Penggunaan Refrigeran Hidrokarbon sebagai Alternatif Refrigeran Fluorokarbon

Refrigeran fluorokarbon seringkali digunakan dalam AC atau lemari es, jenis refrigeran ini sangat berbahaya bagi lingkungan karena dapat menimbulkan penipisan ozon tertentu. CFC dan HDC memiliki GWP ribuan kali lebih besar dari CO2. Menurut protokol mntreal yang ditandatangani pada tahun 1987, semua refrigeran terhalogenasi akan secara bertahap dihapus di tahun-tahun yang akan datang dan digantikan dengan zat dengan nilai ODP nol dan GWP nol. 

Salah satu upaya untuk menghindari CFC, HCFC, dan HFC adalah dengan menggunakan refrigeran alami seperti hidrokarbon (HCs). Mereka memiliki nol ODP dan GWP yang sangat rendah. 

Hidrokarbon dapat digunakan sebagai komponen individual, campuran berbagai hidrokarbon, dan komponen campuran yang mengandung refrigeran halokarbon. Refrigeran hidrokarbon terjadi secara alami, tidak mahal, dan dapat mencakup hampir semua aplikasi pendinginan yang ada.

Hidrokarbon tidak hanya baik untuk lingkungan, tetapi juga bisa menjadi konduktor panas yang lebih efisien daripada refrigeran fluorokarbon].Kelemahan utama dari refrigeran ini adalah mereka potensi mudah terbakar dan bahaya keamanan lainnya. Namun, kelemahan tersebut dapat diabaikan untuk biaya HC minimal, sedangkan tindakan pencegahan keamanan dipertimbangkan dalam peralatan pendingin volume besar

Hidrokarbon sebagai alternatif refrigeran

Hidrokarbon adalah zat alami yang diperoleh dari distilasi, terdiri dari karbon dan hidrogen. Hidrokarbon digunakan secara luas sebagai zat pendingin sejak tahun 1867, tetapi masalah teknis dan keamanan yang berbeda membuat mereka keluar dari pasar ketika CFC diperkenalkan pada tahun 1930-an. 

Saat ini dengan permasalahan yang dihasilkan dari refrigeran yang tidak ramah lingkungan, hidrokarbon dipertimbangkan kembali sebagai pilihan alternatif. Beberapa jenis hidrokarbon memiliki karakteristik kimia dan termodinamika yang berbeda, namun mereka memiliki sifat lingkungan yang sama; nol ODP dan GWP sangat rendah. Hidrokarbon memiliki sifat termodinamika yang sangat baik dengan sifat fisik dan kimia yang sesuai yang sangat hemat energi. 

Refrigeran hidrokarbon tidak terbakar secara spontan saat bersentuhan dengan udara. Tiga hal yang harus diperhatikan: i) pelepasan hidrokarbon, ii) hidrokarbon perlu bercampur dengan proporsi udara yang tepat, dan iii) sumber pengapian dengan energi lebih besar dari 0,25 milijoule atau permukaan dengan suhu melebihi 440oC harus hadir. Jika salah satu dari ketiga elemen ini dihilangkan, pembakaran tidak dapat terjadi. Oleh karena itu, hidrokarbon aman digunakan jika ditangani dengan benar dan dipasang sesuai petunjuk pabrik. Perlu diketahui bahwa jutaan ton hidrokarbon digunakan dengan aman setiap tahun di seluruh dunia untuk memasak, memanaskan, menyalakan kendaraan, propelan aerosol, dan lain-lain.

Hasil penelitian yang dilakukan El-Morsi (2015) menunjukkan bahwa R600 memiliki COP dan efisiensi eksergetik tertinggi, sedangkan LPG komersial memiliki efisiensi terendah. Dibandingkan dengan R134a, COP untuk R134a lebih tinggi  10% dari LPG . Selain itu, efisiensi exergetic lebih tinggi sebesar 5%. Namun LPG tidak mahal, tersedia dalam jumlah besar dan berdampak sangat rendah terhadap lingkungan karena GWP dan ODP yang rendah. Penelitian Khalid (2014) menunjukkan  R290 sebagai alternatif yang lebih baik untuk R22. Sistem R290 membutuhkan lebih sedikit muatan yang mengurangi emisi langsung refrigeran dan menurunkan konsumsi daya.

Pencampuran dua atau lebih refrigeran HC murni dengan sifat yang berbeda memberikan kesempatan untuk menyesuaikan sifat ke nilai yang diinginkan yang paling diinginkan. Chao (2014) mempelajari kinerja dan kelayakan penggunaan campuran hidrokarbon sebagai refrigeran alternatif dalam kulkas kecil R134a.  Rasio massa campuran refrigeran HC, R290 dan R600a, adalah 65% dan 35% (HC1), 50% dan 50% (HC2), dan 0% dan 100% (HC3) Hasil uji pull-down tanpa beban menunjukkan bahwa massa muatan optimal untuk semua refrigeran HC adalah 40% dari R134a. Semua refrigeran hidrokarbon menghasilkan konsumsi listrik yang lebih rendah, rasio ontime yang lebih rendah, dan faktor energi (EF) yang lebih tinggi daripada R134a.

Mehdi (2013) menguji studi kelayakan substitusi dua refrigeran hidrokarbon (R436A dan R600a) sebagai pengganti R134a di kulkas rumah tangga. Kompresor tipe HFC (dirancang untuk R134a) dan kompresor tipe HC (dirancang untuk R600a) digunakan. Hasil menunjukkan bahwa konsumsi energi berkurang sebesar 14% dan 7% saat bekerja dengan kompresor tipe HFC yang masing-masing diisi dengan jumlah optimal R436A dan R600a, dibandingkan dengan lemari es dasar. Di sisi lain, ketika kompresor diganti dengan tipe HC, konsumsi energi berkurang sebesar 14,6% dan 18,7% menggunakan jumlah optimal masing-masing R436A dan R600a, sebagai zat pendingin sehubungan dengan lemari es dasar.

Tun Ping (2012) menyelidiki kelayakan mengganti R22 dengan refrigeran hidrokarbon untuk berbagai massa bermuatan (25-70%) di AC jendela. Hasil menunjukkan bahwa massa bermuatan terbaik untuk mengganti R22 dengan refrigeran R290 adalah sekitar 50-55% dari R22 untuk berbagai temperatur udara luar. Mengganti R22 dengan R290 dapat secara efektif meningkatkan nilai EER dan mengurangi emisi karbon. Jabaraj (2007) mempelajari kemungkinan penggunaan campuran refrigeran HFC407C/HC290/HC600a sebagai alternatif pengganti R22 pada AC jendela dengan kapasitas 1050 W. Hasil eksperimen mereka menunjukkan bahwa campuran hidrokarbon memiliki COP yang lebih tinggi sebesar 8-11% dan konsumsi energi yang lebih rendah sebesar 5-10,5% dibandingkan dengan R22. Suhu pelepasan semua cairan yang diuji lebih rendah dari R22 pada 11-17oC. Kinerja keseluruhan dari campuran ini membuktikan bahwa ini merupakan alternatif yang sangat baik untuk R22. Park et al. (2009) menggunakan campuran hidrokarbon R290 dan R600a (50%/50%) sebagai alternatif pengganti R134a pada refrigerator rumah tangga 440-L. 

Mani dan Selladurai (2008) melakukan studi eksperimental pada sistem refrigerasi kompresi uap menggunakan R290 dan R600a (masing-masing 68% dan 32% menurut massa) sebagai pengganti drop-in untuk R12 dan R134a. Hasil penelitian menunjukkan bahwa R290/R600a memiliki kapasitas pendinginan 19,9% hingga 50,1% lebih tinggi dibandingkan R12 dan 28,6% hingga 87,2% dibandingkan R134a. Refrigeran R134a menunjukkan kapasitas pendinginan dan koefisien kinerja yang sedikit lebih rendah daripada R12. Kinerja koefisien campuran R290/R600a meningkat sebesar 3,9-25,1% dibandingkan dengan R12 pada suhu penguapan yang lebih rendah dan 11,8% hingga 17,6% pada suhu penguapan yang lebih tinggi. 

Campuran R290/R600a mengonsumsi energi 6,8% hingga 17,4%  lebih banyak daripada R12. Park et al. (2007) mempelajari secara eksperimental kinerja dua hidrokarbon murni dan tujuh campuran R1270, R290, RE170 dan R152a sebagai alternatif untuk R22 dalam sistem AC perumahan dan pompa panas. Mereka menyimpulkan bahwa COP campuran 45%R1270 / 40% R290 / 15%DME naik hingga 5,7% lebih tinggi daripada R22. 

Sementara kapasitas R290 dan 20%R1270/80%R290 lebih rendah dari R22 masing-masing sebesar 11,5 dan 6,6%, sementara cairan lain menunjukkan kapasitas yang serupa dengan HCFC22. HCFC22 karena kepadatannya yang lebih rendah. Untuk semua cairan yang diuji, jumlah muatan berkurang hingga 55% dibandingkan dengan R22 karena densitas cairannya lebih rendah. Fatouh dan El Kafafy (2006)[39] dievaluasi melalui analisis simulasi penggunaan campuran hidrokarbon yang berbeda untuk menggantikan R134a dalam kulkas domestik. Hidrokarbon yang diselidiki adalah R290, R600 dan campuran R290, R600 dan R600a. 

Hasil penelitian menunjukkan bahwa R290 tidak dapat digunakan sebagai pengganti pengganti R134a pada kulkas domestik karena tekanan operasinya yang tinggi dan COP yang rendah. Di sisi lain, R600 memiliki banyak karakteristik yang diinginkan tetapi memerlukan penggantian kompresor. Kapasitas pendinginan volumetrik campuran hidrokarbon dengan propana 70% lebih tinggi dari R134a hampir 15,5%. Koefisien kinerja campuran hidrokarbon dengan propana 60% lebih tinggi dari R134a sekitar 2,3% selama rentang kondisi operasi yang dipertimbangkan. 

Pencampuran HC dengan refrigeran HFC mengurangi jumlah zat yang mudah terbakar dalam campuran HC total menjadi kurang dari setengahnya, jika HC digunakan sendiri sebagai muatan penuh, akibatnya, risiko mudah terbakar akan berkurang. Raja dan Lalb (2008) menyelidiki kinerja M20 (80% R407C dan 20% HC campuran berat) sebagai refrigeran alternatif untuk R22 di AC jendela. 

Hasil percobaan menunjukkan bahwa refrigeran M20 memiliki kapasitas pendinginan 4,18-7,47% lebih rendah dan konsumsi daya 3,5-4,96% lebih rendah dibandingkan dengan sistem R22. COP M20 lebih rendah di kisaran 1,1% hingga 4,98%. Mohanraj (2013) mempelajari kemungkinan untuk menggunakan R430A untuk menggantikan R134a di kulkas rumah tangga. Kinerja telah dinilai untuk tiga suhu kondensasi yang berbeda 40, 50 dan 60 C dengan rentang suhu evaporator yang luas antara -30 dan 0 C. 

Hasil penelitian menunjukkan bahwa kapasitas pendinginan volumetrik R430A dan R134a hampir sama, sehingga kompresor R134a dapat digunakan untuk R430A tanpa modifikasi. COP R430A ditemukan lebih tinggi dari R134a sekitar 2,6-7,5% dan konsumsi daya kompresor pada semua suhu pengoperasian ditemukan lebih rendah sebesar 1-9%. 

Ravikumar dan Mohanlal (2009) menyelidiki secara eksperimental penggunaan campuran R134a dengan campuran hidrokarbon (45,2% R290 dan 56,8% R600a, berdasarkan massa) sebagai alternatif untuk R12 dalam sistem AC mobil. Hasil penelitian menunjukkan bahwa efek pendinginan adalah 25-33% dan kompresinya 43% lebih besar daripada R12. Peningkatan kerja melalui kompresi mengurangi COP sebesar 5-15% untuk sistem R12. Perpaduan baru ini dapat menjadi pengganti yang menjanjikan untuk sistem R12 yang ada dan dapat menghilangkan penggunaan minyak PAG higroskopis.

Pertimbangan lingkungan dan keselamatan

Cairan hidrokarbon umumnya dianggap ramah lingkungan. Mereka memiliki GWP yang dapat diabaikan dan nol ODP. Masalah lingkungan justru terkait dengan bahaya yang disebabkan oleh fakta bahwa mereka mudah terbakar. Standar penggunaan hidrokarbon telah berubah selama bertahun-tahun, mencerminkan perubahan pandangan. 

Refrigeran hidrokarbon diterima sebelum diperkenalkannya cairan CFC- dan HCFC. Belakangan tampaknya, untuk jangka waktu yang lama, tidak ada alasan sama sekali untuk menggunakan refrigeran yang dapat terbakar. Selama beberapa tahun hidrokarbon dilupakan dan standar secara bertahap disesuaikan sehingga penggunaannya dalam praktik kurang lebih tidak mungkin, sampai kebangkitan baru-baru ini. 

Tindakan pencegahan keselamatan yang harus diambil didasarkan pada jumlah muatan zat pendingin dan lokasi fisik unit atau pemisahan komponen tempat zat pendingin hidrokarbon terkandung. Batasan ukuran muatan ditetapkan dalam beberapa standar. Batasan umumnya ditetapkan untuk memastikan bahwa konsentrasi yang aman jauh dari tercapai jika seluruh muatan bocor dan menyebar ke ruang yang diberikan.  

Dalam beberapa standar penggunaan hidrokarbon diperbolehkan tanpa batasanjika muatannya kurang dari 0,15 kg dalam sistem tertutup rapat (semua sambungan dilas atau dibrazing) dan asalkan unit aman secara internal dalam desainnya. Aturan ini memberikan kemungkinan untuk menggunakan hidrokarbon misalnya lemari es dan freezer rumah tangga. Ini juga memberikan kemungkinan penggunaannya dalam aplikasi pompa panas kecil terutama dengan sistem tidak langsung. 

Namun, pemasangan dengan muatan zat pendingin yang lebih besar dapat dilakukan di sebagian besar negara, asalkan otoritas perlindungan kebakaran lokal dilibatkan dan peraturan mereka dipatuhi. Juga jika unit yang berisi zat pendingin ditempatkan di luar,di udara bebas,atau di ruang yang langsung berventilasi ke luar (misalnya pompa panas udara buangan) tidak ada batasan ketat untuk penggunaan refrigeran hidrokarbon. (Ini berlaku asalkan tindakan pencegahan keselamatan diambil untuk mencegah hidrokarbon bercampur dengan sistem di gedung terkait.) 

Masalah keamanan harus ditanggapi dengan serius dan membatasi kemungkinan penggunaan hidrokarbon secara luas. Selalu ada ketakutan akan hal yang tidak diketahui, sementara kita dapat dengan mudah menerima ``risiko lama yang sudah diketahui''. 

Sikap masyarakat terhadap penggunaan hidrokarbon sebagai refrigeran adalah masalah budaya dalam arti luas dan kesadaran lingkungan yang mendalam  dalam hal penipisan ozon serta dampak pemanasan global. Ketertarikan dan penerimaan psikologis terhadap penggunaan refrigeran hidrokarbon tampaknya semakin meningkat, setidaknya di beberapa negara Eropa. Namun, ada tradisi yang berbeda di berbagai belahan dunia.

Skilus efisiensi termodinamika

Untuk mengevaluasi cairan yang berbeda dalam hal permintaan energi siklus dengan refrigeran tertentu, akan berguna untuk memperkirakan koefisien kinerja yang ideal, Sebagai referensi, siklus refrigeran digunakan (dengan asumsi kompresi isentropik yang ideal, tidak ada pendinginan sub cair dan tidak ada uap super panas). Untuk menggeneralisasikan perbandingan siklus refrigeran dasar dibandingkan dengan siklus Carnot antara penguapan dan suhu kondensasi. 

Rasio ini didefinisikan sebagai `` efisiensi siklus Carnot''. Untuk kinerja praktis sistem juga karakteristik komponen kompresor dan penukar panas  memainkan peran penting. Umumnya efisiensi kompresor diperoleh dari berat molekul yang lebih rendah misalnya propana dibandingkan dengan R22. Juga perbedaan suhu yang akan berlaku di evaporator dan kondensor sangat penting. Faktor penting saat memperkenalkan refrigeran baru adalah juga karakteristik perpindahan panasnya, terutama dalam proses penguapan dan kondensasi.

Karakteristik perpindahan panas dan kinerja sistem

Data termofisika untuk propana umumnya menunjukkan koefisien perpindahan panas yang agak lebih baik dalam penguapan (pada panas yang sama) dan dalam pertukaran panas fase tunggal daripada data untuk R22. Namun, untuk kondensasi propana dibandingkan dengan R22, sedikit penurunan perpindahan panas dapat terjadi (pada kontrol gravitasi, tipe Nusselt, kondensasi serta kondensasi aliran). Selanjutnya data termofisika menunjukkan bahwa hidrokarbon akan memberikan penurunan tekanan jauh lebih rendah untuk sebagian besar aplikasi. Perbandingan dengan hasil untuk R22 menunjukkan bahwa propana (dan sebagian besar hidrokarbon lain yang diuji dengan pengecualian propena) memberikan koefisien perpindahan panas keseluruhan yang sedikit lebih rendah dikondensator.

Performa sistem

Berfokus pada propana versus R22, propana memang memberikan kapasitas yang lebih rendahdalam tes praktis menggunakan jenis sistem yang sama. Investigasi yang berbeda memberikan hasil mulai dari kapasitas sekitar 3 hingga 15% lebih rendah dibandingkan dengan R22. Secara umum ditemukan bahwa untuk sebagian besar hidrokarbon, penggunaan anpenukar panas dalamantara gas hisap dan cairan sebelum throttling. Propana dan isobutana menghasilkan peningkatan 0/+40 C  sebesar 0,09 dan 0,14% per derajat panas berlebih (ini berbeda dengan R22 di mana terdapatmengurangidalam efisiensi siklus sekitar 0,08%/C) untuk siklus dengan asumsi kompresi isentropik. Dalam prakteknya keuntungannya lebih besar karena superheat umumnya meningkatkan efisiensi kompresor.

Pertimbangan materi

Untuk lemari es domestik dengan refrigeran hidrokarbon ada pasar yang mapan di Eropa. Ini juga berlaku untuk pompa panas kecil, berdasarkan udara buangan sebagai sumber panas. Perkembangan ini sebagian besar didorong oleh permintaan pelanggan, dan penggunaan hidrokarbon untuk aplikasi semacam itu diterima oleh publik di banyak negara Eropa seperti Austria, Denmark, Finlandia, Jerman, Belanda, Norwegia, Swedia, dan Inggris. 

Ini juga terjadi di negara-negara Eropa selatan seperti Italia dan Spanyol. Isobutana banyak digunakan untuk lemari es rumah tangga. Aplikasi ini dalam beberapa tahun terakhir telah mendominasi pasar untuk Eropa utara. Penggunaan siklopropana tmungkin menjadi alternatif yang lebih baik untuk beberapa aplikasi pada suhu yang lebih rendah, sambil menunggu ketersediaan siklopropana. Untuk instalasi komersial, alternatif hidrokarbon yang paling menarik adalah propana Dan propena menggantikan R22. 

Namun, tidak ada pasar yang sangat luas untuk hidrokarbon di instalasi komersial. Sebagai contoh diperkirakan pangsa pasar di Swedia sekitar 35% (akhir tahun 1998). Terutama hidrokarbon digunakan dalam unit untuk sistem tidak langsung dan penukar panas yang baik sangat penting untuk sistem hemat energi. Unit dibangun dengan penukar panas yang ringkas, dan dengan muatan zat pendingin yang cukup kecil. 

Refrigeran hidrokarbon komersial tersedia di pasar untuk aplikasi suhu rendah (35 C) serta untuk pendinginan yang nyaman (biasanya +6 C) dan untuk pompa panas. Untuk instalasi di dalam ruangan, unit yang berisi refrigeran hidrokarbon biasanya tertutup di dalam pelindung dan sedikit tekanan subatmosfer dipertahankan di dalam penutup. 

Ukuran berkisar dari sekitar 5 hingga 300 kW kapasitas pendinginan. Dalam hal muatan refrigeran sering ditemukan bahwa muatan dengan hidrokarbon sekitar setengah dari muatan refrigeran HFC (yang disebabkan oleh densitas refrigeran HC yang rendah dibandingkan dengan HFC). Biasanya muatan zat pendingin berada di urutan 0,07 kg/kW (propana).