MESIN PENDINGIN (REFRIGERATOR)

Refrigerator/mesin pendingin pada dasarnya merupakan mesin panas yang bekerja terbalik, yaitu usaha diberikan pada refrigerator menyerap kalor dari reservoir dinngin dan membuangnya ke reservoir panas.

Dengan melakukan usaha W pada sistem (pendingin), sejumlah kalor Q₂ diambil dari reservoir bersuhu rendah T₂ . Kemudian, sejumlah kalor Q₁ dibuang ke reservoir bersuhu tinggi T₁.  Ukuran kemampuan sebuah mesin pendingin dinyatakan sebagai koefisien daya guna (koefisien performansi) yang diberi lambang K_p dan dirumuskan dengan persamaan :

K_r = Q₂ / W                                   

Oleh karena usaha yang diberikan pada mesin pendingin tersebut dinyatakan dengan W = Q₁ - Q₂, Persamaan diatas dapat ditulis menjadi :

K_r = Q₂ / (Q₁ - Q₂)                       

Jika gas yang digunakan dalam sistem mesin pendingin adalah gas ideal, Persamaan  dapat dituliskan menjadi : 

K_p = T₂ / (T₁ - T₁)                     

Lemari es dan pendingin ruangan memiliki koefisien performansi dalam jangkauan 2 sampai dengan 6. Semakin tinggi nilai KP, semakin baik mesin pendingin tersebut.

Contoh mesin pendingin AC dan Lemari es

a. Air Conditioner (AC) 
Mesin pendingin udara (AC) adalah alat yang menghasilkan udara dingin dengan cara menyerap udara panas disekitar ruangan. Proses udara menjadi dingin adalah akibat adanya pemindahan panas. Sama seperti lemari es, AC juga menggunakan bahan pendingin yang disebut refrigeran. Ruangan di dalam AC, dibagi menjadi 2 yaitu ruang dalam dan ruang luar. Bagian ruang dalam, udaranya dingin karena adanya proses pendinginan. Bagian ruang luar digunakan untuk melepaskan panas ke udara sekitar.

Secara umum, gambaran mengenai prinsip kerja AC adalah:

- Penyerapan panas oleh evaporator

- Pemompaan panas oleh kompresor

- Pelepasan panas oleh kondensor

Bagian bagian AC dan fungsinya 
-   Kondensor AC, Kondensor adalah sebuah alat yang digunakan untuk mengubah gas yang bertekanan tinggi berubah menjadi cairan yang bertekanan tinggi yang kemudian akan dialirkan ke orifice tube. Kondensor merupakan bagian yang “panas” dari air conditioner. Kondensor bisa disebut heat exchange yang bisa memindahkan panas ke udara atau ke intermediate fluid (semacam air larutan yang mengandung ethylene glycol), untuk membawa panas ke orifice tube. 

-  Compressor AC, Compressor AC adalah power unit dari sistem AC. Ketika AC dijalankan, compressor AC mengubah fluida kerja/refrigent berupa gas dari yang bertekanan rendah menjadi gas yang bertekanan tinggi. Gas bertekanan tinggi kemudian diteruskan menuju kondensor.
-   Katup Ekspansi, Katup ekspansi merupakan komponen penting dalam sistem air conditioner. Katup ini dirancang untuk mengontrol aliran cairan pendingin melalui katup orifice yang merubah wujud cairan menjadi uap ketika zat pendingin meninggalkan katup pemuaian dan memasuki evaporator/pendingin. 
-  Orifice Tube, Orifice tube merupakan tempat di mana cairan bertekanan tinggi diturunkan tekanan dan suhunya menjadi cairan dingin bertekanan rendah. Dalam beberapa sistem, selain memasang sebuah orifice tube, dipasang juga katup ekspansi. 
-   Thermostat, Thermostat pada air conditioner beroperasi dengan menggunakan lempeng bimetal yang peka terhadap perubahan suhu ruangan. Lempeng ini terbuat dari 2 metal yang memiliki koefisien pemuaian yang berbeda. Ketika temperatur naik, metal terluar memuai lebih dahulu, sehingga lempeng membengkok dan akhirnya menyentuh sirkuit listrik yang menyebabkan motor AC aktif. 
-  Evaporator AC, Refrigent menyerap panas dalam ruangan melalui kumparan pendingin dan kipas evaporator meniupkan udara dingin ke dalam ruangan. Refrigent dalam evaporator mulai berubah kembali menjadi uap bertekanan rendah, tapi masih mengandung sedikit cairan. Campuran refrigent kemudian masuk ke akumulator / pengering. Ini juga dapat berlaku seperti mulut/orifice kedua bagi cairan yang berubah menjadi uap bertekanan rendah yang murni, sebelum melalui compressor AC untuk memperoleh tekanan dan beredar dalam sistem lagi. Biasanya, evaporator dipasangi silikon yang berfungsi untuk menyerap kelembapan dari refrigent.

Prinsip kerja AC , pemindahan panas diperlukan energi tambahan yang lebih besar karena udara yang didinginkan skalanya lebih besar dan banyak. Di dalam AC, wujud refrigeran berubah-ubah, dari bentuk cair ke gas atau sebaliknya. Pada kompresor, refrigeran masih berupa uap, tekanan dan panasnya lalu dinaikkan dengan cara memampatkannya oleh piston dalam silinder kompresor. Kemudian uap panas tersebut didingikan pada saluran pipa kondensor agar menjadi cairan. 
Pada saluran pipa kondensor diberi kipas untuk mempercepat proses pendinginan. Proses pelepasan panas ini disebut teknik pengembunan. Selanjutnya cairan refrigeran dimasukkan ke dalam evaporator dan dikurangi tekanannya sehingga menguap dan menyerap kalor udara sekitar.

Di dalam AC ruang bagian dalam, udara dingin disebarkan menggunakan kipar blower. Dalam bentuk uap (gas), refrigeran dihisap lagi oleh kompresor. Demikian proses tersebut beruang terus sampai gas habis terpakai dan harus diisi kembali

b. Lemari es (kulkas) 

Dalam sebuah lemari es, berlangsung suatu siklus yang dinamakan cooling cycle (siklus pendinginan). Agar proses ini dapat berlangsung, diperlukan suatu zat yang mudah berubah wujud dari cair ke gas ataupun sebaliknya

Dibawah ini adalah bagian-bagian dan fungsi dari freezer:

- Kompresor. Kompresor merupakan suatu alat yang digunakan sebagai penekan gas freon sehingga tekanannya menjadi tinggi.

- Kondensor. Kondensor berfungsi untuk membuang kalor dari freon sehingga freon berubah bentuk dari gas menjadi cair.

- Filter. Filter berfungsi untuk menyaring freon dari kemungkinan kotoran yang ikut terbawa freon.

- Pipa kapiler. Pipa kapiler berfungsi untuk menghasilkan tekanan yang tinggi ketika Freon berbentuk cair.

- Expanding Valve. Expanding valve berfungsi untuk mengatur banyaknya Freon yang masuk ke evaporator.

- Evaporator. Evaporator merupakan tempat penguapan Freon cair menjadi gas sehingga temperature freon menjadi rendah.

- Thermostat. Thermostat berfungsi untuk mengatur temperatur dari freezer.

- Akumulator. Akumulator berfungsi untuk menampung bahan pendingin cair.

Pada dasarnya prinsip kerja dari freezer adalah memanfaatkan sifat dari gas freon yang suhunya akan menjadi rendah bila tekanannya juga rendah. Prinsip kerja dari freezer adalah sebagai berikut :
- Kompresor memompakan gas freon dengan tekanan yang tinggi dan temperatur yang tinggi.
- Lalu gas freon dikirim ke kondensor untuk dibuang kalornya agar freon dapat berubah bentuk menjadi cair akan tetapi tekanannya masih tinggi.
- Freon cair ini terus masuk ke pipa kapiler dengan terlebih dahulu disaring dari kemungkinan kotoran yang ikut terbawa. 
- Dari pipa kapiler ini freon cair diuapkan oleh evaporator yang mana sebelumnya melewati katup ekspansi.
- Didalam evaporator tekanan dan temperature freon rendah sekali sehingga freon kembali ke dalam bentuk gas.
- Freon yang telah berbentuk gas ini akan masuk ke saluran hisap untuk disirkulasikan ulang oleh kompresor.

 

Contoh Soal:

Sebuah lemari es memiliki koefisien performansi 6. Jika suhu ruang di luar lemari es adalah 28 °C, berapakah suhu paling rendah di dalam lemari es yang dapat diperoleh?

 Jawaban :
Diketahui: Kp = 6, dan T1 = 28° C.
Koefisien performansi maksimum diperoleh sebagai berikut:

Kp = T2/(T1-T2)
dengan T1 adalah suhu tinggi dan T2 adalah suhu rendah. Dari persamaan tersebut diperoleh

(KP) T1 – (KP) T2 = T2

(KP) T1 = (1 + KP) T2

T2 = [Kp/(Kp+1)] T1

Dari soal diketahui T1 = (28 + 273) K = 301 K dan KP = 6,0 sehingga suhu paling rendah di dalam lemari es T2 dapat dihitung.

T2 = [6/(6+1)]  x  300 K

T2 = 258 K atau –15 °C.

Sumber :

FISIKA untuk SMA/MA  kelas XI, Goris Seran Daton, dkk, Penerbit Grasindo, 2007

http://wiryawangpblog.blogspot.com/2013/09/sistem-kerja-mesin-pendingin_7891.html
http://perpustakaancyber.blogspot.com/2013/03/usaha-dan-proses-dalam-termodinamika-hukum-termodinamika-1-2-dan-3-rumus-contoh-soal-kunci-jawaban.html 

http://arabudiana.blogspot.com/2013/05/prinsip-kerja-lemari-pendingin-freezer.html

https://tugasngampus.wordpress.com/2014/01/13/mesin-pendingin/