1 PENDAHULUAN

Saat ini mesin pendingin telah menjadi salah satu kebutuhan yang tidak dapat diabaikan perannya dalam kehidupan modern. Refrigeran, berperan sebagai fluida kerja, bersirkulasi di dalam sistem pendingin, berfungsi untuk menyerap serta mengeluarkan energi panas dari produk yang didinginkan ke lingkungan di sekitarnya. Refrigeran yang umum digunakan adalah zat-zat kelompok senyawa halokarbon khususnya CFC (Chloro-Fluoro-Carbon) seperti R-11 dan R-12, kelompok senyawa HCFC (Hydro-Chloro-Fluoro-Carbon) seperti R-22, dan kelompok senyawa HFC (Hydro-Fluoro-Carbon), seperti R-134a.

Pada tahun 1974 Rowland dan Molina mengemukakan hipotesis yang menyebutkan bahwa unsur klorin pada refrigeran CFC dan HCFC dapat merusak lapisan ozon apabila terlepas ke atmosfer [1]. Gas ozon (O₃) yang banyak berada di stratosfer berfungsi sebagai lapisan

pelindung kehidupan di bumi ini dari radiasi berbahaya sinar ultraviolet (UV) matahari. Pengikisan lapisan ozon peningkatan penerimaan menyebabkan gelombang UV oleh permukaan bumi. Lebih lanjut lagi, radiasi UV yang berlebihan dapat membahayakan keseimbangan ekosistem, yaitu menyebabkan kematian fitoplankton di laut, penurunan produktivitas tanaman pangan, pelemahan sistem imunitas manusia, bahkan meningkatkan resiko penyakit kanker kulit dan penyakit mata seperti katarak. Selain memiliki potensi perusakan lapisan ozon (ODP = Ozone Depletion Potential) yang tinggi, senyawa CFC dan HCFC juga memiliki potensi pemanasan global (GWP = Global Warning Potential) yang cukup tinggi [2]. Untuk mengatasi masalah di atas perlu tindakan nyata penghapusan produksi maupun konsumsi refrigeran berbasis senyawa CFC serta HCFC. Usaha penghapusan CFC dan HCFC pun telah diwujudkan melalui berbagai kesepakatan internasional yang juga telah diratifikasi oleh banyak negara.

MESIN Vol. 23 No. 2

Berbagai penelitian dan pengembangan telah dilakukan menemukan refrigeran alternatif pengganti refrigeran halokarbon. Salah satu refrigeran alternatif yang sangat menjanjikan adalah zat-zat dari kelompok senyawa hidrokarbon. HC kini mulai banyak digunakan sebagai pengganti R-12 dan R-22. HC bersifat ramah lingkungan dengan nilai ODP dan GWP yang relatif sangat rendah. Selain itu, HC juga dapat menggantikan langsung refrigeran CFC atau HCFC tanpa harus mengganti komponen-komponen mesin refrigerasi dan dapat menurunkan konsumsi pemakaian energi sampai dengan 30%[3]. Namun, umumnya refrigeran HC dapat menyala/terbakar (flammable) dengan Lower Flammability Limit (LFL) dan Upper Flammability Limit (UFL) masing-masing sebesar sekitar 2.1% dan 9.6% volume di udara[4]. Berkaitan dengan itu, diperlukan pengembangan lebih lanjut untuk menurunkan sifat mampu nyala refrigeran R-290 (propana). Salah satu cara yang dapat ditempuh untuk mengatasi masalah tersebut misalnya dengan mencampurkan R-290 dengan refrigeran lain yang memiliki flamibilitas yang lebih rendah [5].

Prestasi dan sifat-sifat refrigeran hidrokarbon campuran tak mudah terbakar ini telah dilakukan pada penelitian-penelitian sebelumnya [6]. Sasaran dari penelitian ini adalah mengetahui salah satu sifat termodinamika refrigeran hidrokarbon yang lainnya, yaitu koefisien perpindahan panas pendidihan kolam inti (nucleate pool boiling). Penelitian ini mencakup pembuatan peralatan uji dan melakukan pengujian. Dengan melakukan pengujian pada beberapa jenis refrigeran diharapkan dapat ditentukan persamaan korelasi pendidihan kolam inti untuk refrigeran HC.

2 PROSEDUR PENELITIAN

Daerah-daerah pada pendidihan kolam diidentifikasi pertama kali oleh Nukiyama [7]. Hasil pengujiannya dapat digambarkan sebagai kurva pendidihan seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 1.

Gambar 1 Kurva pendidihan

Kurva pendidihan digambarkan pada kurva \(\log q\) terhadap \(\log \Delta T_e\), yang menggambarkan korelasi fluks panas permukaan pendidihan terhadap kenaikan temperatur permukaan terhadap temperatur jenuh kolam cairan pada tekanan. Kurva dimulai dengan garis

konveksi dan pendidihan inti terjadi mulai dari titik ONB sampai \(q''_{maks}\). Inilah yang menjadi daerah pengujian pada penelitian ini.

Dalam penelitian ini, refrigeran yang akan diuji adalah R-12, HC-12 (60% massa propana, 23% butana, 17% isobutana), R-22 (50-50% ^m/_m), dan HC-22 (>99,5% massa propana). Pengujian ini dilakukan dengan prosedur pengujian kendali fluks panas, yang secara skematis dapat digambarkan seperti pada Gambar (2). Skema rangkaian seluruh peralatan pengujian ditunjukkan pada Gambar (3).

Gambar 2 Skema pengujian pendidihan kendali fluks panas

Dengan menggunakan sisi evaporator dari mesin pendingin, refrigeran uji "ditahan" pada suatu temperatur jenuh \(T_0\) (-10°C, -5°C, 0°C, 5°C, atau 10°C) di dalam tabung uji sehingga terbentuk kolam cairannya. Temperatur jenuh ini diukur dengan sebuah termokopel tipe K.

Sebuah silinder pemanas listrik diletakkan di dalam kolam tersebut. Silinder pemanas dengan panjang 0,10 m dan diameter 0,0254m dengan permukaan halus sebagai permukaan tembaga digunakan bahan pendidihannya. Fluks panas diatur dengan cara mengatur tegangan yang bekerja pada pemanas listrik, yaitu tegangan keluar dari slide regulator (menaik kemudian menurun dari 0V-220V-0V, dengan interval 20V). Dengan mempertahankan temperatur refrigeran uji, kenaikan temperatur permukaan pemanas (ΔTe) diukur pada pada setiap tegangan listrik masukan pemanas dengan termokopel tipe K yang dipasangkan pada permukaannya (3 buah Termokopel pada Pemanas). Fluks panas (q") dapat dihitung, yaitu besarnya kuadrat dari tegangan masukan pemanas (V) dibagi dengan hambatan pemanas listrik yang diasumsikan selalu konstan (R) dan nilai \(\cos \varphi = 1\) untuk pemanas listrik, kemudian dibagi dengan luas permukaan efektif pemanas tersebut.

Koefisien perpindahan panas dihitung dengan hukum Pendinginan Newton [8], yaitu

\[h = \frac{q''}{\Delta T_e} \tag{1}\]

Gambar 3 Skema rangkaian peralatan uji

masing-masing refrigeran uji pada tiap tingkat uji dan tegangan listrik masukan pemanas. kemudian dibandingkan antar refrigeran dengan refrigeran penggantinya.

pengujian, teramati bahwa hampir semua uji telah tunak mendidih pada tegangan pemanas 80V. Di bawah 80V, kolam cairan yang teramati melalui kamera yang teramati melalui kamera yang teramati melalui kamera yang belum untuk tiap jenis refrigeran. Oleh karena data yang diambil untuk analisis pada pengujian ini pada fluks panas dengan tegangan masukan 80-220V.

pengujian menunjukkan kenaikan temperatur pemukaan pemanas di sisi-sisi ujungnya relatif sangat kecil daripada di bagian tengah. Oleh karena itu, untuk aralisis, digunakan data-data yang didapatkan dari pembacaaan termokopel yang dipasangkan pada bagian tengah permukaan dinding pemanas.

3 DATA PENGUJIAN DAN ANALISIS

Data pengujian berupa kurva pendidihan untuk setiap refrigeran uji dapat dilihat pada Gambar (4) sampai (7), masing-masing untuk refrigeran R-12, hidrokarbon pengganti R-12 (HC-12), R-22 dan hidrokarbon pengganti R-22 (HC-22)

Gambar 4 Kurva pendidihan R-12 untuk berbagai temperatur jenuh, T_o

Dari kurva-kurva tersebut dapat dilihat bahwa beda temperatur (derajat superpanas) meningkat dengan kenaikan fluks panas. Apabila keduanya diplot pada skala logaritmik akan diperoleh garis lurus.

Gambar 5 Kurva pendidihan HC-12 untuk berbagai temperatur jenuh, T_o

Gambar 6 Kurva pendidihan R-22 untuk berbagai temperatur jenuh, \(T_o\)

Gambar 7 Kurva pendidihan HC-22 untuk berbagai temperatur jenuh, T_o

3.1 Pembandingan Karakteristik Pendidihan Refrigeran Uji

Salah satu tujuan utama penelitian ini adalah membandingkan karakteristik pendidihan refrigeran CFC dan, HCFC dengan refrigeran HC penggantinya. Karakteristik pendidihan ini pertama-tama dapat dibandingkan melalui kurva pendidihan dari masingmasing refrigeran pada suatu tingkat keadaan. Hal ini ditunjukkan Gambar (8) dan (9). Dari gambar-gambar tersebut terlihat bahwa kurva-kurva pendidihan dalam skala log untuk masing-masing sumbu berupa garis lurus. Kurva pendidihan R-12 berada di sebelah kiri dari HC-12, sedangkan kurva pendidihan R-22 hampr berimpit dengan kurva pendidihan HC-22.

Gambar 8 Kurva pendidihan R-12 vs HC-12 pada temperatur jenuh, T_o = -10°C

Gambar 9 Kurva pendidihan R-22 vs HC-22 pada temperatur jenuh \(T_0 = 0\)°C

Karakteristik pendidihan juga dapat dibandingkan dari koefisien perpindahan panas pendidihan kolam inti, h [kW/m²K], pada suatu tingkat keadaan. Gambar (10) dan 11 menunjukkan hal ini. Dari gambar-gambar tersebut terlihat bahwa koefisien perpindahan panas pendidihan R-12 lebih baik dibandingkan HC-12, dan HC-22 lebih baik dibandingkan R-22, sehingga dapat disimpulkan bahwa karakteristik pendidihan refrigeran CFC sedikit lebih baik dibandingkan dengan refrigeran HC penggantinya R-290 + R-600/R-600a, tetapi untuk HCFC koefisien perpindahan panas pendidihannya lebih buruk dibandingkan dengan HC penggantinya R-290.

Gambar 10 Koefisien h pendidihan R-12 vs HC-12 pada temperatur jenuh, \(T_0 = -10^{\circ}\)C

Gambar 11 Koefisien h pendidihan R-22 vs HC-22 pada temperatur jenuh, T_o= 0°C

3.2 Perbandingan Data Hasil Pengujian dengan Persamaan Korelasi

Persamaan korelasi pendidihan digunakan untuk memprediksi proses pendidihan yang terjadi. Persamaan korelasi yang digunakan pada penelitian ini adalah persamaan yang diajukan oleh Rohsenow [9], yaitu

\[\frac{Re Pr}{Nu} = C_{s,f} Re^{m} Pr^{n}\] (2)

apabila diuraikan akan menjadi

\[q_{s} = \mu_{1} h_{fg} \left[ \frac{g \left( \rho_{1} - \rho_{v} \right)}{\sigma} \right]^{1/2} \left( \frac{c_{p,l} \Delta T_{e}}{C_{s,f} h_{fg} P r_{l}^{n}} \right)^{3}\] (3)

dengan \(C_{s,f} = 0.013\) dan n = 1.7. dan Persamaan Vishnev[10], yaitu

\[Nu = 2.2 \,\mathrm{M}^{-0.25} \,\mathrm{Pr}^{0.35} \,\mathrm{Re}^{0.7} \,\mathrm{T_r}^7 \tag{4}\] dan

\[Nu = 2.2 M^{-0.1} Pr^{0.35} Re^{0.7} T_r^{10}\] (5)

dengan

M = berat molekul [kg/mol],

\[N_{H} = \frac{h}{k_{f}} \left( \frac{\sigma}{\Delta \rho \, g} \right)^{0.5} \, , \label{eq:New_hat}\]

\[Pr = \frac{c_{pl} \mu_l}{k_l}\], dan

\[Re = \frac{q'(Vd)}{h_{fg} \rho_v \nu_l} \left(\frac{\sigma}{\Delta \rho g}\right)^{0.5}\]

Den persamaan-persamaan di atas, didapatkan korelasi atara fluks panas (q") dengan kenaikan temperatur permukaan pendidihan \((\Delta T_e)\).

Data pengujian dan hasil pengolahannya kemudian dibandingkan dengan persamaan korelasi Rohsenow dan Vishnev. Tujuannya adalah memeriksa persamaan menakah yang berlaku atau paling mendekati basil pengujian refrigeran-refrigeran uji pada pengujian ni. Pada Gambar (12) sampai (15) ditunjukkan gambaran pembandingan titik-titik data pengujian dengan persamaan korelasi. Data pengujian untuk semua refrigeran uji berada dekat dengan garis Rohsenow dan relatif sangat jauh dengan garis Vishnev I maupun Vishnev II. Oleh karena itu, persamaan Vishnev tidak digunakan dalam analisis selanjutnya.

Gambar 12 Kurva perbandingan data pengujian R-12 dengan persamaan korelasi pada temperatur jenuh, \(T_o = -10^{\circ}C\)

Gambar 13 Kurva perbandingan data pengujian HC-12 dengan persamaan korelasi pada temperatur jenuh, \(T_o = -10^{\circ}C\)

Gambar 14 Kurva perbandingan data pengujian R-22 dengan persamaan korelasi pada temperatur jenuh,\(T_0 = 0^{\circ}\)C

Gambar 15 Kurva perbandingan data pengujian HC-22 dengan persamaan korelasi pada temperatur jenuh, \(T_0 = 0^{\circ}C\)

3.3 Pengembangan Persamaan Korelasi Pendidihan Rohsenow untuk Refrigeran Uji

Sesuai dengan yang dikemukakan oleh Rohsenow, nilai n, m, dan \(C_{sf}\) dapat bervariasi bergantung pada kombinasi permukaan pemanas dengan cairan yang dididihkan. Tujuan pengembangan persamaan korelasi pendidihan pada penelitian ini dilakukan dengan menentukan nilai m dan \(C_{sf}\) baru yang sesuai dengan refrigeran uji dengan n tetap 1,7[11]. Persamaan korelasi ini dikembangkan dengan cara mengubah Persamaan (3) menjadi

\[\frac{c_{pl} \Delta T_e}{h_{fg}} = C_{s,f} \left[ \frac{q''}{\mu_l h_{fg}} \left( \frac{\sigma}{(\rho_l - \rho_v)g} \right) \right]^m \left( \frac{c_{pl} \mu_l}{k_l} \right)^n\](6)

Persamaan di atas merupakan bentuk persamaan garis lurus (linear), yaitu \(Y = m \cdot X + C\), dengan

\[Y = \log \left( \frac{c_{\rm pl} \, \Delta T_{\rm e}}{h_{\rm fg}} \right) \tag{7}\]

MESIN Vol. 23 No. 2

\[X = log \left( \left[ \frac{q''}{\mu_1 h_{fg}} \left( \frac{\sigma}{(\rho_1 - \rho_{\bullet \bullet}) g} \right) \right] \right)\] (8)

\[C = \log C_{s,f} + n \log (Pr)\] (9)

Dari persamaan tersebut, dengan tetap mengambil nilai \[n = 1.7\], nilai \(C_{s,f}\) dan \(m\) yang baru dapat dicari untuk masing-masing refrigeran uji. Gambar (16) sampai (19)

menunjukkan pembandingan data pengujian dengan persamaan Rohsenow yang telah dimodifikasi.

Gambar 16 Perbandingan persamaan Rohsenow yang telah dimodifikasi dengan data pengujian R-12 dan R-22

telah dimodifikasi dengan data pengujian HC-12 dan HC-22 Dengan melihat pada gambar-gambar tersebut dapat

ditentukan konstanta C dan m. Tabel 1 menunjukkan nilai m dan \(C_{s,f}\) yang baru untuk setiap refrigeran uji. Dengan menggunakan kontsanta ini terjadi penyimpangan maksimum sebesar \(\pm 30\%\) terhadap

Tabel 1 Nilai m dan \(C_{s,f}\) untuk refrigeran uji

sebaran data pengujian

4 KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil pengujian menunjukkan nilai koefisien perpindahan panas pendidihan R-12 lebih tinggi daripada HC-12, namun koefisien perpindahan panas HC-22 lebih tinggi daripada R-22.

Nilai \(C_{sf}\) dan m persamaan korelasi Rohsenow, dengan nilai n tetap 1,7, yang didapatkan untuk pengujian ini adalah

• . untuk R-12 dan R-22: \(C_{sf} = 0.35\), m = 0.5 (error \(\pm 15\%\))
• 2. untuk HC-12 dan HC-22: \(C_{sf} = 0.25\), m = 0.5 (error \(\pm 20\) %)

Hasil penerapan dilapangan menunjukkan bahwa performansi refrigeran hidrokarbon lebih baik dibandingkan dengan refrigeran halokarbon [3]. Dari hasil penelitian ini dapat disimpulkan bahwa keunggulan performansi refrigeran hidrokarbon khususnya HC-22 disebabkan oleh karakteristik perpindahan panasnya.