Pengawetan Makanan dengan Teknik Radiasi

Radiasi adalah tenaga dalam bentuk sinar atau partikel yang dipancarkan dari zat radioaktif. Radiasi sinar Gama atau Partikel Elektron dapat digunakan untuk mensterilkan benda tertentu karena energi radiasi yang tinggi dapat membunuh mikroba seperti bakteri, jamur (kapang), atau virus. Benda-benda yang perlu disterilkan misalnya alat-alat kedokteran, obat-obatkan, kosmetik, bahan pangan, jaringan biologi, kondom dan lain-lain. Dosis radiasi yang digunakan dalam proses sterilisasi akan tergantung kepada jenis bahan yang disterilkan, jenis mikroba, dan tingkat populasi mikroba.

Keunggulan teknik sterilisasi dengan radiasi di antaranya:

• Tidak merusak bahan yang disterilkan

• Lebih efektif karena dapat mencapai 100% steril pada dosis tinggi

• Dapat mesterilkan bahan dalam jumlah banyak untuk sekali proses radiasi

• Ramah lingkungan karena tidak menghasilkan limbah Radiasi pengion dapat dimanfaatkan

Radiasi pengion dapat dimanfaatkan untuk berbagai tujuan/kepentingan antara lain untuk menghambat pertunasan, menunda pematangan, disinfestasi serangga/hama gudang, dekontaminasi bakteri patogen dan mensterilkan produk dari segala bentuk cemaran mikroba. Kondisi iradiasi (dosimeter, dosis lingkungan/suhu); bahan pengemas; kondisi penyimpanan (suhu dan kelembaban ruang) sangat berpengaruh pada kualitas produk pangan iradiasi sehingga tetap aman, berkualitas dan tahan lama.

Pengawetan bahan makanan dapat dilakukan dengan cara iradiasi, radiasi yang dipaparkan pada bahan makanan tersebut akan membunuh mikroorganisme pembusuk sehingga pembusukan makanan dapat diperlambat. Tanggal 29 Desember 1987 Departemen Kesehatan RI telah memberikan izin PERMENKES No. : 826/MENKES/PER/XII/1987 untuk beberapa jenis produk bahan pangan iradiasi dan telah diperbaharuhi pada tahun 1995 yaitu PERMENKES No. : 152/MENKES/SK/II/1995 untuk dosis maksimum 10 kGy). Adapun JECFI (Joint Expert Committee on Food Irradiation) pada tahun 1980 telah merekomendasi bahwa dosis sampai 10 kGy aman untuk dikonsumsi.

Jenis komoditas bahan pangan segar dan olahan yang telah dan sedang diteliti di BATAN:

1. Makanan siap saji steril: Pepes Ikan mas, pepes ayam, kare ayam, semur ayam, rendang, daging sapi, empal daging sapi, semur daging sapi.

2. Makanan olahan/makanan ringan: dodol, bakpia.

3. Buah dan Sayuran: mangga, pepaya, tomat apel, pisang ambon, brokolli, asparagu.

Mengapa ubin terasa lebih sejuk daripada karpet ?

Ubin memiliki konduktivitas termal yang lebih besar daripada karpet. Karenanya ubin merupakan penghantar kalor yang bagus, sedangkan karpet merupakan pernghantar kalor yang buruk. Ketika kita menginjak karpet, kalor mengalir dari kaki menuju karpet.

Hal ini terjadi karena suhu tubuh kita lebih tinggi dari suhu karpet. Karena karpet merupakan penghantar kalor yang buruk maka kalor atau panas yang mengalir dari kaki menumpuk di permukaan karpet. Akibatnya permukaan karpet menjadi lebih hangat. Kaki pun ikut terasa hangat.

Ketika kita menginjak ubin atau keramik, kalor mengalir dari kaki menuju si ubin atau keramik. Karena ubin merupakan penghantar kalor yang baik maka kalor atau panas yang mengalir dari kaki tidak tertahan di permukaan ubin. Kalor mengalir dengan lancar sehingga kaki terasa dingin.

Jika rumah di daerah dingin, sebaiknya alasi lantai kamar dengan karpet supaya kaki tidak kedinginan. Sebaliknya, jika rumah ada di daerah panas, sebaiknya jangan alasi lantai kamar dengan karpet. Bukan kesejukan yang dirasakan, tapi akan membuat kepanasan

Ada orang yang bilang, kalau tidur di atas ubin (tanpa alas), kita bisa sakit. Sebenarnya hal itu disebabkan karena banyak kalor atau panas dari tubuh yang mengalir menuju ubin. Ketika tubuh kehilangan banyak kalor, maka energi dalam tubuhmu berkurang. Ini yang membuat badan cepat sakit.

Motor pembakaran dalam dan pembakaran luar

1. MOTOR PEMBAKARAN DALAM (INTERNAL COMBUSTION ENGINE)

Mesin pembakaran dalam adalah sebuah mesin yang sumber tenaganya berasal dari pengembangan gas-gas panas bertekanan tinggi hasil pembakaran campuran bahan bakar danudara, yang berlangsung di dalam ruang tertutup dalam mesin, yang disebut ruang bakar (combustion chamber).

"Mesin pembakaran dalam" sendiri biasanya merujuk kepada mesin yang pembakarannya dilakukan secara berselang-seling. Yang termasuk dalam mesin pembakaran dalam adalahmesin empat tak dan mesin dua tak, dan beberapa tipe mesin lainnya, misalnya mesin enam tak dan juga mesin wankel. Selain itu, mesin jet dan beberapa mesin roket termasuk dalam mesin pembakaran dalam.

Animasi dari cara kerja mesin 2 tak

Mesin pembakaran dalam agak berbeda dengan mesin pembakaran luar (contohnya mesin uap dan mesin Stirling), karena pada mesin pembakaran luar, energinya tidak disalurkan ke fluida kerja yang tidak bercampur dengan hasil pembakaran.

Fluida kerja ini dapat berupa udara, air panas, air bertekanan, atau cairan natrium yang dipanaskan di semacam boiler.

Sebuah mesin piston bekerja dengan membakar bahan bakar hidrokarbon atau hidrogen untuk menekan sebuah piston, sedangkan sebuah mesin jet bekerja dengan panas pembakaran yang mendorong bagian dalam nozzle dan ruang pembakaran, sehingga mendorong mesin ke depan.

Secara kontras, sebuah mesin pembakaran luar seperti mesin uap, bekerja ketika proses pembakaran memanaskan fluida yang bekerja terpisah, seperti air atau uap, yang kemudian melakukan kerja.

Mesin jet, kebanyakan roket dan banyak turbin gas termasuk dalam mesin pembakaran dalam, tetapi istilah "mesin pembakaran dalam" seringkali menuju ke "mesin piston", yang merupakan tipe paling umum mesin pembakaran dalam.

Mesin pembakaran dalam ditemukan di Cina, dengan penemuan kembang api pada Dinasti Song. Mesin pembakaran dalam resiprokat (mesin piston)

 2. MOTOR PEMBAKARAN LUAR (EXTERNAL COMBUSTION ENGINE)

Pada motor pembakaran luar ini, proses pembakaran bahan bakar terjadi di luar mesin itu, sehingga untuk melaksanakan pembakaran digunakan mesin tersendiri. Panas dari hasil pembakaran bahan bakar tidak langsung diubah menjadi tenaga gerak, tetapi terlebih dulu melalui media penghantar, baru kemudian diubah menjadi tenaga mekanik. Misalnya pada ketel uap dan turbin uap.

Energi Panas Surya (Solar Thermal Energy)

Energi radiasi matahari yang mencapai bumi sangat berlimpah. Untuk memanfaatkan energi tersebut dibutuhkan teknologi yang dapat mengkonversikan energi tersebut. Sebagai contoh adalah solar cell yang merupakan teknologi yang merubah energi cahaya matahari menjadi  energi listrik. Penelitian banyak dilakukan untuk mengembangkan teknologi ini. Selain cahaya, matahari juga meradiasikan energy panas (thermal) yang dapat dimanfaatkan untuk memenuhi kebutuhan manusia, seperti pengering, memasak, penyulingan air, pemanas, bahkan pembangkit listrik dan mesin pendingin.  

Radiasi matahari dan Atmosfer

Matahari merupakan salah satu benda langt yang dapat meradiasikan energi. Seperti halnya bintang, sebagian besar matahari terdiri dari gas hydrogen dan helium. Matahari meradasikan energi dari reaksi fusi nuklir yang terjadi di inti matahari 

  

 Energi yang keluar dari matahari (energi solar) mencapai bumi dalam bentuk gelombang elektromagnetik setelah mengalami interaksi dengan atmosfer. Radiasi energi yang keuar atau dipantulkan oleh atmosfer disebut dengan radaiasi atmosfer. Energi matahari yang mencapai di atmosfer bumi disebut dengan total solar irradiance yaitu sebersar Gs=1373 W/m2.  

Energi matahari yang sampai ke bumi selama setahun diperkirakan sebesar 5.46 x 1024 J. Untuk membayangkan seberapa besar energi ini, jika dibandingkan dengan konsumsi energi di bumi selama setahun yaitu hanya 5 x 1020 J. Dengan kata lain, konsumsi energi di bumi hanya 0.01% dari energi yang diterima bumi oleh radiasi matahari. 

Tidak semua energi yang datang ke bumi benar-benar mencapai bumi (tanah). Sekitar 30% energi dipantulkan ke luar angkasa, sekitar 20% energi diserap oleh awan dan molekul air di udara. Di sisi lain, sekitar 75% dari permukaan bumi merupakan lautan. Walaupun begitu, jika dianggap hanya 10% dari energi matahari yang dapat dimanfaatkan, jumlah energi tersebut masih bisa memenuhi kebutuhan di bumi

Titik tripel

Dalam termodinamika, titik tripel sebuah zat merupakan temperatur dan tekanan di mana ketiga-tiga fase (gas, cair, dan padat) zat tersebut berada dalam keadaankesetimbangan termodinamika.Sebagai contoh, titik tripel raksa terdapat pada suhu −38,8344 °C dan tekanan 0,2 mPa.

Selain titik tripel antara zat padat, cair, dan gas, terdapat pula titik-titik tripel yang melibatkan lebih dari satu fase padat untuk zat yang memiliki banyak polimorf. Helium-4merupakan contoh kasus khusus di mana titik tripelnya melibatkan dua fase cair yang berbeda (lihat pula titik lambda). Secara umum, sebuah sistem dengan kemungkinan jumlah fase p, terdapat 

 titik tripel.

Titik tripel air digunakan untuk mendefinisikan Kelvin, satuan SI untuk temperatur termodinamika.Angka yang diberikan untuk temperatur titik tripel air adalah definisi eksak dan bukanlah hasil pengukuran. Titik tripel beberapa zat digunakan sebagai titik acuan pada skala temperatur internasional ITS-90, berkisar dari titik tripel hidrogen (13,8033 K) sampai dengan titik tripel air (273,16 K).

Titik tripel air

Diagram fase secara umum. Garis titik-titik merupakan sifat anomali air

Kombinasi tunggal antara tekanan dan temperatur di mana air, es, dan uap air dapat berada bersama-sama dalam keadaan kesetimbangan yang stabil adalah tepat 273,16 K (0,01 °C) dan tekanan parsial 611,73 pascal (sekitar 6,1173 milibar, 0,0060373057 atm). Pada titik tersebut, adalah mungkin untuk mengubah semua zat menjadi es, air, atau uap air hanya dengan membuat perubahan yang cukup kecil pada tekanan dan suhu sistem. Perlu diperhatikan bahwa, bahkan jika tekanan total sistem di atas 611,73 pascal, apabila tekanan uap air tetap 611,73 pascal, kita masih dapat membuat air berada dalam titik tripel.

Air memiliki diagram fase yang tidak wajar dan kompleks, walaupun hal ini tidak memengaruhi pembahasan titik tripelnya. Pada temperatur yang tinggi, penambahan tekanan akan menghasilkan zat cair terlebih dahulu, barulah kemudian zat padat. (Di atas 109 Pa bentuk kristal es yang terbentuk lebih padat daripada zat cair.) Pada temperatur yang rendah dan kompresi, fase cair menghilang, dan air akan langsung berubah dari gas menjadi padat.

Pada tekanan konstan di atas titik tripel, pemanasan es akan menyebabkannya berubah dari bentuk pada menjadi cair, kemudian gas (atau uap). Pada tekanan di bawah titik tripel (biasa terjadi pada luar angkasa), bentuk cair air tidak akan ada, sehingga ketika dipanaskan, es akan langsung menyublim menjadi gas.

Tabel titik tripel

Tabel di bawah ini berisi daftar titik-titik tripel untuk zat-zat yang umum.

Zat	T (K)	P (kPa*)
Asetilena	192,4	120
Amonia	195,40	6,076
Argon	83,81	68,9
Butana	134,6	7 × 10−4
Karbon (grafit)	3900	10100
Karbon dioksida	216,55	517
Karbon monoksida	68,10	15,37
Kloroform	175,43	0,870
Deuterium	18,63	17,1
Etana	89,89	8 × 10−4
Etanol	150	4,3 × 10−7
Etilena	104,0	0,12
Asam format	281,40	2,2
Helium-4 (titik lambda)	2,19	5,1
Heksafluoroetana	173,08	26,60
Hidrogen	13,84	7,04
Hidrogen klorida	158,96	13,9
Iodin	386,65	12,07
Isobutana	113,55	1,9481 × 10−5
Raksa	234,2	1,65 × 10−7
Metana	90,68	11,7
Neon	24,57	43,2
Nitrogen monoksida	109,50	21,92
Nitrogen	63,18	12,6
Dinitrogen oksida	182,34	87,85
Oksigen	54,36	0,152
Paladium	1825	3,5 × 10−3
Platinum	2045	2,0 × 10−4
Sulfur dioksida	197,69	1,67
Titanium	1941	5,3 × 10−3
Uranium heksafluorida	337,17	151,7
Air	273,16	0,61
Xenon	161,3	81,5
Seng	692,65	0,065

* Note: sebagai perbandingan, tekanan atmosfer adalah 101.5kPa

Sumber:

^ Walas, S.M., Chemical Process Equipment - Selection and Design. Elsevier, 1990, p. 639.

Motor bakar stirling

Motor bakar stirling atau biasa juga disebut Mesin stirling adalah salah satu mesin kalor dan didefinisikan sebagai mesin regenerasi udara panas siklus tertutup. Dalam konteks ini, siklus tertutup berarti bahwa fluida kerjanya secara permanen terkurung di dalam sistem, di mana mesin siklus terbuka seperti mesin pembakaran internal dan beberapa mesin uap, menukarkan fluida kerjanya dengan lingkungan sekitar sebagai bagiaan dari siklus kerja. Regenerasi berarti bahwa adanya penggunaan alat penukar panas internal, yang dapat meningkatkan efisiensi mesin. Banyak sekali kemungkinan dari penggunaan mesin stirling ini, dengan mayoritas masuk ke kategori mesin dengan piston tolak balik. Mesin stirling secara tradisional diklasifikasikan ke dalam mesin pembakaran eksternal, meskipun panas bisa didapatkan dari sumber selain pembakaran seperti tenaga matahari maupun nuklir. Mesin stirling beroperasi melalui penggunaan sumber panas eksternal dan heat sink eksternal, masing-masing dijaga agar memiliki perbedaan temperatur yang cukup besar.

§

Latar belakang

Dalam usaha meningkatkan konversi yang bisa didapat dari perubahan energi panas ke kerja, mesin stirling memiliki potensi untuk mencapai efisiensi tertinggi dari semua mesin kalor, secara teori sampai efisiensi maksimal mesin Carnot, meskipun dalam prakteknya usaha ini terus dibatasi oleh berbagai sifat-sifat non-ideal dari baik itu fluida kerjanya maupun bahan dari mesin itu sendiri, seperti gesekan, konduktivitas termal, kekuatan tensile, creep, titik lebur, dll. Mesin ini dapat dioperasikan melalui berbagai sumber panas yang dapat mencukupi, seperti tenaga matahari, kimia maupun nuklir.

Dibandingkan dengan mesin pembakaran internal, mesin Stirling memiliki potensi untuk lebih efisien, lebih tenang, dan lebih mudah perawatannya.

Belakangan ini, keuntungan mesin Stirling terus meningkat, hal ini dimungkinkan dengan adanya kenaikan harga energi, kelangkaan sumber energi, sampai kepedulian tentang masalah lingkungan seperti pemanasan global. Ketertarikan yang meningkat terhadap mesin Stirling ini berakibat dengan terus bertambahnya penelitian mengenai peralatan Stirling tersebut. Aplikasinya termasuk pemompaan air, astronautik, dan sebagai pembangkit listrik untuk sumber-sumber panas yang tidak sesuai dengan mesin pembakaran dalam seperti energi matahari.

Karakteristik mesin Stirling yang berguna lainnya adalah jika yang disuplai energi mekanik maka ia dapat beroperasi sebagai heat pump.

§

Sejarah

Mesin Stirling ditemukan pertamakali oleh Dr Robert Stirling dan dipatenkan oleh dia pada tahun 1816.

Pengkondisian Udara (AC) (3)

Setelah mengulas tantangan kontemporer yang dihadapi oleh teknologi refrigerasi/pengkondisian udara serta beberapa alternatif sistem yang telah dikembangkan untuk menghadapi tantangan tersebut, bagian ke-3 dari seri tulisan tentang refrigerasi ini mengulas perkembangan teknologi di bidang refrigeran (fluida kerja mesin refrigerasi) dan teknologi mesin refrigerasi itu sendiri.

Perkembangan Teknologi di Bidang Refrigeran

Refrigeran adalah fluida kerja yang bersirkulasi dalam siklus refrigerasi. Refrigeran merupakan komponen terpenting siklus refrigerasi karena dialah yang menimbulkan efek pendinginan dan pemanasan pada mesin refrigerasi. Seperti telah dijelaskan pada Bagian 1, masalah kontemporer yang menghadang refrigeran adalah munculnya lubang ozon dan pemanasan global.

ASHRAE (2005) mendefinisikan refrigeran sebagai fluida kerja di dalam mesin refrigerasi, pengkondisian udara, dan sistem pompa kalor. Refrigeran menyerap panas dari satu lokasi dan membuangnya ke lokasi yang lain, biasanya melalui mekanisme evaporasi dan kondensasi. Calm (2002) membagi perkembangan refrigeran dalam 3 periode: Periode pertama, 1830-an hingga 1930-an, dengan kriteria refrigeran "apa pun yang bekerja di dalam mesin refrigerasi". Refrigeran yang digunakan dalam periode ini adalah ether, CO2, NH3, SO2, hidrokarbon, H2O, CCl4, CHCs. Periode ke-dua, 1930-an hingga 1990-an menggunakan kriteria refrigeran: aman dan tahan lama (durable). Refrigeran pada periode ini adalah CFCs (Chloro Fluoro Carbons), HCFCs (Hydro Chloro Fluoro Carbons), HFCs (Hydro Fluoro Carbons), NH3, H2O. Periode ke-tiga, setelah 1990-an, dengan kriteria refrigeran "ramah lingkungan". Refrigeran pada periode ini adalah HCFCs, NH3, HFCs, H2O, CO2.

Perkembangan mutakhir di bidang refrigeran utamanya didorong oleh dua masalah lingkungan, yakni lubang ozon dan pemanasan global. Sifat merusak ozon yang dimiliki oleh refrigeran utama yang digunakan pada periode ke-dua, yakni CFCs, dikemukakan oleh Molina dan Rowland (1974) yang kemudian didukung oleh data pengukuran lapangan oleh Farman dkk. (1985). Setelah keberadaan lubang ozon di lapisan atmosfer diverifikasi secara saintifik, perjanjian internasional untuk mengatur dan melarang penggunaan zat-zat perusak ozon disepakati pada 1987 yang terkenal dengan sebutan Protokol Montreal. CFCs dan HCFCs merupakan dua refrigeran utama yang dijadwalkan untuk dihapuskan masing-masing pada tahun 1996 dan 2030 untuk negara-negara maju (United Nation Environment Programme, 2000). Sedangkan untuk negara-negara berkembang, kedua refrigeran utama tersebut masing-masing dijadwalkan untuk dihapus (phased-out) pada tahun 2010 (CFCs) dan 2040 (HCFCs) (Powell, 2002). Pada tahun 1997, Protokol Kyoto mengatur pembatasan dan pengurangan gas-gas penyebab rumah kaca, termasuk HFCs (United Nation Framework Convention on Climate Change, 2005).

Powell (2002) menerangkan bebeapa syarat yang harus dimiliki oleh refrigeran pengganti, yakni:

Memiliki sifat-sifat termodinamika yang berdekatan dengan refrigeran yang hendak digantikannya, utamanya pada tekanan maksimum operasi refrigeran baru yang diharapkan tidak terlalu jauh berbeda dibandingkan dengan tekanan refrigeran lama yang ber-klorin.

Tidak mudah terbakar.

Tidak beracun.

Bisa bercampur (miscible) dengan pelumas yang umum digunakan dalam mesin refrigerasi.

Setiap refrigeran CFC hendaknya digantikan oleh satu jenis refrigeran ramah lingkungan.

Setelah periode CFCs, R22 (HCFC) merupakan refrigeran yang paling banyak digunakan di dalam mesin refrigerasi dan pengkondisian udara. Saat ini beberapa perusahaan pembuat mesin-mesin refrigerasi masih menggunakan refrigeran R22 dalam produk-produk mereka. Meski refrigeran ini, termasuk juga refrigeran jenis HCFCs lainnya, dijadwalkan untuk dihapuskan pada tahun 2030 (untuk negara maju), namun beberapa negara Eropa telah mencanangkan jadwal yang lebih progresif, misalnya Swedia telah melarang penggunaan R22 dan HCFCs lainnya pada mesin refrigerasi baru sejak tahun 1998, sedangkan Denmark dan Jerman mengijinkan penggunaan HCFCs pada mesin-mesin baru hanya hingga 31 Desember 1999 (Kruse, 2000).

Protokol Montreal memaksa para peneliti dan industri refrigerasi membuat refrigeran sintetis baru, HFCs (Hydro Fluoro Carbons) untuk menggantikan refrigeran lama yang ber-klorin yang dituduh menjadi penyebab rusaknya lapisan ozon. Weatherhead dan Andersen (2006) mengemukakan bahwa sejak 8 tahun terakhir, penipisan kolom lapisan ozon tidak terjadi lagi. Kedua peneliti ini meyakini akan terjadinya pemulihan lapisan ozon. Meski demikian, keduanya tidak secara jelas merujuk turunnya penggunaan zat perusak ozon sebagai penyebab pulihnya lapisan ozon. Powell (2002) menyebutkan bahwa adanya kerjasama yang sangat baik antara produser refrigeran dan perusahaan pengguna refrigeran telah memungkinkan terjadinya transisi mulus dari era penggunaan CFCs secara besar-besaran di 1986 hingga penghapusan dan penggantiannya dengan R134a di tahun 1996. Banyak kalangan menyebutkan bahwa Protokol Montreal adalah salah satu perjanjian internasional di bidang lingkungan yang paling berhasil diterapkan.

Saat ini, HCFCs (yang pada dasarnya merupakan pengganti transisional untuk CFCs) telah memiliki 2 kandidat pengganti, yakni R410A (campuran dengan sifat mendekati zeotrop) dan R407C (campuran azeotrop) (Kruse, 2000). Hidrokarbon Propana (R290) juga berpotensi menjadi pengganti R22 (Kruse, 2000). R407C merupakan campuran antara R32/125/132a dengan komposisi 23/25/52, sedangkan R410A adalah campuran R32/125 dengan komposisi 50/50 (ASHRAE, 2005). Saat ini, beberapa perusahaan terkemuka di bidang refrigerasi dan pengkonsian udara telah menggunakan R410A dalam produk mereka.

Jika Protokol Montreal dan Kyoto dilaksanakan secara penuh dan konsisten, maka secara umum pada saat ini belum ada pilihan refrigeran komersial selain refrigeran alami. Meskipun perlu dicatat bahwa baru-baru ini terdapat produsen refrigeran yang mengklaim keberhasilannya membuat refrigeran yang tidak merusak ozon dan tidak menimbulkan pemanasan global (ASHRAE, 2006). Beberapa refrigeran alami yang sudah digunakan pada mesin refrigerasi adalah: amonia (NH3), hidrokarbon (HC), karbondioksida (CO2), air, dan udara (Riffat dkk., 1997). Kata "alami" menekankan keberadaan zat-zat tersebut yang berasal dari sumber biologis atapun geologis; meskipun saat ini beberapa produk refrigeran alami masih didapatkan dari sumber daya alam yang tidak terbarukan, misalnya hidrokarbon yang didapatkan dari oil-cracking, serta amonia dan CO2 yang didapatkan dari gas alam (Powell, 2002).

Penggunaan karbondioksida, air, dan udara pada refrigerator komersial masih memerlukan riset yang mendalam, sedangkan penggunaan amonia dan hidrokarbon, meskipun sudah cukup banyak dilakukan, masih memiliki peluang riset yang cukup banyak (Riffat dkk., 1997). Amonia bersifat racun (toxic) dan cukup mudah terbakar, sedangkan hidrokarbon termasuk dalam zat yang sangat mudah terbakar; oleh karena itu refrigeran tersebut secara umum sulit digunakan pada sistem ekspansi langsung. Sistem refrigerasi tak-langsung bisa digunakan untuk mengatasi kelemahan kedua refrigeran tersebut. Beberapa peneliti berusaha menekan tingkat keterbakaran refrigeran hidrokarbon dengan cara mencampurkannya bersama refrigeran lain yang tak mudah terbakar (Pasek dkk., 2006; Sekhar dkk., 2004; Dlugogorsky dkk., 2002). Granryd (2001) menekankan bahwa pada dasarnya sudah tersedia teknologi untuk meningkatkan keamanan pada sistem refrigerasi yang menggunakan refrigeran hidrokarbon, namun cara yang ekonomis untuk membuat sistem tersebut aman dan terbukti dapat digunakan dalam skala luas masih perlu dikembangkan lebih lanjut.

Teknologi Refrigerasi Alternatif

Munculnya beberapa permasalahan pada refrigerasi siklus kompresi uap dalam dekade belakangan ini membuat beberapa peneliti berusaha memunculkan sistem refrigerasi alternatif yang tidak mengandung permasalahan serupa. Teknologi alternatif tersebut diantaranya adalah refrigerasi sistem absorpsi, adsorpsi padatan (solid adsorption), dan efek magnetokalorik. Sistem absorpsi dan adsorpsi padatan tidak menggunakan refrigeran yang merusak ozon dan menimbulkan pemanasan global, serta bisa memanfaatkan panas matahari ataupun panas buangan; sedangkan refrigerasi sistem efek magnetokalorik sama sekali tidak menggunakan refrigeran primer.

Refrigerasi Siklus Absorpsi

Refrigerasi absorpsi merupakan siklus yang digerakkan oleh energi termal. Berbeda dengan sistem refrigerasi konvensional, energi mekanik yang diperlukan oleh refrigerasi absorpsi sangat kecil. Diagram refrigerasi absorpsi efek tunggal dapat dilihat pada Gambar 4 berikut ini:

Gambar 1 Diagram siklus refrigerasi absorpsi efek tunggal

Pada Gambar 1, QA adalah perpindahan panas dari absorber, WPump kerja yang diperlukan pompa, QG adalah perpindahan panas yang diperlukan oleh generator, QC adalah perpindahan panas dari kondenser, dan QE adalah panas yang diserap oleh evaporator. Penukar kalor yang terdapat di dalam siklus absorpsi berfungsi untuk meningkatkan temperatur larutan sebelum memasuki generator, sehingga bisa menghemat energi.

Seperti halnya siklus refrigerasi kompresi uap, efek pendinginan pada siklus absorpsi juga terjadi pada sisi evaporator. Untuk menggantikan kompresor seperti yang digunakan di dalam siklus kompresi uap, digunakan tiga komponen di dalam siklus absorpsi; yakni absorber, pompa, dan generator. Absorber berfungsi untuk menyerap uap refrigeran ke dalam absorben, sehingga keduanya bercampur menjadi larutan. Karena reaksi di dalam absorber adalah eksotermik (mengeluarkan panas), maka perlu dilakukan proses pembuangan panas dari absorber. Tanpa dilakukannya proses pembuangan panas, maka kelarutan (solubility) uap refrigeran ke dalam absorben akan rendah. Selanjutnya, larutan tersebut dipompa ke generator.

Dalam perjalanan menuju generator, larutan dilewatkan di dalam penukar kalor untuk meningkatkan temperatur (preheating). Daya pompa yang diperlukan sangat kecil, sehingga dalam perhitungan COP siklus absorpsi, daya ini biasanya diabaikan. Di dalam generator, larutan dipanaskan hingga terjadi pemisahan refrigeran dari larutan. Selanjutnya, uap refrigeran tersebut akan memasuki kondensor. Proses selanjutnya tidak berbeda dengan siklus kompresi uap, yakni kondensasi, penuruan tekanan (melalui mekanisme penghambat aliran - flow restrictor), dan evaporasi.

Dua keuntungan utama penggunaan siklus absorpsi adalah: (1) Siklus ini tidak menggunakan refrigeran yang merusak lapisan ozon dan menimbulkan pemanasan global, dan (2) Siklus ini bisa menggunakan panas buangan, sehingga sangat cocok digunakan dalam siklus kombinasi bersama dengan pembangkitan listrik dan panas/termal. Siklus kombinasi ini sangat berpotensi menghemat energi. Sistem pemanas dan pendingin di Shinjuku, Jepang, diklaim oleh operatornya (Tokyo Gas) bisa menghasilkan penghematan energi pendinginan sebesar 20% (Tokyo Gas, 2002).

Performansi sistem ini bisa didefiniskan dengan cara yang sama seperti halnya dalam siklus kompresi uap, yakni:

(3)

Namun karena daya pompa siklus ini umumnya sangat kecil dibandingkan dengan komponen yang lain, maka WPump seringkali dihilangkan dari Persamaan (3). Dalam aplikasinya, performa (COP) siklus absorpsi masih lebih rendah bila dibandingkan dengan siklus kompresi uap. Dalam artikel reviewnya, Shrikhirin (2001) menjelaskan beberapa teknik yang bisa digunakan untuk meningkatkan prestasi siklus absorpsi.

Holmberg dan Berntsson (1990) menerangkan beberapa kriteria yang perlu dipenuhi oleh fluida kerja (campuran antara refrigeran dan absorben), yakni:

Perbedaan titik didih antara refrigeran dan larutan pada tekanan yang sama (boiling elevation) haruslah sebesar mungkin.

Refrigeran perlu memiliki panas penguapan yang tinggi dan konsentrasi yang tinggi di dalam absorben untuk menekan laju sirkulasi larutan diantara absorber dan generator per-satuan kapasitas pendinginan.

Memiliki sifat-sifat transport, seperti viskositas, konduktivitas termal, dan koefisien difusi, yang baik sehingga dapat menghasilkan perpindahan panas dan massa yang juga baik.

Baik refrigeran dan absorbennya harus bersifat non-korosif, ramah lingkungan, dan murah.

Kriteria lain untuk fluida kerja sistem absorpsi serupa dengan kriteria untuk refrigeran siklus kompresi uap, seperti stabil secara kimiawi, tidak beracun, tidak mudah terbakar, dan tidak mudah meledak. Hingga saat ini, fluida kerja yang paling banyak digunakan di dalam sistem refrigerasi absorpsi adalah Air/NH3 dan LiBr/Air (Srikhirin dkk., 2001).

Refrigerasi Adsorpsi Padatan (solid adsorption)

Efek pendinginan pada siklus solid adsorption menggunakan prinsip yang sama dengan sistem refrigerasi lainnya: bahwa proses evaporasi memerlukan suplai energi (menyerap energi). Proses adsorpsi melibatkan pemisahan suatu zat dari cairan dan pengakumulasiannya pada permukaan sebuah zat padat. Zat yang menguap dari fasa cair disebut sebagai adsorbat, sedangkan zat padat yang menyerap adsorbat disebut sebagai adsorben. Molekul-molekul yang diserap oleh adsorben bisa dilepaskan kembali dengan cara memanaskan adsorben; dengan demikian proses ini bersifat reversibel. Terdapat dua macam adsorben, yakni hydrophilic seperti gel silika, zeolit dan alumina aktif atau alumina berpori; dan hydrophobic seperti karbon aktif, polimer dan silikat (Sumathy dkk., 2003). Adsorben hydrophilic memiliki kemampuan ikat yang tinggi dengan zat yang bersifat polar (seperti air), sedangkan adsorben hydrophobic dengan zat yang bersifat non-polar (seperti minyak).

Gambar 2 Diagram Clapeyron untuk siklus adsorpsi ideal

Siklus adsorpsi dasar bisa dilihat pada Gambar 5. Siklus ideal dimulai dari titik A: adsorben berada pada temperatur rendah, TA, dan tekanan rendah, PE (tekanan evaporasi). A - B menunjukkan pemanasan adsorben bersamaan dengan adsorbat. Pada saat ini, wadah adsorben (kolektor) dihubungkan dengan kondensor. Pemanasan lanjut pada adsorben dari B ke D menyebabkan sebagian adsorbat mengalami desorpsi dan selanjutnya uapnya terkondensasi di kondensor (titik C). Pada saat adsorben mencapai temperatur maksimum, TD, proses desorpsi berhenti. Selanjutnya cairan adsorbat dikirimkan ke evaporator dari C ke E; kemudian kolektor ditutup dan mendingin. Penurunan temperatur dari D ke F menyebabkan penurunan tekanan dari PC ke PE. Setelah kolektor dihubungkan dengan evaporator; evaporasi dan adsorpsi terjadi pada saat adsorben didinginkan dari temperatur F ke A. Efek pendinginan muncul pada saat terjadinya evaporasi adsorbat.

Dibandingkan dengan siklus kompresi uap, prestasi siklus adsorpsi jauh lebih kecil. Sumathy dkk. (2003) menjelaskan beberapa modifikasi yang perlu dilakukan pada siklus adsorpsi untuk meningkatkan prestasi siklus tersebut. COP tertinggi siklus adsorpsi yang didata oleh Sumathy dkk. (2003) adalah 1,06. Beberapa peneliti telah menyelidiki aplikasi siklus adsorpsi di berbagai bidang, seperti pengkondisian udara di dalam kabin masinis (Lu dkk., 2004; Wang dkk., 2006a), refrigerator tenaga surya untuk gedung (Lemmini dan Errougani, 2005), pendingin air (Liu dkk., 2005), dan pembuat es (ice maker) untuk kapal nelayan (Wang dkk., 2006b).

Refrigerasi Efek Magnetokalorik

Efek magnetokalorik, yang merupakan sifat intrinsik seluruh material magnetik, menyebabkan material yang bersifat magnetik akan membuang panas dan tingkat entropi magnetiknya turun pada saat dikenai medan magnet secara isotermal. Efek yang berkebalikan akan terjadi manakala medan magnet dihilangkan. Dengan demikian, efek magnetokalorik ini bisa digunakan untuk mendinginkan suatu zat. Prinsip ini telah digunakan dalam refrigerasi kriogenik sejak tahun 1930-an (Yu dkk., 2003). Refrigerasi magnetik dipandang sebagai teknologi hijau (green technology) yang memiliki potensi untuk menggantikan siklus konvensional kompresi uap. Efisiensi refrigerasi magnetik bisa mencapai 30 - 60% terhadap siklus Carnot, sedangkan siklus kompresi uap hanya mencapai 5 - 10% terhadap siklus Carnot (Yu dkk., 2003). Oleh karena itu, refrigerasi magnetik diperkirakan memiliki potensi yang bagus di masa mendatang.

Siklus dasar refrigerasi magnetik adalah siklus Carnot magnetik, siklus Stirling magnetik, siklus Ericcson magnetik, dan siklus Brayton magnetik. Mekanisme kerja siklus refrigerasi magnetik, misalnya siklus Ericcson magnetik, dijelaskan di bawah ini (lihat juga Gambar 6).

Proses magnetisasi isothermal (A-B). Pada saat terjadi kenaikan medan magnet (dari H0 ke H1), panas dipindahkan dari refrigeran magnetik ke fluida regenerator untuk menjaga refrigeran dalam keadaan isotermal. Note: yang dimaksud dengan refrigeran adalah material magnetik itu sendiri.

Proses pendinginan pada medan-konstan (B-C). Pada keadaan medan magnet konstan (H1), panas dipindahkan dari refrigeran magnetik ke fluida regenerator.

Proses demagnetisasi isotermal (C-D). Pada saat medan magnet diturunkan (dari H1 ke H0), panas diserap dari fluida regenerator ke refrigeran magnetik untuk menjaga kondisi isotermal pada refrigeran.

Proses pemanasan pada medan-konstan (D-A). Temperatur akhir refrigeran magnetik kembali ke kondisi semula (A).

Gambar 3 Diagram siklus Ericcson magnetik. Pada gambar tersebut, S dan T masing-masing adalah entropi dan temperatur.

Beberapa peneliti mengeksplorasi kemungkinan penggunaan refrigerasi magnetik sebagai pengganti sistem refrigerasi konvensional. Pada 1976, di Lewis Research Center of American National Aeronautics and Space Administration, Brown menggunakan logam tanah jarang (rare-earth metal) gadolinium (Gd) sebagai refrigeran magnetik untuk refrigerasi pada temperatur ruang (Yu dkk., 2003). Dengan menambahkan berbagai variasi silika dan germanium ke latis (lattice) kristal gadolinium, Vitalij Pecharsky dan Karl Gschneidner dari the Ames Laboratory di Iowa State University menemukan jenis material baru yang bisa mendinginkan dua hingga enam kali lebih banyak dalam siklus magnetik tunggal, yang berarti bahwa mesin refrigerasi ini bisa menggunakan medan magnet yang lebih lemah atau material yang lebih kecil (Glanz, 1998).

Dengan memadukan refrigeran magnetik Gd5Ge2Si2 dan sejumlah kecil besi, Provenzano dkk. (2004) melaporkan bahwa mereka bisa mengurangi kehilangan histerisis (yang menyebabkan refrigeran magnetik kurang efisien) hingga 90%. Selain menggunakan paduan berbasiskan gadolinium, Tegus dkk. (2002) menggunakan refrigeran magnetik berbasiskan logam transisi, MnFeP0.45,As0.55, untuk refrigerasi pada temperatur ruang dengan hasil refrigerasi yang secara signifikan lebih besar dibandingkan dengan Gd5Ge2Si2. Namun demikian, saat ini pengembangan refrigerasi magnetik pada temperatur ruang masih belum matang. Yu dkk. (2003) menekankan bahwa kesulitan utama dalam pengembangan refrigerasi magnetik adalah:

Diperlukannya material magnetik dengan efek magnetokalorik yang besar,

Diperlukannya medan magnet yang kuat, dan

Diperlukannya sifat regenerasi dan perpindahan panas yang istimewa.

sumber:

Yuli Setyo Indartono, Mahasiswa di Graduate School of Science and Technology, Kobe University, Japan. Peneliti Istecs. E-mail: indartono@yahoo.com