Karakteristik Bahan dan Aspek Lingkungan Refrigeran Hidrokarbon* – Menuju Indonesia Bebas ODS -

PENDAHULUAN

CFC (Chloro-Fluoro-Carbon) memegang peranan penting dalam sistem refrigerasi, sejak ditemukan pada tahun 1930. Hal ini dikarenakan CFC memiliki properti fisika dan termal yang baik sebagai refrigeran, stabil, tidak mudah terbakar, tidak beracun dan kompatibel terhadap sebagian besar bahan komponen dalam sistem refrigerasi. Akan tetapi setelah masyarakat mengetahui hipotesa bahwa CFC termasuk Ozone Depleting Substance (ODS), yaitu zat yang dapat menyebabkan kerusakan ozon, masyarakat mulai mencoba melakukan penghentian pemakaian ODS dan dituangkan ke dalam beberapa konvensi, seperti Vienna Convention  pada bulan Maret 1985, Montreal Protocol pada bulan September 1987 dan beberapa amandemen lainnya. Pemerintah Indonesia telah meratifikasinya melalui Keppres RI No. 23 tahun 1992.

R-134a sebagai salah satu alternatif memiliki beberapa properti yang baik, tidak beracun, tidak mudah terbakar dan relatif stabil. R-134a juga memiliki kelemahan di antaranya, tidak bisa dijadikan pengganti R-12 secara langsung tanpa melakukan modifikasi sistem refrigerasi (drop in subtitute), relatif mahal, dan masih memiliki potensi sebagai zat yang dapat menyebabkan efek pemanasan global karena memiliki Global Warming Potential (GWP) yang signifikan. Selain itu R-134a sangat bergantung kepada pelumas sintetik yang sering menyebabkan masalah dengan sifatnya yang higroskopis.

Alternatif lain yang ditawarkan adalah refrigeran hidrokarbon. Sebenarnya hidrokarbon sebagai refrigeran sudah dikenal masyarakat sejak 1920 di awal teknologi refrigerasi bersama fluida kerja natural lainnya seperti ammonia, dan karbon dioksida. Hidrokarbon yang sering dipakai sebagai refrigeran adalah propana (R-290), isobutana (R-600a), n-butana (R-600). Campuran yang sering digunakan di antaranya  R-290/600a, R-290/600 dan R-290/R-600/R-600a.

Hidrokarbon memiliki beberapa kelebihan seperti ramah lingkungan, yang ditunjukkan dengan nilai Ozon Depleting Potential (ODP) nol, dan GWP yang dapat diabaikan, properti termofisika dan karakteristik perpindahan kalor yang baik, kerapatan fasa uap yang rendah, dan kelarutan yang baik dengan pelumas mineral.

Pemakaian hidrokarbon dengan isu hemat energi dan ramah lingkungan  masih belum bisa diterima secara luas seperti pemakaian freon sebagai refrigeran. Hal ini disebabkan oleh kekhawatiran masyarakat akan sifat hidrokarbon yang bisa terbakar. Sifat ini sebenarnya tidak membahayakan jika digunakan sesuai prosedur yang benar. Untuk memahami bekerja dengan prosedur yang benar, mau tidak mau diperlukan pengetahuan tentang karakteristik hidrokarbon. Seperti pepatah mengatakan, “tak kenal maka tak sayang”, kita tidak akan mau menggunakan hidrokarbon jika tida mengenalnya. 

REFRIGERAN DAN ASPEK LINGKUNGAN 

Refrigeran kelompok halokarbon merupakan refrigeran sintetik karena tidak terdapat di alam secara langsung. Refrigeran ini mempunyai satu atau lebih atom dari golongan halogen; khlorin, fluorin dan bromin.Meskipun dari segi teknik refrigeran ini mempunyai sifat yang baik, seperti kestabilan yang tinggi, tidak mudah terbakar dan tidak beracun, refrigeran ini termasuk ODS. Jika gas CFC yang memiliki dua atom khlorin terlepas ke udara dan terkena sinar ultraviolet akan terurai. Atom khlorin (Cl) akan terlepas dan bereaksi dengan ozon (O₃) mengambil satu atom oksigen dari ozon untuk membentuk khlorin monoksida dan oksigen. Khlorin monoksida akan bereaksi dengan atom oksigen lainnya membentuk molekul oksigen dan atom khlorin membentuk oksigen. Atom khlorin hanya beraksi sebagai katalis dalam reaksi. Oleh karena itu satu atom khlorin mampu terus menerus mengubah ozon menjadi oksigen melalui ribuan reaksi sejenis.  Proses perusakan ozon ini ditunjukkan pada Gambar 1 dan 2.

   

Gambar 1 Proses penguraian CFC [1]                                        

 

Gambar 2 Pemecahan ozon [1]

Dengan menipisnya lapisan ozon, lapisan pelindung yang terletak pada ketinggian sekitar 15-50 km di atas permukaan bumi, radiasi ultraviolet dari matahari akan langsung  sampai ke bumi yang dapat menyebabkan gangguan kesehatan dan gangguan keseimbangan ekosistem.  Ringkasan perbandingan dampak refrigeran terhadap lingkungan CFC-12, HCFC-22, HCFC-134a dan hidrokarbon ditunjukkan pada Tabel 1. Terlihat bahwa hidrokarbon adalah refrigeran yang ramah lingkungan, karena tidak merusak ozon (ODP nol) dan tidak menyebabkan pemanasan global (GWP diabaikan). 

Tabel 1 Perbandingan dampak terhadap lingkungan [2]

Refrigeran	Formula	Usia aktif (tahun)	ODP	GWP
CFC-12	CCl2F2	120	1.0	4000
HCFC-22	CHClF2	13.3	0.055	1700
HFC-134a	CH2FCF3	14.6	0	1300
Hidrokarbon	CnHm	<1	0	-

Kebijakan Internasional dan Nasional Mengenai Dampak Lingkungan Refrigeran

Kesadaran masyarakat internasional akan pentingnya menjaga lapisan ozon dituangkan ke dalam berbagai konvensi, antara lain:

• Vienna Convention , 22 Maret 1985, Austria, tentang perlindungan ozon.

• Montreal Protocol, September 16, 1987, Canada. Zat yang termasuk ODS menurut Montreal Protocol antara lain: CFC (R-11, R-12, R-13, R-111, R-112, R-113, R-114, R-115), HCFC (R-22, R-123, R-124, R-141, R-142), Halon (Halon-1211, Halon-1302, Halon-2402), dan lainnya (Carbon Tetrachloride, Methyl Chloroform, Methyl bromide).

• London Amendement, 27-29 Juni 1990, tentang jadwal penghapusan produksi ODS.

• Copenhagen Amendement, 23-25 November 1992, Denmark, tentang penjadwalan penghapusan HCFC.

Perhatian pemerintah Inddonesia dituangkan ke dalam berbagai peraturan baik berupa keputusan presiden maupun keputusan menteri antara lain :

• Kep. Pres No:23 Tahun 1992, meratifikasi Konvensi Wina, Montreal Protocol dan Amendemen London.  

• Kep. Menperindag No: 110/MPP/Kep/1/1998, mengenai pelarangan memproduksi barang yang menggunakan ODS dan kewajiban barang baru menggunakan zat non ODS. Bahan ODS dan barang yang terbuat dari ODS hanya dapat diperdagangkan sampai 2005.

• Kep. Menperindag No: 111/MPP/Kep/1/1998, mengenai pelarangan import ODS dan pembatasan import CFC-12 untuk keperluan purna jual sampai tahun 2003 sebanyak 700 ton melalui importir terdaftar.

• Kep. Menperindag No: 410-411/MPP/Kep/9/1998

• Kep. Menperindag No: 789-790/MPP/Kep/12/2002, mengenai perpanjangan izin import ODS oleh importir terdaftar sampai 31 Desember 2007.

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 glide, K	-	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  

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. 

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

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 

1. United Nations Environment Programme Industry and Environment, Chillers and Refrigerant Management, United Nations Publication, Paris,1994.

2. Watanabe, Koichi, Widiatmo, Januarius V., Alternative Refrigerants and their thermophysical Properties Research, Seminar on ODS Phase Out, 5-7 Mei 1999, Bali

3. Ecofrig, Refrigeration Appliances Using Hydrocarbon Refrigerants, Ecofrig publication, United Kingdom, 1997.

4. Jazwin, Richard, Alternative Refrigerants, ICI Klea, Wilmington, 1995.

*) Makalah ini disampaikan pada Pelatihan Penggunaan Refrigeran Hidrokarbon pada Mesin Pendingin di Bandung, 18 Desember 2004 yang diselenggarakan oleh Himpunan Praktisi Tata Udara dan Refrigerasi (HIMPATUR). Makalah ini ditampilkan kembali pada web site ini dalam rangka peringatan berakhirnya jangka waktu izin import ODS di Indonesia pada akhir tahun 2007.