Feeds:
Pos
Komentar

Archive for Januari 8th, 2010

Termofisika Dalam Hidrokarbon

BAB I
PENDAHULUAN

Visi dan misi pembelajaran fisika antara lain berupaya mendidik siswa yang berilmu dan berketerampilan yang unggul serta “open minded”, memiliki etos kerja, melatih melakukan penelitian sesuai metode ilmiah, dan belajar dengan mengaplikasi-kan pengetahuan terbaiknya, mempunyai sikap disiplin, jujur, dan bertanggungjawab. Di samping itu juga bersikap peka, tanggap dan berperan aktif dalam menggunakan Fisika untuk memecahkan masalah lingkungannya. Melalui penguasaan mata pelajaran Fisika baik proses, produk, maupun sikap yang baik, siswa diharapkan mampu mengembangkan ilmunya, bertenggang rasa, mampu membina kerjasama yang sinergis demi tercapainya efisiensi dan efektivitas, kualitas serta kesuksesan nyata bagi siswa.
Mata pelajaran Fisika di Sekolah ditujukan untuk mendidik siswa agar mampu mengembangkan observasi dan eksperimentasi serta berpikir taat asas. Hal ini didasari oleh tujuan Fisika, yakni mengamati, memahami, dan memanfaatkan gejala-gejala alam yang melibatkan zat (materi) dan energi. Kemampuan observasi dan eksperimentasi ini lebih ditekankan pada melatih kemampuan berpikir eksperimental yang mencakup tatalaksana percobaan dengan mengenal peralatan yang digunakan dalam pengukuran baik di dalam laboratorium maupun di alam sekitar kehidupan siswa. Kemampuan berpikir dilatihkan melalui pengelolaan data untuk selanjutnya dengan menggunakan perangkat matematis dibangun konsep, prinsip, hukum dan teori (Depdiknas, 2003).
Keilmuan Fisika mencakup perangkat keilmuan, telaah keilmuan, perangkat pengamatan, dan perangkat analisis. Keempat perangkat tersebut bersinergi satu sama lain dalam membangun konsep, prinsip, teori, dan hukum Fisika. Perangkat keilmuan mencakup obyek telaah Fisika yang meliputi: zat, energi, gelombang, dan medan. Sedangkan telaah keilmuan mencakup bangunan ilmu yang meliputi: mekanika, termofisika, gravitasi, akustik, optika, kelistrikan dan kemagnetan, Fisika atom/inti, Fisika zat padat, geofisika serta astrofisika. Perangkat pengamatan mencakup perangkat untuk melaksanakan observasi untuk menelaah fenomena obyek dan kejadian fisis pada daerah makroskopis maupun mikroskopis. Perangkat ini mencakup alat ukur besaran fisis dan tata kerja dalam pelaksanaan eksperimen.
Berdasarkan uraian di atas tampak bahwa eksperimen atau praktikum atau pengamatan fenomena fisika merupakan jantungnya mata pelajaran fisika. Melihat dari perkembangan materi Fisika dalam kehidupan sehari-hari, maka penyusun mengambil tema tentang ” Termofisika dalam Hidrokarbon”. Mudah- mudahan dalam dengan tersusunnya makalah ini bisa bermanfaat bagi pembaca pada umumnya dan bagi penulis pada khususnya.

BAB II
PEMBAHASAN

2.1 Karakteristik Termofisika Hidrokarbon
Pemilihan hidrokarbon sebagai refrigeran alternatif ramah lingkungan pengganti CFC dan HCFC harus memperhatikan beberapa hal diantaranya titik didih pada tekanan normal , kapasitas volumetrik dan efisiensi energi. Titik didih harus diperhatikan untuk menjamin apakah tekanan operasi sama dengan CFC untuk menghindari keperluan penggantian peralatan tekanan tinggi seperti kompresor.
Salah satu refrigeran hidrokarbon yang digunakan sebagai contoh dalam makalah ini adalah MUSICOOL, yang diproduksi oleh Pertamina Unit pengolahan III Plaju. Sifat fisika refrigeran hidrokarbon MUSICOOL berdasarkan pengujian laboratorium Pertamina ditampilkan pada Tabel 2, yang menunjukkan bahwa hidrokarbon MUSICOOL (MC) mampu menggantikan refrigeran sintetik (CFC, HCFC, HFC) secara langsung tanpa penggantian komponen sistem refrigerasi. MC-12 menggantikan R-12, MC-22 menggantikan R-22 dan MC-134 menggantikan R-134a. Sifat fisika dan termodinamik hidrokarbon MUSICOOL memberikan kinerja sistem refrigerasi yang lebih baik, keawetan umur kompresor, dan hemat energi. Beberapa parameter perbandingan kinerja MUSICOOL terhadap refrigeran sintetik pada system refrigerasi dengan beban 1 TR pada suhu kondensasi 100 oF dan suhu evaporator 40 oF. ditunjukkan pada Tabel 3.
Tabel 2 Sifat Fisika dan Thermodinamika
No Parameter R-12 MC-12 R-22 MC-22 R-134a MC-134
1. Normal boiling point, °C -29.75 -32,90 -40.80 -42,05 -26.07 -33,98
2. Temperatur kritis, °C 111,97 115,5 96 96,77 101,06 113,8
3. Tekanan Kritis, psia 599,9 588,6 723,7 616,0 588,7 591,8
4. Panas jenis cairan jenuh pada 37,8° C, Kj /Kgk 1,026 2,701 1.325 2,909 1,486 2,717
5. Panas jenis uap jenuh pada 37,8 ° C, Kj/ Kgk 0.7493 2,003 0,9736 2,238 1,126 2,014
6. Tekanan cairan jenuh pada 37,8 °C, psia 131,7 134,4 210,7 188,3 138,9 139,4
7. Kerapatan cairan jenuh pada 37,8°C, ( kg/m³ ) 1263 503,5 1138 471,3 1156 500,6
8. Kerapatan uap jenuh pada 37,8°C ( kg/m³ ) 51,46 17,12 62,46 28,53 47,05 17,76
9. Kerapatan uap jenuh pada NBP, kg/m³ 6,29 1,642 4,705 2,412 5,259 1,642
10. Konduktivitas Termal cairan jenuh 37,8°C,w/mk 0,0628 0.0898 0.0778 0.0868 0.0756 0.0896
11. Konduktivitas Termal uap jenuh 37,8°C,w/m k 0.0112 0.0194 0.0128 0.0211 0.0195 0.01955
12. Viskositas cairan jenuh pada 37,8°C, uPa-s 166,5 103,6 143,1 84,58 102,5 101,6
13. Viskositas uap jenuh pada 37,8°C, uPa-s 12,37 7,997 13,39 9,263 8,064 8,044
Tabel 3 Perbandingan kinerja MUSICOOL dengan refrigeran sintetik
No. Parameter R-12 MC-12 R-22 MC-22 R-134a MC-134
1 Rasio Tekanan Kompresi 3.1 3.1 3.0 2.8 3.4 3.1
2 Efek Refrigerasi, Kj/Kg 1.25 314 168 299 159 314
3 Aliran gas, Cfm/Ton 8.21 3.28 6.12 3.44 6.49 3.28
4 Koefisien Performance, COP 3.35 3.39 3.20 3.26 3.31 3.38
5 Temperatur – 7,8 – 0.1 – 7.7
Pemakaian hidrokarbon lebih efisien dibandingkan dengan refrigeran sintetik, yang ini ditunjukan oleh COP (Coefficient of Performance) yang lebih besar. Hal ini disebabkan sbb:
• Rasio tekanan (perbandingan tekanan dorong dengan tekanan hisap kompresor) yang lebih kecil dari rasio tekanan refrigeran sintetik. Karakteristik ini dapat dilihat pada Gambar 4 dan 5. Hal ini mengakibatkan kecilnya kerja kompresor yang diperlukan sehingga menghemat konsumsi energi, yang ditunjukkan dengan penurunan arus listrik 10-20%. Oleh karena itu arus listrik name plate tidak bisa dijadikan patokan ketika melakukan retrofit dengan hidrokarbon.
• Kalor laten dan efek refrigerasi yang lebih besar dari refrigeran sintetik. Karakteristik ini mengakibatkan kapasitas pendinginan dan cooling rate yang lebih besar dari kapasitas pendinginan dan cooling rate dengan refrigeran sintetik. Perbandingan kalor laten dan efek refrigerasi antara freon dan hidrokarbon dapat dilihat pada Gambar 6 dengan 7 dan Gambar 8 dengan 9.
• Kerapatan (density) hidrokarbon yang lebih kecil dari kerapatan refrigeran sintetik. Hal ini mengakibatkan jumlah pemakaian hidrokarbon lebih sedikit, sekitar 30% dari berat penggunaan refrigeran sintetik untuk volume yang sama.
• Viskositas yang lebih kecil dari refrigeran sintetik. Hal ini mengakibatkan kecilnya rugi-rugi tekanan sepanjang sistem refrigerasi yang meringankan beban kompresor dan mengawetkan sistem refrigerasi.

Gambar 3 Grafik Tekanan vs Temperatur R-12 dan MC-12

Gambar 4 Grafik Tekanan vs Temperatur R-134 dan MC-134

Gambar 5 Grafik Tekanan vs Temperatur R-22 dan MC-12

Gambar 6 Grafik Entalphi MC-12

Gambar 7 Grafik Entalphi MC-12

Gambar 8 Grafik Entalphi R-22

Gambar 9 Grafik Entalphi MC-22

2.2 Sifat Zeotropik Dan Azeotropik Hidrokarbon
Refrigeran hidrokarbon dapat berupa zat tunggal (misal MC-22 yang merupakan propana) atau campuran (misal MC-12 dan MC-134 yang merupakan campuran dari propana, isobutana dan n-butana).
Refrigeran hidrokarbon campuran bersifat zeotrop, berperilaku sangat berbeda dibanding dengan zat tunggal atau campuran azeotropik. Campuran ini tidak menguap dan mengembun pada suatu temperatur tetap, tetapi pada kisaran tertentu yang sering di sebut dengan glide. Refrigeran ini tepat berada pada titik didih (buble temperature) saat campuran tepat seluruhnya mencapai keadaan cair yaitu tepat pada akhir proses pengembunan. Refrigeran ini tepat berada pada titik embun (dew temperature) saat campuran tepat seluruhnya mencapai keadaan uap yaitu pada akhir proses penguapan. Temperatur glide ini dapat dilihat pada Gambar 10.
Efek temperatur glide ini akan berpengaruh besar pada proses di dalam evaporator dan kondensor. Temperatur penguapan meningkat dengan semakin lanjutnya proses penguapan berlangsung, sedangkan di dalam kondensor temperatur pengembunan menurun bersamaan dengan berlangsungnya proses pengembunan. Perubahan temperatur pada tekanan tetap ini merugikan efek perpindahan kalor pada evaporator dan kondenser. Oleh karena itu standard maksimal glide temperature yang diijinkan untuk refrigeran adalah 12 K [3].
Dengan dasar itulah maka proses retrofit menggunakan refrigeran hidrokarbon campuran (MC -12 dan MC-134) dilakukan pada fasa cair untuk menjaga komposisi campuran dan menjaga agar glide temperatur tidak berlebih. Retrofit MC-22 bisa dilakukan pada fasa cair dan gas, karena merupakan zat tunggal.

Gambar 10 Efek glide pada sistem refrigerasi berrefrigeran zeotrop[4]

Flammability Hidrokarbon
Hidrokarbon dapat terbakar bila berada di dalam daerah segitiga api yaitu tersedianya : hidrokarbon, udara dan sumber api. Jika salah satu dari ketiga faktor tersebut tidak terpenuhi maka proses kebakaran tidak akan tejadi. Hal ini mengakibatkan tidak akan terjadi kebakaran di dalam sistem refrigerasi karena tidak adanya udara (tekanan sistem refrigerasi lebih tinggi dari tekanan atmosfer).
Hidrrokarbon termasuk kelompok refrigeran A3, yaitu refrigeran tidak beracun yang mempunyai batas nyala bawah (Low Flammability Limit/LFL) kurang daaaari 3,5%. Hidrokarbon dapat terbakar jika berada di antara ambang batas nyala 2-10% volume. Bila konsentrasi hidrokarbon di udara kurang dari 2% maka tidak cukup hidrokarbon untuk terjadinya pembakaran, demikian juga bila konsentrasinya di atas 10% karena oksigen tidak cukup untuk terjadinya pembakaran. Secara praktis batas nyala bawah sekitar 35 g/m3 bagi rata-rata refrigeran HC di udara [3].
Sifat flammable hidrokarbon dapat diantisipasi dengan memperhatikan prosedur dan standard kerja, di antaranya Standard Nasional Indonesia (SNI), standard Inggris BS : 4434 tahun 1995 standard Jerman DIN 7003, standard Australia AS 1596-1989 dan AS 1677.
2.3 Material Kompatibilitas Hidrokarbon
Berdasarkan hasil analisa pengujian secara laboratorium dan aplikasi dilapangan, refrigeran hidrokarbon tidak merusak material sistem refrigerasi. Sifat hidrokarbon terhadap material diantaranya:
• Tidak merusak semua jenis logam dan desikan yang dipakai sistem refrigerasi
• Tidak merusak bahan elastomer yang biasa digunakan kecuali elastomer berbahan dasar karet alam dimana CFC, HCFC dan HFC juga dapat merusaknya.
• Bisa menggunakan pelumas R-12, R-22 dan R-134a, hanya karena sifatnya yang dapat bercampur baik dengan pelumas maka disarankan menggunakan pelumas dengan indeks viskositas yang lebih tinggi.
Tabel 6 menunjukkan hasil tes laboratorium terhadap kandungan logam dan keasaman pada oli pada rentang waktu pemakaian yang sama. Hasil tes ini menunjukkan bahwa refrigeran hidrokarbon lebih kompatibel terhadap material komponen sistem refrigerasi. Sifat hidrokarbon ini mengawetkan komponen sistem refrigerasi.
Tabel 6 Hasil tes kandungan asam dan logam pada oli
No Refrigeran/ Oli Acidity
(ppm) Fe
(ppm) Cu
(ppm) Al
(ppm)
1 CFC-12/ Oli Mineral (Patil, 1997) 85.34 <1 <1 <1
2 Hidrokarbon / Oli Mineral ( Patil, 1998 ) 40.54 <1 <1 <1
3 HFC-134a / polyolester oil ( Patil, 1998 ) 3890 60 3.25 8.7

BAB III
KESIMPULAN

Refrigeran hidrokarbon merupakan refrigeran alternatif jangka panjang refrigeran CFC/HCFC. Dua keunggulaan penting yang dimilikinya adalah ramah lingkungan dan karakteristik termodinamika yang handal sehingga meningkatkan kinerja dan menghemat konsumsi energi sistem refrigerasi secara aman.

DAFTAR PUSTAKA

United Nations Environment Programme Industry and Environment, Chillers and Refrigerant Management, United Nations Publication, Paris,1994.
Watanabe, Koichi, Widiatmo, Januarius V., Alternative Refrigerants and their thermophysical Properties Research, Seminar on ODS Phase Out, 5-7 Mei 1999, Bali
Ecofrig, Refrigeration Appliances Using Hydrocarbon Refrigerants, Ecofrig publication, United Kingdom, 1997.
Jazwin, Richard, Alternative Refrigerants, ICI Klea, Wilmington, 1995.
Depdiknas. (2003). Kurikulum 2004 SMA: Pedoman Khusus Pengembangan Silabus dan Penilaian Mata Pelajaran Fisika

Read Full Post »