SISTEM REFRIGERASI DAN POMPA KALOR

Untuk mengenalkan aspek-aspek refrigerasi, pandanglah sebuah siklus refrigerasi uap Carnot. Siklus ini adalah kebalikan dari siklus daya uap Carnot.

Pada siklus, refrigeran bersirkulasi melalui urutan beberapa komponen. Semua proses secara internal reversibel. Perpindahan kalor antara refrigeran dan setiap bagian terjadi tanpa perubahan temperatur, dan tidak ada terjadi ireversibilitas eksternal. Refrigeran masuk ke evaporator dalam bentuk 2 fase yaitu campuran cairan dan uap pada titik 4. Pada evaporator sebagian refrigeran berubah fase dari cair ke uap karena perpindahan kalor dari daerah yang bertemperatur TC ke refrigeran. Temperatur dan tekanan refrigeran tetap konstan selama proses dari titik 4 ke titik 1. Refrigeran kemudian di kompresi secara adiabatik dart titik 1, dimana refrigeran berada pada kondisi 2 fase campuran cair-uap, ke titik 2 dimana fase menjadi uap jenuh. Selama proses ini temperatur refrigeran naik dari TC ke TH, dan tekanan juga naik. Kemudian refrigeran masuk ke kondenser dimana fase refrigeran akan berubah menjadi cairan jenuh karena terjadi perpindahan kalor kepada daerah yang bertemperatur TH. Temperatur dan tekanan tetap konstan selama proses 2 ke 3. Refrigeran kembali kekondisi pada saat masuk evaporator melalui proses ekspansi adiabatik pada turbin yaitu titik 3 ke titik 4. Pada proses ini temperatur turun dari TH ke TC dan juga terjadi penurunan tekanan. Karena siklus refrigerasi uap Carnot terdiri dari proses reversibel, luas daerah pada diagaram T-s adalah besar perpindahan kalor. Luas daerah 1-a-b-4-1 adalah kalor yang ditambahkan ke refrigeran dari daerah dingin dan luas daerah 2-a-b-3-2 adalah kalor yang dilepaskan ke daerah panas. Daerah tertutup 1-2-3-4-1 adalah perpindahan kalor bersih yang dipindahkan dari refrigeran. Koefisien performansi (COP) atau  dari siklus refrigerasi adalah:

Siklus refrigerasi uap sebenarnya bergeser sedikit dari siklus ideal diatas dan mempunyai koefisien performansi lebih rendah dari rumus diatas. Dalam siklus aktual, untuk menjaga temperatur pada daerah TC, refrigeran harus memppunyai temperatur dibawah TC yaitu T’C begitu juga untuk daerah TH maka temperatur refrigeran harus diatasnya yaitu T’H seperti gambar berikut:

Membuat temperatur refrigeran dalam penukar kalor pada T’C dan T’H akan membuat koefisien refrigerasi menurun dan dirumuskan:

Hal lain yang membuat siklus refrigerasi uap Carnot tidak praktis dibuat adalah kondisi fase refrigeran masuk kompresor. Pada siklus Carnot refrigeran masuk pada fase campuran cair-uap. Kompresor akan rusak jika ada fase cair yang masuk ke dalamnya, sehingga pada sistem sebenarnya hanya fase uap yang masuk kedalam kompresor atau disebut kompresi kering. Hal lain yang membuat siklus Carnot tidak praktis adalah proses ekspansi cairan jenuh dari titik 3 ke campuran 2 fase cair-uap pada titik 4. Proses ini menghasilkan kerja yang kecil bila dibandingkan kerja untuk kompresor. Apabila proses dari 3 ke 4 ini dilakukan oleh turbin, kerja output masih kecil karena turbin yang beroperasi pada kondisi ini mempunyai efisiensi yang rendah. Oleh sebab itu kerja output turbin dikorbankan dengan menggantinya dengan katup throttle sederhana. Siklus kemudian akan menjadi seperti gambar 3. Siklus ini disebut sistem refrigerasi kompresi uap.