Refrigerant

Refrigeran adalah zat yang mengalir dalam mesin pendingin (refrigerasi) atau mesin pengkondisian udara (AC). Zat ini berfungsi untuk menyerap panas dari benda atau udara yang didinginkan dan membawanya kemudian membuangnya ke udara sekeliling di luar benda/ruangan yang didinginkan.

PENGELOMPOKAN REFRIGERAN

Refrigeran yang pertama kali digunakan (1834)adalah eter oleh Jacob Perkins pada mesin kompresi uap [1]. Selanjutnya pada tahun 1874 digunakan sulfur dioksida (SO2), dan pada tahun 1875 mulai digunakan ethyl chloride (C2H5Cl) dan ammonia. Selanjutnya metil khlorida (CH3Cl) mulai digunakan tahun 1878 dan karbon dioksida (CO2) tahun 1881. Nitrogen oksida (N2O3) dan hidrokarbon (CH4, C2H6, C2H4, dan C3H8) banyak digunakan sekitar tahun 1910 sampai 1930. Dichloromethane (CH2Cl), dichloroethylene (C2H2Cl2) dan monobromomethane (CH3Br) juga digunakan sebagai refrigeran pada mesin sentrifugal.

Pada tahun 1926, Thomas Midgely mengembangkan CFC pertama (Chlorofluorocarbon), R-12. CFC adalah nonflammable, tidak beracun (bila dibandingkan dengan Sulfur Dioksida) dan efisien. Produksi komersial dimulai pada 1931 dan dengan cepat dapat di temui di rumah-rumah berpendingin. Willis Carrier mengembangkan chiller sentrifugal pertama untuk penggunaan komersial dan era refrigerasi dan pengkondisian udara dimulai.

Penggunaan refrigeran-refrigeran yang disebutkan diatas tersingkir setelah ditemukannya Freon (merek dagang) oleh E.I. du Point de Nemours and Co pada sekitar tahun 1930an, dan menjadi sangat populer sampai dengan tahun 1985. Refrigeran ini disebut sebagai refrigeran halokarbon (halogenated hydrocarbon) karena adanya unsur-unsur halogen yang digunakan (Cl, Br) atau kadangkala disebut sebagai refrigeran fluorokarbon (fluorinated hydrocarbon) karena danya unsure fluor (F) dalam senyawanya. Berdasarkan jenis senyawanya, refrigeran dapat dikelompokan menjadi:

1.Kelompok refrigeran senyawa halokarbon.

2.Kelompok refrigeran senyawa organik cyclic.

3.Kelompok refrigeran campuran Zeotropik.

4.Kelompok refrigeran campuran Azeotropik.

5.Kelompok refrigeran senyawa organik biasa.

6.Kelompok refrigeran senyawa anorganik.

7.Kelompok refrigeran senyawa organik tak jenuh.

1. Kelompok Refrigeran Senyawa Halokarbon

Kelompok refrigeran senyawa halokarbon diturunkan dari hidrokarbon (HC) yaitu metana (CH4), etana (C2H6), atau dari propana (C3H8) dengan mengganti atom-atom hidrogen dengan unsur-unsur halogen seperti khlor (Cl), fluor (F), atau brom (Br). Jika seluruh atom hidrogen tergantikan oleh atom Cl dan F maka refrigeran yang dihasilkan akan terdiri dari atom khlor, fluor dan karbon. Refrigeran ini disebut refrigeran chlorofluorocarbon (CFC). Jika hanya sebagian saja atom hidrogen yang digantikan oleh Cl dan atau F maka refrigeran yang terbentuk disebut hydrochlorofluorocarbon (HCFC). Refrigeran halokarbon yang tidak mengandung atom khlor disebut hydrofluorocarbon (HFC).

CCl3F (trichlorofluoromethane) dituliskan sebagai R-11 atau CFC-11.

CCl2F2 (Dichlorodifluoromethane) dituliskan sebagai R-12 atau CFC-12. CHClF2 (Chlorodifluoromethane) dituliskan sebagai R-22 atau HCFC-22. C2Cl3F3 dituliskan sebagai R-113 atau CFC-113. Metana (CH4) dituliskan sebagai R-50, etana (C2H6) adalah R-170, propane (C3H8) R-290 dan seterusnya.

Refrigeran yang mempunyai banyak atom Cl cenderung beracun. Atom F ditambahkan agar senyawa menjadi stabil. Refrigeran yang mempunyai banyak atom Cl cenderung beracun. Atom F ditambahkan agar senyawa menjadi stabil.

2 Kelompok Refrigeran Senyawa Organik Cyclic

kelompok refrigeran ini diturunkan dari butana. Aturan penulisan nomor refrigeran adalah sama dengan cara penulisan refrigeran halokarbon tetapi ditambahkan huruf C sebelum nomor. Contoh dari kelompok refrigeran ini adalah:

• R-C316 C4Cl2F6 1,2-dichlorohexafluorocyclobutane
• R-C317 C4ClF7 chloroheptafluorocyclobutane
• R-318 C4F8 octafluorocyclobutane

3 Kelompok Refrigeran Campuran Zeotropik

Kelompok refrigeran ini merupakan refrigeran campuran yang bisa terdiri dari campuran refrigeran CFC, HCFC, HFC, dan HC. Refrigeran yang terbentuk merupakan campuran tak bereaksi yang masih dapat dipisahkan dengan cara destilasi.

efrigeran ini diberi nomor dimulai dengan 4 sedangkan digit selanjutnya dibuat sesuai perjanjian. Yang termasuk refrigeran ini adalah

• R-401A campuran R-22(53%) + R-152a(13%) + R-124(34%)
• R-402B campuran R-125(38%) + R-290(2%) + R-22(60%)
• R-403B campuran R-22(56%) + R-218(39%) + R-290(5%)

Refrigeran campuran zeotropik akan menguap dan mengembun pada temperatur yang berbeda hal ini akan menyebabkan terjadinya temperature glide baik di evaporator maupun di kondensor, yaitu refrigeran mengalami perubahan fasa pada tekanan konstan tetapi temperaturnya terus berubah

4 Kelompok Refrigeran Campuran Azeotropik

Kelompok refrigeran Azeotropik adalah refrigeran campuran tak bereaksi yang tidak dapat dipisahkan dengan cara destilasi. Refrigeran ini pada konsentrasi, tekanan dan temperatur tertentu bersifat azeotropik, yaitu mengembun dan menguap pada temperatur yang sama, sehingga mirip dengan refrigeran tunggal. Namun demikian pada kondisi (konsentrasi, temperatur atau tekanan) yang lain refrigeran ini bisa saja menjadi bersifat zeotropik.

Kelompok refrigeran ini diberi nomor dimulai dengan angka lima, sedangkan digit berikutnya dibuat sesuai perjanjian, sebagai contoh:

• R-500: R-12 (73.8%) + R-152a (26.2%), Temperatur azeotropik: 0oC
• R-502: R-22 (48.8%) + R-115 (51.2%), Temperatur azeotropik: 19oC

5 Kelompok refrigeran organik lainnya

Kelompok refrigeran ini sebenarnya terdiri dari unsur C, H dan lainnya. Namun demikian cara penulisan nomornya tidak dapat mengikuti cara penomoran refrigeran halokarbon karena jumlah atom H nya jika ditambah dengan 1 lebih dari 10 sehingga angka kedua pada nomor refrigeran menjadi dua digit. Sebagai contoh butana (C4H10), jika dipaksakan dituliskan sesuai dengan cara penomoran refrigeran halokarbon, maka refrigeran ini akan bernomor R-3110, sehingga akan menimbulkan kerancuan.

Nomor kelompok refrigeran ini dimulai dengan angka 6 dan digit lainnya dipilih sebarang berdasarkan kesepakatan. Contoh refrigeran dari kelompok ini adalah:

• R-600 : Butana, CH3CH2CH2CH3
• R-600a : Isobutana, CH(CH3)3
• R-610 : ethyl ether, C2H5OC2H5
• R-611 : methyl format, HCOOCH3
• R-630 : methyl amine, CH3NH2
• R-631 : ethyl amine, C2H5NH2

6 Kelompok refrigeran senyawa unorganik

Kelompok refrigeran ini diberi nomor yang dimulai dengan angka 7 dan digit selanjutnya menyatakan berat molekul dari senyawanya. Contoh dari refrigeran ini adalah:

• R-702 : hidrogen
• R-704 : helium
• R-717 : amonia
• R-718 : air
• R-720 : Neon (Ne)
• R-729 : Udara
• R-732 : O2
• R-740 : Argon
• R-744 : CO2
• R-744A : N20
• R-764 : SO2

7 Kelompok refrigeran senyawa organik tak jenuh

Kelompok refrigeran ini mempunyai nomor empat digit, dengan menambahkan angka kempat yang menunjukkan jumlah ikatan rangkap didepan ketiga angka yang sudah dibahas dalam sistem penomoran refrigeran halokarbon.

Contoh dari jenis refrigeran ini adalah:

• R-1130 1,2-dichloroethylene CHCl=CHCl
• R-1150 Ethylene CH2=CH2
• R-1270 Propylene C3H6

Refrigerant Hydrocarbon :

• R- 50…………….Metane …….CH4
• R-170……………Ethane ……. CH3CH3
• R-290………….. .Propane ……CH3CH2CH3
• R-600…………….Butane ……..CH3CH2CH2CH3
• R-600a………,,,..Isobutane…..CH(CH3)3
• R-1150b………….Ethylene…….CH2=CH2
• R-1270b…………..Prpyle……….CH3CH=CH2

PEMILIHAN JENIS REFRIGERAN

Pemilihan jenis refrigeran yang akan digunakan dilakukan dengan mempertimbangkan beberapa sifat berikut:

1.Sifat termodinamika,

2.Tingkat mampu nyala,

3.Tingkat racun,

4.Kelarutan dalam air,

5.Kelarutan dalam minyak pelumas,

6.Reaksi terhadap material komponen mesin,

7.Sifat-sifat fisik,

Sifat termodinamika

Pemilihan refrigeran yang mempunyai sifat termodinamika yang tepat biasanya dilakukan berdasakan kapasitas refrigerasi yang diperlukan (sangat kecil, kecil, sedang atau besar) dan temperatur refrigerasi/pendinginan yang diperlukan. Misalnya untuk pengkondisian udara 5oC, lemari es -10 s/d 2oC, cold storage -25oC, lemari pembeku daging atau ikan -40oC.

Tekanan dan temperatur jenuh

Tekanan dan temperatur jenuh akan menentukan kondisi operasi di evaporator dan kondensor. Kondisi yang diinginkan adalah pada temperatur pendinginan yang diinginkan refrigeran masih mempunyai tekanan di atas tekanan atmosfer sehingga tidak ada tekanan vakum dalam sistem yang dapat menyebabkan masuknya udara dan uap air ke dalam sistem. Pada temperatur kondensor yang sedikit di atas temperatur kamar, diharapkan refrigeran mempunyai tekanan yang tidak terlalu tinggi sehingga tidak diperlukan kompresor dengan perbandingan kompresi yang tinggi dan berdaya rendah. Disamping itu diinginkan refrigeran yang mempunyai tekanan kondensor dan evaporator yang tidak terlalu tinggi juga. Hal ini dimaksudkan agar tidak diperlukan struktur komponen yang kuat dan berat.

Dengan mengetahui tekanan dan temperatur jenuh refrigeran, maka dapat diketahui apakah suatu refrigeran beroperasi pada kisaran tekanan dan temperatur yang sama dan dapat saling menggantikan. Berbagai kombinasi campuran refrigeran bertekanan tinggi dan rendah dapat dilakukan untuk menggantikan refrigeran yang tekanannya berada di antara kedua tekanan refrigeran-refrigeran yang dicampur .

Temperatur dan tekanan kritik

Tekanan dan temperatur kritik merupakan batas atas dari pemakaian refrigeran pada mesin refrigerasi kompresi uap. Tidak ada refrigeran yang dioperasikan di atas tekanan atau temperatur kritik dalam siklus kompresi uap. Untuk mendapatkan COP yang besar refrigeran harus dioperasikan jauh di bawah titik kritiknya agar diperoleh efek refrigerasi yang besar.

Titik beku

Titik beku refrigeran merupakan batas bawah temperatur operasi dari refrigeran tersebut. Siklus refrigeran harus beroperasi di atas titik bekunya.

Sifat kimia

Sifat kimia refrigeran yang harus diperhatikan antara lain adalah sifat mampu nyala, tingkat racun, reaksinya terhadap air, minyak pelumas dan material konstruksi/komponen serta terhadap produk yang dibekukan jika terjadi kebocoran refrigeran dari sistem.

Sifat mampu nyala dan tingkat racun

Sifat mampu nyala ditentukan oleh komposisi campuran udara refrigeran dan titik nyala dari refrigeran tersebut. Berdasarkan kemudahan terbakarnya refrigeran dibagi menjadi tiga kelas yaitu kelas 1, kelas 2 dan kelas 3[2].

Refrigeran yang mempunyai titik nyala di atas 750oC dianggap tidak mudah terbakar karena temperatur nyalanya sudah melebihi temepartur leleh material komponen refrigerasi. refrigeran kelompok ini termasuk

Refrigeran dengan titik nyala di bawah 750o dan batas bawah penyalaan (LFL = Lower Flammability Limit, atau LEL = Lower Explotion Limit) adalah lebih besar dari 3,5% volume (campuran dalam udara), maka refrigeran ini termasuk refrigeran kelas 2. Sedangkan jika batas bawah penyalaan kurang dari 3,5% maka refrigeran tersebut masuk kelas 3. Tingkat racun dibagi menjadi dua kelompok yaitu kelompok A yaitu refrigeran tak beracun dan kelompok B refrigeran beracun[2]. Refrigeran dikatakan tidak beracun jika mempunyai LC50 (Lethal Concentration 50%) lebih besar dari 10.000 ppm, sedangkan refrigeran dianggap beracun jika LC50 lebih kecil dari 10.000 ppm.

Berdasarkan tingkat mampu nayala dan racun maka refrigeran dapat diklasifikasikan sebagai

• refrigeran kelas A1: tidak beracun tidak mudah terbakar. Semua refrigeran halokarbon masuk kedalam kelas refrigeran ini.
• Refrigeran kelas A2: tidak beracun, tetapi tingkat nayala masuk kelas 2. Refrigeran campuran zeotropik antara kelas A1 dan A3 bisa masuk kelas refrigeran ini. R-32, R-141b, dan R-152a juga masuk dalam kelas refrigeran ini.
• Refrigeran kelas A3: tidak beracun, tetapi mudah terbakar. Refrigeran hidrokarbon, masuk ke dalam kelas ini.
• Refrigeran kelas B1: beracun tetapi tidak mudah terbakar. Tidak ada refrigeran masuk kelas ini.
• Refrigeran kelas B2: beracun dan bisa terbakar. Amoniak termasuk kelas refrigeran ini.
• Refrigeran kelas B3: beracun dan mudah terbakar. Kelas refrigeran ini tidak pernah digunakan.

Kelarutan dalam air

Adanya air atau uap air dalam sistem tidak diinginkan, karena dapat menyebabkan penyumbatan pada alat ekspansi (moisture choking), korosi, rusaknya isolasi dak kumparan motor listrik dalam kompresor hermetik, dan terbentuk kerak dalam pipa tembaga.

Uap air dapat berada dalam sistem apabila proses evakuasi (vakum) tidak dilakukan dengan baik, atau terjadi kebocoran pada sisi tekanan rendah (untuk sistem yang bekerja pada tekanan vakum), kebocoran pada penukar kalor berpendingin air, pelumas yang basah karena bersifat higroskopik, atau kebocoran melalui sekat poros untuk kompresor tak hermetik. (Open type)

Pembentuk air dan es dapat terjadi apabila air atau uap air tidak larut atau terlepas dari larutan refigeran �pelumas. Dengan demikian semakin tinggi kelarutan air dalam refrigeran atau pelumas semakin baik. Namun tingkat kelarutan air dalam refrigeran biasanya menurun dengan menurunnya temperatur, sehingga keberadaan air dalam refrigeran selalu dicegah dengan memasang pengering silica gel atau molecular sieve.

Namun demikian semakin rendah temperatur semakin kecil kelarutannya. Hal ini dapat menyebabkan terpisahnya air dari refrigeran dan akan menimbulkan persoalan, Oleh sebab itu keberadaan air dalam sistem tetap harus dicegah.

Kelarutan dalam minyak pelumas

Refrigeran dan pelumas dapat bercampur atau tidak bercampur dengan pelumas bergantung pada jenis dan ukuran kompresor. Pada kompresor sentrifugal pelumas mempunyai sistem tersendiri yang terpisah dari saluran refrigeran, sehingga pada sistem ini, tidak perlu dikhawatirkan pengaruh kelarutan refrigeran dalam minyak pelumas atau sebaliknya. Namun demikian pada jenis kompresor torak dan ulir refrigeran bercampur dengan minyak pelumasnya. Untuk jenis kompresor ini maka diperlukan pasangan refrigeran  minyak pelumas yang saling tidak larut, dengan demikian minyak pelumas dan refrigeran dapat dipisahkan dengan memasang pemisah oli pada sisi keluaran kompresor.

Pada kompresor torak kapasitas kecil dimana tidak memungkinkan untuk dipasang pemisah oli, maka diperlukan pasangan refrigeran oli dan refrigeran yang larut dengan baik satu sama lain agar pelumas tidak tertinggal di kondensor, katup ekspansi atau evaporator.

Pada sistem kompresor yang memungkinkan terjadinya pencampuran refrigeran & oli, maka perlu diperhatikan adanya penuruan kerapatan dan viskositas minyak pelumas tersebut agar tidak terjadi kegagalan pelumasan.

Pelumas refrigeran secara garis besar dapat dibagi menjadi dua kelompok yaitu oli mineral yang berasal dari minyak bumi dan oli sintetik. Terdapat dua jenis oli mineral yaitu oli mineral Napthenic dan Paraffinic, keduanya merupakan senyawa hidrokarbon jenuh, tetapi oli mineral napthenic mempunyai ikatan cyclic yang menyebabkan oli jenis ini viskositas dan temperatur curahnya lebih rendah dibandingkan oli mineral Paraffinic yang banyak mengandung lilin parafin. Dalam praktek keduanya terdapat dalam mineral oli dengan komposisi yang berbeda-beda[3]. Refrigeran sintetik yang banyak digunakan adalah Alkyl-benzene, Polyo ester (POE), dan polyalkyl glycol (PAG).

Hampir semua refrigeran halokarbon larut dengan baik dalam oli mineral, kecuali R-22, R-114, R-502 yang hanya larut sebagian. Oleh sebab itu penggunaan refrigeran yang hanya terlarut sebagian ini pada sistem refrigerasi yang kecil dan refrigeran tercampur dengan minyak pelumas memerlukan perhatian pada sistem pemipaan yang memungkin minyak pelumas kembali ke kompresor secara gravitasi. Sebagai contoh R-22 dengan 10% mineral oil merupakan larutan yang baik pada kondensor temperatur, tetapi akan terpisah pada temperatur evaporator  5oC. Jika kandungan oli mencapai 18% pemisahan akan terjadi pada temperatur 0,5oC[1]. Amonia dan CO2 tidak larut dalam oli mineral oleh sebab itu pemakaian refrigeran ini pada mesin refrigerasi besar tidak menjadi masalah karena pencampuran dapat diatasi dengan memasang pemisah oli. R-134a tidak bercampur dengan oli mineral, sehingga pasangan refrigeran-minyak pelumas ini tidak digunakan pada mesin refrigerasi kapasitas kecil yang tidak memungkinkan dipasangnya pemisah oli.

Pada umumnya viskositas dan massa jenis oli pelumas akan menurun jika bercampur dengan refrigeran. Besarnya penurunan viskositas dan massa jenis ini meningkat dengan meningkatnya jumlah refrigeran yang terlarut, temperatur dan tekanan[3]. Oleh sebab itu perlu diperhatikan agar penurunan viskositas dan massa jenis ini tidak sampai menyebabkan kegagalan pelumasan.

Reaksi terhadap material komponen mesin

Material komponen mesin terdiri dari logam, elastomer dan material pengering seperti silika gel dan molecular sieves. Refrigeran halokarbon, dan hidrokarbon mempunyai kestabilan kimia dan kompatibel terhadap hampir semua logam. Namun demikian material yang paling baik digunakan adalah tembaga. Alumunium akan sedikit bereaksi dengan refrigeran yang mempunyai kandungan fluor yang tinggi[1]. R-12 dan R-11 menunjukkan reaksi terhadap alumunium. Namun karena harganya murah maka alumunium dengan lapisan oksida banyak digunakan sebagai komponen mesin refrigerasi.

Sifat fisika

Kekuatan Dielektrik

Kekuatan dielektrik menentukan apakah refrigeran tersebut menghantarkan listrik atau tidak. Refrigeran yang baik adalah refrigeran yang mempunyai kekuatan dielektrik yang tinggi atau tidak menghantarkan listrik. Refrigeran yang mempunyai kekuatan dielektrik yang tinggi aman digunakan pada kompresor hermetik.