Marine Refrigeration System #3

29Mar

Sistem Refrigerasi Di Atas Kapal

Dampak Kehadiran Sistem Refrigerasi

Awalnya, sstem refrigerasi atau sistem penyejuk udara yang lebih kita kenal dengan istilah air conditioner (AC) memiliki harga yang sangat mahal. Hanya mereka yang memiliki uang berlimpah yang bisa menggunakan AC atau masuk ke hotel mewah berhawa sejuk. Sementara orang-orang kebanyakan baru bisa menikmatinya di gedung-gedung bioskop pada tahun 1930-an. Pada akhirnya, AC kehilangan aura kemewahannya. Seperti dikutip dari Time, kini hampir 90 persen rumah di AS dilengkapi penyejuk udara.

Dampaknya pun luar biasa. Orang yang tinggal di kota-kota berhawa panas di wilayah Sun Belt AS, dan wilayah lain di mana cuaca hangat jadi faktor ledakan ekonomi, terlindung oleh temuan Carrier. Karena hawa panas bulan lagi masalah, pergeseran populasi terjadi dan pada akhirnya mengubah keseimbangan politik di AS. Bahkan, desain arsitektur pun berubah. Contoh yang paling mencolok mungkin adalah gedung pencakar langit berbalut kaca yang sekarang menghiasi hampir setiap cakrawala kota-kota besar dunia. Permintaan untuk AC secara global juga terus meningkat. Menurut studi Proceedings of the National Academy of Sciences pada 2015 menyebut, lebih dari 3 miliar orang yang tinggal di daerah tropis dan non-tropis menikmati embusan hawa dingin AC.

Sebuah essay berjudul King of Cool dimuat Time pada 1998 membahas tentang pengaruh AC dalam kehidupan manusia, berikut cuplikannya, “Siapapun yang pernah menderita akibat musim panas yang brutal bisa mengatakan, kalau bukan karena temuan Carrier yang membuat manusia lebih nyaman, tingkat orang mabuk, perceraian, kebrutalan, dan pembunuhan – hanya Tuhan yang tahun berapa tingginya. Tingkat produktivitas akan turun 40 persen di seluruh dunia; industri perikanan laut dalam akan hancur; lukisan Michelangelo di dinding Kapel Sistina memburuk; buku dan manuskrip langka bakal rusak; penambangan emas, perak dan logam lainnya tidak mungkin dilakukan; teleskop terbesar di dunia tidak akan berfungsi; banyak dari anak-anak kita tidak dapat belajar; dan di Silicon Valley, industri komputer akan macet.”

Di sisi lain, meski AC menjanjikan hawa ruangan yang sejuk, para pemerhati lingkungan yang mencemaskan pemanasan global, mengimbau pembatasan penggunaan penyejuk udara. Klorofluorokarbon yang digunakan dalam pendingin udara dalam beberapa tahun terakhir disalahkan atas lubang yang terus membesar di lapisan ozon Bumi. Bangunan tertutup dan ber-AC, yang memanfaatkan sirkulasi udara paksa, seperti pesawat komersial, juga dikhawatirkan menjadi tempat berkembang biaknya penyakit menular.

Sistem refrigerasi di atas kapal memainkan peran penting dalam mempertahankan suhu ruangan akomodasi awak kapal dan penumpang, membawa muatan bersuhu dingin dan menjaga persediaan makanan tetap segar. Barang-barang yang peka terhadap suhu ini disimpan dalam ruang penyimpanan berpendingin untuk menghindari pembusukan atau kerusakan.

Kategori Sistem Refrigerasi

Secara global, sustem refrigerasi yang ada saat ini dapat dibedakan menjadi tiga kategori penggunaannya, sebagai berikut :

Domestik : Sistem tata udara domestik dipergunakan untuk pemenuhan kenyamanan manusia akan udara ruangan di tempat tinggalnya (rumah tangga). Di Indonesia pada umumnya AC yang digunakan untuk keperluan domestik adalah jenis AC Split Wall.
Komersial : Sistem tata udara komersial merupakan sistem tata udara yang dirancang dan digunakan untuk memberikan kenyamaan udara ruang kepada orang-orang yang berada di dalam bangunan komersial. Bangunan komersial adalah bangunan yang diperuntukkan untuk perniagaan, perdagangan, atau segala sesuatu yang bertujuan untuk mendapatkan keuntungan. Contohnya adalah Supermarket, Hotel, Bioskop, mall dan bangunan lainnya yang diperuntukkan untuk mendapatkan keuntungan.
Industrial : Sistem tata udara Industrial merupakan sistem tata udara yang diperuntukkan untuk kebutuhan khusus di industri, contohnya untuk pendinginan peralatan, bahan biokimia dan mesin-mesin industri yang memiliki penanganan khusus.

Sistem Refrigerasi Kapal

Di atas kapal yang dilengkapi dengan sistem refrigerasi, berbagai jenis muatan diangkut dengan suhu yang terkendali di ruang muatan yang dirancang khusus untuk meningkatkan masa simpan produk dan untuk mengawetkannya hingga kapal mencapai pelabuhan. Karena sistem refrigerasi bekerja terus menerus, diperlukan pemeliharaan yang tepat dan pemeriksaan secara berkala. Di sebagian besar kapal, permesinan berada di bawah tanggung jawab kepala kamar mesin, namun penting bagi semua awak kapal untuk mengetahui desain, cara kerja, dan persyaratan sistem, yang sama pentingnya dengan hal lain di ruang mesin. Kumpulan tulisan ini menjelaskan dasar-dasar sistem refrigerasi, termasuk persyaratan desain dan operasionalnya yang penting untuk pengoperasian instalasi yang efisien di atas kapal.

Sistem refrigerasi kapal adalah sistem tertutup yang terdiri dari beberapa komponen yang bersama-sama memastikan pengoperasian keseluruhan sistem yang efisien. Karena sistem berjalan terus menerus, baik di pantai maupun di laut, setiap bagiannya menuntut pemahaman menyeluruh tentang cara kerja dan pemecahan masalah. Sistem refrigerasi sering diabaikan oleh para awak kapal karena di sebagian besar kapal mereka tidak berada di bawah tanggung jawab mereka. Namun, seperti yang kita semua tahu bahwa bekerja di kapal adalah upaya tim daripada pertunjukan individu, memiliki pengetahuan tentang cara memecahkan masalah sistem refrigerasi dan bagiannya dapat membantu menyelamatkan komponen vital dari kerusakan. Misalnya expansion valve termostatik, meskipun merupakan komponen yang sangat kecil, adalah salah satu bagian paling integral dari sistem yang sering diabaikan oleh teknisi di kapal. Kadang-kadang bahkan kesalahan sederhana dalam memilih ukuran yang salah atau saat merombak katup dapat menyebabkan penurunan drastis dalam efisiensi dan umur operasi komponen sistem.

Kumpulan tulisan ini memberikan penjelasan untuk masalah non-mekanis pada sistem refrigerasi kapal yang berkaitan dengan kebocoran dan masalah operasional umum lainnya. Deskripsi sistem refrigerasi disediakan dengan mempertimbangkan berbagai sistem otomasi dan kontrol yang digunakan untuk meningkatkan keselamatan dan efisiensi sistem.

Prinsip Sistem Refrigerasi Di Atas Kapal

Semua kapal modern dilengkapi dengan mesin pendingin dan penyejuk udara karena penyimpanan dingin yang sesuai sangat penting untuk mengawetkan bahan makanan seperti sayuran, daging, ikan, dll. untuk awak kapal. Saat ini, faktanya, area akomodasi perwira dan awak kapal wajib untuk “dikontrol suhu” oleh sistem refrigerasi udara. Oleh karena itu, mesin pendingin dan penyejuk udara yang dipasang di atas kapal perlu dipelihara dan dioperasikan dengan cara yang benar karena setiap kerusakan atau kerusakan sistem tidak hanya akan mempengaruhi persediaan atau muatan kapal tetapi juga awak kapalnya. Untuk mengawetkan dan mencegah pembusukan daging dan ikan, harus disimpan pada suhu -10 hingga -15⁰C, sedangkan sayuran harus disimpan dengan ventilasi yang baik pada suhu 7 hingga 10⁰C. Di area akomodasi awak kapal, penumpang dan ruang kontrol mesin, suhu yang paling nyaman adalah 24⁰C, yang harus dipertahankan dengan sistem refrigerasi udara yang dipasang di atas kapal.

Prinsip Refrigerasi

Sistem Tata Udara / Air Conditioning (AC) pada dasarnya adalah suatu proses pengkondisian udara ruangan dengan cara mengatur temperatur, kelembaban, sirkulasi dan kebersihannya, sehingga didapatkan kondisi udara ruang yang nyaman bagi orang-orang di dalamnya. Prinsip kerja dari sistem Air Conditioning (AC) adalah memindahkan panas dari dalam ruangan ke luar ruangan. Udara di dalam ruangan yang akan dikondisikan disirkulasikan melewati bagian evaporator yang di dalamnya terdapat refrigerant. Temperatur refrigerant pada evaporator lebih rendah daripada temperatur udara ruangan sehingga panas udara ruangan tersebut diserap menuju refrigerant di bagian evaporator. Kemudian refrigerant yang bersirkulasi pada sistem AC ini akan membuang panas tadi melalui bagian kondensor ke luar ruangan.

Refrigerasi adalah proses di mana suhu ruang atau zat diturunkan di bawah suhu lingkungan. Itu juga bisa didefinisikan sebagai proses menghilangkan panas dari satu lokasi. Dengan kata lain, panas dipindahkan dari tempat yang tidak diinginkan dan dipindahkan ke tempat lain yang tidak dapat ditolak. Panas adalah salah satu bentuk energi yang tidak dapat dihancurkan. Namun, ketika dua zat bersentuhan satu sama lain, panas mulai mengalir dari satu zat ke zat lainnya, hingga kedua zat tersebut mencapai suhu yang sama. Dengan kata lain, panas berpindah dari satu zat ke zat lain saat bersentuhan satu sama lain. Panas diukur dalam British Thermal Units (Btu), Kalori atau Kilo Joule.

Proses perpindahan panas dalam refrigerasi berlangsung sebagai berikut:

Panas masuk menggantikan panas yang dibuang
Mesin pendingin menghilangkan energi yang diterima dengan membuang energi tersebut ke sekelilingnya dalam bentuk panas
Masukan usaha sangat penting, menurut hukum kedua termodinamika

Energi panas

Ada dua jenis energi panas:

Panas Sensibe (Sensible Heat); dan
Panas Laten (Latent Heat)

Panas Sensibel

Panas sensibel adalah penambahan atau penghilangan panas yang dapat diukur dengan termometer. Jika segelas air atau minuman harus didinginkan maka dapat disimpan dalam lemari es yang lebih dingin dari suhu atmosfer. Demikian pula, ketika kita meletakkan ketel air di atas pemanas gas atau listrik, panas mengalir dari gas atau pemanas ke air di dalam ketel. Dalam kedua kasus di atas, “Panas Sensible” dipindahkan, baik dihilangkan atau ditambahkan ke air, yang sebelumnya berada pada suhu kamar. Oleh karena itu, ketika suatu zat (padat, cair atau gas) dipanaskan, kenaikan suhu yang dapat diukur dengan termometer disebut Panas Sensible.

Panas Laten

Penambahan atau penghilangan panas yang tidak dapat diukur dengan termometer, tetapi menyebabkan “perubahan keadaan” mis. es menjadi air atau air menjadi uap atau sebaliknya. Alternatifnya, untuk mendinginkan segelas air, kita bisa memasukkan es ke dalam air. Di sini es yang bersentuhan dengan air pada suhu kamar mulai mencair dan panas laten negatif dari es dipindahkan ke air sampai semua es di dalam gelas mencair dan menjadi air. Suhu air di dalam gelas sekarang lebih dingin dari suhu sebelumnya.

Demikian pula, jika kita memanaskan ketel berisi air, suhu air naik hingga mencapai 100°C dan pada pemanasan lebih lanjut, air mulai mendidih dan dihasilkan uap. Suhu air yang ada tetap pada 100⁰C dan panas yang diserap pada tahap ini mengubah air menjadi uap pada 100°C. Panas yang menyebabkan perubahan keadaan tanpa perubahan suhu disebut Panas laten. Ada dua bentuk panas laten yakni, panas laten peleburan (mencair/membeku) dan panas laten evaporatoran (mendidih atau kondensasi).

Seperti yang dinyatakan sebelumnya, panas sensibel dapat diukur dengan termometer, sedangkan panas laten dikaitkan dengan perubahan keadaan yaitu evaporatoran atau kondensasi. Dalam kedua kasus, perubahannya berkarakter endotermik yaitu sistem menyerap energi untuk berubah dari padat menjadi cair dan dari cair menjadi gas.

Saturasi Temperatur

Suhu saturasi dapat didefinisikan sebagai suhu zat padat, cair atau uap, di mana setiap panas yang ditambahkan atau dihilangkan menghasilkan perubahan keadaan.

Selama proses “perubahan keadaan”, sejumlah besar energi ditransfer.

Grafik di atas menunjukkan perubahan keadaan es menjadi air, air menjadi uap dan uap pada suhu jenuh menjadi uap super panas dan panas yang diserap, baik panas sensibel maupun laten, pada berbagai tahap 1 kg es. air, yang dapat eksis dalam tiga fase berbeda yaitu es (padat), air (cair) dan uap (uap), adalah contoh yang sangat baik untuk mengilustrasikan dan menjelaskan panas sensibel dan laten.

Ketika es dipanaskan suhunya mulai naik hingga mencapai 0°C. Pada pemanasan lebih lanjut, es mulai mencair, tetapi selama proses peleburan suhunya tidak berubah dan semua energi panas yang ditransfer digunakan untuk mencairkan es dan tidak memanaskan air. Panas yang dikonsumsi dalam pencairan es dikenal sebagai panas laten. Hanya ketika es telah mencair sepenuhnya, pemanasan menyebabkan suhu air naik (Sensible Heat). Demikian pula, jika air dalam wadah tertutup dipanaskan, suhunya mulai naik hingga mencapai suhu didih 100°C. Panas yang dikonsumsi dalam pemanasan dikenal sebagai Sensible Heat.

Pada pemanasan lebih lanjut air ini mulai menguap dan menjadi uap. Selama evaporatoran suhu tetap pada 100°C, sampai semua air diubah menjadi uap. Di sini sekali lagi panas laten evaporatoran adalah panas yang dikonsumsi untuk mengubah air menjadi uap pada 100°C.

Pada pemanasan lebih lanjut setelah semua air diubah menjadi uap, suhu uap akan meningkat dan suhu tinggi ini disebut “superheated”. Oleh karena itu, refrigerasi dapat didefinisikan sebagai proses menghilangkan panas dari suatu zat dalam kondisi yang terkendali. Ini juga termasuk proses mengurangi dan mempertahankan suhu suatu zat di bawah suhu umum lingkungannya dengan ekstraksi panas.

Empat proses dasar adalah: Langkah 1-2 adalah tahap kompresi uap, di mana adiabatik dapat diasumsikan, meskipun peningkatan entropi dalam sistem nyata (titik 2s akan sesuai dengan kompresi isentropik); Langkah 2-3 adalah panas yang dilepaskan ke wastafel ambien untuk mengembunkan uap bertekanan tinggi. Langkah 3-4 adalah pemuaian tiba-tiba yang secara tiba-tiba menurunkan suhu fluida kerja akibat evaporatoran yang dipicu; dan langkah 4-1 adalah tahap berguna yang sebenarnya di mana cairan evaporatoran menarik panas dari beban. Temperatur kerja fluida harus berada di luar temperatur source dan sink.

Refrigerasi dan Hukum Kedua Termodinamika

Hukum Kedua Termodinamika

Kalor akan mengalir dari suhu yang lebih tinggi ke suhu yang lebih rendah terlepas dari keadaannya. Untuk melakukan sebaliknya, input energi tambahan diperlukan
Sebuah sistem yang memiliki keadaan yang berbeda dari lingkungannya cenderung untuk mencapai keadaan lingkungan
Kerja memiliki kecenderungan untuk diubah menjadi panas tetapi panas tidak memiliki kecenderungan alami untuk diubah menjadi kerja
Setiap mesin atau lemari es membuang panas ke lingkungan sekitarnya
Efisiensi mesin selalu kurang dari 1

Cairan Refrigerantt

Istilah cairan refrigerant (atau hanya refrigerant) mengacu pada cairan yang sangat dingin sehingga dapat menurunkan suhu suatu muatan (ruangan/muatan). Untuk melakukan ini, refrigerant mengalami transisi fase dari cair ke gas dan kembali lagi. Refrigerant yang ideal akan memiliki karakter termodinamika yang menguntungkan, tidak korosif terhadap komponen mekanis, dan aman yaitu bebas dari toksisitas dan mudah terbakar. Seharusnya tidak menyebabkan penipisan ozon atau perubahan iklim.

Karakter Refrigerant Yang Diinginkan

Karakter yang diinginkan untuk refrigerant hampir sama dengan fluida transpor energi termal lainnya (termasuk fluida pemanas), dengan kafrekteristik sebagai berikut:

Kapasitas dan kerapatan termal yang besar (untuk meminimalkan laju aliran), namun dalam beberapa aplikasi, penggunaan gas mungkin lebih disukai karena karakter kebersihan atau kelistrikannya
Margin suhu lebar (untuk menghindari dekomposisi atau pembekuan)
Konduktivitas termal yang tinggi
Viskositas rendah
Kompatibilitas dengan bahan perpipaan dan sambungan
Aman (tidak mudah terbakar, tidak beracun)
Kendala ekonomi dan lingkungan yang memadai

Untuk refrigerant primer yang digunakan untuk menghasilkan efek refrigerasi melalui evaporatoran, karakter tambahan dan terpentingnya adalah:

Nilai tekanan uap yang sesuai terkait dengan aplikasi yang dimaksud (sebaiknya di atas ambien untuk menghindari masuknya udara dalam sistem vakum)
Suhu kritis di atas lingkungan, T_cr>T_amb
Koefisien isentropik kecil (untuk menghindari terlalu banyak pemanasan di Compressor)
Kemiringan kurva uap jenuh yang curam atau bahkan positif pada diagram T-S juga membantu arah ini

Sumber :

Marine Air Conditioning Carrier Engineering Company
Alwin B. Newton, The Refrigeration Compressor – Langkah Menuju Penyempurnaan. Universitas Purdue dan Konsultan, York, Pennslyvania 17403