Abstrak—Reefer  Container  konvensional  pada  umumnya menggunakan  siklus  kompresi  uap  satu  tingkat  dimana  suhu yang dihasilkan sekitar -20˚C. Maka dari itu untuk peningkatan suhu  yang  lebih  baik  dan  efisiensi  sistem  sendiri  dalam penelitian  ini  dilakukan  yaitu  pengubahan  sistem  refrigerasi dari satu tingkat atau single-stage menjadi cascade dimana pada sistem tersebut merupakan penggabungan sistem kompresi uap satu  tingkat  menjadi  dua  dengan  dua  jenis  refrigeran,  dua kompressor dan ditambahkan Heat Exchanger dimana pada HE (Heat  Exchanger)  terdapat  kondensor  LS  (Low  Stage)  dan evaporator  HS  (High  Stage).  Sistem  cascade  sendiri  dapat mencapai suhu  yang lebih  rendah  dibandingkan  konvensional atau single-stage. Pada sistem refrigerasi cascade juga memiliki efisiensi sistem pendinginan yang lebih baik COP (Coefficient of Perfomance) akan tetapi konsumsi energi yang dihasilkan lebih tinggi dikarenakan pengaruh daya kompresor yang lebih tinggi dibandingkan  dengan  sistem  refrigerasi  konvensional  atau single-stage.  Penelitian  ini  ditujukan  untuk  menentukan parameter  desain  yang  lebih  optimal  dan  baik.  Untuk  sistem refrigerasi  konvensional  menggunakan  refrigeran  R404A  dan sistem refrigerasi cascade menggunakan refrigeran R290 untuk HS  (High  State)  dan  R404A  untuk  LS  (Low  State)  dengan parameter  pada  evaporator  -20˚C  dan  temperatur  kondensor 35˚C kemudian pada Heat Exchanger Low Stage -5˚C dan pada High Stage -10˚C, serta menganalisa konsumsi energi dan biaya tarif  nilai  ekonomi  tiap  sistem  refrigerasi  per  hari  dan  per bulan.  Untuk  parameter  yang  telah  ditetapkan  sebelumnya akan disimulasikan dengan software Pack Calculation Pro dan didapatkan nilai COP (Coefficient of Perfomance) untuk sistem refrigerasi konvensional R404A sebesar 1,71 dan untuk sistem cascade R290/R404A sebesar 2,03. Sedangkan untuk konsumsi energi total pada konvensional R404A sekitar 8176,3 kWh dan untuk  cascade  R290/R404A  sebesar  19235,2  kWh.  Kemudian untuk tarif biaya listrik sistem cascade lebih mahal dengan total tarif  sebesar  Rp  21,442,246.8  per  tahunnya  dibandingkan konvensional  sebesar  Rp  9.114.448,66  dengan  perbedaan  tarif sekitar Rp 12,327,798.19.
Kata Kunci—Cascade, COP, Konsumsi Energi, Reefer Container, Sistem Refrigerasi.

## I. PENDAHULUAN
ISTEM refrigerasi cascade adalah  modifikasi  yang efektif untuk menjaga kualitas dan kesegaran ikan selama pengiriman.  Dalam  sistem  ini,  dua  jenis  refrigeran  berbeda digunakan  dalam  dua  siklus  yang  terhubung  menjadi  satu sistem.  Sistem  ini  menggabungkan  unit  kompresi  uap  satu tingkat  dengan  komponen heat  exchanger dari  evaporator pada  siklus high  stage (HS)  dan low  stage (LS).  Sistem refrigerasi cascade memiliki  kemampuan  untuk  memenuhi rentang  temperatur  rendah  dalam reefer  container dengan efisiensi  tinggi.  Berbeda  dengan  sistem  tunggal  yang menggunakan satu kompresor, sistem cascade menggunakan lebih  dari  satu  kompresor  seperti  pada  sistem  refrigerasi bertingkat ( multistage ) atau kombinasi dua atau lebih sistem refrigerasi tunggal ( cascade ) dengan satu sebagai high-stage
(HS)  dan  yang  lain  sebagai low-stage (LS).  Dari  kedua pilihan tersebut, sistem refrigerasi cascade dianggap sebagai pilihan  terbaik  untuk  menghasilkan  penghematan  daya  dan meningkatkan  performa  unjuk  kerja  ( Coefficient  Of Performance )  [1].  Sistem  refrigerasi cascade merupakan salah  satu  alternatif  yang  banyak  digunakan  pada  sistem refrigerasi  temperatur  rendah,  aplikasi  di  bidang  komersial pada  pengawetan  dan  penyimpanan  makanan  dibutuhkan temperatur  -18°C  sampai  dengan  -35°C  [2].  Skema  dapat dilihat pada Gambar 1. Sistem kompresi uap satu tahap tidak efisien dalam situasi di mana suhu evaporator sangat rendah atau  suhu  kondensor  sangat  tinggi.  Hal  ini  menyebabkan penurunan kinerja pendinginan dan peningkatan beban kerja pada  kompresor.  Sebagai  alternatif,  disarankan  untuk menggunakan  sistem  refrigerasi cascade atau  multi  tingkat. Sistem  ini  terdiri  dari  dua  atau  lebih  siklus  yang  saling terhubung,  seperti  multi-tingkat  kompresi,  multi-tingkat evaporator,  atau  kombinasi  keduanya.  Sistem cascade atau multi  tingkat  lebih  efisien  dalam  memenuhi  kebutuhan pendinginan dengan temperature lift yang tinggi [3]. Kondensor  pada  sistem high  temperature (HT)  yang disebut  sebagai  tahap  pertama  atau  tahap  tekanan  tinggi, biasanya  didinginkan  oleh  kipas  dengan  udara  sekitarnya. Dalam  beberapa  kasus  dapat  menggunakan  pendingin  air akan  tetapi  pendinginan  udara  lebih  umum  digunakan. Evaporator  pada  sistem low  temperature (LT)  digunakan untuk mendinginkan kondensor pada sistem LT yang disebut tahap kedua atau tahap tekanan rendah. Unit yang merupakan evaporator  sistem  HT  dan  kondensor  sistem  LT  sering disebut  sebagai  kondensor  antar  tahap  ( inter-stage )  atau kondensor cascade [4]. Penggunaan sistem refrigerasi multi- tingkat  atau cascade dapat  mengatasi  keterbatasan  sistem kompresi  uap satu  tahap dan memberikan solusi  yang lebih efisien  dan  sesuai  dengan  kebutuhan  penggunaan  yang diinginkan .

## II. TINJAUAN PUSTAKA

## A. Reefer Container
Reefer container adalah kontainer khusus yang digunakan untuk  menjaga  kualitas  dan  ketahanan  muatan  selama pengiriman dengan suhu ruangan yang rendah. Setiap muatan atau  komoditas  memiliki  persyaratan  temperatur  yang berbeda sesuai dengan karakteristiknya agar tidak mengalami degradasi atau pembusukan sebelum sampai ke tujuan. Reefer container merupakan  salah  satu  jenis  petikemas  dengan sistem  pendingin  tertutup.  Untuk  menjaga  temperatur muatan, reefer container menggunakan power supply diesel atau genset selama transportasi. Namun, saat berada di kapal atau dalam perjalanan, sistem refrigerasi mendapatkan suplai daya  dari  kapal.  Suhu  yang  diatur  dalam reefer  container
Studi Komputasional Sistem Refrigerasi Cascade

## R290/R404A pada Reefer Container ½ Ton
Verrill Rafi Hadidaffa, Sutopo Purwono Fitri, dan Ede Mehta Wardhana Departemen Teknik Sistem Perkapalan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
e-mail : sutopopf@gmail.com
S
biasanya  berkisar  antara  -40°C  hingga  +30°C.  Sensor flow rate terdapat pada panel monitor dan jumlahnya dipengaruhi oleh  bukaan  ventilasi.  Dengan  menggunakan reefer container ,  muatan  dapat  tetap  terjaga  kualitasnya  selama pengiriman,  dan  berbagai  suhu  dapat  diatur  sesuai  dengan persyaratan  muatan  untuk  mencegah  kerusakan  atau pembusukan sebelum mencapai tujuan akhir [3].

## B. Sistem Refrigerasi Konvensional
Pada  dasarnya reefer  container menggunakan  sistem referigerasi  atau  sistem  pendingin  yang  memanfaatkan kompresi uap. Sistem tersebut merupakan sistem yang paling sederhana daripada alternatif sistem yang ada atau yang lain, dimana  komponen-komponen  setiap  prosesnya  hanya  ada satu  buah  sistem  kerja.  Sebuah  sistem  kompresi  uap sederhana  hanya  terdiri  dari  sebuah  kompressor,  sebuah kondensor,  sebuah  katup  ekspansi  dan  sebuah  evaporator yang  dihubungkan  dengan  instalasi  perpipaan.  Sistem refrigerasi sendiri juga bisa didefinisikan dengan suatu proses penurunan  suhu  dalam  sebuah  ruangan  maupun  kontainer sehingga  suhu  didalam  ruangan  tersebut  lebih  rendah  dari suhu  lingkungan  di  sekitar  ruangan  maupun  benda  tersebut [3].  Sistem  refrigerasi  adalah  usaha  untuk  mempertahankan suhu rendah yaitu suatu proses mendinginkan udara sehingga dapat  mencapai  temperatur  dan  kelembaban  yang  sesuai dengan  kondisi  yang  dipersyaratkan  terhadap  kondisi  udara dari suatu ruangan tertentu.

## C. Komponen Utama Sistem Refrigerasi
Komponen  –  komponen  utama  dalam  sistem  refrigerasi terdiri  dari  beberapa  komponen.  Jika  salah  satu  dari komponen  tersebut  tidak  ada  maka  sistem  refrigerasi  tidak akan  dapat  bekerja  karena  komponen  tersebut  merupakan komponen  penting  untuk  membuat  suatu  sistem  refrigerasi
kompresi  uap  sederhana.  Berikut  ini  adalah  beberapa komponen utama dari sistem refrigerasi konvensional:

## 1) Kompresor
Kompresor  merupakan  bagian  inti  dari  komponen  utama sistem  refrigerasi  atau  sistem  pendingin,  kompresor  sendiri menurunkan  tekanan  dari  sistem  pada  sisi  tekanan  rendah yang akan meliputi evaporator dan menaikkan tekanan pada sisi  tekanan  tinggi,  dengan  adanya  perbedaan  tekanan tersebut yang bisa mengakibatkan refrigeran mengalir.

## 2) Kondensor
Fungsi  kondensor  merubah  uap  menjadi  cairan  dengan beberapa metode atau cara pendinginan. menjelaskan bahwa kondensor  menolak  panas  sensibel  dan  panas  laten  dari sistem  pendingin.  Panas  yang  dihasilkan  tersebut  diserap langsung  oleh  evaporator  seperti  dari  panas  kompresi  dan gesekan mekanis yang dihasilkan pada langkah kompresi dan setiap  panas  tersebut  diserap  oleh  refrigeran  pada  saluran hisap sebelum memasuki kompresor [5].

## 3) Evaporator
Evaporator  merupakan  sebuah  media  penguapan  cairan refrigran  yang  berasal  dari  katup  ekspansi.  Penguapan  ini bertujuan  untuk  menyerap  energi  panas  dari  kompartemen yang  akan  didinginkan  melalui  perpindahan  panas  dari dindingnya.  Evaporator  menghilangkan  panas  dari  ruangan yang  didinginkan.  Saat  udara  didinginkan,  evaporator mengembunkan uap air [6].

## 4) Katup Ekspansi
Fungsi  utama  dari  katup  ekspansi  ini  ialah  untuk mengontrol  laju  aliran  refrigeran  dari  sisi  kondensasi  yang bertekanan  tinggi  pada  sistem  kedalam  evaporator  yang bertekanan  rendah,  pengurangan  tekanan  tersebut  dapat dicapai melalui orifice .  Selanjutnya juga katup ekspansi juga mengontrol  atau  mengatur  pemasukan  refrigeran  seuai
Gambar 1. Skema Sistem Refrigerasi Cascade.
Gambar 2. Perancangan Sistem Refrigerasi Cascade R290/R404A.
Tabel 1.
Resume Total Beban Pendinginan Konvensional Beban Pendinginan Konvensional R404A Nama Q (Watt) Q Produk 1910.714 Q Infiltrasi 0 Q Transmisi 222.383 Q Peralatan 5 Q Irradiation 0 Subtotal 2138.097 Safety factor, 10% 213.809 Total Beban 2351.907121 Tabel 2. Resume Total Beban Pendinginan Cascade Beban Pendinginan Cascade R290/R404A Nama Q (Watt) Q Produk 1910.714 Q Infiltrasi 0 Q Transmisi 222.383 Q Peralatan 5 Q Irradiation 0 Subtotal 2138.097 Safety factor, 10% 213.809 Total Beban 2351.907 Beban Low Stage R404A 2351.907 Beban High Stage R290 4887.025
dengan  beban  pendinginan  yang  harus  diserap  oleh evaporator.

## D. Sistem Refrigerasi Cascade
Sistem  refrigerasi  kompresi  uap  bertingkat  merupakan sistem  kompresi  uap  lanjutan  yang memiliki  dua atau  lebih jumlah kompresor sebagai komponen yang dapat memompa dan  mensirkulasikan  refrigeran  dan  menaikan  tekanannya. Sistem  refrigerasi  bertingkat  berdasarkan  sistem  kerjanya dibagi  menjadi  dua,  yaitu  sistem  refrigerasi  bertingkat tertutup  dan  sistem  refrigerasi  bertingkat  terbuka.  Sistem refrigerasi  bertingkat  tertutup  biasanya  diwakilkan  oleh sistem  refrigerasi  cascade,  sedangkan  untuk  sistem  yang bertingkat  biasanya  diwakilkan  dengan  sistem  refrigerasi multi-stage yang menggunakan satu fluida kerja [7]. Sistem cascade sangat  efektif  jika  kita  menginginkan  temperatur yang sangat rendah. Pada aplikasinya dapat terdapat 2 sistem kompresi uap dimana evaporator pada kompresi uap pertama yang memiliki temperatur relatif lebih tinggi digunakan untuk menyerap  kalor  pada  kondensor  di  kompresi  uap  kedua, sehingga  evaporator  pada  kompresi  uap  kedua  memiliki temperatur  yang  lebih  rendah.  Sistem cascade sendiri menggunakan  refrigeran  yang  berbeda  pula  tergantung  dari tekanan kerja maupun jenis kompresor yang digunakan pada sistem pendinginan tersebut. Penggunaan kompresor sendiri akan  lebih  kecil  dan  jumlah  panas  yang  diserap  akan  lebih meningkat  jika  menggunakan  siklus cascade dan  hasilnya tersebut  memberikan  dampak  ke coefficient  of  perfomance (COP) dari sistem pendingin akan meningkat sesuai dengan kebutuhan yang diinginkan [1].

## E. Refrigeran R290 dan R404A
Pemilihan  refrigeran  untuk  sistem  kompresi  uap  harus dipertimbangkan  dengan  baik,  dikarenakan  terdapat  faktor yang  mempengaruhi  sistem  kompresi  uap,  dari  segi ekonomis,  ramah  lingkungan  dan  keamanan  dari  refrigeran dipilih.  Jika  didalam  sistem  kompresi  uap  yang  akan  di terapkan  dalam cold  storage dipilih  refrigeran  yang berbahaya,  tentunya  akan  berdampak  buruk  untuk  bahan yang  disimpan.  Pertimbangan  ini  dapat  lebih  dikerucutkan dengan  mendahulukan  dampak  apa  yang  menjadi  prioritas dari  refrigeran yang akan digunakan apakah keekonomisan, dampak  lingkungan  yang  dapat  ditimbulkan  ataupun keamanan terhadap muatan yang akan didinginkan [8].

## 1) Refrigeran R290
Refrigeran  R290  ( propane )  yang  memiliki  formula senyawa  kimia  C3H8  dengan  NBP  ( Normal  Boiling  Point ) sebesar  -42,2°C,  dan  temperatur  kritis  sebesar  96,7°C, kemudian refrigeran R290 adalah bahan yang tidak memiliki ODP  ( Ozon  Depleting  Potential )  dan  memiliki  nilai  GWP ( Global Warming Potential )  yang sangat rendah kurang lebih sebesar ~20 ͩ [9]. Produk R290 yang berada di pasaran adalah Musicool  22  (MC22)  dari  PT  Pertamina.  Musicool  22 merupakan refrigeran yang aman dan ramah lingkungan hal itu  bisa  menggantikan  refrigeran  yang  dapat  merusak lingkungan antara lainnya seperti R-12 (CFC), R-22 (HCFC), dan  R-134a  (HFC).  Adapun  kelebihan  dari  Musicool  ini sendiri  adalah  tidak  diperlukannya  pergantian  oli,  tidak diperlukannya  pergantian  komponen,  jumlah  pengisian media pendinginan hanya sekitar 30% dibandingkan CFC dan HFC,  menurunkan  konsumsi  listrik  sekitar  18-23%,  dan pencapaian temperatur dingin lebih cepat.

## 2) Refrigeran R404A
Refrigeran  yang  sering  digunakan  dalam  aplikasi pengkondisian  udara  dan  refrigerasi  adalah  R404A.  Untuk jenis  refrigeran  R404A  sendiri  adalah  salah  satu  jenis  dari beberapa jenis refrigeran dari fraksi HFC. Refrigeran R404A dapat  digunakan  atau  diaplikasikan  untuk  sistem refrigerasi cascade  yang  bertemperatur  menegah  maupun  refrigerasi cascade temperatur rendah [3].
F. Software Pack Calculation Pro
Software  Pack  Calculation  Pro sendiri  dirancang  khusus untuk  membandingkan  beberapa  desain  dari  sistem refrigerasi  yang  akan  digunakan,  kemudian  strategi  kontrol dan  refrigeran  untuk  pembuatan  refrigerasi  maupun heat pump yang  akan  disimulasikan,  dengan  menghitung konsumsi energi tahunan, serta Life Cycle Costing (LCC) dan Total Equivalent Warning Impact (TEWI). Hal tersebut juga memperhitungkan perhitungan yang ada kemudian mengurangi  jumlah  data  yang  sudah  dimasukan  maupun diberikan  antara  lainnya  dengan  menggunakan  data  beban dan  data  cuaca  untuk  menghitung  kinerja  dari  sistem refrigerasi tersebut.

## III. URAIAN PENELITIAN

## A. Identifikasi Masalah
Dalam  penelitian  ini  terdapat  dua  lingkup  pemabahasan, untuk pembahasan yang pertama yaitu bagaimana pemodelan sistem  refrigerasi cascade R290/R404A  pada reefer container 1  ton  dan  bagaimana  kinerja  termal  pada  sistem
Tabel 5. Nilai Entalpi dan Tekanan Cascade R290 HS Nilai Entalpi dan Tekanan
High Stage R290
h5 563.65 kJ/kg h6 650.1 kJ/kg h7 292.84 kJ/kg h8 175.35 kJ/kg Low Pressure 345.3 kPa
High Pressure
1218 kPa Tabel 3. Nilai Entalpi dan Tekanan Konvensional R404A Nilai Entalpi dan Tekanan h1
361.7 kJ/kg
h2 430 kJ/kg h3
248 kJ/kg
h4 248 kJ/kg
Low Pressure 303 kPa High Pressure 1608 kPa Tabel 4. Nilai Entalpi dan Tekanan Cascade R404A LS
Nilai Entalpi dan Tekanan Low Stage R404A
h1 356.5 kJ/kg h2 569.3 kJ/kg h3 187.59 kJ/kg h4 172.8 kJ/kg Low Pressure 301 kPa
High Pressure 406 kPa
refrigerasi cascade R290/R404A pada reefer container 1 ton dengan menggunakan software Pack Calculation Pro.

## B. Studi Literatur
Pada  tahap  ini  digunakan  untuk  memperoleh  informasi tentang  dasar  –  dasar  teori  dan  informasi  pendukung  untuk memecahkan  masalah.  Studi  literatur  dapat  berasal  dari makalah,  jurnal,  tesis, maupun  buku  –  buku  yang  berkaitan dengan dengan suatu masalah yang akan diteliti.

## C. Studi Empiris
Studi  empiris  sendiri  dilakukan  setelah  mengidentifikasi masalah dan studi literatur dimana pada tahap ini melakukan pengumpulan  data  dan  penunjang  untuk  melaksanakan penelitian yang dilakukan.

## D. Perancangan Model Sistem Refrigerasi Cascade
Perancangan model sistem refrigerasi cascade R290/R404A pada reefer container 1 ton yaitu model sistem yang akan digunakan pada reefer container 1 ton, refrigeran High  State dan Low  State ,  setting  evaporator,  dan  setting kondensor yang akan digunakan seperti Gambar 2.
Pada  Gambar  2  dapat  dilihat  sistem  refrigerasi  cascade R290/R404A  berupa p&id ,  berikut  ini  adalah  fungsi  dari keterangan komponen  –  komponen dimana pada Low Stage (R404A) dan High Stage (R290) sendiri seperti berikut ini:
1) EV
Merupakan  Evaporator  pada low  stage R404A  dimana evaporator pada LS sendiri memiliki fungsi yaitu menyerap panas dari udara dan disalurkan ke refrigeran.

## 2) HE
Heat  Exchanger pada  sistem  refrigerasi cascade R290/R404A merupakan bagian dari sistem cascade dimana ada dua buah komponen yaitu kondensor LS dan evaporator HS.

## 3) CD
Condensor merupakan bagian dari high stage R290 dimana condensor pada CD sendiri memiliki fungsi  yaitu kebalikan dari  evaporator  dimana condensor untuk  mendinginkan refrigeran.

## 4) CO-LS
Merupakan  kompresor  utama  pada  bagian low  stage R404A  dan  memiliki  fungsi  untuk  mengompres  udara bertekanan  atau  refrigeran  bertekanan  yang  kemudian
disalurkan  menuju  heat  exchanger low  stage R290 (kondensor).

## 5) CO-HS
Merupakan kompresor utama pada bagian high stage R290 dan  memiliki  fungsi  untuk  mengompres  udara  bertekanan atau refrigeran bertekanan.
6) HEF- LS&HS
Heat Exchanger Efficiency berfungsi untuk meningkatkan suhu  refrigeran  yang  ingin  diinginkan  sesuai  dengan perancangan di awal.

## 7) EC
Economizer berfungsi  untuk  mendinginkan  sebagian refrigeran  total  dari  kondensor  untuk  mendinginkan  sisa aliran yang akan menuju ke heat exchanger (evaporator HS).
8) EU-1&2
Expansion  Unit berfungsi  untuk  menurunkan  atau mendinginkan suhu refrigeran yang menyebabkan refrigeran berubah wujud dari cair menjadi uap yang kemudian menuju evaporator.

## E. Simulasi Software Pack Calculation Pro
Mensimulasikan  sistem  refrigerasi  konvensional  dengan refrigeran  R404A  dan  sistem  refrigerasi cascade dengan refrigeran R290/R404A dan pada tahap ini pun membandingkan beberapa desain sistem refrigerasi, kemudian setelah menghitung beban pendinginan yang telah dilakukan dimana pada software ini juga bisa memilih nilai Coefficient of Perfomance (COP) yang lebih baik.

## F. Pengecekan Hasil Simulasi Software
Selanjutnya pengecekan atau validasi yang bertujuan untuk melihat apakah ada error saat menjalankan simulasi. Apabila terdapat error dan dapat tidak dapat dianalisa maka dilakukan kembali proses pemodelan struktur sistem refrigerasi cascade R290/R404A  pada reefer  container 1  ton  dan running simulation ulang.  Apabila  telah  memeroleh  data  dari  hasil simulasi  yang  sesuai  dengan  keinginan,  maka  dapat dibandingkan  dengan  hasil  data  dari  perhitungan  manual untuk  mencari  tahu  perbedaan  antara  kedua  metode  mana yang lebih akurat.

## G. Kesimpulan
Kesimpulan  yang  dibuat  harus  sesuai  dengan  rumusan masalah yang telah dibuat pada bab 1 sebelumnya.
Gambar 3.  Sistem Konfigurasi Konvensional R404A.
Gambar 4. Final Report Sistem Refrigerasi Konvensional R404A.

## IV. HASIL DAN DISKUSI

## A. Perhitungan Beban Pendingin Konvensional R404A
Beban  pendinginan  merupakan  beban  total  yang  harus diatasi  oleh  sistem  refrigerasi  untuk  mencapai  suhu  yang diinginkan  selama  pengoperasian reefer  container yang digunakan pada penelitian ini. Perhitungan beban pendinginan ini harus di hitung terlebih dahulu dikarenakan akan  mempengaruhi  desain  sistem  refrigerasi,  beban pendinginan diperoleh melalui persamaan seperti berikut:
𝑄𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑄𝑡1 + 𝑄𝑡2 + 𝑄𝑡 (1)
Dari  Persamaan (1) diatas dapat  disimpulkan bahwa total beban  pendinginan  merupakan  akumulasi  perhitungan  dari beberapa jenis bebean dimana Qt1 merupakan beban produk, Qt2  merupakan  beban  infiltrasi,  Qt3  merupakan  beban transmisi,  Qt4  merupakan  beban  peralatan  dan  Qt5 merupakan beban irradiation.

## 1) Beban Produk
Beban produk adalah beban panas yang dikeluarkan oleh kargo  dan  harus  diatasi  oleh  sistem  refrigerasi.  Pada penelitian  ini  dirancang  menggunakan dummy  cargo ikan sebesar 100% dari muatan dengan Cp ( spesific heat ) sebesar 2,14 kJ/kgC, massa total beban produk 1000 kg, suhu muatan masuk T1 = 25°C, suhu yang direncanakan yaitu T2 = -20°C dan  waktu  yaitu  selama  14  jam.  Dimana  perhitungan diperoleh Persamaan (2) dan (3).
𝑄 = 𝑀 × 𝐶𝑝 × 𝛥𝑇 (2) 𝑄𝑡1 = 𝑄/𝑠 (3)

## 2) Beban Infiltrasi
Beban  infiltrasi  pada  penelitian  ini  akan  dilakukan  pada prototipe  dan  diasumsikan  tidak  ada  udara  dari  luar  yang masuk  ke  dalam  prototipe,  maka  beban  infiltrasi  ditiadakan dan ditunjukkan seperti Persamaan (4)
𝑄𝑡2 = 0 (4)

## 3) Beban Transmisi
Beban  transmisi  merupakan  beban  yang  harus  diatasi oleh  sistem  refrigerasi  selama  pendinginan  berlangsung dimana diperoleh Persamaan (5) seperti berikut ini:
𝑄𝑡3 = 𝐴 × 𝑇 1 ℎ 0 + 𝑥1 𝑘1 + 𝑥2 𝑘2 +. . . . . + 1 ℎ 1 (5)

## 4) Beban Peralatan
Beban peralatan sendiri merupakan beban yang terdapat pada reefer container dimana beban tersebut harus diatasi oleh sistem refrigerasi yaitu berupa fan akibat evaporator, dan didapatkan Persamaan (6):
𝑄𝑡4 = 5
(6)

## 5) Beban Irradiation
Beban irradiation sendiri diasumsikan menjadi 0 karena reefer  container diletakkan  pada  tempat  yang  tertutup sehingga  tidak  terjadi  beban  irradiation,  dan  didapatkan Persamaan (7) seperti berikut:
𝑄𝑡5 = 0
(7)

## B. Perhitungan Beban Pendingin Cascade R290/R404A
Perhitungan  beban  pendinginan  merupakan  beberapa beban yang harus diatasi dan ditangani oleh sistem refrigerasi yang  digunakan  jika  beban  dapat  diatasi  maka  suhu  yang diinginkan  akan  tercapai  selama  pengoperasian reefer container .  Beban  pendinginan  sistem  refrigerasi cascade harus  di  hitung  terlebih  dahulu  dikarenakan  akan mempengaruhi desain sistem refrigerasi, beban pendinginan diperoleh melalui persamaan (1).
Kemudian  setelah  didapatkan  persamaan  tersebut  maka harus  menghitung  terlebih  dahulu  beban  –  beban yang  ada, dimana  antara  lainnya  yaitu  beban  produk,  beban  infiltrasi, beban transmisi, beban peralatan, dan beban irradiation .

## 1) Beban Produk
Beban  panas  yang  dihasilkan  oleh  kargo  dan  bagaimana sistem  refrigerasi  mengatasinya.  Dalam  penelitian  ini menggunakan  sebuah dummy  cargo berbentuk  ikan  yang
Gambar 5. Sistem Konfigurasi Cascade R290/R404A.
Gambar 6. Final Report Sistem Cascade R290/R404A.
mewakili  100%  muatan reefer  container . Dummy  cargo ini memiliki nilai Cp ( spesific heat ) sebesar 2,14 kJ/kgC. Total massa  dari  beban  produk  adalah  1000  kg,  dan  suhu  saat memasuki sistem adalah T1 = 25°C. Suhu yang ingin dicapai adalah T2 = -20°C, dan proses ini akan berlangsung selama 14 jam. Dimana persamaan yang digunakan yaitu Persamaan (2) dan Persamaan (3).

## 2) Beban Infiltrasi
Dalam  penelitian  ini,  akan  menggunakan  prototipe  yang diasumsikan kedap udara, sehingga tidak ada infiltrasi udara dari  luar  yang  masuk  ke  dalamnya.  Oleh  karena  itu,  beban infiltrasi  diabaikan  dalam  analisis  kami  maka  perhitungan yang dilakukan menggunakan Persamaan (4).

## 3) Beban Transmisi
Beban  transmisi  adalah  beban  yang  harus  diatasi  oleh sistem  refrigerasi  saat  proses  pendinginan  berlangsung,  dan persamaannya  yang  digunakan  untuk  menghitung  beban transmisi menggunakan Persamaan (5).

## 4) Beban Peralatan
Beban  peralatan  adalah  beban  yang  ada  pada reefer container dan  harus  diatasi  oleh  sistem  refrigerasi  melalui penggunaan kipas pada evaporator. Persamaan untuk  beban peralatan menggunakan Persamaan (6).

## 5) Beban Irradiation
Beban  irradiation  sendiri  diasumsikan  nol  karena reefer container ditempatkan  di  area  yang  sepenuhnya  tertutup, sehingga  tidak  ada  paparan  radiasi  yang  mempengaruhi reefer  container tersebut.  Dengan  demikian,  persamaan untuk perhitungan beban irradiation sendiri diabaikan, maka persamaannya menggunakan Persamaan (7).
C. Setting Sistem Refrigerasi Konvensional & Cascade Pada setting sistem refrigesasi  konvensional  dan cascade sendiri  menggunakan  refrigeran  yang  berbeda,  untuk
konvensional  menggunakan  refrigeran  R404A  dan cascade menggunakan refrigeran HS ( High State ) R290 dan LS ( Low State )  R404A.  Kemudian  untuk setting kondensor  35°C untuk  konvensional  dan cascade , setting evaporator  20°C untuk  konvensional dan cascade , kemudian heat  exchanger cascade R290 -10°C  dan heat  exchanger  cascade R404A  - 5°C.  Resume  total  beban  pendinginan  konvensional  dimuat oleh Tabel 1, sedangkan untuk cascade dimuat oleh Tabel 2.

## D. Energy Balance / Kesetimbangan Energi
Kesetimbangan  energi  dalam  sistem  refrigerasi  diperoleh dengan  melakukan  pembacaan  diagram Pressure-Enthalpy (P-H)  dari  refrigeran  yang  digunakan  untuk  menentukan parameter  dari  operasi  sistem  refrigerasi,  adapun  beberapa persamaan  yang  digunakan  dalam  mencari  kesetimbangan energi  pada  sistem  refrigerasi  konvensional,  sebelum melakukan  perhitungan  kesetimbangan  energi  diperlukan nilai entalpi dan tekanan dari refrigeran seperti yang dimuat dalam Tabel 3.
𝑄𝑒𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑡𝑜𝑟 = 𝑄𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 (8)
𝐸𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑡𝑜𝑟 = 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑓𝑙𝑜𝑤𝑟𝑎𝑡𝑒 × ( ℎ 2 − ℎ 1) (9)
𝑊𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠𝑜𝑟 = 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑓𝑙𝑜𝑤𝑟𝑎𝑡𝑒 × ( ℎ 3 − ℎ 2) (10)
𝑄𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟 = 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑓𝑙𝑜𝑤𝑟𝑎𝑡𝑒 × ( ℎ 4 − ℎ 3) (11)
Kemudian, kesetimbangan energi dalam sistem refrigerasi cascade berbeda dengan sistem refrigerasi konvensional pada persamaan rumus yang digunakan akan tetapi sama dalam hal pembacaan diagram Pressure-Enthalpy (P-H) dari refrigeran yang  digunakan  sistem  refrigerasi cascade R290/R404A, Tabel  4  serta  Tabel  5  memuat  entalpi  dan  tekanan  tiap refrigeran  yang  digunakan  dan  persamaan  yang  digunakan untuk mencari kesetimbangan energi.
𝑄𝑒𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑡𝑜𝑟 = 𝑚𝑙𝑠( ℎ 1 − ℎ 4) 𝑚𝑙𝑠 = 𝑄𝑒𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑡𝑜𝑟 ( ℎ 1 − ℎ 4) (12)
Gambar 7. Perbandingan COP Sistem Refrigerasi Konvensional R404A
& Cascade R290/R404A.
Gambar 8. Perbandingan Konsumsi Energi Konvensional & Cascade.
Gambar 9. Perbandingan Tarif Harian per Bulan.
Gambar 10. Perbandingan Tarif Biaya Bulanan per Tahun.
𝑄𝑘𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟𝐿𝑆 = 𝑄𝑒𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑡𝑜𝑟𝐻𝑆 𝑚𝑙𝑠( ℎ 2 − ℎ 3) = 𝑚 ℎ 𝑠( ℎ 5 − ℎ 8) 𝑚 ℎ 𝑠 = (𝑚𝑙𝑠( ℎ 2 − ℎ 3)) ( ℎ 5 − ℎ 8) (13)
𝑄𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟𝐻𝑆 = 𝑚 ℎ 𝑠( ℎ 6 − ℎ 7) (14)
𝑊𝑐𝑜𝑚𝑝𝐿𝑆 = 𝑚𝑙𝑠( ℎ 2 − ℎ 1) (15)
𝑊𝑐𝑜𝑚𝑝𝐻𝑆 = 𝑚 ℎ 𝑠( ℎ 6 − ℎ 5) (16)

## E. Hasil Software Pack Calculation Pro
Pada penelitian ini didapatkan hasil simulasi menggunakan software Pack Calculation Pro dimana pada software tersebut didapatkan coefficient  of  perfomance (COP)  tiap  sistem refrigerasi  konvensional  R404A  dan  sistem  refrigerasi cascade R290/R404A kemudian juga menghitung tarif listrik dari consumption  energy tahunan,  Gambar  3,  Gambar  4, Gambar  5,  dan  Gambar  6  merupakan  hasil  dari  sistem refrigerasi  konvensional  R404A  dan  sistem  refrigerasi cascade R290/R404A.
F. Perbandingan Coefficient of Perfomance (COP)
Pada perbandingan coefficient of perfomance (COP) untuk sistem refrigerasi konvensional R404A dan sistem refrigerasi cascade R290/R404A  didapatkan  hasil  yang  berbeda, Gambar  7  menunjukkan  perbandingan coefficient  of perfomance (COP) dari kedua sistem tersebut.
Didapatkan hasil coefficient of perfomance (COP) dimana pada sistem refrigerasi konvensional R404A didapatkan COP sebesar 1,71 sedangkan untuk COP sistem refrigerasi cascade R290/R404A  didapatkan  COP  sebesar  2,03.  Dengan perbedaan  tersebut  maka  konsumsi  energi  tiap  sistem refrigerasi  berbeda  dengan  lebih  banyak  konsumsi  energi pada  sistem  refrigerasi cascade R290/R404A  dikarenakan jumlah  dan  daya  kompresor  yang  digunakan  lebih  banyak dibandingkan sistem refrigerasi konvensional R404A.
G. Perbandingan Consumption Energy
Perbandingan konsumsi energi sistem refrigerasi konvensional  R404A  dan  sistem  refrigerasi cascade R290/R404A  yang  telah  didapatkan  sebelumnya  pada simulasi software pack calculation pro , dari Gambar 8 dapat dilihat konsumsi energi tiap sistem refrigerasi.
Pada  Gambar  8  didapatkan  konsumsi  energi  sebesar 8176,3  kWh  untuk  sistem  refrigerasi  konvensional  R404A dan  19235,2  kWh  untuk  sistem  refrigerasi cascade R290/R404A dimana terdapat perbedaan konsumsi dikarenakan  adanya  perbedaan  daya  kompresor  dan  jumlah kompresor yang digunakan pada sistem tersebut.

## H. Perbandingan Tarif Biaya Sistem Refrigerasi
Pada  perbandingan  tarif  biaya  sistem  refrigerasi, diperlukan  tarif  dasar  listrik  industri  besar  dimana  biaya tersebut  diambil  dari  sumber  PLN  wilayah  Jawa  Timur, Perbandingan  tarif  biaya  harian  per  bulannya  sistem refrigerasi  konvensional  R404A  dan  sistem  refrigerasi cascade R290/R404A ditunjukkan oleh Gambar 9.
Kemudian  Gambar  10  merupakan  perbandingan  tarif bulanan  per  tahun  dari  sistem  refrigerasi  konvensional R404A dan sistem refrigerasi cascade R290/R404A, dimana terdapat perbedaan yang cukup jauh untuk tarif biaya dimana untuk total per tahunnya sebesar Rp 9.114,448 untuk sistem
refrigerasi  konvensional  R404A  dan  Rp  21.442,246  untuk sistem refrigerasi cascade R290/R404A.

## V. KESIMPULAN
Adapun kesimpulan berdasarkan pembahasan yang sudah dijelaskan sebelumnya, maka diperoleh beberapa kesimpulan pada penelitian ini antara lainnya sebagai berikut: (1) Dengan menggunakan sistem refrigerasi cascade R290/R404A untuk reefer  container 1  ton,  berdasarkan  simulasi  dimana didapatkan  nilai coefficient  of  perfomance (COP)  sebesar 2,03  dibandingkan  dengan  sistem  refrigerasi  konvensional atau ¬ single-stage R404A dimana nilai COP hanya 1,71 lebih rendah  daripada  sistem  cascade  dengan  refrigeran  R290 untuk High State dan R404A untuk Low Stage . (2) Konsumsi energi  yang  lebih  rendah  didapatkan  oleh  sistem refrigerasi konvensional  R404A  dengan  total  konsumsi  energi  per tahunnya  sebesar  8176,3  kWh  dibandingkan  dengan  sistem refrigerasi cascade R290/R404A sebesar 19235,2 kWh. Hal tersebut  terjadi  dikarenakan  kebutuhan  daya  kompressor lebih tinggi dibandingkan konvensional R404A.
Kesimpulan  (3)  Sistem  refrigerasi cascade R290/R404A lebih  tinggi  dalam  hal  biaya  tarif  listrik  dimana  total  per tahunnya  sebesar  Rp  21.442  dibandingkan  dengan  sistem refrigerasi konvensional sebesar Rp 9.114,448 dan memiliki perbedaan  biaya  tarif  listrik  cukup  berbeda  sebesar  Rp 12.327,798. (4) Berdasarkan hasil penelitian yang dilakukan ini,  dengan  menggunakan  usulan  sistem refrigerasi cascade R290/R404A  bisa  meningkatkan  efisiensi  dan  perfoma sistem  pada reefer  container akan  tetapi  untuk  konsumsi energi  dan  biaya  tarif  listrik  lebih  mahal  dibandingkan konvensional.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]  Nazaruddin, “Analisa Teknis dan Ekonomis Perancangan Cold Storage Ikan  Kapasitas  500  Ton  dengan  Sistem  Refrigerasi  Cascade Menggunakan  Variasi  Kombinasi  Refrigeran,”  Departemen  Teknik Perkapalan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya, 2019.
[2]  I. W. A. Subagia and I. D. M. Susila, “Pengaruh variasi diameter pipa kapiler pada siklus temperatur rendah terhadap performansi trainer unit sistem refrigerasi cascade,” J. Ranc. Bangun dan Teknol. , vol. 16, no. 3, pp. 161–165, 2016.
[3]  Y.  S.  Bimantara,  “Perancangan  Sistem  Refrigerasi  Kompresi  Uap Cascade  Untuk  Aplikasi  Hybrid  Reefer  Container,” Departemen Teknik  Sistem  Perkapalan,  Institut  Teknologi  Sepuluh  Nopember, Surabaya, 2017.
[4]  B. J. B. B. J. Bhardia, S. R. S. S. R. Sunasara, and J. J. M. J. J. Makadia, “Theoretical aspect of thermodynamic analysis of cascade refrigeration system: A review,” Int.  J.  Sci.  Res. ,  vol.  2,  no.  5,  pp.  194–196,  Jun. 2012, doi: 10.15373/22778179/MAY2013/64.
[5]  B. Whitman, B. Johnson, J. Tomczyk, and E. Silberstein, Refrigeration &  Air  Conditioning  Technology ,  7th  ed.  Boston:  Cengage  Learning, ISBN-13: 978-1111644475, 2012.
[6]  R. Miller and M. R. Miller, Air Conditioning and Refrigeration . New York: The McGraw-Hill Companies, ISBN: 9780071467889, 2006.
[7]  M.  F.  Prihandani,  “Studi  Variasi  Laju  Pengeluaran  Kalor  Kondensor High Stage Sistem Refrigerasi Casade Menggunakan Refrigeran MC22 Dan  R404A  Dengan  Heat  Exchanger  Tipe  Plate  Heat  Exchanger,” Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya, 2015.
[8]  I.  N.  Arighi,  “Cooling  Management  Sistem  Refrigerasi  pada  Cold Storage  Bahan  Makanan  dengan  Variasi  Beban  Pendinginan,” Departemen  Teknik  Mesin,  Institut  Teknologi  Sepuluh  Nopember, Surabaya, 2018.
[9]  C. S. Choudhari and S. N. Sapali, “Performance investigation of natural refrigerant  R290  as  a  substitute  to  R22  in  refrigeration  systems,” Energy  Procedia ,  vol.  109,  pp.  346–352,  Mar.  2017,  doi: 10.1016/j.egypro.2017.03.084.