Servianus, dkk./ ROTASI, Vol. 22  No. 4  (Oktober  2020) Hal. 253-259
Studi Kinerja Teoritis Batch Air Blast Freezer yang Menggunakan Refrigeran R290 dan R600a sebagai Pengganti R404A
Yohanes Viva Servianus, Matheus M. Dwinanto, Muhamad Jafri Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknik, Universitas Nusa Cendana
Jl. Adi Sucipto, Penfui, Kupang, Nusa Tenggara Timur, 85001 Indonesia *E-mail: matheus.dwinanto@staf.undana.ac.id

## Abstract
The batch air blast freezers have been used as a quick freezing method in the fish processing unit before being frozen for a long time in cold storage. For this reason, the use of hydrocarbon refrigerants that are more environmentally friendly has become a demand and a central issue in the future. This paper presents a theoretical performance study of the use of R290 and R600a instead of R404A in a batch of blast  freezer  water.  The  theoretical  performance  of  the  system  is  based  on  evaporation  temperature variations using CoolPack software with condensation temperatures held constant. Important quantities analyzed are mass flow rate, pressure ratio, discharge temperature, heat rejected, power consumption and  coefficient  of  performance.  The  results  show  that  at  minimum  evaporation  temperature,  system performance  using  R290  and  R600a  is  on  average  ±  14%  higher  compared  to  R404A.  R290  has characteristics that are closer to R404A so it is more suitable to replace the two refrigerants compared to R600a. However, this is a theoretical analysis of the system which can lead to higher performance than normal conditions.
Keywords: air blast freezer, performance, refrigeration, environment friendly

## Abstrak
Batch air blast freezer telah digunakan sebagai cara pembekuan cepat di unit pengolahan ikan sebelum dibekukan untuk waktu yang lama di dalam cold storage . Untuk itu penggunaan refrigeran hidrokarbon yang  lebih  ramah  lingkungan  telah  menjadi  tuntutan  dan  isu  sentral  pada  masa  yang  akan  datang. Makalah ini menyajikan studi kinerja teoritis penggunaan R290 dan R600a sebagai pengganti R404A di batch  air  blast  freezer .  Kinerja  teoritis  sistem  didasarkan  pada  variasi  temperatur  evaporasi menggunakan  perangkat  lunak  CoolPack  dengan  temperatur  kondensasi  dipertahankan  konstan. Besaran-besaran  penting  yang  dianalisis  adalah  laju  aliran  massa,  rasio  tekanan,  temperatur  keluar kompresor, pelepasan kalor, konsumsi daya, dan koefisien kinerja. Hasilnya menunjukkan bahwa pada temperatur  evaporator  minimum,  kinerja  sistem  yang  menggunakan  R290  dan  R600a  rata-rata  lebih tinggi ±14% dibandingkan dengan  R404A dan  R507A. R290  memiliki  karakteristik  yang lebih dekat pada R404A dan  R507A  sehingga lebih  sesuai  menggantikan  kedua refrigeran tersebut  dibandingkan dengan R600a. Namun, ini adalah analisis teoritis sistem yang dapat mengarah pada kinerja yang lebih tinggi daripada kondisi normal.
Kata kunci: air blast freezer , kinerja, refrigerasi, ramah lingkungan

## 1. Pendahuluan
Unit  Pengolahan  Ikan  (UPI)  DKP  Kupang  merupakan  tempat  aktifitas  pengolahan  ikan  yang  dilengkapi  dengan refrigerator  untuk  meningkatkan  nilai  tambah  produk  perikanan  sebelum  diekspor  atau  dioleh  lebih  lanjut.  UPI  ini menghasilkan  produk  pengolahan  ikan  beku  maupun  segar,  sehingga  harus  dilengkapi  dengan  fasilitas  pengolahan, pembekuan,  dan  penyimpanan  beku  ( cold  storage )  bertemperatur  ruang  -25°C.  Ikan  yang  akan  disimpan  dalam cold storage untuk jangka waktu lama, terlebih dahulu harus dibekukan dalam ruang pembekuan cepat agar temperatur pusat ikan mencapai -18°C dalam waktu yang tidak terlalu lama. Metode pembekuan cepat yang umum digunakan adalah Batch Air  Blast  Freezer (BABF).  Dalam  BABF  produk  ikan  dibekukan  dengan  pendinginan  cepat  selama  rentan  waktu  8 jam/ shift [1].
BABF menggunakan sistem refrigerasi kompresi uap untuk mencapai proses pembekuan dengan fluida kerja adalah R404A yang merupakan refrigeran dari golongan hidroflourokarbon. Refrigeran ini tidak mengandung chlorine sehingga tidak merusak lapisan ozon (ODP = 0) tetapi masih memiliki potensi pemanasan global yang tinggi (GWP = 3260). Oleh karena itu, pada masa yang akan datang perlu digunakan refrigeran yang memiliki GWP lebih rendah, yaitu dari golongan hidrokarbon seperti R290 dan R600a. Saat ini, kedua jenis refrigeran tersebut mulai digunakan di sistem refrigerasi rumah tangga, dan pengkondisian udara. Tabel 1 menyajikan sifat-sifat dan efek terhadap lingkungan dari R404A, R290, dan R600a [2, 3].
Gambar 1. Dalam BABF ikan digantung di rak dan dibekukan dengan udara dingin yang dihembuskan
Tabel 1. Sifat-sifat dan efek refrigeran terhadap lingkungan
Refrigeran Titik Didih Normal ( o C) Tekanan pada -25 o C (bar) Kapasitas volumetrik pada -25/45/32 o C (kJ/m 3 ) Ozon Depleting Potential (ODP) Global Warming Potential (GWP) (100 Tahun) Waktu Hidup di Atmosfir (Tahun) Tingkat Keamanan (ASHRAE) R404A -45,8 2,50 1334 0 3260 40,36 A1 R290 -42,1 2,03 1164 0 3 0 A3 R600a -11,6 0,58 373 0 3 0 A3
Sumber: [2, 3]
Kinerja  termodinamika  BABF  sangat  dipengaruhi  oleh  refrigeran  yang  digunakan  sebagai  fluida  kerja  karena terdapat  beda  temperatur  yang  terbatas  antara  sistem  dan  lingkungannya,  di  mana  ini  merupakan  sumber  utama ireversibilitas  sistem refrigerasi. Penurunan temperatur evaporasi akan  mengakibatkan penurunan kinerja dan efisiensi sistem,  begitupun  sebaliknya  [4,  5].  Hal  ini  mendorong  beberapa  peneliti  melakukan  studi  teoritis  dan  ekperimen penggunaan refrigeran hidrokarbon terhadap kinerja sistem refrigerasi, diantaranya membandingkan kinerja energi dan exergy siklus refrigerasi kompresi uap yang menggunakan R404A, R290, dan R744. Hasil studi ini menunjukkan pada berbagai variasi temperatur evaporasi dan kondensasi, R290 memiliki kinerja yang lebih baik daripada R404A, dan R744 [6].
Penggunaan  R290,  R600a,  dan  R1270  sebagai  alternatif  pengganti  R22  di  sistem  refrigerasi  yang  menggunakan penukar  kalor subcooling terhadap  kinerja  teoritis  juga  telah  dilakukan.  Hasil  studi  ini  menunjukkan  bahwa  sifat termodinamika  R290  dan  R1270  cocok  dengan  R22,  dan  menunjukkan  kinerja  yang  lebih  baik  daripada  R22.  R600a memiliki kinerja sedikit lebih baik dalam hal daya per ton refrigerasi yang lebih rendah, dan COP yang lebih tinggi tetapi tekanan saturasi dan volume spesifiknya menyimpang secara signifikan dari R22 sehingga membutuhkan desain ulang sistem sebelum digunakan  sebagai pengganti R22 [7]. Studi eksperimental penggunaan R600a dan R436A (campuran 45%  R600a  dan  56%R290)  sebagai  pengganti  R134a  di  refrigerator  rumah  tangga  juga  telah  dilakukan  untuk membandingkan  efisiensi  energi  dari  penggunaan  ketiga  refrigeran  tersebut.  Hasilnya  menunjukkan  R600a  memiliki efisiensi energi terbesar dibandingkan dengan dua refrigeran lainnya pada berbagai kondisi operasi [8].
Perangkat lunak CoolPack telah digunakan  untuk  menganalisis penggunaan tujuh refrigeran diantaranya  R404A, R290, dan R600a sebagai alternatif pengganti R22. Hasil simulasi menunjukkan bahwa R290 dan R600a menghasilkan laju aliran massa terkecil sedangkan R404A adalah yang terbesar sehingga konsumsi dayanya paling besar dari semua refrigeran. Secara umum R600a memiliki kinerja tertinggi dibandingkan semua refrigeran yang ditinjau [9]. Efektivitas penukar  kalor liquid  suction dalam  sistem  refrigerasi  yang  menggunakan  R22,  R404A,  dan  campuran  R290/R600a (50:50) juga  telah  diteliti  secara  eksperimen  untuk  menganalisis  pengaruhnya  terhadap  kinerja cold  storage .  Hasilnya menunjukkan bahwa dalam keadaan stedi sistem yang menggunakan campuran R290/R600a memiliki kinerja yang lebih baik  dari  kedua  refrigeran  lainnya,  dan  memiliki  karakteristik  yang  sama  dengan  R404A  sehingga  dapat  digunakan sebagai  pengganti  R22  dan  R404A  [10].  Makalah  ini  menbahas  analisis  termodinamika  penggunaan  dua  refrigeran hidrokarbon yaitu R290 dan R600a sebagai pengganti R404A di BABF ketika diapliasikan di batch air blast freezer pada masa yang akan datang.

## 2. Metode penelitian
Studi ini menggunakan perangkat lunak CoolPack versi 1.50 yang dapat mensimulasikan dengan baik analisis siklus, perhitungan dimensi sistem, perhitungan kondisi operasi, evaluasi efisiensi sistem dan komponen serta simulasi transien sistem. CoolPack berisi kumpulan program simulasi yang mudah digunakan dan kuat secara numerik [11].
Dalam refrigerator kompresi uap sederhana, uap refrigeran diasumsikan memasuki kompresor sebagai uap jenuh, dan cairan refrigeran diasumsikan sebelum memasuki alat ekspansi sebagai cairan jenuh. Jika dimensi evaporator sedikit diperbesar,  uap  jenuh  biasanya  akan  terus  menyerap  kalor  dan  karenanya  menjadi superheated sebelum  mencapai kompresor. Dalam praktiknya, ini dikendalikan oleh katup ekspansi. Jika dimensi kondensor sedikit diperbesar, cairan
Servianus, dkk./ ROTASI, Vol. 22  No. 4  (Oktober  2020) Hal. 253-259
jenuh akan terus melepaskan kalor dan menjadi subcooled sebelum memasuki katup ekspansi (Gambar 2). Superheating dan subcooling diterapkan untuk meningkatkan efisiensi sistem [12].
Gambar 2. Skematik refrigerator kompresi uap dengan subcooling dan superheating
Gambar 3. Diagram P-h dan T-s dengan subcooling dan superheating
Gambar  3  menyajikan  perbandingan  diagram  P-h  dan  T-s  untuk  siklus  kompresi  uap  dengan subcooling dan superheating (1’-2-3’-4’-1’) dan siklus kompresi uap jenuh (1-2-3-4-1). Kapasitas pendinginan per unit massa lebih besar untuk siklus subcooled dan superheated sehingga laju aliran massa refrigeran per unit kapasitas lebih kecil untuk siklus tersebut daripada siklus jenuh. Disamping itu, peningkatan kapasitas pendinginan secara proporsional lebih besar daripada peningkatan  kalor kompresi,  sehingga  COP siklus subcooled dan superheated lebih tinggi daripada siklus jenuh. Dari Gambar 3 dapat ditentukan laju aliran massa refrigeran dengan menggunakan persamaan:
4' 1' h h Q m e    (2.1)
dengan Q e adalah kapasitas pendinginan. Kalor yang dilepaskan selama proses kondensasi adalah:
) ( 3' 2 h h m Q c    (2.2)
maka kerja kompresi dapat ditentukan dari:
e c C Q Q
W   (2.3)
Kapasitas subcooling dan superheating dapat ditentukan dari persamaan:
) ( 3' 3 h h m Q SC    (2.4)
) ( 1 1' h h m Q SH    (2.5)
Koefisien  kinerja  sistem  merupakan  rasio  kapasitas  pendinginan  terhadap  kerja  kompresor,  yang  dihitung menggunakan persamaan:
1' 2 4' 1' h h h h COP    (2.6)
Beberapa parameter dan asumsi dalam studi ini disajikan pada Tabel 2 yang dipilih berdasarkan rentang kerja dari BABF di UPI DKP Kupang.

## Tabel 2. Parameter penelitian dan asumsi
Parameter Satuan Nilai Kapasitas pendinginan kW 26,79 Temperatur evaporasi Temperatur kondensasi Temperatur subcooling Temperatur superheating Efisiensi isentropik kompresor
Rugi kalor kompresor
o C o C o C o C - % -30 – 0 40 2 8 0,8 10

## 3. Hasil dan pembahasan
Gambar  4  menyajikan  hubungan  antara  variasi  temperatur  evaporasi  terhadap  laju  aliran  massa  refrigeran  untuk kapasitas  pendinginan,  dan  temperatur  kondensasi  dipertahankan  konstan.  Terlihat  bahwa  laju  aliran  massa  refrigeran yang  menggunakan  R290  dan  R600a  masing-masingnya  lebih  rendah  ±59,45%  dan  56%  dibandingkan  dengan penggunaan R404A. Hal ini disebabkan oleh densitas R290  dan R600a pada setiap tingkat keadaan jauh lebih rendah. Namun, densitas yang rendah akan mengakibatkan laju aliran volume refrigeran yang lebih tinggi sehingga berdampak pada peningkatan ukuran penukar kalor (kondensor dan evaporator) untuk membatasi penurunan tekanan.
Gambar 4. Temperatur evaporasi vs laju aliran massa refrigeran
Gambar 5. Temperatur evaporasi vs rasio tekanan kompresor
Selama  proses  pendinginan  berlangsung,  penurunan  temperatur  evaporasi  akan  mengakibatkan  rasio  tekanan  di kompresor  meningkat,  begitupun  sebaliknya.  Fenomena  ini  ditunjukkan  pada  Gambar  5,  dan  ini  terjadi  untuk  semua refrigeran  yang  ditinjau.  Rasio  tekanan  kompresor  R290  lebih  rendah  ±6,8%  bila  dibandingkan  dengan  penggunaan R404A sedangkan rasio tekanan kompresor R600a lebih tinggi ±20% daripada R404A.
Servianus, dkk./ ROTASI, Vol. 22  No. 4  (Oktober  2020) Hal. 253-259
Temperatur gas refrigeran keluar kompresor adalah salah satu parameter penting dalam memilih refrigeran alternatif. Temperatur keluar kompresor yang lebih rendah akan meningkatkan umur pakai kompresor karena stabilitas refrigeran dan pelumasan yang lebih baik. Pada Gambar 6 temperatur gas refrigeran keluar kompresor untuk sistem dengan R600a jauh lebih rendah dibandingkan dengan R290 dan R404A.
Gambar 6. Temperatur evaporasi vs temperatur gas refrigeran keluar kompresor
Peningkatan rasio tekanan di kompresor akan berdampak pada kenaikan daya kompresor untuk setiap penurunan temperatur  evaporasi,  begitupun  sebaliknya,  dan  ini  ditunjukkan  pada  Gambar  7.  Daya  kompresor  sistem  yang menggunakan  R290  nilainya  rata-rata  lebih  kecil  ±9,82%  bila  dibandingkan  dengan  yang  menggunakan  R404A sedangkan penggunaan R600a lebih kecil ±12,09%.
Gambar 7. Temperatur evaporasi vs daya kompresor
Gambar 8. Temperatur evaporasi vs pelepasan kalor di kondensor
Servianus, dkk./ ROTASI, Vol. 22  No. 4  (Oktober  2020) Hal. 253-259
Gambar  8  menyajikan  hubungan  antara  temperatur  evaporasi  terhadap  laju  pelepasan  kalor  di  kondensor.  Nilai pelepasan kalor diperlukan  untuk  merancang kondensor, dan  menghitung besarnya aliran fluida pendingin  kondensor. Terlihat  bahwa  dengan  meningkatnya  temperatur  evaporasi  maka  laju  pelepasan  kalor  di  kondensor  akan  menurun, begitupun sebaliknya. Laju pelepasan kalor untuk sistem yang menggunakan R600a dan R290 masing-masingnya rata- rata lebih kecil ±3,7% dan ±3,1% R404A dibandingkan dengan yang menggunakan R404A. Hal ini disebabkan tekanan kondensasi saat refrigeran berubah  fase dari gas  menjadi cairan  untuk  R600a adalah lebih  kecil dibandingkan dengan R290 dan R404A.
Gambar 9 menyajikan hubungan antara temperatur evaporasi dengan koefisien kinerja (COP). Dalam gambar ini terlihat bahwa dengan menurunnya temperatur evaporasi maka koefisien kinerja sistem juga akan menurun, begitupun sebaliknya. Pada temperatur minimum, koefisien kinerja sistem yang menggunakan R600a dan R290 masing-masingnya lebih tinggi ±15,1% dan 13%. Dalam gambar ini juga terlihat bahwa sistem yang menggunakan R600a dan R290 memiliki kinerja yang sama pada temperatur evaporasi minimum.

## Gambar 9. Temperatur evaporasi vs koefisien kinerja

## 4. Kesimpulan
Studi teoritis ini mengkaji kemungkinan penggunaan refrigeran hidrokarbon di batch air blast freezer pada masa yang akan datang. Tidak mudah untuk menetapkan kinerja optimal untuk setiap refrigeran hidrokarbon yang digunakan dalam  siklus  secara  bebas  sehingga  pendekatan  simulasi  siklus  dengan  model  termodinamika  sambil  membandingkan kedua refrigeran hidrokarbon (R290 dan R600a) dengan hidroflourokarbon (R404A) merupakan cara yang paling umum. Hasil  studi  ini  menunjukkan  bahwa  dua  kandidat  refrigeran  hidrokarbon  yang  dikaji  memiliki  kienrja  termodinamika lebih baik dibandingkan dengan R404A.
Pada  temperatur  evaporator  minimum  (-30 o C)  sistem  yang  menggunakan  R290  dan  R600a    memiliki  COP,  dan efisiensi refrigerasi yang lebih tinggi dibandingkan dengan penggunaan R404A. R290 memiliki karakteristik yang lebih dekat  pada  R404A  dan  R507A  sehingga  lebih  sesuai  menggantikan  kedua  refrigeran  tersebut  dibandingkan  dengan R600a.  Di  samping  itu,  refrigeran  hidrokarbon  lebih  ramah  lingkungan  dibandingkan  refrigeran  hidrofluorokarbon sehingga penggunaannya pada masa yang akan datang lebih dianjurkan, walaupun memiliki sifat lebih mudah terbakar. Namun, ini adalah analisis teoritis sistem yang dapat mengarah pada kinerja yang lebih tinggi daripada kondisi normal.

## Daftar Pustaka
[1]   Anonim, 2017, “ Buku Manual Cold Storage Kapasitas 100T DKP Kupang ,” Kementerian Kelautan dan Perikanan, Republik Indonesia.
[2]  Benhadid-Dib,  S.,  Benzaoui,  A.,  2012,  “Refrigerants  and  Their  Environmental  Impact  Substitution  of Hydrochlorofluorocarbon  HCFC  and  HFC  Hydrofluorocarbon.  Search  for  an  Adequate  Refrigerant,” Energy Procedia , 18: 807–816.
[3]   Bhatkar, V.W. Kriplani, V.M., Awari, G.K., 2013, “Alternative Refrigerants in Vapour Compression Refrigeration Cycle for Sustainable Environment: A Review of Recent Research,” International Journal of Environmental Science and Technology , 10: 871–880.
[4]   Dwinanto, M. M., Koehuan, V. A., Monteiro, J. M., 2015,”Analysis of Dual Evaporator Refrigeration System via Exergetic Performance Coefficient Criterion,” Prosiding SEMNASTEK , hal. 1-17.
[5]   Dwinanto, M. M., Suhanan, Prajitno, 2017, “Exergy Analysis of a Dual-Evaporator Refrigeration Systems,” AIP Conference Proceedings , 1788: 030011:1–8.
[6]   Shiliday, J. A., Tassou, S. A., Shiliday, N., 2009, “ Comparative Energy and Exergy Analysis of R744, R404A and R290 Refrigeration Cycles,” International Journal of Low - Carbon Technologies , 00: 1–8.
[7]   Bukola O. B., Zhongjie H., 2012, “Comparative Analysis of the Performance of Hydrocarbon Refrigerants with R22 in A Sub-Cooling Heat Exchanger Refrigeration System,” Journal of Power and Energy , 226(7):882–891.
[8]   Rasti, M., Aghamiri, S. F., Hatamipour, M. S., 2013, “Energy efficiency enhancement of a domestic refrigerator using R436A and R600a as alternative refrigerants to R134a,” International Journal of Thermal Sciences , 74: 86– 94.
[9]   Venkataiah, S., Rao, G. V., 2014, “Analysis of Alternative Refrigerants to R22 for Air-Conditioning Applications at Various Evaporating Temperatures,” International Journal of Engineering Research and Applications , 4(3): 39–46.
[10]  Prayudi,  Nurhasanah, R.,  Diantari,  R. A.,  2017,   “The  Effect  the  Effectiveness  of  the  Liquid   Suction   Heat Exchanger  to  Performance  of  Cold  Storage  with  Refrigerant  R22,  R404A  and  R290/R600a,” AIP  Conference Proceedings , 1788: 030067:1–8.
[11] Jakobsen, A, Rasmussen, B. D., Skovrup, M. J., Andersen, S. E., 2001, “ CoolPack–A Collection of Simulation Tools for Refrigeration, ” Department of Energy Engineering, Technical University of Denmark (DTU), Denmark.
[12] Sencan, A., Selbas, R., Kizilkan, O., Kalogiru, S. A., 2006, “Thermodynamic analysis of subcooling and superheating effects  of  alternative  refrigerants  for  vapour  compression  refrigeration  cycles,” International  Journal  of  Energy Research , 30:323–347.