BAB II LANDASAN TEORI

BAB II LANDASAN TEORI

2.1 Pengertian Kompressor Kompressor adalah mesin untuk memampatkan udara atau gas, biasanya mengisap udara dari atmosfir. Sularso, hal : 167 2.2

Macam-macam Kompressor Ada beberapa macam kompresor yang sering digunakan dalam dunia industri, seperti pada skema gambar di bawah ini :

7

8

Gambar 2.1 . Jenis Kompresor (US DOE, 2003) Seperti terlihat pada gambar diatas, terdapat dua jenis dasar kompressor yaitu positive-displacement dan dinamik. Pada jenis positive-displacement, sejumlah udara atau gas di trap dalam ruang kompresi dan volumnya secara mekanik menurun, menyebabkan peningkatan tekanan tertentu kemudian dialirkan keluar. Pada kecepatan konstan, aliran udara tetap konstan dengan variasi pada tekanan pengeluaran. Kompresor dinamik memberikan energi kecepatan untuk aliran udara atau gas yang kontinyu menggunakan impeller yang berputar pada kecepatan yang sangat tinggi. Energi kecepatan berubah menjadi energi tekanan karena pengaruh impeller dan volute pengeluaran atau diffusers. Pada kompresor jenis dinamik sentrifugal, bentuk dari sudu-sudu impeller menentukan hubungan antara aliran udara dan tekanan (atau head) yang dibangkitkan. 2.2.1 Kompresor Positive Displacement Kompresor ini tersedia dalam dua jenis reciprocating dan putar / rotary

Universitas Mercu Buana

9

2.2.1.1 Kompresor reciprocating Di dalam industri, kompresor reciprocating paling banyak digunakan untuk mengkompresi baik udara maupun refrigerant. Prinsip kerjanya seperti pompa sepeda dengan karakteristik dimana aliran keluar tetap hampir konstan pada kisaran tekanan pengeluaran tertentu. Juga, kapasitas kompresor proporsional langsung terhadap kecepatan keluarannya, seperti denyutan.

Gambar 2.2 Penampang melintang kompresor reciprocating (King, Julie) Kompresor reciprocating tersedia dalam berbagai konfigurasi; terdapat empat jenis yang paling banyak digunakan yaitu horizontal, vertical, horizontal balance-opposed, dan tandem. Jenis kompresor reciprocating vertical digunakan untuk kapasitas antara 50 – 150 cfm. Kompresor horisontal balance opposed digunakan pada kapasitas antara 200 – 5000 cfm untuk desain multitahap dan sampai 10,000 cfm untuk desain satu tahap (Dewan Produktivitas Nasional, 1993). Kompresor udara reciprocating biasanya merupakan aksi tunggal dimana penekanan dilakukan hanya menggunakan


10

satu sisi dari piston. Kompresor yang bekerja menggunakan dua sisi piston disebut sebagai aksi ganda. Sebuah kompresor dianggap sebagai kompresor

satu

tahap

jika

keseluruhan

penekanan

dilakukan

menggunakan satu silinder atau beberapa silinder yang parallel. Beberapa penerapan dilakukan pada kondisi kompresi satu tahap. Rasio kompresi yang terlalu besar (tekanan keluar absolut/ tekanan masuk absolut) dapat menyebabkan suhu pengeluaran yang berlebihan atau masalah desain lainnya. Mesin dua tahap yang digunakan untuk tekanan tinggi biasanya mempunyai suhu pengeluaran yang lebih rendah (140 to 160 o C), sedangkan pada mesin satu tahap suhu lebih tinggi (205 to 240oC).

Gambar 2.3 Gambaran kompresor multi tahap (King, Julie) Untuk keperluan praktis sebagian besar plant kompresor udara reciprocating diatas 100 horsepower (Hp) merupakan unit multi tahap dimana dua atau lebih tahap kompresor dikelompokkan secara seri. Udara

biasanya

didinginkan

diantara

masing-masing

tahap

untuk


11

menurunkan suhu dan volume sebelum memasuki tahap berikutnya (Dewan Produktivitas Nasional, 1993). Kompresor udara reciprocating tersedia untuk jenis pendingin udara maupun pendingin air menggunakan pelumasan maupun tanpa pelumasan, mungkin dalam bentuk paket, dengan berbagai pilihan kisaran tekanan dan kapasitas. 2.2.1.2 Kompressor Putar / Rotary Kompresor rotary mempunyai rotor dalam satu tempat dengan piston dan memberikan pengeluaran kontinyu bebas denyutan. Kompresor beroperasi pada kecepatan tinggi dan umumnya menghasilkan hasil keluaran yang lebih tinggi dibandingkan kompresor reciprocating. Biaya investasinya rendah, bentuknya kompak, ringan dan mudah perawatannya, sehingga kompresor ini sangat popular di industri. Biasanya digunakan dengan ukuran 30 sampai 200 hp atau 22 sampai 150 kW.

Gambar 2.4 Gambaran kompressor screw


12

Gambar 2.5 Proses kompresi screw compressor a. Jenis dari kompresor putar adalah 1. Kompresor lobe (roots blower) 2.

Kompresor ulir (ulir putar helical-lobe, dimana rotor putar jantan dan betina bergerak berlawanan arah dan menangkap udara sambil mengkompresi dan bergerak kedepan (lihat Gambar 2.4 - 2.5)

3.

Jenis baling-baling putar/ baling-baling luncur, ring cairan dan jenis gulungan.

Kompresor ulir putar menggunakan pendingin air. Jika pendinginan sudah dilakukan pada bagian dalam kompresor, tidak akan terjadi suhu operasi yang ekstrim pada bagian-bagian yang bekerja. Kompresor putar merupakan kompresor kontinyu, dengan paket yang sudah termasuk pendingin udara atau pendingin air.


13

Karena desainnya yang sederhana dan hanya sedikit bagian-bagian yang bekerja, kompresor udara ulir putar mudah perawatannya, mudah operasinya dan fleksibel dalam pemasangannya. Kompresor udara putar dapat dipasang pada permukaan apapun yang dapat menyangga berat statiknya. Pada umumnya penggerak utama dari screw compresor adalah electric drive motor. Saat motor berputar, ini juga akan memutar screw compressor melalui coupling element. Proses kompresi yang terjadi didalam screw compressor sangatlah mudah, semudah bagaimana screw tersebut bekerja. Didalam unit airend terdapat bagian yang disebut rotor cavity, bagian dimana udara akan dikompresi oleh screw kompresor. Rotor cavity berada antara rotor casing dan screw rotor seperti yang ditunjukkan dalam gambar disamping. Udara akan mengisi rotor cavity, dapat dibayangkan bahwa udara berada didalam ruang tertutup. Saat screw rotor berputar maka panjang dari ruang tertutup / rotor cavity akan menjadi pendek oleh gaya aksial screw. Ruang yang semakin pendek berkolerasi pada meningkatnya rasio kompresi. Inilah prinsip dasar screw compressor, main drive motor akan memutar kompresor airend. Screw rotor akan berputar dan mengkompresi udara pada rotor cavity membuat udara dikompres sehingga mengeluarkan udara bertekanan yang akan keluar dari kompresor. Selama proses kompresi berlangsung akan menimbulkan pertambahan temperatur yang tinggi, untuk itu perlu dimasukkan fluid / lubricant kedalam airend dalam jumlah cukup besar dan secara langsung akan bercampur dengan udara yang dikompresi.


14

2.2.2 Kompresor Dinamis

Gambar 2.6 Rotor cavity

Kompresor udara sentrifugal (lihat Gambar 8) merupakan kompresor dinamis, yang tergantung pada transfer energi dari impeller berputar ke udara. Rotor melakukan pekerjaan ini dengan mengubah momen dan tekanan udara. Momen ini dirubah menjadi tekanan tertentu dengan penurunan udara secara perlahan dalam difuser statis. Kompresor udara sentrifugal adalah kompresor yang dirancang bebas minyak pelumas. Gir yang dilumasi minyak pelumas terletak terpisah dari udara dengan pemisah yang menggunakan sil pada poros dan ventilasi atmosferis. Sentrifugal merupakan kompresor yang bekerja kontinyu, dengan sedikit bagian yang bergerak; lebih sesuai digunakan pada volum yang besar dimana dibutuhkan bebas minyak pada udaranya. Kompresor udara sentrifugal menggunakan pendingin air dan d a p a t b e r b e n t u k p a k e t , khususnya paket yang termasuk after-cooler dan semua control. Kompresor ini dikenal berbeda k a r a k t e r i s t i k n y a j i k a


15

dibandingkan dengan mesin reciprocating. Perubahan kecil p a d a r a s i o kompresi dan

menghasilkan perubahan besar p a d a h a s i l k o m p r e s i

efisiensinya. Mesin sentrifugal lebih sesuai diterapkan untuk

kapasitas besar diatas 12,000 cfm.

Gambar 2.7 Gambaran kompressor sentrifugal (King, Julie) Beberapa kriteria seleksi untuk berbagai jenis kompressor terlihat pada tabel dibawah ini : Table 2.1 Kriteria Seleksi Umum untuk Kompresor (Konfederasi Industri India)


16

Table 2.2 Perbandingan untuk beberapa jenis kompresor yang penting (Kantor Pengembangan Energi Berkelanjutan, 2002) Item Efisiensi pada beban penuh Efisiensi pada beban sebagian

Reciprocating Tinggi Tinggi karena bertahap-tahap/ staging

Balingbaling putar Medium - tinggi

Ulir Putar

Sentrifugal

Tinggi

Tinggi

Buruk: dibawah 60% beban

Buruk: dibawah 60% beban penuh Tinggi – Buruk

Buruk: dibawah 60% beban penuh

Efisiensi tanpa beban (daya sama dengan persen beban penuh) Tingkat kebisingan

Tinggi (10% 25%)

penuh Medium (30% 40%)

Bising

Tenang

Ukuran

Besar

Kompak

Penggantian minyak pelumas Getaran

Sedang

Rendah

Rendah

Tinggi

Rendah medium Hampir tidak ada

Hampir tidak ada

Perawatan

Banyak bagian peralatan yang dipakai

Sedikit bagian peralatan yang dipakai

Sangat sedikit bagian peralatan yang dipakai

Hampir tidak ada Sensitif

Kapasitas

Rendah – tinggi

Rendah – tinggi

Tekanan

Medium – sangat tinggi

Rendah – medium Rendah – medium

2.3

(25% - 60%) Tenang jika tertutup Kompak

Medium – tinggi

Tinggi – Medium (20% - 30%) Tenang Kompak

terhadap debu dan udara Medium – tinggi Medium – tinggi

Komponen Utama pada Kompressor Penerima: Penerima udara disediakan sebagai penyimpan dan penghalus denyut keluaran udara – mengurangi variasi tekanan dari kompresor.


17

Gambar 2.8 Komponen Kompresor (US DOE, 2003)

2.3.1

Intake Air Filter Fungsi utama dari air filter adalah untuk menyaring partikel dan debu.

Partikel akan dipisahkan oleh gaya centrifugal pada saat udara yang dihisap masuk ke dalam airend. Udara yang mengalir masuk ke kompressor seperti putaran karena adanya guidance fan . Partikel yang berat akan didorong keluar dari casing silinder dan material yang lebih ringan / udara akan lolos melalui filter element. Partikel dengan ukuran 10 microns akan ditahan oleh filter element sedangkan yang lebih kecil akan dilalukan ke kompresor. Air filter merupakan proteksi pertama dan


18

utama pada kompresor, jika ada kotoran atau debu atau partikel yang terhisap ke kompresor akan disaring oleh air filter. Lihat Gambar dibawah ini :

Gambar 2.9 Air Filter 2.3.2

Intake Valve Intake valve adalah valve otomatis yang sistem kerjanya digerakan oleh

udara bertekanan yang melewati nozzle kemudian mendorong air cylinder yang terhubung dengan katup untuk membuka, pada dasarnya intake valve ini juga berfungsi untuk mengatur seberapa besar supplai udara yang didistribusikan pada screw compressor. 2.3.3

Air End Airend adalah alat yang berfungsi untuk mengubah/mengkompresi udara

atmosper menjadi udara bertekanan, bagian ini merupakan jantung dari screw


19

kompressor unit. Bagian ini terdiri dari male dan female screw rotors, air end casing, dan gear ratio. Konfigurasi seperti ini dapat mengurangi panjang screw rotors dibanding dengan desain direct couple drive. Dengan kata lain, mesin dibuat lebih compact size. Sehingga dengan flow rate capacity yang sama, power yang diperlukan lebih rendah dibanding air end dengan desain tipe direct drive. Screw rotor menggunakan 4 tapered roller thrust bearing pada sisi discharge dan 2 radial cylindrical bearing pada sisi suction. Gear ratio akan ditahan oleh sepasang taper roller thrust bearing. Hal utama yang perlu diperhatikan pada saat screw rotor berputar adalah arah putaran yang tepat, jika tidak airend akan rusak, terutama pada bagian radial suction bearing. Seperti terlihat pada gambar dibawah ini :

Gambar 2.10 ruang screw 2.3.4

Main Motor Main motor adalah penggerak utama dari screw kompresor atau disebut

electric drive motor. Saat motor berputar, ini juga akan memutar screw kompresor melalui coupling element.


20

2.3.5 Separator Separator berfungsi untuk memisahkan udara bertekanan dari oil lubricant. Hal ini menjaga konsumsi oli serendah mungkin dengan udara yang akan didistribusikan ke line produksi . Jika separator element rusak atau robek maka akan terjadi oil carry over dari kompresor menuju line produksi. Oli yang telah dipisahkan akan dikumpulkan didalam sump tank dan kemudian disirkulasikan kembali kedalam sistem screw kompresor. 2.3.6

Oil dan Air Cooler Fungsi Air Cooler adalah untuk mendinginkan oil lubricant dan discharge

air dengan media udara atmosfer. Udara panas yang terperangkap di dalam enclosure akan ditiupkan keluar oleh cooler fan ke arah keluar dari enclosure . Proses ini mengakibatkan tekanan udara yang ada di dalam enclosure lebih rendah dibandingkan tekanan atmosphere sehingga udara yang ada di sekitar akan mengalir masuk ke dalam enclosure untuk mengisi tempat yang kosong itu.

Ambient udara yang makin dingin tentunya akan membantu proses

pendinginan menjadi lebih efektif. Cooling system (tipe air-cooled) terdiri dari fan, fan motor dan radiatortype aftercooler/fluid cooler. Setelah udara melalui minimum pressure valve, maka ia akan masuk ke aftercooler. Tipe radiator yang digunakan merupakan kombinasi antara aftercooler dan fluid cooler. 2.3.7

Oil Filter Oil filter merupakan komponen proteksi internal lainnya untuk kompresor.

Oil Filter berfungsi untuk menjaga agar material atau partikel tidak masuk ke


21

dalam air end. Oil filter head dilengkapi dengan temporary bypass valve. Jika fiter element tersumbat dan pressure difference lebih dari 20 psig, maka bypass valve akan terbuka seperti ditunjukkan oleh gambar. Kondisi ini akan membuat oil mengalir langsung ke air end tanpa adanya filtrasi. Hal ini dilakukan untuk menjaga air end dari overheating atau jammed karena overheating. Ini dapat dimengerti karena saat oil pressure tidak mencukupi maka berakibat oil flow juga tidak mencukupi. Sehingga proses pendinginan didalam airend pada akhirnya tidak akan mencukupi.

Gambar 2.11 Sistem kerja oil filter 2.3.8

MPV (Minimum Pressure Valve) Minimum pressure valve (MPV) berfungsi untuk mengatur besar kecilnya udara bertekanan yang akan di supplai menuju line atau mesin produksi.

2.3.9

Pressure Switch Pressure switch berfungsi untuk membaca sump pressure dan line pressure tergantung dimana sensor pressure itu diletakkan dikontrol oleh electric.

2.3.10 Thermostat Temperatur cairan pendingin sangat berpengaruh terhadap performa mesin. Pada umumnya temperature kerja atau temperature dimana mesin


22

bisa bekerja optimal berkisar antara 80-90°C. Temperatur tidak boleh terlalu lama berada diluar dari angka tersebut, thermostat adalah semacam katub yang dirancang khusus agar bisa membuka dan menutup secara otomatis sesuai perubahan temperature, sehingga suhu mesin dapat dipertahankan pada temperature tersebut karena saluran dari mesin menuju radiator dapat terbuka dan menutup secara otomatis. Thermostat dioperasikan oleh wax sealed yang ada dalam silinder thermostat, volume wax dapat bertambah saat temperature naik, ini yang akan membuka katup thermostat, begitu sebaliknya saat temperature turun volume wax akan berkurang dan katup pun tertutup.

Gambar 2.12 Thermostat Komponen ini berfungsi untuk mengatur oil flow rate yang menuju ke oil cooler, sehingga temperatur oil injection ke airend dapat terjaga. Temperatur kerja normal dari oil lubricant pada screw kompresor berkisar antara 80oC hingga 96oC. Thermal mixing valve akan mulai mengalirkan oil menuju oil cooler ketika temperatur oil mencapai 70oC, oil akan didinginkan oleh cooler. Selama proses starting up, temperatur oil


23

temperature masih rendah, hanya berkisar 28oC - 35oC. Level temperatur yang rendah akan berkaitan dengan proses kondensasi. Air hasil kondensasi merupakan musuh terbesar oil lubricant, metal material dan bearing. Kita menginginkan adanya kondensasi didalam airend selama mesin tersebut running. Hanya beberapa saat, temperatur oli akan naik hingga 70oC karena Thermal Valve tidak mengalirkan oli menuju oil cooler, maka oli akan menyerap panas didalam airend. Setelah temperatur oli sama atau lebih dari 70oC, Thermal Valve akan mulai membuka oil cooler port dan panas yang terdapat didalam oli akan dibuang ke atmosphere melalui oil cooler. Jika Thermal

Valve gagal untuk

membuka, kompresor akan trip karena overheating dan jika Thermal valve gagal untuk menutup / mengatur temperatur oil, mesin kompresor akan mendapat masalah dengan korosi. 2.4

Kelembaban Udara Kelembaban udara adalah banyaknya uap air yang terkandung dalam udara. Alat untuk mengukur kelembaban udara disebut hygrometer. Garis khayal di peta yang menunjukkan daerah yang sama kelembabannya disebut isohyg. Ada dua macam kelembaban yaitu kelembaban mutlak (absolute) dan kelembaban nisbi (relative). Kelembaban mutlak (absolute) adalah jumlah uap air dalam udara pada suatu tempat tertentu (gram dalam 1 m3). Kelembaban nisbi (relative) adalah perbandingan jumlah uap air dalam udara yang ada dengan


24

jumlah uap air maksimum dalam suhu yang sama, dinyatakan dalam persen. Rumusnya yaitu : Kelembaban relative = (uap air yang ada / uap air maksimum) x 100% 2.4.1 Kelembaban Mutlak (absolute) Kelembaban mutlak mendefinisikan masa dari uap air pada volume tertentu campuran udara atau gas, dan umumnya dilaporkan dalam gram per meter kubik (g/m3). 2.4.2

Kelembaban Spesifik Kelembaban spesifik adalah metode untuk mengukur jumlah uap air di udara dengan rasio terhadap uap air di udara kering. Kelembaban spesifik diekspresikan dalam rasio kilogram uap air (m w) per gram udara (mu). Ratio tersebut dapat ditulis sebaga berikut :

x = mw ………………………………………………………….(2.1) mu

2.4.3

Degree of Saturation Degree of saturation adalah perbandingan dari ratio kelembaban udara lembab, W dibandingkan dengan ratio kelembaban, W s dengan udara lembab yang terkumpul pada suhu dan tekanan yang sama : µ = W / Ws , t, p…………………………………………………..(2.2)

2.4.4

Kelembaban Relative (φ) Kelembaban relative adalah perbandingan dari fraksi mol uap air x w pada satu udara lembab yang tertentu dibandingkan dengan fraksi mol x ws didalam udara pada suhu dan tekanan yang sama :


25

φ = xw / xws , t, p…………………………………………………..(2.3) µ = φ/1 + (1-φ) Ws/0.62198………………………………………(2.4) 2.4.5

Dew-Point Temperature (Suhu titik embun) (td) Dew-Point Temperature (Suhu titik embun) (t d) adalah suhu dengan pemenuhan udara lembab pada tekanan yang sama (P), dengan kelembaban yang sama rasio W tertentu dengan udara lembab. Ini didefinisikan sebagai solusi td (P, W) atau temperature dimana udara lembab terjadi kondensasi pada saat udara mau didinginkan. Persamaanya adalah Ws(p, td) = W .........................................................................................(2.5)

2.4.6 Dry bulb Temperature (Temperatur bola kering, tdb) Dry bulb temperature (Temperatur bola kering, t db) adalah temperature yang tertera dalam alat ukur temperature / thermometer pada saat pengukuran 2.4.7

Wet bulb Temperature (Temperatur bola basah, twb) Wet bulb temperature (Temperatur bola basah, t wb) adalah Dry bulb temperature (Temperatur bola kering, tdb) adalah temperature yang tertera dalam alat ukur temperature / thermometer pada saat pengukuran dibalut dengan kain basah atau ujung alat ukur dibasai pada perpindahan terbuka.

2.4.8 Proses Kompresi Gas Sebuah proses kompresi gas dapat dirancang baik untuk menjadi adiabatik atau melibatkan perpindahan panas, tergantung dari tujuan gas yang akan dikompresi. Jika gas terkompresi diinginkan sebagai bahan bakar pada


26

suatu mesin, kompresi adiabatik mungkin diinginkan untuk mendapatkan kemungkinkan energi maksimum dalam gas pada akhir kompresi. Dalam banyak aplikasi, bagaimanapun gas tidak digunakan segera tetapi disimpan dalam tangki untuk digunakan sesuai kebutuhan, gas dalam tangki kehilangan panas kelingkungan dan mencapai suhu kamar ketika akhirnya digunakan. Dalam hal ini efek kompresi dan penyimpanan adalah hanya untuk meningkatkan tekanan gas tanpa perubahan suhu. Hal ini dapat menunjukan bahwa jika gas didinginkan selama kompresi, bukan setelah proses, pekerjaan yang diperlukan akan kurang dari kondisi kompresi adiabatik. Sebuah keuntungan lebih lanjut dari pendinginan adalah pengurangan volume dan dan berkurangnya kerugian pipa. Untuk alasan ini, karena pendinginan selama kompresi sangat tidak efektif, setelah pendingin sering digunakan untuk mendinginkan gas yang meninggalkan kompresor. Dua kasus ideal tertentu

yaitu reversible adiabatic dan ishotermal

reversible serta kasus umum proses polytropic reversible (pvn = konstant). Ada beberapa pendekatan yang biasa digunakan dalam proses perhitungan kompresor yaitu : 1. Proses Adiabatik (isentropic) yaitu proses dengan menggunakan asumsi ideal, dimana proses berlangsungnya pada entropi konstant (tidak ada panas yang masuk dan keluar) meskipun pada kenyataanya energi panas tidak bisa dirubah secara keseluruhan menjadi kerja, karena adanya kerugian-kerugian.


27

2. Proses politropik adalah proses kerja aktual yang dihasilkan oleh kompresor

itu

sendiri.

Gambar

dibawah

kurva

compression

menunjukan hubungan antara tekanan dan volume untuk setiap nilai eksponen (n), kerja (W), menampilkan lanjutan dari p 1 ke p2 pada setiap kurva polytropic : ……………………………...(2.6) Jumlah kerja yang dibutuhkan tergantung pada kurva polytropic yang terlibat dan meningkat sesuai meningkatnya nilai n. jumlah ini setidaknya membutuhkan jumlah pekerjaan input n = l, dimana setara dengan kompresi isothermal. Untuk kompres isentropic n= k = ratio of specific heat pada tekanan konstant dan volume konstant. 2.5

Unit Kerja Gas Kompresor 2.5.1

Persamaan Gas Ideal PV = nRT……………………………………………………………..(2.7) Dimana : P = Pressure Absolute V = Volume n

= Jumlah molekul dalam Mol

R = konstanta Gas (10.73 psi.ft3) atau 8.314 kJ/(Kmole. K) lbmol ºR T = Temperature Absolute Sehingga persamaan tersebut adalah sebagai berikut : PV nRT

= 1, merupakan gas ideal


28

PV nRT

≠ 1, bukan termasuk dalam kondisi gas ideal melainkan merupakan kondisi real suatu gas, sehingga untuk mendekati gas ideal perlu dimasukkan faktor deviasi yang disebut dengan comprasible factor (Z).

Natural gas adalah merupakan gas yang dihasilkan dari alam yang memiliki komposisi gas yang berbeda-beda, dimana natural gas ini merupakan bagian penting yang akan dioperasikan oleh gas kompresor. Pada kenyataanya sangat sulit sekali untuk mengoperasikan natural gas mendekati gas ideal dikarenakan kondisi temperature dan tekanan yang bisa berubah akibat faktor cuaca atau kondisi gas yang ada. Hal ini mengakibatkan perubahan pada volume atau sebaliknya, sehingga untuk menjaga keakuratan mendekati gas ideal, sehingga tidak mempengaruhi performance gas kompresor. 2.5.2

Specific Heat ratio (k) Untuk mengenal yang dimaksud dengan specific heat ratio, terlebih dahulu mengetahui apa yang dimaksud dengan specific heat. Spesific heat suatu zat adalah jumlah panas yang dibutuhkan untuk menaikkan temperature satu unit massa. Bila dinyatakan dengan satu BTU. Specific heat berarti jumlah panas yang dibutuhkan untuk menaikkan temperature satu derajat fahrenhait dari satu pound (lb) massa gas. Nilai specific heat bervariasi tergantung apakah pressure atau volume yang dijaga tetap konstant sementara gas dipanaskan. Kalau gas yang dipanaskan dalam suatu wadah yang dapat mengembang dan pressure konstant, maka volume akan bertambah seiring dengan kenaikkan


29

temperatur, maka ini disebut sebagai specific heat pada saat pressure konstant (Cp) yaitu 1.005 kJ/(Kg °), dan jika volume yang konstant sedangkan pressure naik seiring dengan meningkatnya temperature disebut specific heat pada volume konstant (Cv) yaitu 0.712 kJ / Kg °C. Spesific heat ratio (k) adalah perbandingan antara specific heat pada posisi pressure konstant (Cp) dengan posisi volume konstant (Cv). Sebuah proses adiabatik adalah

proses yang terjadi tanpa

pertukaran panas dari sistem dengan lingkungannya. Persamaan 1-1 yang berlaku untuk semua gas ideal dapat digunakan untuk menghitung nilai (k) (isentropic eksponent). MCp - MCv = R = 8.314 kJ/(kmole. K) Dengan penataan ulang maka diperoleh : k = Cp = MCp = MCp Cv MCv MCp – 8.314

…………………………................(2.8)

Untuk menghitung nilai k, untuk gas kita hanya perlu mengetahui constant pressure molar heat capacity (MCp) untuk gas. Gambar. 2.9 memberikan nilai berat molekul dan heat capacity pada keadaan gas ideal untuk berbagai gas.


30

Gambar 2.13 Molar heat capacity MCp (kondisi gas ideal), kJ/Kmole. °C 2.5.3

Temperature (T) Pada proses gas, temperature diukur pada sisi suction dan discharge dari kompressor gas, suction temperature dinyatakan dalam (T s) dan temperature discharge (Td). Temperature digunakan untuk menghitung energi yang diberikan oleh gas kompresor (Heat), power yang dibutuhkan dan gas flow. Dalam perhitungan satuan tempearatur gas yang digunakan adalah absolute temperature yaitu derajat rankine (ºR).

2.5.4

Pressure (P) Gas pressure diukur pada sisi suction dan discharge pressure dari gas kopresor. Suction pressure dinyatakan dalam Ps dan discharge pressure dinyataka dalam Pd. Gas pressure digunakan untuk menghitung energi yang diberikan oleh gas kompresor, power yang dibutuhkan dan gas flow. Gas pressure juga dinyatakan dalam absolute pressure (gauge pressure ditambah dengan atmospheric pressure) dalam satuan psia.


31

Gambar 2.14 Tekanan atmosfir berdasarkan perbedaan ketinggian 2.5.5

Specific Gravity (SG) Specific gravity adalah suatu ukuran dari beratnya suatu gas, yang dinyatakan sebagai ratio antara berat molekul gas dan berat molekul udara (28,964). Specific gravity juga digunakan untuk menghitung energi yang diberikan kepada gas oleh kompresor, power yang dibutuhkan dan gas flow. Untuk campuran gas alam, specific gravity dapat dihitung dengan mengalikan mol fraction dari komponen gas dengan berat molekulnya sendiri, kemudian jumlahkan total berat molekul gas campuran tersebut, selanjutnya bagi dengan berat molekul dari udara yaitu (28.964). specific gravity suatu gas alam akan berubah sehubungan dengan berubahnya komposisi dari gas alam tersebut. Specific gravity tidak akan dipengaruhi oleh perubahab temperature dan tekanan, dan akan tetap selama proses kompresi tersebut berlangsung. Dengan persamaan :


32

γg

=

…………………………………………………………………..(2.9)

2.5.6 Compresibility Factor (Z) Hukum-hukum gas ideal adalah ocok untuk perhitungan hubungan antara pressure, temperature dan volume, yaitu dimana kondisi gas pada pressure dan temperature yang berada di atmosfir atau pada tekanan atmosfir. Namun pada kenyataannya ada perbedaan nilai volume antar perhitungan nilai real gas (gas sesungguhnya) dengan perhitungan gas ideal. Untuk mengoreksi perbedaan antara antara volume real gas dan volume gas ideal dan volume gas ideal pada hokum-hukum gas ideal, maka compresibility factor digunakkan untuk menghitung pressure, volume dan temperature pada kondisi gas yang sesungguhnya. Untuk mencari compressibility factor dapat menggunkan kurva “compressibility factor for natural gas”. 2.5.7 Ratio Kompresi (R) Ratio kompresi (compression ratio) merupakan perbandingan antara tekanan discharge dan tekanan suction dari kompresor. Untuk single stage compressor hanya mempunyai 1 nilai R, sedangkan untuk two stage compressor memiliki nilai R, R1, dan R2 dengan persamaan : R = Pd …………………………………………………………….(2.10) Ps R1 = Pi ………………………………………………………….….(2.11) Ps R2 = Pd ……………………………………………………………..(2.12) Pi Dimana :


33

R = Total kompresi ratio dari kompresor R1 = Kompresi ratio dari tahapan pertama R2 = Kompresi ratio dari tahapan kedua Ps = Suction pressure Pd = Discharge pressure Pi = Tekanan interstage, tekanan diantara tahapan pertama dan kedua dari kompresor 2.5.8 Berat Jenis Udara Berat jenis gas (termasuk udara) dapat bervariasi tergantung pada tekanan dan temperaturnya. Karena itu untuk menyatakan berat jenis suatu gas harus disebutkan pula tekanan dan temperaturnya. Berdasarkan kutipan yang penulis ambil bahwa dalam prakteknya ada dua macam kondisi seperti dibawah ini. 1. Kondisi standar industri Udara dengan kondisi ini mempunyai keadaan sebagai berikut: Temperatur : 20⁰C (293⁰K) Tekanan mutlak : 760 mmHg (0,1013MPa) Kelembaban Relative: 65% Berat Jenis: 1,204 kgf/m3 (11,807 N/m3) Kondisi industri ini sering dipakai untuk menyatakan kondisi isap pada kompresor. 2. Kondisi normal teoritis Udara dengan kondisi ini mempunyai keadaan sebagai berikut:


34

Temperatur: 0⁰C (273⁰K) Tekanan Mutlak: 760 mmHg (0,1013 MPa) Berat Jenis: 1,293 kgf/m3 (12,68 N/m3) 2.5.9

Panas Jenis Udara Jumlah panas yang diperlukan untuk menaikkan temperature 1 kg suatu zat

sebesar 10C disebut panas jenis. Adapun jumlah panas yang diperlukan untuk menaikkan suatu benda atau zat secara menyeluruh sebesar 1 0C disebut kapasitas termal benda atau zat tersebut. “Satuan jumlah panas yang dipakai adalah kilo calori (disingkat kcal), dimana 1 kilo calori sama dengan jumlah panas yang diperlukan untuk menaikkan temperature 1 kg air sebesar 10C, maka satuan panas jenis menjadi kcal/kg0C) dalam system SI, sebagai satuan panas dipakai kilo joule (disingkat kJ) dimana 1 kJ = 0,2389 kcal atau 1 kcal = 4,186 kJ”. Panas jenis tergantung pada macam bahan seperti diuraikan dibawah ini : Panas jenis suatu gas juga didefinisikan sebagai jumlah panas yang diperlukan untuk menaikkan temperatur 1 gram gas tersebut sebesar 10C, seperti pada zat-zat yang lain.Namun untuk gas ada dua macam panas jenis , yaitu: panas jenis pada tekanan tetap dan panas jenis pada volume tetap. a) Panas jenis pada tekanan tetap. Jika suatu gas dipanaskan atau didinginkan pada tekanan tetap, maka volumenya akan membesar atau mengecil lebih banyak dari pada zat cair atau zat padat. 1 kg gas yang ditempatkan dalam silinder dengan torak yang dapat bergerak tanpa gesekan. Jika silinder dipanaskan

maka gas akan


35

mengembang mendorong torak ke atas sehingga tekanan di dalam silinder tidak berubah. Dalam hal demikian jumlah panas yang diperlukan untuk menaikkan temperatur 1 kg gas tersebut sebesar 1 0C disebut panas jenis pada tekanan tetap. Panas jenis ini biasanya diberi lambang C p, dimana untuk udara Cp = 0,24 kcal/(kg⁰C) = 1,005 kJ/(kg⁰C) b) Panas jenis pada volume tetap Jika 1 kg gas ditempatkan di dalam sebuah bejana tertutup lalu dipanaskan tanpa dapat berkembang maka tekanan dan temperaturnya akan naik. Jumlah panas yang diperlukan untuk menaikkan temperatur 1 kg gas ini sebesar 1⁰C dalam keadaan demikian disebut panas jenis pada volume tetap. Panas jenis ini biasaanya diberi lambang Cv, dimana untuk udara Cv = 0,17 kcal/ (kg⁰C) = 0,712 kJ/kg⁰C c) Rasio panas jenis Jika kedua panas jenis tersebut diatas diperbandingkan terlihat bahwa panas jenis pada tekanan tetap harganya lebih besar daripada panas jenis volume tetap. Hal ini terjadi karena, selain dipakai untuk menaikkan temperatur , sebagian panas yang diberikan dalam pemanasan pada tekanan tetap dipakai juga untuk melakukan kerja pada waktu gas mengembang. Perbandingan antara panas jenis pada tekanan tetap dan panas jenis pada volume tetap. Biasa disebut rasio panas jenis yang diberi lambing k. jadi k = Cp/Cv, dimana untuk udara kering k=1,401. Rasio ini mempunyai peranan penting dalam perhitungan kompresi gas.


36

Tabel 2.3 Nilai k, Cp, dan Cv untuk macam-macam gas (7) Rumus Molekul Ar He H2 N2 O2 H2O CO2 C2H2 C2H5OH

Nama Gas

Atom 1 1 2 2 2 2 3

Panas Jenis pada Tekanan tetap 0,1233 1,2425 0,24 3,402 0,2350 0,2419 0,4765

3 4 9

0,211 0,402 0,435

Jumlah

Argon Helium Udara Hidrogen Nitrogen Oksigen Uap air Karbon dioksida Asetilen Alkohol

Panas Jenis pada Volume Tetap 0,0746 0,746 0,17 2,402 0,175 0,173 0,340

Perbandingan Panas Jenis 1,667 1,666 1,401 1,408 1,41 1,40 1,305

0,163

1,30 1,24 1,13

0,323 0,400

Tabel 2.4 Jumlah uap air jenuh dan tekanan uap air pada berbagai temperatur Temperatur

Jumlah uap air jenuh

Tekanan uap air jenuh

°C

°K

g/m3

g/Kg

mm Hg

Mpa

0

273

4.85

3.772

4.581

0.0006

10

283

9.4

7.625

9.205

0.0012

20

293

17.3

14.69

17.53

0.0023

30

303

30.4

27.18

31.83

0.0042

40

313

51.5

48.84

55.34

0.0074

50

323

83

86.25

92.56

0.0123

60

333

130

152.3

149.5

0.0199

70

343

198

276.3

233.8

0.0312

80

353

293

546

355.3

0.0474


37

90

363

423

1397

525.9

0.0701

99

372

574

1706

733.3

0.0977

100

373

597

760

0.1013

Tabel 2.5 Panas jenis beberapa gas © Panas jenis pada tekanan tetap

® Panas jenis pada volume tetap

Perbandingan panas jenis (©/®)

Rumus molekul

Nama gas

Jumlah atom

Ar

Argon

1

0.1233

0.0746

1.667

He

Helium

1

1.2425

0.746

1.666

-

Udara

2

0.24

0.17

1.401

H2

Hidrogen

2

3.402

2.402

1.408

N2

Nitrogen

2

0.235

0.175

1.41

O2

Oksigen

2

0.2419

0.173

1.4

H2O

Uap air

3

0.4765

0.34

1.305

CO2

Karbondioksida

3

0.211

0.163

1.3

C2H2

Asetilin

4

0.402

0.323

1.24

C2H5OH

Alkohol

9

0.435

0.4

1.13


38

Tabel 2.6 Daftar Komposisi udara Komposisi udara

Nitrogen (N2)

Oksigen (O2)

Argon (Ar)

Karbondioksida (CO2)

Uap air, debu, minyak, dll

Perbandingan Volume (%)

79.09

20.95

0.93

0.03

Sedikit

Perbandingan berat (%)

75.53

23.14

1.28

0.05

Sedikit

2.6

Perpindahan Panas

Perpindahan panas adalah perpindahan energi karena adanya perbedaan temperature. Ada tiga bentuk mekanisme perpindahan panas yang diketahui, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi. 2.6.1

Konduksi Konduksi merupakan perpindahan panas dari tempat yang bertemperatur tinggi ke tempat yang bertemperatur rendah didalam medium yang bersinggungan langsung. Jika pada suatu benda terdapat gradient suhumaka akan terjadi perpindahan panas serta energi dari bagian yang bersuhu tinggi ke bagian yang besuhu rendah, sehingga dapat dikatakan bahwa energi akan berpindah secara konduksi, laju perpimdahan kalornya dinyatakan sebagai : q = -k . A .

………………………………………………………..(2.13)

Dimana : q = Laju perpindahan kalor (W)


39

= Gradien suhu perpindahan panas k = Konduktifitas thermal bahan (W/m.K) A = Luas bidang perpindahan kalor (m2)

Gambar 2.15 Perpindahan panas konduski dari udara hangat ke kaleng minuman dingin melalui dinding aluminum kaleng Tanda negatif pada persamaan diatas diberikan supaya memenuhi hokum thermodinamika yaitu kalor harus mengalir ke suhu yang lebih rendah seperti ditunjukkan gambar dibawah ini : 2.6.2

Konveksi Konveksi merupakan perpindahan panas antara permukaan solid dan berdekatan dengan fluida yang bergerak atau mengalir dan itu melibatkan pengaruh konduksi dan aliran fluida.


40

Gambar 2.16 Perpindahan panas dari plat panas Dari gambar diatas dapat dilihat bahwa kecepatan fluida yang mengalir dipermukaan

plat

panas

mempengaruhi

temperatur

disekitar

permukaan plat tersebut Laju perpindahan kalor secara konveksi dapat dinyatakan sebagai : q = h . A ( Ts - T )…………………………………………………..(2.14) Dimana : q = Laju perpindahan kalor (W) h = Koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2.K) A = Luas penampang (m2) Ts = Temperatur plat (K) T = Temperatur fluida yang mengalir dekat permukaan (K) 2.6.3

Radiasi Radiasi merupakan perpindahan energy karena emisi gelombang electromagnet atau photons.


41

Gambar 2.17 Perpindahan panas secara radiasi Laju perpindahan kalor secara radiasi dapat dinyatakan sebagai : ……………………………………….(2.15)

q= Dimana :

q = Laju perpindahan kalor (W) A = Luas penampang (m2) = Konstant Stefan-boltzman (5,67 .108 (W/m2.K4) T4s = Temperatur absolute permukaan (K4) T4sur = Temperatur sekitar (K4) 2.6.4

Alat Penukar Kalor kompak Secara bebas dapat diartikan, alat penukar kalor kompak merupakan salah satu yang tergabung dalam alat penukar kalor yang memiliki bidang perpindahan panas dengan kerapatan tinggi. Kerapatan tinggi yang dimaksud adalah rasio antara luas permukaan

bidang yang

mengalami perpindahan panas terhadap volume alat penukar kalor. Namun hal tersebut bukan berarti alat penukar kalor kompak harus selalu memiliki dimensi dan massa yang kecil. Dengan pengartian yang sama, juga dapat


42

ditetapkan kerapatan permukaan alat penukar kalor kompak (β) lebih besar dari 700 m2/m3 [9]. Seperti yang disebutkan sebelumnya, penukar kalor kompak ya ng menggunakan udara sebagai fluida kerjanya membutuhkan luas permukaan yang lebih besar dari pada alat penukar kalor kompak yang menggunakan cairan sebagai fluida kerjanya. Peningkatan luas permukaan dapat dilakukan dengan menaikkan kerapatan permukaan perpindahan panasnya (β). Jenis konstruksi dasar yang digunakan dalam desain sebuah penukar kompak adalah 1. Menambahkan luas permukaan alat penukar dengan menggunakan sirip

pada satu atau lebih sisi-sisinya, 2. Pembangkit panasnya menggunakan diameter hidrolik permukaan yang

kecil, dan 3. Pipa pada alat penukar memiliki diameter yang kecil.

Beberapa yang patut dipertimbangkan adalah biaya, tekanan dan temperatur pada saat pengoperasian, pengotoran, kontaminasi fluida, dan pertimbangan produksi. Jenis yang umum digunakan pada alat penukar dengan permukaan yang ditambahkan adalah jenis pelat-sirip dan pipa-sirip. Pada alat penukar kalor jenis. Plat-sirip, sirip-sirip ini diapit oleh pelat secara paralel, seperti


43

yang ditampilkan oleh gambar 2.18 terkadang sirip ini digabungkan dengan pipa yang bentuknya telah disesuaikan. Sirip tersebut dilekatkan pada pelat dengan cara mematri, solder, mengelem, las, dan ekstrusi. Yang tergolong dalam pelat-sirip adalah : 1. Sirip lurus dan sederhana, misalnya sirip segitiga sederhana dan segiempat. 2. Sirip sederhana namun bergelombak (berombak), dan 3. Sirip bercelah, misalnya offset strip, louver, sirip berlubang, dan sirip pin. Dengan memvariasikan variabel geometris dasar untuk setiap jenis permukaan plat-sirip, adalah mungkin untuk memperoleh berbagaai permukaan geometris spesifik. Walaupun pada umumnya kerapatan sirip antara 120-700 sirip/m, namun aplikasinya memungkinkan hingga 2100 sirip/m. Ketebalan sirip pada umumnya antara 0,05-0,25 mm. Ketinggian (puncak) sirip antara 2-20 mm. Sebuah alat penukar kalor pelat sirip dengan luas permukaan perpindahan panas 1300 m2 tiap meter kubiknya mampu ditempati sirip dengan kerapatan 600 sirip/m.


44

Gambar 2.18 Susunan pelat-sirip

Gambar 2.19 Jenis-jenis sirip


45

Pada alat penukar kalor jenis pipa-sirip pada umumnya menggunakan pipa berpenampang lingkaran dan persegi panjang, namun pipa berpenampang elips juga terkadang digunakan. Penambahan sirip dapat digunakan pada sisi luar, dalam, atau luar dan dalam pipa, tergantung pada penggunaannya. Sirip-sirip tersebut digabungkan pada pipa dengan cara pengelasan, pematrian, penekanan (extrusion), tension winding. Beberapa jenis yang tergolong pipa dengan sirip pada sisi luar yaitu: 1. Sirip kontinyu pada susunan pipa yang terbagi lagi dalam sirip

sederhana dan sirip bergelombang. 2. Sirip normal pada pipa tunggal, disebut juga sebagai pipa tunggal

bersirip 3. Sirip longitudinal pada pipa tunggal.

Khusus untuk sirip kontinyu, ciri-ciri untuk jenis ini adalah memeliki kerapatan sirip antara 300-600 sirip/m, ketebalan sirip antara 0,1-0,25 mm, panjang alir sirip antara 25-250 mm, kerapatan penukar panas pipa-sirip 725 m2/m3 pada 400 sirip/m.


46

Gambar 2.20 Sirip kontinyu pada susunan pipa bulat dan plat

Gambar 2.21 Pipa tunggal bersirip

Gambar 2.22 Pipa tunggal dengan sirip longitudinal


47

2.6.5

Radiator Radiator adalah alat yang berfungsi sebagai alat untuk mendinginkan air yang telah menyerap panas dari mesin dengan cara membuang panas air tesebut melalui sirip – sirip pendinginnya ,ox]. Menurut Kuppan ,oxx radiator adalah alat penukar kalor kompak yang menggunakan cairan dan gas sebagai fluida kerjanya yang secara luas digunakan pada kendaraan otomotif. Memiliki tipikal kerapatan sirip antara 400- 1000 sirip/m (10-25 sirip/in). Konstruksi radiator terdiri dari : 1. Tutup Radiator 2. Tangki atas 3. Tangki Bawah 4. Inti radiator (Radiator Core)

Berikut adalah penjelasan tiap-tiap bagiannya.

Gambar 2.23 Konstruksi radiator 2.6.5.1 Tutup Radiator Tutup radiator berfungsi untuk menjaga tekanan di dalam inti radiator. Tutup radiator dilengkapi dengan relief valve dan vacuum valve.


48

Bila volume cairan pendingin (air) bertambah akibat naiknya temperatur, maka tekanan juga akan bertambah dan relief valve akan membuka dan membebaskan kelebihan tekanan melalui overflow

pipe.

Bila

temperatur

cairan

pendingin

(air)

berkurang saat temp eraturnya turun maka terjadi kevakuman didalam radiator sehingga pada kondisi ini vakum valve akan membuka secara otomatis untuk menghisap udara agar tekanan dalam radiator sama dengan tekanan atmosfir.

(a)

(b) Gambar 2.24 Tutup radiator (a) relief valve, dan (b) vacuum valve

2.6.5.2

Tangki Atas

Tangki atas radiator berperan sebagai penampung air sebelum masuk kedalam pipa-pipa radiator, tangki radiator ini terbuat dari kuningan atau plastik.


49

Gambar 2.25 Tangki atas radiator 2.6.5.3

Tangki Bawah

Tangki bawah radiator berfungsi sebagai penampung cairan pendingin (air) yang telah melalui inti radiator. Material tangki bawah ini sama dengan material tangki atas.

Gambar 2.26 Tangki bawah radiator 2.6.5.4

Inti Radiator

Inti radiator merupakan bagian yang paling banyak mengambil peran sebagai penukar kalor. Pada bagian ini cairan pendingin (air) yang telah mengalami kenaikan temparatur pasca keluar dari water jacket akan

masuk

kedalam

pipa,

dan

secara

konveksi

akan

memindahkan panasnya ke dinding pipa. Selanjutnya panas yang diserap oleh dinding pipa akan dipindahkan lagi secara konduksi kepada sirip, dan dengan bantuan kipas (fan), udara didorong dengan arah menyilang yang bertujuan untuk melepas kalor yang ada pada sirip ke lingkungan secara konveksi. Adapun inti radiator terbagi dengan 2 bagian, yaitu pipa (tube) radiator dan sirip (fin).


50

Gambar 2.27 Inti radiator dengan karakteristik flat tube dan arah aliran kedua fluida. 1. pipa (tube) radiator Pipa pada inti radiator menjadi salah satu elemen penting dalam menjalankan fungsi penukaran kalor pada radiator. Pipa radiator selain fungsi utamanya sebagai elemen untuk menyalurkan air panas dari tangki atas ke tangki bawah juga berperan sebagai elemen untuk memperluas bidang yang akan mengalami perpindahan kalor sehingga laju perpindahan panasnya akan meningkat. Seperti yang ditampilkan pada gambar 2.20 pada umumnya jenis pipa berdasarkan bentuk penampangnya yang digunakan untuk radiator atau compact heat exchangers terbagi dua, yaitu pipa tabung (circular tube) dan pipa rata (flat tube), namun tidak tertutup kemungkinan untuk pengembangan bentuk pipa yang lain.


51

Gambar 2.28 Flat tube susunan segiempat. 2. Sirip (fin) Salah satu cara untuk meningkatkan laju perpindahan panas adalah dengan cara memperluas bidang yang mengalami konveksi. Ini dapat dilakukan dengan menggunakan sirip (lih. Gambar 2.19) agar dindingnya lebih luas terhadap fluida lingkungan. Konduktivitas termal material sirip memiliki dampak besar terhadap distribusi temperatur di sepanjang sirip dan oleh karena itu laju perpindahan panasnya juga dapat ditingkatkan

Gambar 2.29 Sirip (fin). Perpindahan kalor serta penurunan tekanan (pressure drop) yang terjadi sangat bergantung pada karakteristik inti radiator. Cairan pendingin (air) yang


52

dipompakan masuk ke dalam radiator pada temperatur ± 80 0C akan melepaskan kalornya akibat adanya perbedaan temperatur yang lebih rendah yaitu antara temperatur air dengan dinding pipa radiator bagian dalam, yang berpindah secara konveksi. Selanjutnya perbedaan temperatur yang lebih rendah antara dinding pipa bagian dalam dengan dinding pipa bagian luar akan memicu terjadinya perpindahan panas secara konduksi, dan perpindahan panas dengan cara yang sama akan diteruskan lagi pada sirip-sirip yang sengaja disambungkan pada dinding pipa bagian luar. Untuk mendapatkan penyerapan panas air yang diinginkan maka dengan bantuan kipas (fan), udara ditiupkan pada arah menyilang terhadap radiator sehingga perbedaan temp eratur antara sirip dan dinding pipa bagian luar terhadap udara tersebut kembali memicu terjadinya perpindahan panas secara konveksi. Untuk mengetahui perpindahan panas menyeluruh pada sistem ini adalah suatu keharusan untuk mengetahui sifat-sifat fisis fluida kerjanya, dalam hal ini air dan udara. Sifat-sifat fisis tersebut dapat ditinjau melalui temperatur sebelum dan sesudah masuk radiator. Variasi temperatur pada lapisan batas dapat mempengaruhi laju perpindahan panas, namun ini dapat ditangani dengan mengevaluasi semua sifat pada temperatur rata-rata, menurut Incropera[22]temperatur rata-rata pada aliran eksternal (sirip dan dinding luar pipa radiator) dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan sebagai berikut: Tc = Tco – Tci ……………………………………………………(2.16) Dimana : Tc = temperatur fluida rata-rata pada sisi sirip (K) Tco = temperatur fluida masuk sirip (K) Tci = temperatur fluida keluar sirip (K) Universitas Mercu Buana

53

Laju aliran massa fluida dingin (udara) yang mengalir melalui radiator (lih. Gambar 2.21) adalah : m

= v × A × ρ ……………………………………………………(2.17)

Dimana : m

= laju aliran massa udara (kg/m)

v = kecepatan udara (m/s) Ao = luas daerah bebas aliran sisi udara (m2) ρ = massa jenis udara pada temp eratur rata-rata(kg/m3) Menurut Kuppan [23], area bebas alir udara

(Ao,c)

adalah selisih antara luas

daerah frontal dengan luas penampang sirip dan dinding pipa yang memblok aliran udara, atau dengan kata lain area bebas alir udara dapat diartikan luas penampang yang dapat dialiri udara.

Gambar 2.30 Pipa bersirip kontinyu

Gambar 2.31 Area bebas alir udara


54

Kays dan London melibatkan bilangan Stanton dan Prandtl untuk mengetahui koefisien perpindahan panas pada penukar kalor kompak untuk sisi udaranya. Beliau juga menyajikan beberapa tabel untuk menentukan parameter diatas dan faktor gesekan berdasarkan karakteristik sirip dan bilangan Reynold nya.

Gambar 2.32 Jenis-jenis karakteristik sirip


55

Berdasarkan penjelasan diatas, koefisien perpindahan panas untuk sisi udara dapat dip eroleh dengan menggunakan persamaan yang digunakan oleh Kays dan London [32] sebagai berikut : h = St× G × C …………………………………………………(2.18) Dimana : hc = koefisien perpindahan panas (W/m2.K) St = bilangan Stanton G = kecepatan massa (kg/m2.s) Cpc= panas spesifik pada temperatur rata-rata (J/kg.K) Sama halnya dengan perpindahan panas pada sisi yang mengalami konveksi terhadap udara diatas, Kays juga menggunakan beberapa persamaan yang sama untuk menganalisa perpindahan panas pada sisi yang mengalami konveksi terhadap air. Diawali dengan persamaan temperatur rata-rata pada aliran didalam pipa : Tr = Ti –

………………………………………………………(2.19)

Dimana : Tr = temperatur fluida panas rata-rata (K) Ti = temperatur fluida panas masuk pipa radiator (K) To = temperatur fluida panas keluar pipa radiator (K) Dan untuk memperoleh bilangan Reynold aliran air di dalam pip a, dapat kembali menggunakan persamaan (2.20). Pada gambar (2.22), diameter hidrolik (Dh) sisi air untuk pipa berpenampang lingkaran sama dengan diameter dalam (di) pipa tersebut, namun untuk pipa pelat atau persegi


56

panjang dapat melakukan pendekatan dengan mengingat bahwa diameter hidrolik adalah empat kali rasio antara luas penampang yang dialiri fluida dengan perimeter basahnya, atau perimeter basah dalam hal ini dapat diasumsikan sebagai keliling penampangnya. Maka dapat dirumuskan sebagai berikut : Dh =

…………………………………………………………..(2.20)

Dimana : p = panjang (m) l = lebar (m)

Gambar 2.33 Grafik Temperatur dan Density


57

Tabel 2.7 Air Atmosper Density pada beberapa temperatur Specific Kinematic Expansion Thermal Temperature Density heat viscosity coefficient Prandtl's conductivity -t- ρ - capacity -ν-bnumber -k(oC) (kg/m3) - cp x 10-6 x 10-3 - Pr (W/m.K) 2 (kJ/kg.K) (m /s) (1/K) -150 2.793 1.026 0.0116 3.08 8.21 0.76 -100 1.980 1.009 0.0160 5.95 5.82 0.74 -50 1.534 1.005 0.0204 9.55 4.51 0.725 0 1.293 1.005 0.0243 13.30 3.67 0.715 20 1.205 1.005 0.0257 15.11 3.43 0.713 40 1.127 1.005 0.0271 16.97 3.20 0.711 60 1.067 1.009 0.0285 18.90 3.00 0.709 80 1.000 1.009 0.0299 20.94 2.83 0.708 100 0.946 1.009 0.0314 23.06 2.68 0.703 120 0.898 1.013 0.0328 25.23 2.55 0.70 140 0.854 1.013 0.0343 27.55 2.43 0.695 160 0.815 1.017 0.0358 29.85 2.32 0.69 180 0.779 1.022 0.0372 32.29 2.21 0.69 200 0.746 1.026 0.0386 34.63 2.11 0.685 250 0.675 1.034 0.0421 41.17 1.91 0.68 300 0.616 1.047 0.0454 47.85 1.75 0.68 350 0.566 1.055 0.0485 55.05 1.61 0.68 400 0.524 1.068 0.0515 62.53 1.49 0.68


58

BAB II LANDASAN TEORI

Recommend Documents