Siklus refrigerasi kompresi mengambil keuntungan dari kenyataan bahwa fluida yang bertekanan tinggi pada suhu tertentu cenderung menjadi lebih dingin jika dibiarkan mengembang.
Jika perubahan tekanan cukup tinggi, maka gas yang ditekan akan menjadi lebih panas daripada sumber dingin diluar (contoh udara diluar) dan gas yang mengembang akan menjadi lebih dingin daripada suhu dingin yang dikehendaki. Dalam kasus ini, fluida digunakan untuk mendinginkan lingkungan bersuhu rendah dan membuang panas ke lingkungan yang bersuhu tinggi.
Siklus refrigerasi kompresi uap memiliki dua keuntungan. Pertama, sejumlah besar energi panas diperlukan untuk merubah cairan menjadi uap, dan oleh karena itu banyak panas yang dapat dibuang dari ruang yang disejukkan. Kedua, sifat-sifat isothermal penguapan membolehkan pengambilan panas tanpa menaikan suhu fluida kerja ke suhu berapapun didinginkan.
Hal ini berarti bahwa laju perpindahan panas menjadi tinggi, sebab semakin dekat suhu fluida kerja mendekati suhu sekitarnya akan semakin rendah laju perpindahan panasnya.
Pemilihan jenis refrigeran yang akan digunakan dilakukan dengan mempertimbangkan beberapa sifat berikut:
1. Sifat termodinamika,
2. Tingkat mampu nyala,
3. Tingkat racun,
4. Kelarutan dalam air,
5. Kelarutan dalam minyak pelumas,
6. Reaksi terhadap material komponen mesin,
7. Sifat-sifat fisik,
Sifat termodinamika
Pemilihan refrigeran yang mempunyai sifat termodinamika yang tepat biasanya dilakukan berdasakan kapasitas refrigerasi yang diperlukan (sangat kecil, kecil, sedang atau besar) dan temperatur refrigerasi/pendinginan yang diperlukan. Misalnya untuk pengkondisian udara 5oC, lemari es -10 s/d 2oC, cold storage -25oC, lemari pembeku daging atau ikan -40oC.
Tekanan dan temperatur jenuh
Tekanan dan temperatur jenuh akan menentukan kondisi operasi di evaporator dan kondensor. Kondisi yang diinginkan adalah pada temperatur pendinginan yang diinginkan refrigeran masih mempunyai tekanan di atas tekanan atmosfer sehingga tidak ada tekanan vakum dalam sistem yang dapat menyebabkan masuknya udara dan uap air ke dalam sistem.
Pada temperatur kondensor yang sedikit di atas temperatur kamar, diharapkan refrigeran mempunyai tekanan yang tidak terlalu tinggi sehingga tidak diperlukan kompresor dengan perbandingan kompresi yang tinggi dan berdaya rendah. Disamping itu diinginkan refrigeran yang mempunyai tekanan kondensor dan evaporator yang tidak terlalu tinggi juga. Hal ini dimaksudkan agar tidak diperlukan struktur komponen yang kuat dan berat.
Dengan mengetahui tekanan dan temperatur jenuh refrigeran, maka dapat diketahui apakah suatu refrigeran beroperasi pada kisaran tekanan dan temperatur yang sama dan dapat saling menggantikan. Berbagai kombinasi campuran refrigeran bertekanan tinggi dan rendah dapat dilakukan untuk menggantikan refrigeran yang tekanannya berada di antara kedua tekanan refrigeran-refrigeran yang dicampur .
Temperatur dan tekanan kritik
Tekanan dan temperatur kritik merupakan batas atas dari pemakaian refrigeran pada mesin refrigerasi kompresi uap. Tidak ada refrigeran yang dioperasikan di atas tekanan atau temperatur kritik dalam siklus kompresi uap. Untuk mendapatkan COP yang besar refrigeran harus dioperasikan jauh di bawah titik kritiknya agar diperoleh efek refrigerasi yang besar.
Titik beku
Titik beku refrigeran merupakan batas bawah temperatur operasi dari refrigeran tersebut. Siklus refrigeran harus beroperasi di atas titik bekunya.
Sifat kimia
Sifat kimia refrigeran yang harus diperhatikan antara lain adalah sifat mampu nyala, tingkat racun, reaksinya terhadap air, minyak pelumas dan material konstruksi/komponen serta terhadap produk yang dibekukan jika terjadi kebocoran refrigeran dari sistem.
Sifat mampu nyala dan tingkat racun
Sifat mampu nyala ditentukan oleh komposisi campuran udara refrigeran dan titik nyala dari refrigeran tersebut. Berdasarkan kemudahan terbakarnya refrigeran dibagi menjadi tiga kelas yaitu kelas 1, kelas 2 dan kelas 3.
Refrigeran yang mempunyai titik nyala di atas 750oC dianggap tidak mudah terbakar karena temperatur nyalanya sudah melebihi temepartur leleh material komponen refrigerasi. refrigeran kelompok ini termasuk
Refrigeran dengan titik nyala di bawah 750 dan batas bawah penyalaan (LFL = Lower Flammability Limit, atau LEL = Lower Explotion Limit) adalah lebih besar dari 3,5% volume (campuran dalam udara), maka refrigeran ini termasuk refrigeran kelas 2. Sedangkan jika batas bawah penyalaan kurang dari 3,5% maka refrigeran tersebut masuk kelas 3.
Tingkat racun dibagi menjadi dua kelompok yaitu kelompok A yaitu refrigeran tak beracun dan kelompok B refrigeran beracun. Refrigeran dikatakan tidak beracun jika mempunyai LC50 (Lethal Concentration 50%) lebih besar dari 10.000 ppm, sedangkan refrigeran dianggap beracun jika LC50 lebih kecil dari 10.000 ppm.
Berdasarkan tingkat mampu nyala dan racun maka refrigeran dapat diklasifikasikan sebagai:
a. refrigeran kelas A1: tidak beracun tidak mudah terbakar. Semua refrigeran halokarbon masuk kedalam kelas refrigeran ini.
b. Refrigeran kelas A2: tidak beracun, tetapi tingkat nayala masuk kelas 2. Refrigeran campuran zeotropik antara kelas A1 dan A3 bisa masuk kelas refrigeran ini. R-32, R-141b, dan R-152a juga masuk dalam kelas refrigeran ini.
c. Refrigeran kelas A3: tidak beracun, tetapi mudah terbakar. Refrigeran hidrokarbon, masuk ke dalam kelas ini.
d. Refrigeran kelas B1: beracun tetapi tidak mudah terbakar. Tidak ada refrigeran masuk kelas ini.
e. Refrigeran kelas B2: beracun dan bisa terbakar. Amoniak termasuk kelas refrigeran ini.
f. Refrigeran kelas B3: beracun dan mudah terbakar. Kelas refrigeran ini tidak pernah digunakan.
Kelarutan dalam air
Adanya air atau uap air dalam sistem tidak diinginkan, karena dapat menyebabkan penyumbatan pada alat ekspansi (moisture choking), korosi, rusaknya isolasi dak kumparan motor listrik dalam kompresor hermetik, dan terbentuk kerak dalam pipa tembaga.
Uap air dapat berada dalam sistem apabila proses evakuasi (vakum) tidak dilakukan dengan baik, atau terjadi kebocoran pada sisi tekanan rendah (untuk sistem yang bekerja pada tekanan vakum), kebocoran pada penukar kalor berpendingin air, pelumas yang basah karena bersifat higroskopik, atau kebocoran melalui sekat poros untuk kompresor tak hermetik. (Open type)
Pembentuk air dan es dapat terjadi apabila air atau uap air tidak larut atau terlepas dari larutan refigeran pelumas. Dengan demikian semakin tinggi kelarutan air dalam refrigeran atau pelumas semakin baik. Namun tingkat kelarutan air dalam refrigeran biasanya menurun dengan menurunnya temperatur, sehingga keberadaan air dalam refrigeran selalu dicegah dengan memasang pengering silica gel atau molecular sieve.
Namun demikian semakin rendah temperatur semakin kecil kelarutannya. Hal ini dapat menyebabkan terpisahnya air dari refrigeran dan akan menimbulkan persoalan, Oleh sebab itu keberadaan air dalam sistem tetap harus dicegah.
Kelarutan dalam minyak pelumas
Refrigeran dan pelumas dapat bercampur atau tidak bercampur dengan pelumas bergantung pada jenis dan ukuran kompresor. Pada kompresor sentrifugal pelumas mempunyai sistem tersendiri yang terpisah dari saluran refrigeran, sehingga pada sistem ini, tidak perlu dikhawatirkan pengaruh kelarutan refrigeran dalam minyak pelumas atau sebaliknya.
Namun demikian pada jenis kompresor torak dan ulir refrigeran bercampur dengan minyak pelumasnya. Untuk jenis kompresor ini maka diperlukan pasangan refrigeran minyak pelumas yang saling tidak larut, dengan demikian minyak pelumas dan refrigeran dapat dipisahkan dengan memasang pemisah oli pada sisi keluaran kompresor.
Pada kompresor torak kapasitas kecil dimana tidak memungkinkan untuk dipasang pemisah oli, maka diperlukan pasangan refrigeran oli refrigeran yang larut dengan baik satu sama lain agar pelumas tidak tertinggal di kondensor, katup ekspansi atau evaporator.
Pada sistem kompresor yang memungkinkan terjadinya pencampuran refrigeran oli, maka perlu diperhatikan adanya penuruan kerapatan dan viskositas minyak pelumas tersebut agar tidak terjadi kegagalan pelumasan.
Pelumas refrigeran secara garis besar dapat dibagi menjadi dua kelompok yaitu oli mineral yang berasal dari minyak bumi dan oli sintetik. Terdapat dua jenis oli mineral yaitu oli mineral Napthenic dan Paraffinic, keduanya merupakan senyawa hidrokarbon jenuh, tetapi oli mineral napthenic mempunyai ikatan cyclic yang menyebabkan oli jenis ini viskositas dan temperatur curahnya lebih rendah dibandingkan oli mineral Paraffinic yang banyak mengandung lilin parafin. Dalam praktek keduanya terdapat dalam mineral oli dengan komposisi yang berbeda-beda. Refrigeran sintetik yang banyak digunakan adalah Alkyl-benzene, Polyo ester (POE), dan polyalkyl glycol (PAG).
Hampir semua refrigeran halokarbon larut dengan baik dalam oli mineral, kecuali R-22, R-114, R-502 yang hanya larut sebagian. Oleh sebab itu penggunaan refrigeran yang hanya terlarut sebagian ini pada sistem refrigerasi yang kecil dan refrigeran tercampur dengan minyak pelumas memerlukan perhatian pada sistem pemipaan yang memungkin minyak pelumas kembali ke kompresor secara gravitasi.
Sebagai contoh R-22 dengan 10% mineral oil merupakan larutan yang baik pada kondensor temperatur, tetapi akan terpisah pada temperatur evaporator 5oC. Jika kandungan oli mencapai 18% pemisahan akan terjadi pada temperatur 0,5oC. Amonia dan CO2 tidak larut dalam oli mineral oleh sebab itu pemakaian refrigeran ini pada mesin refrigerasi besar tidak menjadi masalah karena pencampuran dapat diatasi dengan memasang pemisah oli.
R-134a tidak bercampur dengan oli mineral, sehingga pasangan refrigeran-minyak pelumas ini tidak digunakan pada mesin refrigerasi kapasitas kecil yang tidak memungkinkan dipasangnya pemisah oli.
Pada umumnya viskositas dan massa jenis oli pelumas akan menurun jika bercampur dengan refrigeran. Besarnya penurunan viskositas dan massa jenis ini meningkat dengan meningkatnya jumlah refrigeran yang terlarut, temperatur dan tekanan[3]. Oleh sebab itu perlu diperhatikan agar penurunan viskositas dan massa jenis ini tidak sampai menyebabkan kegagalan pelumasan.
Reaksi terhadap material komponen mesin
Material komponen mesin terdiri dari logam, elastomer dan material pengering seperti silika gel dan molecular sieves. Refrigeran halokarbon, dan hidrokarbon mempunyai kestabilan kimia dan kompatibel terhadap hampir semua logam.
Namun demikian material yang paling baik digunakan adalah tembaga. Alumunium akan sedikit bereaksi dengan refrigeran yang mempunyai kandungan fluor yang tinggi. R-12 dan R-11 menunjukkan reaksi terhadap alumunium. Namun karena harganya murah maka alumunium dengan lapisan oksida banyak digunakan sebagai komponen mesin refrigerasi. Pastikan lakukan ini dengan bantuan teknisi service AC yang terlatih untuk menghindari kesalahan fatal.
Sifat fisika
Kekuatan Dielektrik
Kekuatan dielektrik menentukan apakah refrigeran tersebut menghantarkan listrik atau tidak. Refrigeran yang baik adalah refrigeran yang mempunyai kekuatan dielektrik yang tinggi atau tidak menghantarkan listrik. Refrigeran yang mempunyai kekuatan dielektrik yang tinggi aman digunakan pada kompresor hermetik.