeran hidrokarbon dengan cara mencampurkannya bersama refrigeran lain yang tak mudah terbakar (Pasek dkk., 2006; Sekhar dkk., 2004; Dlugogorsky dkk., 2002). Granryd (2001) menekankan bahwa pada dasarnya sudah tersedia teknologi untuk meningkatkan keamanan pada sistem refrigerasi yang menggunakan refrigeran hidrokarbon, namun cara yang ekonomis untuk membuat sistem tersebut aman dan terbukti dapat digunakan dalam skala luas masih perlu dikembangkan lebih lanjut.

Teknologi Refrigerasi Alternatif

Munculnya beberapa permasalahan pada refrigerasi siklus kompresi uap dalam dekade belakangan ini membuat beberapa peneliti berusaha memunculkan sistem refrigerasi alternatif yang tidak mengandung permasalahan serupa. Teknologi alternatif tersebut diantaranya adalah refrigerasi sistem absorpsi, adsorpsi padatan (solid adsorption), dan efek magnetokalorik. Sistem absorpsi dan adsorpsi padatan tidak menggunakan refrigeran yang merusak ozon dan menimbulkan pemanasan global, serta bisa memanfaatkan panas matahari ataupun panas buangan; sedangkan refrigerasi sistem efek magnetokalorik sama sekali tidak menggunakan refrigeran primer.

Refrigerasi Siklus Absorpsi

Refrigerasi absorpsi merupakan siklus yang digerakkan oleh energi termal. Berbeda dengan sistem refrigerasi konvensional, energi mekanik yang diperlukan oleh refrigerasi absorpsi sangat kecil. Diagram refrigerasi absorpsi efek tunggal dapat dilihat pada Gambar 4 berikut ini:

Gambar 1 Diagram siklus refrigerasi absorpsi efek tunggal

Pada Gambar 1, QA adalah perpindahan panas dari absorber, WPump kerja yang diperlukan pompa, QG adalah perpindahan panas yang diperlukan oleh generator, QC adalah perpindahan panas dari kondenser, dan QE adalah panas yang diserap oleh evaporator. Penukar kalor yang terdapat di dalam siklus absorpsi berfungsi untuk meningkatkan temperatur larutan sebelum memasuki generator, sehingga bisa menghemat energi.

Seperti halnya siklus refrigerasi kompresi uap, efek pendinginan pada siklus absorpsi juga terjadi pada sisi evaporator. Untuk menggantikan kompresor seperti yang digunakan di dalam siklus kompresi uap, digunakan tiga komponen di dalam siklus absorpsi; yakni absorber, pompa, dan generator. Absorber berfungsi untuk menyerap uap refrigeran ke dalam absorben, sehingga keduanya bercampur menjadi larutan. Karena reaksi di dalam absorber adalah eksotermik (mengeluarkan panas), maka perlu dilakukan proses pembuangan panas dari absorber. Tanpa dilakukannya proses pembuangan panas, maka kelarutan (solubility) uap refrigeran ke dalam absorben akan rendah. Selanjutnya, larutan tersebut dipompa ke generator.

Dalam perjalanan menuju generator, larutan dilewatkan di dalam penukar kalor untuk meningkatkan temperatur (preheating). Daya pompa yang diperlukan sangat kecil, sehingga dalam perhitungan COP siklus absorpsi, daya ini biasanya diabaikan. Di dalam generator, larutan dipanaskan hingga terjadi pemisahan refrigeran dari larutan. Selanjutnya, uap refrigeran tersebut akan memasuki kondensor. Proses selanjutnya tidak berbeda dengan siklus kompresi uap, yakni kondensasi, penuruan tekanan (melalui mekanisme penghambat aliran - flow restrictor), dan evaporasi.

Dua keuntungan utama penggunaan siklus absorpsi adalah: (1) Siklus ini tidak menggunakan refrigeran yang merusak lapisan ozon dan menimbulkan pemanasan global, dan (2) Siklus ini bisa menggunakan panas buangan, sehingga sangat cocok digunakan dalam siklus kombinasi bersama dengan pembangkitan listrik dan panas/termal. Siklus kombinasi ini sangat berpotensi menghemat energi. Sistem pemanas dan pendingin di Shinjuku, Jepang, diklaim oleh operatornya (Tokyo Gas) bisa menghasilkan penghematan energi pendinginan sebesar 20% (Tokyo Gas, 2002).

Performansi sistem ini bisa didefiniskan dengan cara yang sama seperti halnya dalam siklus kompresi uap, yakni:
(3)
Namun karena daya pompa siklus ini umumnya sangat kecil dibandingkan dengan komponen yang lain, maka WPump seringkali dihilangkan dari Persamaan (3). Dalam aplikasinya, performa (COP) siklus absorpsi masih lebih rendah bila dibandingkan dengan siklus kompresi uap. Dalam artikel reviewnya, Shrikhirin (2001) menjelaskan beberapa teknik yang bisa digunakan untuk meningkatkan prestasi siklus absorpsi.

Holmberg dan Berntsson (1990) menerangkan beberapa kriteria yang perlu dipenuhi oleh fluida kerja (campuran antara refrigeran dan absorben), yakni:

1. Perbedaan titik didih antara refrigeran dan larutan pada tekanan yang sama (boiling elevation) haruslah sebesar mungkin.
2. Refrigeran perlu memiliki panas penguapan yang tinggi dan konsentrasi yang tinggi di dalam absorben untuk menekan laju sirkulasi larutan diantara absorber dan generator per-satuan kapasitas pendinginan.
3. Memiliki sifat-sifat transport, seperti viskositas, konduktivitas termal, dan koefisien difusi, yang baik sehingga dapat menghasilkan perpindahan panas dan massa yang juga baik.
4. Baik refrigeran dan absorbennya harus bersifat non-korosif, ramah lingkungan, dan murah.

Kriteria lain untuk fluida kerja sistem absorpsi serupa dengan kriteria untuk refrigeran siklus kompresi uap, seperti stabil secara kimiawi, tidak beracun, tidak mudah terbakar, dan tidak mudah meledak. Hingga saat ini, fluida kerja yang paling banyak digunakan di dalam sistem refrigerasi absorpsi adalah Air/NH3 dan LiBr/Air (Srikhirin dkk., 2001).

Refrigerasi Adsorpsi Padatan (solid adsorption)

Efek pendinginan pada siklus solid adsorption menggunakan prinsip yang sama dengan sistem refrigerasi lainnya: bahwa proses evaporasi memerlukan suplai energi (menyerap energi). Proses adsorpsi melibatkan pemisahan suatu zat dari cairan dan pengakumulasiannya pada permukaan sebuah zat padat. Zat yang menguap dari fasa cair disebut sebagai adsorbat, sedangkan zat padat yang menyerap adsorbat disebut sebagai adsorben. Molekul-molekul yang diserap oleh adsorben bisa dilepaskan kembali dengan cara memanaskan adsorben; dengan demikian proses ini bersifat reversibel. Terdapat dua macam adsorben, yakni hydrophilic seperti gel silika, zeolit dan alumina aktif atau alumina berpori; dan hydrophobic seperti karbon aktif, polimer dan silikat (Sumathy dkk., 2003). Adsorben hydrophilic memiliki kemampuan ikat yang tinggi dengan zat yang bersifat polar (seperti air), sedangkan adsorben hydrophobic dengan zat yang bersifat non-polar (seperti minyak).

Gambar 2 Diagram Clapeyron untuk siklus adsorpsi ideal

Siklus adsorpsi dasar bisa dilihat pada Gambar 5. Siklus ideal dimulai dari titik A: adsorben berada pada temperatur rendah, TA, dan tekanan rendah, PE (tekanan evaporasi). A - B menunjukkan pemanasan adsorben bersamaan dengan adsorbat. Pada saat ini, wadah adsorben (kolektor) dihubungkan dengan kondensor. Pemanasan lanjut pada adsorben dari B ke D menyebabkan sebagian adsorbat mengalami desorpsi dan selanjutnya uapnya terkondensasi di kondensor (titik C). Pada saat adsorben mencapai temperatur maksimum, TD, proses desorpsi berhenti. Selanjutnya cairan adsorbat dikirimkan ke evaporator dari C ke E; kemudian kolektor ditutup dan mendingin. Penurunan temperatur dari D ke F menyebabkan penurunan tekanan dari PC ke PE. Setelah kolektor dihubungkan dengan evaporator; evaporasi dan adsorpsi terjadi pada saat adsorben didinginkan dari temperatur F ke A. Efek pendinginan muncul pada saat terjadinya evaporasi adsorbat.

Dibandingkan dengan siklus kompresi uap, prestasi siklus adsorpsi jauh lebih kecil. Sumathy dkk. (2003) menjelaskan beberapa modifikasi yang perlu dilakukan pada siklus adsorpsi untuk meningkatkan prestasi siklus tersebut. COP tertinggi siklus adsorpsi yang didata oleh Sumathy dkk. (2003) adalah 1,06. Beberapa peneliti telah menyelidiki aplikasi siklus adsorpsi di berbagai bidang, seperti pengkondisian udara di dalam kabin masinis (Lu dkk., 2004; Wang dkk., 2006a), refrigerator tenaga surya untuk gedung (Lemmini dan Errougani, 2005), pendingin air (Liu dkk., 2005), dan pembuat es (ice maker) untuk kapal nelayan (Wang dkk., 2006b).

Refrigerasi Efek Magnetokalorik

Efek magnetokalorik, yang merupakan sifat intrinsik seluruh material magnetik, menyebabkan material yang bersifat magnetik akan membuang panas dan tingkat entropi magnetiknya turun pada saat dikenai medan magnet secara isotermal. Efek yang berkebalikan akan terjadi manakala medan magnet dihilangkan. Dengan demikian, efek magnetokalorik ini bisa digunakan untuk mendinginkan suatu zat. Prinsip ini telah digunakan dalam refrigerasi kriogenik sejak tahun 1930-an (Yu dkk., 2003). Refrigerasi magnetik dipandang sebagai teknologi hijau (green technology) yang memiliki potensi untuk menggantikan siklus konvensional kompresi uap. Efisiensi refrigerasi magnetik bisa mencapai 30 - 60% terhadap siklus Carnot, sedangkan siklus kompresi uap hanya mencapai 5 - 10% terhadap siklus Carnot (Yu dkk., 2003). Oleh karena itu, refrigerasi magnetik diperkirakan memiliki potensi yang bagus di masa mendatang.

Siklus dasar refrigerasi magnetik adalah siklus Carnot magnetik, siklus Stirling magnetik, siklus Ericcson magnetik, dan siklus Brayton magnetik. Mekanisme kerja siklus refrigerasi magnetik, misalnya siklus Ericcson magnetik, dijelaskan di bawah ini (lihat juga Gambar 6).

1. Proses magnetisasi isothermal (A-B). Pada saat terjadi kenaikan medan magnet (dari H0 ke H1), panas dipindahkan dari refrigeran magnetik ke fluida regenerator untuk menjaga refrigeran dalam keadaan isotermal. Note: yang dimaksud dengan refrigeran adalah material magnetik itu sendiri.
2. Proses pendinginan pada medan-konstan (B-C). Pada keadaan medan magnet konstan (H1), panas dipindahkan dari refrigeran magnetik ke fluida regenerator.
3. Proses demagnetisasi isotermal (C-D). Pada saat medan magnet diturunkan (dari H1 ke H0), panas diserap dari fluida regenerator ke refrigeran magnetik untuk menjaga kondisi isotermal pada refrigeran.
4. Proses pemanasan pada medan-konstan (D-A). Temperatur akhir refrigeran magnetik kembali ke kondisi semula (A).

Gambar 3 Diagram siklus Ericcson magnetik. Pada gambar tersebut, S dan T masing-masing adalah entropi dan temperatur.

Beberapa peneliti mengeksplorasi kemungkinan penggunaan refrigerasi magnetik sebagai pengganti sistem refrigerasi konvensional. Pada 1976, di Lewis Research Center of American National Aeronautics and Space Administration, Brown menggunakan logam tanah jarang (rare-earth metal) gadolinium (Gd) sebagai refrigeran magnetik untuk refrigerasi pada temperatur ruang (Yu dkk., 2003). Dengan menambahkan berbagai variasi silika dan germanium ke latis (lattice) kristal gadolinium, Vitalij Pecharsky dan Karl Gschneidner dari the Ames Laboratory di Iowa State University menemukan jenis material baru yang bisa mendinginkan dua hingga enam kali lebih banyak dalam siklus magnetik tunggal, yang berarti bahwa mesin refrigerasi ini bisa menggunakan medan magnet yang lebih lemah atau material yang lebih kecil (Glanz, 1998).

Dengan memadukan refrigeran magnetik Gd5Ge2Si2 dan sejumlah kecil besi, Provenzano dkk. (2004) melaporkan bahwa mereka bisa mengurangi kehilangan histerisis (yang menyebabkan refrigeran magnetik kurang efisien) hingga 90%. Selain menggunakan paduan berbasiskan gadolinium, Tegus dkk. (2002) menggunakan refrigeran magnetik berbasiskan logam transisi, MnFeP0.45,As0.55, untuk refrigerasi pada temperatur ruang dengan hasil refrigerasi yang secara signifikan lebih besar dibandingkan dengan Gd5Ge2Si2. Namun demikian, saat ini pengembangan refrigerasi magnetik pada temperatur ruang masih belum matang. Yu dkk. (2003) menekankan bahwa kesulitan utama dalam pengembangan refrigerasi magnetik adalah:

1. Diperlukannya material magnetik dengan efek magnetokalorik yang besar,
2. Diperlukannya medan magnet yang kuat, dan
3. Diperlukannya sifat regenerasi dan perpindahan panas yang istimewa.

Pengkondisian Udara (AC) (2)

Artikel Iptek - Bidang Energi dan Sumber Daya Alam

Oleh Yuli Setyo Indartono

Bagian pertama tulisan ini telah menyajikan konsep dasar teknologi refrigerasi dan tiga permasalahan yang memberikan arah perkembangan dunia refrigerasi modern, yakni krisis energi, lubang ozon, dan pemanasan global. Bagian kedua ini memberikan ulasan perkembangan sistem pengkondisian udara untuk menjawab tantangan di atas.

Beberapa perbaikan sistem refrigerasi guna penghematan energi adalah sebagai berikut:

A. Pengkondisian udara sistem variable air volume (VAV)

Sistem ini merupakan perbaikan dari constant air volume (CAV) yang banyak digunakan sebelum dunia dilanda krisis energi pada tahun 1973 (Stein, 1997). Sistem CAV menggunakan saluran udara (duct) tunggal untuk mengalirkan udara dingin ke seluruh ruangan. Untuk menyediakan kebutuhan pendinginan yang maksimal, temperatur udara diset sangat rendah; selanjutnya di setiap ruangan disediakan sistem pemanas-ulang (reheater) guna mengatur temperatur udara sesuai dengan kebutuhan. Sumber pemborosan energi pada sistem CAV disebabkan oleh tiga hal:(1) Sangat rendahnya set temperatur udara dingin untuk seluruh ruangan,(2) Energi yang diperlukan untuk memanaskan ulang udara yang memasuki ruangan, dan(3) Energi yang diperlukan oleh fan elektrik dan efeknya terhadap udara dingin (fan elektrik memberikan beban panas pada udara dingin).

Sistem VAV melakukan pengaturan volume udara yang disuplai ke setiap ruang secara otomatis. Volume udara yang masuk ke setiap ruang disesuaikan dengan besarnya beban pendinginan (cooling load) yang ada di masing-masing ruangan. Sebuah kotak pengontrol yang bekerja berdasarkan informasi temperatur ruangan (thermostatically-control box) mengatur volume udara yang masuk ke dalam ruangan disesuaikan dengan kebutuhan. Dengan demikian, sistem VAV mengalirkan udara pendingin sesuai dengan kebutuhan ruangan; berbeda dengan sistem CAV yang mensuplai pendinginan maksimal dan seragam untuk kemudian dipanaskan ulang di sebagian ruangan. Kampus National Institute of Education Singapura baru-baru ini mendapatkan penghargaan dari ASHRAE (American Society of Heating, Refrigeration, and Air Conditioning Engineers) berkenaan dengan penghematan energi pada kampus tersebut yang salah satunya merupakan hasil penerapan sistem VAV (ASHRAE, 2006).

B. Mesin refrigerasi dengan pendingin air

Air memiliki kapasitas termal yang lebih tinggi dibandingkan dengan udara; salah satunya karena densitas air lebih tinggi daripada udara. Ini berarti untuk volume yang sama, air mampu mentransportasikan panas lebih besar dibandingkan dengan udara. Apalagi temperatur air umumnya lebih rendah dibandingkan udara. Kedua keuntungan tersebut bisa meningkatkan efisiensi mesin pendingin bila air dipergunakan sebagai pendingin kondensor. Yik dkk (2001) mengungkapkan bahwa di Hongkong, mesin refrigerasi yang menggunakan pendingin udara memiliki COP (Coefficient of Performance) sebesar 2.6 - 2.9; sedangkan mesin yang menggunakan pendingin air bisa memiliki COP hingga 4 - 5.

Menara pendingin (cooling tower) adalah alat yang umum digunakan untuk mendinginkan air yang telah digunakan pada pendinginan kondensor. Sentuhan air dan udara serta evaporasi air di dalam menara pendingin akan menurunkan temperatur air yang selanjutnya kembali disirkulasikan ke kondensor mesin refrigerasi. Air penambah (make up water) digunakan untuk mengganti sejumlah air yang menguap selama proses pendinginan di dalam menara pendingin. Selain menggunakan menara pendingin, kondensor mesin refrigerasi bisa juga didinginkan menggunakan air dari sungai, danau, ataupun laut. Yik dkk (2001) memprediksikan dari perhitungannya bahwa pendinginan menggunakan air laut secara langsung pada kondensor akan meningkatkan COP mesin refrigerasi dibandingkan menggunakan menara pendingin.

C. Refrigerasi tak langsung (indirect refrigeration)

Pada sistem ini, panas yang didapat dari beban pendinginan dipindahkan ke fluida sekunder (secondary fluid). Fluida ini selanjutnya akan mempertukarkan panasnya melalui penukar kalor yang menghubungkannya dengan refrigeran di mesin refrigerasi. Beberapa peneliti (Kruse, 2000; Dunn, 2005) mengemukakan bahwa sistem tak langsung mengkonsumsi lebih banyak energi dibandingkan dengan sistem langsung (direct expansion - DX). Hal ini disebabkan karena energi tambahan yang diperlukan guna mensirkulasikan fluida sekunder dan lebih rendahnya temperatur evaporator pada mesin refrigerasi akibat pertukaran panas yang tidak langsung. Pada beberapa aplikasi sistem tak langsung, pemanas ulang (reheater) dipergunakan untuk menyesuaikan temperatur udara dengan kebutuhan; hal ini turut menyumbang besarnya konsumsi energi refrigerasi sistem tak langsung (Dunn, 2005). Skema sistem refrigerasi tak langsung bisa dilihat di Gambar 3.

Dapat dilihat di Gambar 3, fluida sekunder akan mempertukarkan panasnya dengan refrigeran di dalam evaporator. Fluida sekunder selanjutnya akan mengalir menuju Fan Coil Units (FCUs) yang berfungsi untuk mengkondisikan udara di setiap ruangan. Pompa diperlukan untuk mengalirkan fluida sekunder dari FCUs ke mesin refrigerasi dan sebaliknya. Selain menggunakan FCUs, fluida sekunder bisa juga dipergunakan untuk mendinginkan udara di Air Handling Unit (AHU) untuk selanjutnya udara dingin dari AHU ditransportasikan ke setiap ruangan menggunakan saluran udara (duct). Namun perlu diperhatikan bahwa ada beberapa kerugian dalam transportasi udara dingin dibandingkan dengan cairan dingin. Hal ini akan dibahas pada sub-bab selanjutnya.

Gambar 3 Sistem refrigerasi tak langsung

Dibandingkan dengan sistem DX, refrigerasi tak langsung memerlukan jumlah refrigeran yang jauh lebih kecil. Sebagai contoh, bila untuk mengatasi beban pendinginan pada rata-rata supermarket, sistem DX memerlukan refrigeran sebanyak 500 - 1,000 kg, maka sistem refrigerasi tak langsung bisa bekerja hanya dengan 25 - 50 kg refrigeran. Transportasi energi pada loop sekunder bisa menggunakan berbagai fluida yang tidak berbahaya bagi lingkungan, seperti air. Dengan demikian, sistem refrigerasi tak langsung memiliki total equivalent warming impact (TEWI) yang jauh lebih kecil dibandingkan dengan sistem DX (Kruse, 2000). TEWI merupakan penjumlahan warming impact akibat emisi refrigeran dan pembangkitan energi untuk menjalankan sistem refrigeasi. Menilik karakteristiknya, sistem tak langsung ini cocok dipergunakan untuk mesin refrigerasi yang menggunakan refrigeran ammonia dan hidrokarbon - yang masing-masing karena sifat racun (toxicity) dan keterbakarannya (flammability) menjadikan kedua jenis refrigeran alami (natural) tersebut belum dipergunakan secara luas di ruang publik (public space). Dengan menggunakan sistem tak langsung, refrigeran ammonia atau hidrokarbon hanya disirkulasikan pada mesin refrigerasi utama, sedangkan fluida sekunder yang aman, seperti air atau sluri es, akan mendinginkan udara di setiap ruangan.


Sistem Hidronik


Sistem hidronik adalah jenis refrigerasi tak langsung yang fluida sekundernya (cairan) ditransportasikan hingga mencapai koil pendingin di setiap ruangan. Hal ini berbeda dengan sistem transportasi udara yang menggunakan AHU. Pada sistem CAV, misalnya, udara yand telah dikondisikan dialirkan melalui saluran udara (duct) dengan bantuan fan elektrik. Kerja yang dilakukan fan elektrik terhadap udara dingin ini sebenarnya memberikan beban panas. Usibelli dkk (Feutsel dan Stetiu, 1995) menyatakan bahwa panas dari fan elektrik bisa berkontribusi terhadap beban pendinginan (cooling load) sebesar 13% untuk gedung-gedung Los Angeles pada umumnya. Pada all-air system, udara dingin berfungsi sebagai pendingin sekaligus ventilasi. Pada sistem hidronik, fungsi pendinginan dijalankan oleh fluida sekunder, yakni cairan yang mengalir melalui FCUs, sedangkan fungsi ventilasi dijalankan oleh sistem suplai udara yang terpisah.

Terdapat dua jenis sistem hidronik, yakni konveksi dan radiasi. Pada sistem konveksi, fluida sekunder dialirkan ke dalam penukar kalor / FCUs yang selanjutnya mempertukarkan kalor dengan udara yang dialirkan melalui FCUs. Sedangkan pada sistem radiasi, pertukaran kalor antara koil pendingin dengan udara berlangsung secara radiasi. Pada sistem ini, koil yang memuat fluida sekunder bisa ditanam di langit-langit ataupun di dalam dinding. Penggunaan sistem radiasi di Eropa membuktikan bahwa sistem ini mampu mengatasi beban pendinginan yang tinggi sekaligus menyediakan kenyamanan termal yang baik (Behne, 1999). Feustel dan Stetiu (1995) memperkirakan bahwa sistem hidronik-radiasi mampu menghemat energi hingga 40% dibandingkan dengan sistem CAV. Sistem hidronik juga menghemat ruang cukup signifikan karena kecilnya volume pipa fluida sekunder (cairan) bila dibandingkan dengan saluran udara (duct).


Transportasi Panas Laten (Latent Heat Transportation)


Selain menggunakan fluida fasa tunggal (single-phase fluid), saat ini sudah digunakan pula zat yang berubah fasa (phase-change material - PCM) sebagai fluida sekunder pada sistem refrigerasi tak langsung. Inaba (2000) menekankan bahwa sistem transportasi panas laten bisa menekan ukuran pipa yang dipergunakan untuk mentransportasikan fluida sekunder, mengurangi kehilangan panas (heat loss), meningkatkan kapasitas termal, dan meningkatkan performansi penukar kalor. Sluri es (ice slurry) merupakan PCM yang banyak dipergunakan saat ini. Egolf dan Kauffeld (2005) menjelaskan keuntungan penggunaan sluri es dibandingkan fluida fasa tunggal sebagai berikut: (a) Sluri es memiliki sifat transport yang lebih baik di dalam pipa dan penukar kalor; kapasitas termal sluri es 8 kali lebih tinggi dibandingkan fluida fasa tunggal, (b) Diameter pipa untuk transportasi sluri es lebih kecil hingga 50%, demikian pula kecepatan alir sluri es juga bisa ditekan hingga 50%, (c) Energi pemompaan yang diperlukan untuk mengalirkan sluri es hanya sekitar 1/8 dari energi pemompaan fluida fasa tunggal, dan (d) Koefisien perpindahan panas sluri es di dalam penukar kalor meningkat 50 - 100% dibandingkan dengan fluida fasa tunggal.


Dengan menggunakan CTES (Cold Thermal Energy Storage) beban listrik untuk mesin refrigerasi bisa digeser dari periode puncak (pada saat hampir semua orang menghidupkan mesin AC) ke off peak period (misalnya malam hari). Hal ini dimungkinkan karena produksi sluri es bisa dilakukan pada malam hari untuk kemudian dipergunakan pada siang hari - pada saat diperlukan untuk mengatasi beban pendinginan ruangan. Skema semacam ini sangat menguntungkan untuk diterapkan di berbagai wilayah yang sudah mengenakan tarif listrik berdasarkan periode penggunaan (tarif siang lebih tinggi daripada malam). Saat ini sudah tersedia beberapa teknologi untuk mengontrol ukuran partikel es, misalnya dengan menggunakan sejumlah kecil aditif yang bisa menghentikan pertumbuhan partikel es seperti anti freeze protein (Grandum dkk, 1999), silane coupling agent (Inada dkk, 2000), dan surfaktan (Usui dkk, 2004).


Salah satu problem penggunaan sluri es adalah rendahnya temperatur evaporator di mesin refrigerasi yang diperlukan guna memproduksi sluri es. Hal ini menyebabkan penurunan performansi (COP) mesin refrigerasi. Terlebih lagi bila terjadi fenomena supercooling (terlambat mengkristal) pada sluri es, maka COP mesin refrigerasi bisa lebih rendah. Oleh karena itu Saito (2002) menyarankan para peneliti di bidang ini untuk mencari PCM lain yang memiliki temperatur kristalisasi lebih tinggi dibandingkan dengan es. Indartono dkk (2006), misalnya, telah meneliti sejenis sluri hidrat (hydrate slurry) yang memiliki temperatur kristalisasi sekitar 10oC; dan disimpulkan bahwa sluri ini cocok diaplikasikan dalam sistem refrigerasi tak langsung. Temperatur kristalisasi sluri hidrat yang lebih tinggi dibandingkan dengan sluri es berkonsekuensi pada lebih tingginya COP mesin refrigerasi yang memproduksi sluri hidrat dibandingkan dengan sluri es.


D. Pendinginan Sistem Distrik


Berdasarkan cakupan wilayahnya, sistem pendingin bisa dibagi menjadi tiga bagian: (1) Sistem tunggal, (2) Sistem terpusat, dan (3) Sistem distrik. Skema ketiga jenis sistem pendingin tersebut bisa dilihat di Gambar 4 berikut ini:

Gambar 4 Skema sistem pendingin berdasarkan cakupan wilayahnya: (a) Sistem tunggal, (b) Sistem terpusat, dan (c) Sistem distrik

Pada sistem tunggal, satu mesin refrigerasi bisa melayani kebutuhan pendinginan untuk satu atau beberapa ruang. Kapasitas pendinginan pada sistem ini bervariasi mulai dari 2.7 - 5.5 kW. Perusahaan pembuat mesin pendingin juga menyediakan mesin refrigerasi yang memiliki outlet khusus untuk beberapa ruangan, dengan kapasitas pendinginan total 5 - 10 kW. Untuk sistem split, mesin pendingin ini terdiri dari dua bagian yang terhubung; unit indoor dan outdoor. Kompresor ditempatkan di luar ruangan (outdoor) guna menghindarkan gangguan kebisingan (noise disturbance). Sistem tunggal semacam ini menggunakan sistem DX, dalam artian tidak terdapat fluida sekunder yang menghubungkan mesin refrigerasi dan unit terminal (FCUs misalnya). Sistem ini cocok diterapkan untuk kebutuhan rumah tinggal, perkantoran dan pertokoan skala kecil. Dengan menggunakan 4-way reversing valve, mesin refrigerasi ini bisa mensuplai udara hangat di musim dingin.

Pada refrigerasi sistem terpusat (central system), satu atau beberapa mesin refrigerasi yang terletak di satu lokasi melayani kebutuhan pendinginan untuk satu gedung perkantoran, pertokoan, pusat bisnis, dsb. Daya pendinginan per unit pada sistem ini berkisar antara 5 - 48 HP (Horse Power). Untuk memenuhi kebutuhan pendinginan pada area yang luas, sistem ini lebih hemat energi bila dibandingkan dengan penggunaan sistem tunggal. Sistem refrigerasi terpusat bisa menggunakan sistem DX ataupun refrigerasi tak langsung dengan fluida sekunder. Sistem DX berarti refrigeran langsung mengambil beban kalor dari setiap ruangan dan membuangnya di kondensor mesin refrigerasi. Cara ini melibatkan penggunaan refrigeran yang cukup besar, misalnya 500 kg - 1,000 kg untuk satu supermarket dengan ukuran standard. Sistem ini juga memerlukan tekanan operasi yang cukup tinggi, bisa mencapai 30 bar.

Sistem refrigerasi tak langsung bisa digunakan pada sistem terpusat. Refrigeran hanya bersirkulasi terbatas pada mesin refrigerasi, sedangkan tugas mentransportasikan kalor dari setiap ruangan dilakukan oleh fluida sekunder. Fluida sekunder selanjutnya akan mempertukarkan kalornya dengan refrigeran di evaporator. Dengan demikian, untuk beban pendinginan yang sama, chiller pada sistem refrigerasi tak langsung memerlukan refrigeran dalam jumlah yang jauh lebih kecil dibandingkan dengan sistem DX. Namun demikian, sistem tak langsung semacam ini berkonsekuensi pada hilangnya sebagian ketersediaan energi (exergy) akibat pertukaran kalor di evaporator. Mesin refrigerasi pada sistem tak langsung juga harus beroperasi pada temperatur yang lebih rendah; hal ini bisa menyebabkan penurunan COP. Oleh karena itu, beberapa perbaikan tambahan perlu dilakukan pada sistem ini untuk menghasilkan performansi akhir yang lebih baik. Pendinginan kondensor refrigerasi terpusat bisa dilakukan dengan udara (air cooled) ataupun air (water cooled). Menara pendingin (cooling tower) umumnya digunakan untuk sistem pendinginan kondensor yang menggunakan air.

Pada sistem distrik, satu pabrik pendingin (cooling plant) melayani kebutuhan pendinginan untuk beberapa gedung, satu komplek besar universitas, hingga satu kota. Tentu saja pendinginan sistem distrik harus menggunakan sistem refrigerasi tak langsung mengingat luasnya cakupan daerah yang harus dilayani. Pabrik pendingin menghasilkan fluida sekunder yang dialirkan ke setiap gedung dan ruang untuk mengambil beban kalor. Keuntungan sistem distrik dibandingkan dengan sistem lainnya (tunggal ataupun terpusat) diantaranya (Chow dkk, 2004): (1) Konsumen mendapatkan tambahan ruang bebas (free space) karena mereka tidak memerlukan ruang mesin pendingin di gedung mereka, (2) Lebih hemat energi dibandingkan dengan pemasangan chiller di setiap gedung, (3) Fleksibel dalam menggunakan kombinasi berbagai jenis teknologi pendinginan, misalnya penggunaan sluri es dan penyimpanannya (thermal storage), serta penggunaan sistem kombinasi bersama pembangkit listrik dan produksi air panas.

Skema distribusi fluida sekunder dari pabrik pendingin ke setiap gedung umumnya terbagi menjadi tiga jenis:

1. Terhubung langsung. Fluida sekunder dari pabrik pendingin langsung mengalir ke setiap gedung dan setiap ruang di dalam gedung tersebut. Untuk mengatur laju aliran, bisa digunakan pompa penguat (booster pump) atau pengatur tekanan (pressure regulator). Sistem ini sederhana karena tidak memerlukan pengontrolan yang rumit.
2. Semi terpisah. Fluida sekunder akan terus bersirkulasi di dalam gedung hingga kondisi final yang diharapkan pada fluida tesebut tercapai. Fluida sekunder baru dari pabrik pendingin berfungsi untuk menambah atau menggantikan fluida lama yang sudah mencapai kondisi final. Kontrol temperatur biasanya diterapkan untuk memutuskan saat penambahan atau penggantian fluida sekunder.
3. Terpisah. Aliran fluida antara pabrik pendingin dan gedung dipisahkan oleh sebuah penukar kalor. Jenis ini mengindikasikan digunakannya fluida tersier di dalam gedung. Dari sisi tekanan alir yang harus disediakan oleh pabrik pendingin, sistem ini menguntungkan karena tidak memerlukan tekanan setinggi pada jenis (1) dan (2). Namun kelemahan utama sistem ini adalah terjadinya kehilangan ketersediaan energi akibat pertukaran kalor di penukar kalor.

Sistem distrik juga merupakan sistem yang paling memungkinkan untuk digunakan dalam sistem kombinasi bersama sistem yang lain, misalnya sistem pembangkit listrik dan penyedia air panas. Lin dkk (2001) meneliti penggunaan Combined Heating Cooling and Power (CHCP) di Beijing. Pada CHCP tersebut, air panas yang dihasilkan dari sistem co-generating (power and heating) disirkulasikan melalui jaringan pipa antara pabrik CHCP dan stasiun-stasiun pemanas. Saat musim panas, energi termal dari air panas tersebut dipergunakan untuk menggerakkan refrigerasi absorbsi dan menghasilkan pendinginan, sedangkan pada musim dingin air panas tersebut akan langsung menghasilkan pemanasan udara; selain itu sistem ini menyediakan suplai air panas untuk rumah tangga sepanjang tahun. Shinjuku District Heating and Cooling System di Jepang memiliki daya pendinginan hingga 200 MW. Sistem ini menggunakan refrigerasi absorbsi yang mendapatkan energi termalnya dari exhaust gas sistem pembangkit listrik dan air panas. Sistem pembangkit listrik tersebut menggunakan gas sebagai sumber energinya. Air dingin yang dihasilkan dari refrigerasi absorbsi dialirkan ke beberapa gedung untuk memenuhi kebutuhan pendinginan. Tokyo Gas sebagai operator Shinjuku District Heating and Cooling System mengklaim bahwa mereka berhasil menghemat 20% energi bila dibandingkan dengan sistem pendingin konvensional/individual (Tokya Gas, 2000).

Perkembangan refrigeran dan teknologi siklus refrigerasi terkini insya Allah akan disampaikan pada bagian selanjutnya.

Perkembangan Terkini Teknologi Refrigerasi (1)

Artikel Iptek - Bidang Energi dan Sumber Daya Alam
Oleh Yuli Setyo Indartono

Siklus refrigerasi merupakan sebuah mekanisme berupa siklus yang mengambil energi (termal) dari daerah bertemperatur rendah dan dibuang ke daerah bertemperatur tinggi. Siklus ini berlawanan dengan proses spontan yang terjadi sehari-hari, maka diperlukan masukan energi untuk menjalankan siklus refrigerasi. Teknologi refrigerasi sangat erat terkait dengan kehidupan dunia modern; bukan hanya pada sisi peningkatan kualitas dan kenyamanan hidup, namun juga menyentuh hal-hal esensial penunjang kehidupan manusia. Teknologi refrigerasi dibutuhkan untuk meminimalkan, bahkan bisa meniadakan, pertumbuhan mikroorganisme perusak bahan-bahan tertentu; maka teknologi ini dibutuhkan keberadaannya di bidang penyimpanan dan transportasi bahan makanan.

Mesin refrigerasi saat ini dengan mudah kita jumpai di berbagai swalayan yang menjual bahan kebutuhan sehari-hari. Truk berpendingin sudah menjadi kebutuhan umum guna mentransportasikan bahan makanan melalui jarak yang cukup jauh. Selain meminimalkan atau meniadakan pertumbuhan mikroorganisme, pendinginan yang dihasilkan oleh teknologi refrigerasi juga diperlukan untuk mencegah terjadinya reaksi kimiawi/biologis yang bisa merusak kondisi suatu zat. Maka teknologi ini juga menjadi tuntutan di bidang kedokteran (penyimpanan vaksin, obat-obatan, hingga cadangan darah). Dukungan mesin refrigerasi terhadap kemajuan iptek jelas terlihat dari keberadaan mesin ini di berbagai instalasi penting berbagai bidang; biologi, kimia, kedokteran, dsb. Teknologi refrigerasi bukan hanya monopoli perusahaan besar ataupun institusi ilmiah, mesin ini, dalam bentuk lemari pendingin (refrigerator) dan pengkondisi udara (AC) umum dijumpai di tengah-tengah masyarakat. Bukan sekedar gaya hidup, karena mesin refrigerasi berfungsi untuk meningkatkan kualitas hidup manusia.

Pengkondisian udara merupakan salah satu aplikasi penting teknologi refrigerasi. Teknologi ini bisa menghasilkan dua hal esensial yang diperlukan dalam pengkondisan udara; yakni pendinginan (cooling) dan pemanasan (heating). Pengkondisian udara adalah usaha untuk mengatur temperatur dan kelembaban udara agar menghasilkan kenyamanan termal (thermal comfort) bagi manusia. Pengkondisian udara lengkap meliputi pemanasan (heating), pendinginan (cooling), pengaturan kelembaban (humidifying dan dehumidifying), dan pertukaran udara (ventilating). Sedangkan pengkondisian udara skala kecil umumnya dilakukan tanpa mengikutsertakan pengaturan kelembaban. Pengkondisian udara saat ini telah menjadi standard bangunan, publik ataupun privat dalam berbagai skala, di berbagai penjuru dunia. Untuk daerah yang mengalami empat musim, terjadi perubahan fungsi pengkondisian udara dari pemanasan (heating) pada saat musim dingin menjadi pendinginan (cooling) pada saat musim panas. Sedangkan pada daerah khatulistiwa seperti Indonesia, pada umumnya fungsi pengkondisian udara adalah pada mode pendinginan saja. Mesin pengkondisian udara yang bekerja sebagai pendingin biasanya disebut sebagai AC (Air Conditioning), sedangkan pada saat bekerja sebagai pemanas disebut sebagai pompa kalor (heat pump). Kedua fungsi tersebut bisa menyatu dalam satu mesin (mesin refrigerasi), bisa juga terpisah menjadi dua bagian; tergantung pada mekanisme yang digunakan.

1. Masalah kontemporer yang mempengaruhi perkembangan mesin pengkondisian udara

Dewasa ini banyak diserukan pentingnya penghematan energi di berbagai penjuru dunia. Hal tersebut dipicu oleh kekhawatiran semakin menipisnya cadangan minyak dunia, sementara pada saat yang sama, manusia belum mampu menemukan bahan bakar pengganti yang memiliki kemampuan dan ketersediaan yang setara dengan minyak bumi. Di sisi lain, permintaan minyak dunia terus meningkat sebesar 1 ・2% pertahun (Kerr dan Service, 2005). Kombinasi faktor-faktor tersebut menyebabkan ketidakstabilan harga minyak bumi. Selain itu, penggunaan bahan bakar minyak (BBM) mengakibatkan akibat buruk lain bagi bumi, yakni efek rumah kaca (greenhouse) yang disebabkan oleh peningkatan jumlah karbon dioksida (CO2) di atmosfer.

Kebutuhan energi pada mesin refrigerasi / pengkondisian udara terhadap pasokan listrik nasional cukup signifikan. Di Shanghai, Saito (2002) mengemukakan bahwa pada beban puncak di musim panas, pengkondisian udara mengkonsumsi 1/3 suplai listrik. Suzuki dkk (2005) memperkirakan bahwa beban listrik untuk mesin pengkondisian udara mengkonsumsi tidak kurang dari 1/5 suplai listrik di Jepang. Untuk belahan Amerika Utara, Todesco (2005) menyatakan bahwa kebuhan listrik untuk mesin pengkondisian udara pada beban puncak mencapai 3.6 ・9.2 GW --bandingkan dengan kemampuan PT PLN yang sekitar 39.5 GW (Seymour dkk (2002). Sedangkan di Indonesia, Suwono (2005) menyebut sekitar 60% konsumsi listrik hotel di Jakarta digunakan untuk memasok energi mesin pengkondisian udara. Oleh karena itu, usaha penghematan energi yang dilakukan terhadap mesin pengkondisian udara akan berdampak signifikan terhadap usaha penghematan energi dunia.

Hipotesis yang disampaikan oleh Molina dan Rowland (1974) mengenai dampak buruk chlorofluoromethane (CFC) terhadap lapisan ozon mencetuskan babak baru dalam dunia pengkondisian udara. Verifikasi yang dilakukan berbagai penelitian yang dibiayai beberapa perusahaan penghasil refrigerant (bahan yang digunakan dalam mesin refrigerasi/mesin pendingin) pada akhir 1970-an menghasilkan temuan yang mendukung hipotesis Molina dan Rowland. Diperkirakan terjadi perusakan lapisan ozon sekitar 3% per-dekade. Lapisan ozon yang terdapat di daerah stratosphere berfungsi untuk menghalangi masuknya sinar ultraviolet-B ke permukaan bumi (Calm, 2002). Sinar ultraviolet-B ini ditengarai akan menyebabkan masalah kesehatan bagi manusia dan gangguan pada tumbuhan di permukaan bumi. Setelah sebuah ekspedisi dari Inggris ke daerah Antartika mengindikasikan adanya kerusakan parah pada lapisan ozon (Farman dkk., 1985), dunia segera mengambil langkah serius untuk mencegah bertambah parahnya kerusakan lapisan ozon. Protokol Montreal tahun 1987 mengatur penggunaan dan penghapusan berbagai zat yang ditengarai menyebabkan kerusakan lapisan ozon; refrigerant CFC termasuk salah satu diantaranya. Protokol Montreal dan berbagai amandemennya mengamanatkan penghapusan CFCs di negara maju pada tahun 1996, sedangkan untuk negara berkembang pada tahun 2010 (United Nations for Environment Programme, 2000). Pada lapisan stratosphere secara alamiah terjadi proses pembentukan dan penghancuran molekul ozon (O3) oleh sinar ultraviolet. Keberadaan atom chlorine (Cl) menyebabkan kesetimbangan reaksi tersebut terganggu. Kerusakan lapisan ozon akibat chlorine (Cl) dijelaskan melalui reaksi kimia berantai berikut:

O3 + UV → O* + O2
Cl + O3 → ClO + O2
ClO + O*→ Cl + O2
Cl + O3 → ClO + O2
ClO + O* → Cl + O2
. . .

Mayoritas ilmuwan dunia meyakini bahwa pemanasan global yang terjadi belakangan ini diakibatkan oleh gas-gas rumah kaca yang dihasilkan oleh aktivitas manusia (Oreskes, 2002). Selain berkontribusi pada produksi CO2 melalui system pembangkit energi untuk suplai listrik mesin refrigerasi, teknologi refrigerasi juga berkontribusi langsung pada pemanasan global melalui kebocoran dan buangan refrigeran (yang bersifat gas rumah kaca) ke lingkungan. Terkait dengan hal ini, Protokol Kyoto tahun 1997 tentang perubahan iklim bumi telah mengatur penggunaan refrigerant yang termasuk dalam gas rumah kaca, yakni HFCs (Hidro Fluoro Carbons). Gas-gas yang memiliki potensi efek rumah kaca dikategorikan dalam zat GWP (Global Warming Potential), sedangkan zat perusak lapisan ozon disebut sebagai ODS (Ozon Depleting Substance).

Dengan demikian, terdapat tiga hal yang mempengaruhi perkembangan mesin refrigerasi saat ini, yakni: (1) Penghematan energi, (2) Tuntutan refrigerant non-ODS, dan (3) Tuntutan refrigerant non-GWP. Perlu diketahui bahwa efek GWP dan ODS pada zat refrigerant hanya terjadi bila zat tersebut terlepas ke atmosfer yang disebabkan kebocoran pada mesin refrigerasi ataupun penggantian dan recycling refrigerant. Di luar sistem refrigerasi, CFC juga digunakan dalam berbagai aplikasi lain seperti zat pendorong (propellant), aerosol, zat pengembang, dll. Guna menjawab tiga kebutuhan terkait dengan perkembangan teknologi refrigerasi di atas, ilmuwan dan teknolog melakukan berbagai inovasi yang pada umumnya terkategorikan dalam tiga hal: (1) Perbaikan prestasi dan karakteristik mesin refrigerasi yang telah eksis, (2) Penelitian guna menghasilkan refrigerant non-ODS dan non-GWP, dan (3) Pencarian teknologi refrigerasi alternatif.

1.1 Perbaikan prestasi dan karakteristik mesin refrigerasi/pengkondisian udara

Saat ini mesin refrigerasi yang paling banyak digunakan di dunia adalah dari jenis siklus kompresi uap. Sistem lain, seperti sistem magneto-kalorik, absorbsi, adsorpsi, dan efek Siebeck hingga saat ini masih terbatas penggunaannya. Mesin refrigerasi siklus kompresi uap memiliki fleksibilitas penggunaan, yakni bisa berfungsi sebagai mesin pendingin (AC) ataupun pompa kalor (heat pump) dengan mengubah arah aliran refrigerannya. Mesin refrigerasi jenis ini juga berukuran cukup kompak, sehingga tidak memerlukan ruang yang besar. Di bawah ini akan dijelaskan prinsip kerja mesin refrigerasi siklus kompresi uap.Mesin refrigerasi kompresi uap terdiri atas empat komponen utama, yakni kompresor, kondensor, katup ekspansi, dan evaporator. Kondensor dan evaporator sesungguhnya merupakan penukar kalor (heat exchanger) yang berfungsi mempertukarkan kalor diantara dua fluida, yakni antara refrigerant dengan fluida luar (bisa berupa air ataupun udara). Skema mesin refrigerasi ini dapat dilihat pada Gambar 1 di bawah ini.

Gambar 1. Skema mesin refrigerasi siklus kompresi uap

Sedangkan diagram tekanan−entalpi yang menjelaskan proses pada mesin refrigerasi siklus kompresi uap bisa dilihat pada Gambar 2.

Gambar 2. Diagram tekanan−entalpi pada proses refrigerasi siklus kompresi uap

Pada proses 1−2, kompresor menaikkan tekanan uap refrigerant. Kenaikan tekanan ini diikuti dengan kenaikan temperatur uap refrigerant. Pada tingkat keadaan (TK) 2, uap refrigerant berada pada kondisi uap super-panas. Pada proses 2−3, uap refrigerant memasuki kondensor dan mendapatkan pendinginan dari kondensor. Pendinginan ini terjadi akibat pertukaran panas antara uap refrigerant dengan fluida luar (misalnya udara lingkungan ataupun air pendingin). Refrigerant keluar dari kondensor pada TK 3 dalam kondisi cair jenuh, atau bisa juga pada kondisi cair sub-dingin. Refrigerant kemudian memasuki katup ekspansi. Katup ekspansi ini pada prinsipnya berupa penyempitan daerah aliran yang berakibat pada penurunan tekanan fluida secara drastis. Idealnya, refrigerant melalui katup ekspansi (proses 3−4) secara iso-entalpi (isentalpi). Pada TK 4, refrigerant berada dalam kondisi campuran cair dan uap. Karena refrigerant berada pada tekanan jenuhnya (tekanan penguapan), maka dia akan mengalami penguapan; hukum alam menyatakan bahwa penguapan membutuhkan energi, terjadilah penyerapan energi termal dari luar evaporator yang menyebabkan efek pendinginan oleh mesin refrigerasi.

Pada mesin refrigerasi siklus kompresi uap, fungsi kondensor dan evaporator bisa dibalik dengan mengubah arah aliran refrigerant. Dengan demikian, mesin ini bisa berfungsi sebagai pendingin di musim panas dan pemanas di musim dingin. Pada saat berfungsi sebagai mesin pendingin, umumnya mesin ini disebut sebagai mesin AC (Air Conditioning) dan saat berfungsi sebagai mesin pemanas, mesin ini disebut sebagai heat pump (pompa kalor). Prestasi AC dapat dinyatakan dengan:

COP (tak bersatuan) singkatan dari Coefficient of Performance, QE adalah perpindahan panas pada evaporator, dan WC adalah kerja kompresor. Persamaan (1) menyatakan prestasi AC pada satu saat tertentu. Prestasi AC dalam kurun waktu yang lama, misalnya selama musim panas, dinyatakan dalam SEER (Seasonal Energy Efficiency Ratio). SEER memiliki bentuk yang sama dengan Persamaan (1), hanya berbeda pada satuan SEER, yakni Btu.h/Watt.

Sedangkan untuk pompa kalor, prestasi mesin refrigerasi dapat dinyatakan dengan:

PF (besaran tak bersatuan) singkatan dari Performance Factor dan QK adalah perpindahan panas pada kondensor. Sama halnya dengan AC, untuk menunjukkan prestasi pompa kalor pada waktu yang lama, misalnya dalam satu kurun musim dingin, orang bisa menggunakan HSPF (Heating Seasonal Performance Factor). HSPF memiliki satuan yang sama dengan SEER.

Yuli Setyo Indartono, Mahasiswa di Graduate School of Science and Technology, Kobe University, Japan. Peneliti Istecs. E-mail: indartono@yahoo.com