BAB I PENGANTAR TEKNIK PENDINGIN A. Pengenalan Teknik Pendingin dan Aplikasinya Teknik pendingin turut meningkatkan tingkat kehidupan manusia menjadi lebih baik. Hal tersebut disebabkan dengan adanya kerja sama yang terjalin bertahun-tahun antara para teknisi, ilmuan, dan ahli teknik yang turut mengembangkan ilmu pengetahuan dan ketrampilan. Aplikasi
teknik
pendingin
sudah
semakin
luasnya
tetapi
penggunaannya yang paling umum dan telah lama digunakan adalah untuk pengawetan makanan, hampir hasil pertaanian, industri, maupun laboratorium menggunakan jasa pendinginan.
1. Asal Usul Percobaan Pengawetan Bahan Makanan Pada tahun 1626 telah dilakukan percobaan pengawetan makanan yang dilakukan oleh Francis Bacon mencoba mengawetkan ayam dengan cara membungkusnya dengan salju dan juga Anton van Leeuwenhoek dan seaorang belanda yang berhasil menyinkapkan tabir ilmu pengetahuan baru dengan menggunakan mikroskopnya ia dapat melihat bahwa dalam setetes air jernih ternyata terdapat jutaan organisme hidup yang dikenal sebagai mikroba.
2. Percobaan Membuat Mesin Es Salah satu hak patent pertama untuk mesin pembuat es didapat oleh Jacob Perkins seorang ahli teknik Amerika yang tinggal di London pada tahun 1834. mesin ini berhasil digunakan dipabrik pengalengan daging.
3. Penggunaan Teknik Pendinginan Pada Masa Kini a. Untuk Pengawetan Bahan Makanan Hal utama dalam industri makanan adalah persiapan, penyimpanan dan distribusi. Beberapa jenis makanan dapat disimpan dalam keadaan mentah seperti contohnya buah-buahan, sayuran dan 1
juga jenis makanan yang harus diolah dulu sebelumnya. Pendinginan sering kali merupakan satu faktor dalam proses ini, misalnya untuk : 1. Produk harian 2. Kemasan daging 3. Produk ikan 4. Produk minuman 5. Lemari es dan freezer b. Pabrik Kimia Fungsi utama pendinginan pada pabrik kimia disini adalah : 1. Untuk pemisah gas di pabrik petrokimia dengan temperaturnya serendah -250 ° F 2. Untuk pendinginan gas di pabrik ammonia dengan temperatur 0 dan 50 ° F 3. Untuk pengeringan udara di pabrik obat-obatan 4. Untuk pembekuan larutan di industri minyak 5. Untuk penyimpanan gas bertekanan rendah dalam bentuk cair pada temperatur -250 ° F 6. Untuk proses pendinginan pada pelapisan kertas lilin dengan temperatur 10 ° F 7. Unutk mnengeluarkan panas dari suatu reaksi di pabrik karet tiruan 8. Untuk penyeimbang larutan di pabrik tekstil dan karet 9. Untuk fermentasi/proses peragian di pabrik alkohol dan penisilin 10. Untuk pendinginan dan pengawetan di pabrik-pabrikobat-obatan dan bahan peledak
4. Untuk Pemakaian Khusus Dengan semakin luasnya penerapan teknik pendinginan maka kita akan menjumpainya dalam bidang : a. Perlakuan dingin terhadap logam b. Kedokteran c. Arena es skating d. Konstruksi
2
e. Penawaran air laut f. Untuk pabrik-pabrik es
5. Air Conditioning (Pengkondisian Udara) Pada mulanya pengkondisian udara itu dimaksudkan untuk memperbaiki proses suatu pekerjaan dan bukan unutk kenyamanan pekerja. Tapi pada akhirnya juga dipakai untuk kenyamanan pekerja agar didapat efesiensi kerja yang lebih baik. Pengkondisisan udara untuk industri antara lain digunakan pada : a. Laboratorium b. Percetakan c. Pembuatan alat-alat presisi d. Tekstil e. Pembuatan baja f. Pharmasi g. Produk photography h. Untuk pemelihara ternak i. Pengkondisisan udara juga diperlukan untuk kendaraan-kendaraan, kantor-kantor, rumah , rumah sakit, hotel dan sebagainya.
6. Penggunaan AC Untuk Kenyamanan Ada sistem pengkondisian yang sengaja dipakai untuk kenyamanan hidup manusia bukan semata-mata untuk penyimpanan barang biasanya terdapat pada : a. Perumahan b. Tempat-tempat penjual jasa c. Kendaraan angkutan d. Tempat kerja
7. Definisi Sebelum melangkah ke tekniok pendinginan perlu kita ketahui beberapa istilah yang nantinya akan banya disebut diantaranya :
3
a. Panas Panas adalah salah satu bentuk energi yang tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan. Panas hanya dapat dipindahkan jika terdapat perbedaan temperatur atau perbedaan tekanan. b. Dingin Dingin adalah suatu istilah yang relatif sebab temperatur udara luar 50 ° F untuk orang-orang yang tinggal di daerah tropis akan terasa dingin tapi tidak dingin untukorang-orang di daerah kutub. Ada suatu definisi yang menyebutkan bahwa dingin itu artinya gas (uap) refrigeran bertemperatur dan bertekanan rendah itu dihisap ke dalam kompressor, di dalam kompressor gas tadi dikompressikan menjadi gas bertekanan tinggi kemudian ditekan masuk kedalam kondensor. Kondensor berfungsi untuk membuang panas yang dikandung gas tadi dan udara sekitarnya akan mengambil panas itu. Gas refrijeran yang ada didalam kondensor mempunyai temperatur yang lebih tinggi dibandingkanudara disekitarnya oleh karena itu dapat terjadi perpindahan panas. Refrijeran itu akan mengalir melalui alat control sebelum masuk ke dalam evaporator. Di dalam alat control refrijeran dipaksa mengalir melalui lubang kecil sehingga temperatur dan tekanannya menjadi turun kembali sesuai dengan kondisi yang dapat diterima evaporator. Sebabnya adalah setelah lewat lubang lecil kemudian mengalir ke lubang besar di evaporator, refrijeran itu menjadi mudah untuk menguap kembali.
4
Gambar. Sistem Refrijerasi Sederhana
B. Teori Dasar Teknik Pendingin a. Benda dan Panas 1. Benda dan Panas Sepeti yang telah kita ketahui bahwa wujud benda yang kita temui di alam ini ada dalam satu phasa (keadaan) yaitu padat, cair dan gas (uap). Diantara ketiganya terdapat perbeaan yaitu : a. Padat Benda dalam keadaan padat dan isinya tetap karena molekulmolekulnya saling merapat satu sama lain, dengan demikian gerak molekulnya demikian lambat. b. Cair Benda dalam keadaan cair isinya tetap bentuknya berubah menurut bentuk wadahnya. c. Gas (uap Benda dalam keadaan gas atau biasa disebut uap bentuk dan isinya selalu berubah-ubah. Walau ketiganya mempunyai perbedaan phasa dan tergantung dari tekanan dan temperatur sekelilingnya, salah satu phasa (wujud) dapat berubah ke phasa (wujud) lain, sebagai contoh air dapat berubah
5
jadi es (padat) atau jadi uap air (gas). Benda padat selalu mempunyai bentuk yang tetap sedangkan benda cair dan gas tidak mempunyai bentuk tetapi tergantung pada wadahnya.
2. Gerak Molekul Semua benda terdiri dari partikel-partikel kecil yang disebut molekul dan molekulnya sendirim dapat dipecah lagi jadi bagian terkecil disebuit atom. Molekul-molekul bervariasi dalam bentuk, isi, dan berat. Dalam ilmu alam dapat kita ketahui bahwa molekul-molekul mempunyai kecenderungan untuk saling merapat satu sama lain.
3. Hukum Thermodinamika I Hukum Thermodinamika I menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan, tapi dapat diubah bentuknya menjadi bentuk energi lain.
4. Hukum Thermodinamika II Hukum Thermodinamika II menyatakan bahwa perpindahan energi
panas
berlangsung
jika
terdapat
perbedaan-perbedaan
temperatur. Panas itu mengalir dari benda bertemperatur rendah, kejadian ini akan berlangsung sampai dicapai keseimbangan temperatur.
5. Alat Ukur Temperatur Sebagaimana halnya panjang, lebar, volume mempunyai ukuran, maka temperaturnya dapat diukur. Tingkat jumlah energi panas
dapat
diukur
dengan alat
yang disebut
thermometer.
Thermometer ini berisi cairan Mercury yang akan memuai kalau kena panas dan akan menyusut kalau kena dingin.
6
Gambar. Perbandingan Skala Temperatur Celcius dan Fahrenhiet
6. Konversi Temperatur Konversi dari salah satu skala ke skala lain daoat dilihat dari tabel tetapi dapat pula dihitung dengan mudah menghitungnya melalui persamaan : … ° F = 1.8 ° C + 32 atau … ° F = 9/5 x ° C + 32 … ° C = ( … ° F – 32) / 1.8 atau … ° C = 5/9 x ( … ° F – 32) Contoh : Ubahlah jadi ° C jika diketahui temperatur ruangan 77 ° F Jawab : ° C = ( 77 -32 ) / 1.8 = 25 ° C ° C = 5/9 x ( 77 – 32 ) = 25 ° C
7
A : temp. didih air B : temp.standar C : temp. beku air D : 0 absolut
7. Jumlah Panas Ukuran jumlah panas dinyatakan dalam notasi British Thermal Unit (BTU).air digunakan sebagai standar untuk menghitung jumlah panas karena untuk menaikkan temperatur 1 ° F untuk tiap 1 lb iar diperlukan panas 1 BTU. Oleh karena itu untuk menghitung jumlah panas yang dibutuhkan/dibuang digunakan persamaan : BTU = W x Δt Dimana : W = jumlah air Δt = perbedaaan temperatur (° F)
8. Panas Jenis Panas jenis suatu benda artinya jumlah panas yang diperlukan benda itu agar temperaturnya naik 1 ° F. Panas jenis untuk benda-benda umum (BTU/lb/° F)
8
Air
1,0
Es
0,05
Udara (kering)
0,24
Uap
0,48
Alumunium
0,22
Kuningan
0,09
Timah hitam
0,03
Besi
0,10
Mercury
0,03
Tembaga
0,09
Alkohol
0,60
Minyak tanah
0,50
Olive oil
0,47
Kaca
0,20
Pine
0,67
Marmer
0,21
Harga panas jenis benda tentu saja tergantung pada perubahan temperaturnya. Berdasarkan hal itu maka jumlah panas yang dibutuhkan/dibuang dari suatu benda dapat dihitung digunakan persamaan : BTU = W x c x Δt Dimana : c = panas jenis benda
9. Perubahan Phasa (Wujud) Marilah kita sekarang melihat perubahan-perubahan phasa (wujud) benda : Membeku
: Yaitu perubahan dari cair ke padat
Mencair
: Yaitu perubahan dari padat ke cair
Menguap
: Yaitu perubahan dari cair ke uap
Mengembun : Yaitu perubahan dari uap ke cair
9
Menyublim
: Yaitu perubahan dari padat ke uap tanpa melalui perubahan ke cairan
10. Panas Sensibel Panas sensibel adalah panas yang dapat diukur, panas yang menyebabkan terjadinya kenaikan atau penurunan temperatur. Semua benda baik padat, cair atau gas mempunyai panas sensibel selama berada diatas temperatur 0 o absolute. Jumlah panas yang dibutuhkan untuk merubah phasa padat ke phasa gas tergantung dari : a. Temperatur awal pada saat benda dalam keadaan padat b. Temperatur dimana benda padat berubah jadi cair c. Temperatur dimana benda cair berubah jadi uap/gas d. Temperatur akhir uap/gas yang terjadi e. Jumlah panas yang dibutuhkan untuk merubah phasa
Gambar. Perubahan Phasa
11. Panas Laten Panas laten adalah panas yang diperlukan unutk merubah phasa benda mulai dari titik lelehnya atau titik didihnya atau titik bekunya samapibenda itu secara sempurna berubah phasa tetapi temperatur tetap.
10
12. Cara-cara Perpindahan Panas Menurut hokum thermodinamika II bahwa perpindahan panas akan terjadi dari temperatur yang lebih tinggi ke temperatur yang lebih rendah. Perpindahan panas ini akan terjadi dengan cara : a. Konduksi b. Konveksi c. Radiasi
13. Insulasi Benda ada yang bersifat penghantar panas dan ada yang bersifat sebagai penyekat panas (insulasi). Tak ada bahan penyekat panas yang benar-benar sempurna pasti akan terjadi kebocoran.
14. Efek Pendinginan Istilah yang biasanya digunakan untuk mengukur kapasitas pendinginan adalah ton pendinginan (Ton of Refrigeration) artinya 1 ton pendinginan sama dengan jumlah panas yang diperlukan untuk mencairkan 1 ton es (2.000 lb) dalam waktu 24 jam.
b. Fluida dan Tekanan 1. Fluida Fluida adalah setiap benda/materi yang dapat mengalir, benda itu dapat berupa cairan maupun gas. Oleh karena refrijeran dapat diklasifikasikan sebagai fluida sebab selama menempuh siklus pendinginan refrijeran dapat berbentuk cair maupun gas/uap. 2. Tekanan Fluida Tekanan adalah gaya yang bekerja per satuan luas dapat dikatakan bahwa tekanan sebagai ukuran intensitas gaya pada suatu satuan luas permukaan. Pada benda padat keseluruhan berat benda itu menekan ke permukaan yang terkena kontak langsung tetapi pada benda cair bukan hanya tekanan kearah bawah tetapi kebagian sisi wadahnya. Jika bagian wadah dibuat berlubang air yang berada diatas
11
bagian lubang itu akan mengalir keluar disebabkan gaya tekan air ke bawah dan kepinggir.
Gambar. Air Menekan Ke Segala Arah Notasi tekanan dinyatakan dalam psi (pound per square inch) = 2
lb/inch . ada perbedaan antara gaya (force) dengan tekanan (pressure) gaya merupakan berat total suatu benda dan tekanan adalah gaya per satuan luas.
3. Head atau Tinggi Permukaan Air Pada fluida selalu dijumpai hubungan erat antara tekanan dengan tinggi permukaan air (head of water). Tekanan air bervariasi tergantung dari tinggi permukaannya. Jika ketinggian permukaan airnya naik atau turun maka hal ini akan mempengaruhi besarnya tekanan air tersebut sebagai akibat berubahnya berat air dalam wadah. Dari hal diatas maka dibuat satu persamaan : p = 0,433 x h dimana : p = tekanan (psi) h = tinggi permukaan air (ft)
4. Hukum Pascal Petengahan abad 17 seseorang ahli matematika dan ilmuwan Perancis Blaise Pascal mengadakan percobaan dengan menggunakan
12
air dan tekanan udara. Hasil percobaan tersebut kita kenal dengan Hukum Pascal. Hukum pascal itu menyatakan bahwa tekanan yang diberikan pada suatu cairan akan dipindahkan ke segala arah dengan sama rata. Salah satu apliksi hukum tersebut adalah pompa hidrolik yang mampu melipat gandakan gaya.
Gambar. Hukum Pascal Berlaku Untuk Bentuk Yang Berbeda Gambar dibawah diperlihatkan sebuah bejana berhubungan yang berisi oil masing-masing bejana mempunyai torak sesuai dengan besarnya bejana dan dianggap tidak ada kebocoran. Luas penampang torak kecil adalah 1 inch2 dan penampang torak besar 30 inch2. Suatu gaya sebesar 1 lb diberikan pada penampang kecil akan sanggup menahan beban sebesar 30 lb pada torak besar.
Gambar. Pemindahan Tekanan Hidrolik Menurut Hukum Pascal
5. Densitas Dari ilmu fisika bahwa densitas adalah berat atau satuan lume benda sebagaimana halnya lb/inch3 atau lb/ft3 jika dibuat persamaan didapat : D=W/v
13
Dimana : D = densitas W = berat benda V = volume
Berat jenis dari benda umum lainnya dapat dilihat pada tabel dibawah : Subtansi
Densitas
Air (murni)
62,4
Alumunium
168
ammonia cair (60 F)
38,5
Sp. Gravity 1 2,7 0,62
Kuningan
530
8,5
bata
112
1,8
Tembaga
560
8,98
kayu gabus (lempengan)
15
0,24
gasolin
41,2
0,66
Kaca (rata-rata)
175
2,8
besi (tulang)
448
7,2
Timah hitam
705
11,3
Mercury
848
13,6
oli (bahan bakar)
48,6
baja (rata-rata)
486
0,78 7,8
kayu
-
-
oak
50
0,8
pine
34,2
0,55
6. Volume Jenis (Specifik Volume) Volume jenis suatu benda adalah besarnya volume (ft3) yang dapat ditempati oleh 1 lb benda itu. Untuk benda cair nilainya akan tergantung pada temperatur dan tekanan. Benda cair volumenya dipengaruhi oleh perubahan tekanan karena pada perakteknya tidak mungkin memadatkan benda cair.
14
Volume gas atau uap sangat dipengaruhi oleh perubahan temperatur atau tekanan yang bekerja padanya.
7. Tekanan Atmosfir Bumi kita diselimuti udara yang disebut atmosfir, yang tebalnya sekitar lebih dari 50 mil diukur dari permukaan bumi. Udara mempunyai berat dan berat itulah yang dikenal sebagai tekanan atmosfir. Besarnya tekanan atmosfir diukur mulai dari permukaan air laut besarnya kira-kira 14.7 psi. Besarnya tekanan itu tidak tetap, tetapi bervariasi tergantung antara lain pada letak tempat yang diukur dari permukaan air laut, jadi permukaan air laut dianggap titik nol. faktor lainnya adalah perubahan temperatur juga sekaligus pada jumlah kandungan uap air di udara. pengukuran tekanan atmosfir itu dapat dilakukan dengan barometer sederahana seperti gambar dibawah ini :
Gambar. Barometer Sederhana
8. Pengukur Tekanan Alat pengukur yang selalu digunakan pada teknik pendingin dan teknik pengkondisian udara adalah manometer. Isi alat ukur ini adalah cairan yang biasanya dipakia mercury (Hg) air atau oil sebagai alat indikasi besarnya tekanan yang bekerja. Manometer air dipakai bila ingin 15
mengukur tekanan udara karena udara sangat ringan. Pada gambar diperhatikan manometer terbuka sederhana jenis U.
Gambar. Manometer Air 9. Tekanan Mutlak pada tabel dibawah menunjukkan hubungan antara tekanan mutlak, atmosfir dan tekanan pada alat ukur. Pada tekanan udara normal dialat ukur dinyatakan dengan angka nol (0). Untuk tekenan diatas normal dinyatakan dengan psi dan dibawah normal dinyatakan dengan inch air raksa. Gauge Pressure
Absolute Pressure
40
54,7
30
tekanan
44,7
20
di atas
34,7
10
atmosfir, psi
24,7
0
tekanan
14,7
10
tekanan
20
20
tekanan dibawah atmosfir
10
30
dalam inch Hg
0
(29, 92) Gambar. Hubungan Antara Tekanan Absolute, Atmopsfir dan Tekanan Pada Alat (Gauge Pressure)
16
10. Tekanan Gas volume gas dipengaruhi oleh perubahan tekanan atau temperatur atau kedua-duanya. Untuk menghitung perubahan-perubahan diperlukan adanya dalil. Hukum Boyle menyatakan bahwa volume gas berbanding terbalik dengan tekanannya jika temperatur gas dianggap tetap. Artinya hasil perkalian antara tekanan dengan volume tetap konstan atau jika tekanan gas itu jadi 2x asalnya maka volume baru ½ volume lama demiikian juga sebaliknya. Konsep ini dapat dinyatakan sebagai : p1 . v1 = p2 . v2 dimana : p1 dan v1 adalah tekanan dan volume awal p2 dan v2 adalah tekanan dan volume baru
c. Diagram Tekanan dan Enthalpy (p-h) 1. Efek Pendinginan Di dalam system refrijeran mengalir di dalam evaporator sambil berubah phasa dari cairan jadi uap karena sejumlah panas diambilnya dari udara sekelilingatau produk yang didinginkan, kemudian kembali refrijeran di dalam kondensor menyerahkan panasnya kemedia pendingin yang mengali di sekeliling kondensor. Penyerahan panas disertai perubahan phasa uap ke cairan. Jumlah phasa yang dibuang dikondensor merupakan jumlah panas yang diambilnya di evaporator ditambah panas sisipan sepanjang pipa penyalurnya (dari evaporator ke kondensor) dan juga panas yang disebabkan oleh kompressor. Jenis kondensor yang dipakai terdiri dari jenis pendinginan udara (media pendinginannya udara) pendinginan air atau pendinginan campuran. Jumlah pans yang diambil refrijeran berarti jumlah kerja yang dilakukan refrijeran tiap lb, terutama pada data refrijeran berubah phasa dari cair ke uap.
17
Gambar. Skema Pendinginan Sederhana
2. Siklus Diagram (Cycle Diagram) Gambar diatas memperlihatkan skema diagram aliran suatu siklus pendinginan sederhana, lengkap dengan perubahan-perubahan phasanya. Pertama-tama refrijeran caira menyerap panas dievaporator dan berubah jadi uap. Dikompressor uap refrijeran yang masuk dikompressikan jadi uap panas bertekanan tinggi kemudian dialirkan ke kondensor untuk menyerahkan panasnya sambil berubah lagi wujudnya dan siap untuk disirkulasikan lagi. Pada gambar dibawah diperlihatkan diagram mollier (dikenal dengan nama diagram p-h). pada diagram ini ditunjukkan tekanan panas dan temperatur dari refrijeran R-12. pada mollier diagram kita dapat membuat suatu rencana jika tekanan evaporator dan kondensor sudah ditetapkan dengan jalan membuat garis-garis sejajar dan titik-titik kerja.
18
Gambar. Diagram p-h
19
Berdasarkan gambar dibawah perubahan garis ke cair pada proses kondensasi terjadi sepanjang garis kondensasi mulai dari kanan ke kiri, perubahan cair ke gas/uap, pada proses vaporisasi terjadi sepanjang garis penguapan mulai dari kiri ke kanan, pada salib sumbunya dapat juga dilihat, garis y sebagai garis tekanan absolute (psia) dan garis x adalah
Tekanan absolute (psia)
garis enthalpy.
3. Proses Pendinginan Proses pendinginan secara teoritis kita anggap tak ada kebocoran ataupun sisipan panas baik dari pipa sambungan antara komponenkomponen utama maupun dari komponen-komponennya sendiri sehingga tak ada perubahan temperature baik pada cairan yang dikondensasikan setelah mengalir meninggalkan kondensor menuju alat ekspansi ataupun pada uap saat meninggalkan evaporator menuju kekompressor.
4. Koeffisien Kerja (Coefficient of Performance) Untuk mencari koefisien kerja dari suatu instalasi pendinginan mesti diketahui dulu effek pendinginnya (RE) dan kerja kompressi.
20
Perbandingan effek pendinginan dengan kerja kompressi adalah koeffisien kerja (coefficient of performance/CoP). Kalau dibuat persamaan : CoP = effek pendinginan Untuk mencari besarnya CoP itu kita mesti kembali ke diagram p-h Cop = (hC – hA) : (hD – hC) Cop = 50,34 : 8,52 = 5,91 Angka CoP selalu lebih besar dari 1
5. Hal-hal yang Mempengaruhi Kapasitas Pada gambar dibawah setelah refrijeran dikondisikan pada temperatur 120 º F, jika cairan tiu didinginkan lagi (subcooled) sampai titik A (100 º F) yang artinya subcooled 20 º F maka effek pendinginannya hC-hA didapat sebesar 4,91 BTU/lb. hal ini disebabkan naiknya jumlah panas yang diserap di dalam evaporator tanpa adanya kenaikanpanas kompressi berarti angka CoP-nya tentu naik. Subcooling itu terjadi di dalam kondensor atau di tampungan (receiver) atau mungkin juga panas dari cairan refrijeran ke luar ke udara sekitarnya melalui pipa penghubung antara kondensor dengan alat meteran (matering device). Yang menguntungkan adalah subcooling yang terjadi pada kondenser air sehingga dapat menaikkan effisiensi dan kapasitas sistem yang bersangkutan.
21
Cara lain subcooling adalah dengan memakai cara pemindahan panas (heat exchanger). Pada cara ini saluran caiaran (pipa dari kondensor ke evaporator) dihimpitkan (dilekatkan) dengan pipa saluran masuk (dari evaporator ke compressor) sehingga dengan demikian panas dari refrijeran cair yang baru keluar dari kondensor diambil oleh uap refrijeran yang baru keluar dari evaporator cara ini ditunjukkan pada gambar dibawah :
22
