BAB II LANDASAN TEORI
2.1. Teori Dasar Perpindahan Kalor 2.1.1.
Umum
Penukaran Kalor sering dipergunakan dalam kehidupan sehari – hari dan juga di gedung dan industri. Contoh kegiatan penukaran kalor dalam kehidupan sehari–hari adalah aktifitas masak–memasak, radiator/pendingin temperatur mesin pada alat transportasi atau pendingin ruangan. Ditinjau dari fungsinya penukar kalor adalah menukarkan/transfer energi yang dimiliki oleh media/fluida ke media/zat atau fluida lainnya. Media/zat atau fluida yang saling ditukarkan energinya dapat merupakan media/zat
atau fluida
yang sama tetapi berbeda
temperaturenya. Oleh sebab itu teori yang mendasari prinsip kerja maupun kinerja penukar kalor adalah teori perpindahan panas, bagaimana proses perpindahan itu berlangsung dapat dibagi dalam beberapa cara : a.
Konduksi. Jika pada suatu benda terdapat gradien temperatur, maka akan
terjadi perpindahan energi dari tempat yang bertemperatur tinggi ke
7
tempat yang bertemperatur rendah. Perpindahan konduksi atau hantaran adalah cara perpindahan yang berjalan secara antar molekul atau atom dari zat tanpa disertai dengan perubahan posisi dari molekul zat tersebut. Laju perpindahan panaspersatuan luas adalah berbanding lurus dengan gradien temperatur normal, secara matematik ditulis : qcond= k.Acond
∂T … … … … … … … … … … … … . .(2.1) ∂X atau
qcond Acond
Tanda
minus
=
… … … … … … … … … . . … … . .(2.2)
diselipkan
agar
memenuhi
hukum kedua
Thermodinamika yaitu ” Energi mengalir dari tempat bertemperatur tinggi ke tempat bertemperatur rendah”. Dan konduksi dapat berlangsung pada setiap zat baik dalam wujud padat, cair maupun gas asal tetap dipenuhi definisi yaitu tidak disertai dengan perubahan posisi molekul b.
Konveksi Bila plat logam bertemperatur tinggi ditempatkan di dalam udara
yang mengalir akan lebih cepat dingin bilamana ditaruh pada udara tenang. Dikatakan bahwa panas dikonveksikan ke udara sekitar dan prosesnya dinamakan perpindahan panas secara konveksi.
8
Gradien atau perubahan temperatur fluida akibat perubahan jarak dari dinding permukaan sangat bergantung pada laju fluida tersebut. Mekanisme penulisan konveksi dalam bahasa matematis adalah sebagai berikut : Qconv = hc × Aconv ×(Tw -T∞). . . . . . . . . . . . . . . . .(2.3)
Dimana : hc adalah Koefisien perpindahan panas konduksi Aconv : Luas permukaan permpindahan panas
Gambar 2. 1 Perpindahan Kalor Konveksi dari Plat
c.
Radiasi Perpindahan panas dapat
terjadi dengan
cara pancaran
gelombang elektromagnetik biasa disebut dengan radiasi, perpindahan panas secara radiasi dapat melalui daerah hampa atau melalui fluida ke permukaan lain.
9
Pertukaran radiasi netto antara dua permukaan berbanding dengan perbedaan temepratur absolut pangkat empat dan faktor pandang antara permukaan dan emisivitas masing-masing permukaan.
Qpertukaran netto/Arad = F. ε.бo (T14 – T24). . . . . . . . . . . . . . . .(2.4) Dimana: F : faktor pandang atau faktor bentuk interaksi antara dua permukaan yang saling bertukar energinya
Perpindahan panas pada penukar kalor merupakan gabungan dari mekanisme perpindahan panas seperti yang diuraikan di atas. Namun demikian yang mana diantara ketiga mekanisme tersebut yang dominan masih tergantung pada tipe penukar kalor. Karena pada umumnya penukar kalor berfungsi untuk memindahkan energi antara dua fluida yang dipisahkan oleh permukaan padat (logam), maka bagi penukar kalor sebenarnya yang lebih penting adalah mengetahuinilai koefisien perpindahan panas global antara kedua fluida yang saling dipertukarkan energinya. Perhatikan gambar di bawah dimana dua fluida yang berbeda temperaturnya (T1 > T2) mengalir berlawanan arah dan dipisahkan oleh suatu permukaan logam.
10
Gambar 2. 2 Aliran Fluida
Fluida yang berada diatas akan memberikan energinya pada fluida yang berada di bawah. Selama perjalanannya
fluida
yang di atas
akan turun
temperaturnya ,sedangkan fluida yang di bawah plat akan meningkat temperaturnya. Perpindahan panas berlangsung dari atas ke bawah melalui beberapa tahapan yaitu :
Dari fluida di atas plat ke permukaan atas plat secara konveksi paksa.
Di dalam plat itu sendiri dari permukaan atas ke permukaan bawah secara konduksi’
Dari permukaan plat bagian bawah ke fluida yang di bawah secara konveksi. Dari ketiga perpindahan panas tersebut masing-masing memiliki
sifat tahanan Jenis penukaran kalor berdasarkan proses perpindahan panas dapat digolongkan dalam dua golongan yaitu :
11
Tipe
Kontak
Langsung,
dimana
antara
dua
zat
yang
dipertukarkan energinya dicampur atau dikontakkan secara langsung contohnya cooling tower.
Tipe Tidak
Kontak Langsung,
antara kedua zat
yang
dipertukarkan energinya dipisahkan oleh permukaan bidang padat seperti dinding pipa dan plat.
2.1.2.
Beban Kalor
Beban Kalor adalah kalor yang harus diatasai oleh uadara yang keluar dari alat penyegar supaya kondisi udara di dalam ruangan dapat dipertahankan pada kondisi yang diinginkan. Beban Kalor tediri dari beban kalor ruangan dan beban kalor alat penyegar udara.
2.2. Thermodinamika Udara 2.2.1.
Udara dan sifat-sifatnya
Secara garis besar unsur – unsur yang terkandung di udara adalah Nitrogen (78%), Oksigen (21 %), Uap air, Karbondioksida, Argon dan lain-lain (hanya 1 %). Dalam keseharian ketiga unsur nitrogen, oksigen dan uap air sering disebut sebagai udara dan dalam pengertian teknik udara di bagi dalam dua bagian yaitu udara kering dan udara lembab.
12
Udara kering adalah udara yang dominan terdiri dari dua unsur yaitu nitrogen dan oksigen atau udara yang tidak mengandung uap air dengan komposisi seperti table di bawah, sedangkan udara lembab adalah udara yang biasa yang mengandung ketiga unsur nitrogen, oksigen dan uap air atau udara yang mengandung uap air. Sifat – sifat utama yang perlu diketahui adalah Temperatur (T), tekanan (P), kelembaban dan entalphi (h). a.
Temperatur Temperatur udara sangat dipengaruhi oleh kelembapannya. Oleh
karena itu dikenal dua jenis temperatur untuk udara, yaitu temperatur bola kering dan bola basah. Yang dimaksud temperatur bola kering adalah temperatur udara yang ditunjukkan oleh alat ukurtemperatur, sedangkan temperatur bola basah adalah temperatur udara yang berada dalam keadaan jenuh dengan uap air biasa disebut dengan temperatur jenuh adiabatik. Udara dalam keadaan jenuh dengan uap air penunjukkan temperatur bola basah dan temperatur bola kering akan menunjukkan nilai sama, alat ukur yang dapat dipergunakan untuk melaksanakan pengukuran kedua hal tersebut dikenal dengan sebutan sling thermometer. Satuan temperatur udara yang biasa dipergunakan adalah derajat celcius dan dalam satuan absolut dinyatakan dengan derajat Kelvin. Hubungan masing – masingnya adalah sebagai berikut :
13
K = C + 273 dan R = F + 460…………………(2.5)
b.
Tekanan Tekanan udara disuatu tempat merupakan berat udara di tempat
tersebut per satuan luas, sehingga satuan dari tekanan dinyatakan dalam Newton/m2 kadang disebut juga dalam Pascal (Pa) atau cm Hg atau atm, hubungan masing-masingnya adalah sebagai berikut : 1 bar = 1000
mbar = 100.000Pa
1 atm = 10.300
Pa
= 76 cmHg
Hubungan penurunan tekanan udara terhadap ketinggian relatif (sea level) merupakan fungsi exponensial.
Gambar 2. 3 Hubungan Tekanan udara terhadap ketinggian
c.
Kelembaban Pada umumnya udara atmosfer kita selalu bercampur dengan air
yang kadarnya berbeda beda tergantung dimana kita berada. Dan
14
kelembaban biasanya didefenisikan dalam dua hal sebutan yaitu kelembaban mutlak dan kelembaban relatif. Kelembaban mutlak (ω) adalah perbandingan antara massa uap air dan massa udara dalam suatu volume tertentu atau kguap/kgudara kering dan kelembaban relatif (RH) adalah perbandingan antara tekanan parsial uap air diudara dengan tekanan jenuh uap air pada temperatur yang sama.
2.2.2.
Perlakuan Terhadap Udara
Yang dimaksud perlakuan terhadap udara adalah segala sesuatu yang dikenakan terhadap udara sehingga terjadi perubahan sifat – sifat udara. Beberapa contoh dari perlakuan terhadap udara antara lain adalah mengubah tekanan udara atau menekan udara misalnya memompa ban, memanaskan udara misalnya pada proses pembakaran, mendinginkan udara misalnya pada proses pengkondisian udara. a.
Penekanan Udara Penekanan udara dapat dilakukan dengan mempergunakan alat
kompresi, pada proses ini akan menyebabkan volume udara mengecil. Dilihat dari hukum Thermodinamika proses penekanan udara dapat didekati dengan berbagai proses yaitu : Proses adiabatik (tidak terjadi pertukaran energi dalam bentuk panas selama proses antara udara dan 15
sekitarnya atau sebaliknya), proses isotermal (temperaturnya tetap selama proses), proses politropik (antara P dan V terkorelasi dalam bentuk PVn = konstan, dimana n disebut sebagai indeks proses) Bila nilai n = 0 berarti proses yang dialami adalah tekanan konstan, dan bila n = 1 berarti proses temperatur konstan, sedangkan n= k berarti prosesnya adiabatik dimana k adalah perbandingan nilai panas jenis pada tekanan dan volume konstan atau k = Cp/Cv. Bila n = ∞ berarti volume konstan dan khusus n = n (nilai n antara 1 dan k) adalah proses politropik yang merupakan pendekatan proses riil di alam. b.
Pemanasan Udara Pemanasan udara dapat dilakukan dengan cara yang mudah yaitu
dengan memanasinya dengan api atau elemen pemanas. Pemanasan udara berakibat meningkatnya temperatur udara, turunnya kelembaban relatif, dan meningkatnya temperatur bola basah dan temperatur bola kering. c.
Pendinginan Udara Pendinginan udara merupakan kebalikan proses dari pemanasan.
Pendinginan
udara
berakibat
menurunnya
temperatur
udara,
meningkatnya kelembaban relatif, dan turunnya temperatur bola basah dan temperatur bola kering. Pendinginan udara dapat juga menaikkan kelembaban absolute bila pada udara disemprotkan air.
16
2.3. Komponen Utama Mesin Pendingin 2.3.1.
Kompresor
Komponen
utama
mesin
pendingin
adalah
kompresor.
Kompresor menghisap uap refrigeran dari sisi keluaran evaporator atau suction line. Di dalam kompresor uap refrigeran ditekan sehingga tekanan dan temperaturnya naik agar tidak terjadi kondensasi. Dan energi yang diperlukan untuk kompresi diberikan oleh motor listrik atau penggerak mula lainnya. Jumlah refrigeran yang bersirkulasi dalam siklus refrigerasi tergantung pada jumlah uap refrigeran yang di hisap masuk ke dalam kompresor. Ada beberapa jenis kompresor yang umum dipergunakan dalam mesin pendingin yaitu : a.
Kompresor Torak Kompresor ini bekerja berdasarkan azas kompresi mekanis yang
diakibatkan oleh aksi penyempitan ruang dimana gas diisap masuk kedalam silinder dan dikompresikan, biasa disebut juga dengan azas perpindahan positif / kompresor positif. Daya yang dibutuhkan kompresor merupakan hasil kali laju alir masa dalam kg/s dan kenaikan entalphi selama proses kompresi dalam kJ/kg dalam matematis : P = w × ∆h1 kilowatt. . . . . . . . . . . . . . . .(2.6)
17
dengan temperatur buang refrigeran dari kompresor yang terlalu tinggi dapat merusak kondisi minyak pelumas dan selanjutnya akan menimbulkan keausanyang berlebihan sehingga memperpendek life time katup buang khususnya.
b.
Kompresor sekrup Kompresor dengan komponen utamanya berbentuk sekrup
dengan dua buah rotor berbentuk empat kupingan yang diletakkan bersebelahan. Kompresor ini memiliki keuntungan yaitu lebih sedikit bagian yang bergesekan, perbandingan kompresi yang tinggi dalam satu tingkat, relatif stabil terhadap pengaruh cairan (kotoran) yang terserap dalam refrigeran.
c.
Kompresor Sentrifugal Cara
kerja
kompresor
sentrifugal
sama
dengan
pompa
sentrifugal. Fluida memasuki impeller yang berputar dan kemudian dilemparkan ke arah lingkaran luar impeller dengan gaya sentrifugal. Sudu
sudu
impeller
meninggikan
putaran
gas
tersebut
dan
meningkatkan tekanan, dari impeller ini gas mengalir ke sudu sudu penghambur atau ke ruang spiral (volute) dimana sejumlah energi kinetik diubah menjadi tekanan.
18
d.
Kompresor Sudu / Putar Konstruksinya
sederhana
serta
jumlah
komponen
yang
dipergunakan lebih sedikit, karena kompresor ini berputar untuk mendapatkan nilai kompresi dan efesiensi yang tinggi pada pembuatannya harus dengan ketelitian yang tinggi agar menjadikan keausan yang ditimbulkan kecil.
Gambar 2. 4 Kompressor sudu / putar
Ditinjau dari cara penggerak kompresor terbagi lagi menjadi 3 bagian : a.
Kompresor Hermatik Kompresor dan motor penggeraknya dibuat menjadi satu bagian
dalam rumah kompresor yang terbuat dari baja dengan pengerjaan dilas sehingga kompresor dan motor penggerak tidak dapat diperiksa tanpa memotong rumah kompresor sehingga sangat cocok untuk mesin pendingin kapasitas kecil. 19
b.
Kompressor semi hermatik Rumah kompresor terbuat dari besi tuang dengan bagian penutup
dan penyambungannya masih dapat dibuka. c.
Kompressor open type. Kompresor dan motor penggeraknya berdiri sendiri dan untuk
memutar kompresor dipergunakan belt, motor penggerak dapat dipergunakan motor listrik atau diesel. 2.3.2.
Kondensor
Kondensor berfungsi sebagai alat perpindahan panas yang dilepaskan dari uap refrigeran ke udara luar (media pengembun) sehingga uap refrigeran akan mengembun dan berubah fasa dari uap ke cair. Sebelum masuk ke kondensor refrigerant berfasa uap dan untuk mencairkan uap refrigeran yang bertekanan dan bertemperatur tinggi (yang keluar dari kompresor), diperlukan usaha melepaskan kalor sebanyak kalor laten pengembunan, dengan cara mendinginkan uap refrigeran itu, sedangkan setelah keluar dari kondensor refrigeran berfasa cair jenuh yang bertemperatur dan bertekanan tinggi. Jumlah kalor yang dilepaskan oleh uap refrigeran kepada air pendingin atau udara pendingin, di dalam kondensor sama dengan selisih entalphi uap refrigeran pada seksi masuk dan pada seksi keluar kondensor.
20
Gambar 2. 5 Bentuk Kondensor
Dan untuk menghitung banyaknya kalor pengembunan, terlebih dahulu harus dihitung kapasitas refrigerasi (kcal/jam) dan daya kompresi (kW),
berdasarkan
temperatur
penguapan
dan
temperatur
pengembunan yang ditetapkan, dengan menggunakan data spesifikasi kompresor yang ada diperoleh : Kalor pengembunan
kcal = kapasitas refrigerasi – jam (Daya kompressor ×860. . . . . . . . . . . (2.7)
Pada umumnya,mesin refrigerasi dengan temperatur penguapan yang tinggi, sepertyi terjadi pada penyegar udara, kalor pengembunannya kira-kira 1,2 sampai 1,3 kali kapasitas refrigerasi. Sedangkan dalam mesin refrigerasi, seperti mesin pembuat es, kalor pengembunannya sebaiknya 1,3 sampai 1,6 kali kapasitas refrigerasi.
21
2.3.3.
Evaporator
Evaporator adalah penukar kalor yang memegang peranan yang paling penting di dalam siklus refrigerasi yaitu mendinginkan media sekitarnya.
Gambar 2. 6 Bentuk Evaporator
Ada beberapa macam evaporator, sesuai dengan tujuan penggunaannya bentuknya pun dapat berbeda-beda. a.
Evaporator jenis Ekspansi kering : Pada jenis ini, cairan refrigeran yang diekspansikan melalui
katup ekspansi, pada waktu masuk ke dalam evaporator sudah dalam keadaan campuran cair dan uap, sehingga keluar dari evaporator dalam keadaan uap kering. Oleh karena sebagian besar dari evaporator terisi oleh uap refrigeran, maka perpindahan kalor yang terjadi tidak begitu
22
besar,jika dibandingkan dengan keadaan dimana evaporator terisi oleh refrigeran cair. b.
Evaporator jenis Setengah Basah Jenis Evaporator
ini adalah kondisi refrigeran diantara
evaporator jenis ekspansi kering dan evaporator jenis basah. Terdapat refrigeran jenis cair dalam pipa penguapnya. Oleh karena itu, laju perpindahan kalor dalam evaporator jenis setengah basah lebih tinggi daripada yang dapat diperoleh pada jenis ekspansi kering. c.
Evaporator Jenis Basah Sebagian besar dari evaporator initerisi oleh cairan refrigeran.
Proses penguapannya terjadi seperti pada ketel uap. Gelembung refrigeran yang terjadi karena pemanasan akan naik, pecah pada permukaan cairan atau terlepas dari permukaannya. Sebagian refrigeran kemudian masuk kedalam akumulator yang memisahkan uap dari cairan, maka refrigeran yang ada dalam bentuk uap sajalah yang masuk kedalam kompresor. 2.3.4.
Alat Ekspansi
Elemen dasar yang terakhir dalam daur refrigerasi uap setelah kompresor, kondensor dan evaporator adalah alat ekspansi. Alat ekspansi mempunyai dua kegunaan yaitu menurunkan tekanan refrigeran cair dan mengatur aliran refrigeran ke evaporator.
23
Alat ekspansi dipergunakan untuk mengekspansikan secara adiabatic cairan refrigeran yang bertekanan dan bertemperatur tinggi sampai mencapai tingkat keadaan tekanan dan temperatur rendah. Jadi, katup ekspansi mengatur supaya epavorator dapat selalu bekerja sehingga diperoleh efisiensi siklus refrigerasi yang maksimal. Katup ekspansi otomatik termostatik berfungsi mengatur pembukaan katup, yaitu mengatur pemasukan refrigeran kedalam evaporator, sesuai dengan beban pendinginan yang harus dilayani. Tetapi, bukan berarti bahwa katup ekspansi tersebut harus mengusahakan agar evaporator bekerja pada suatu temperatur penguapan yang konstan. Dalam hal tersebut perbedaan antara temperatur penguapan dan temperatur media yang akan didinginkan, dipertahankan supaya konstan. Pembukaan katup ekspansi diatur sedemikian rupa sehingga derajat super panas dari refrigeran kira-kira 3 sampai 8oC.
Gambar 2. 7 Contoh Alat ekspansi valve
24
2.3.5.
Refrigerant
Gambar 2. 8 Tabung R-22
Dalam proses pendinginan dijumpai bermacam macam sistem pendinginan yang dipergunakan, misalnya sistem-jet, sistem absorpsi dan sistem kompresi uap. Masing-masing pendinginan tersebut mempergunakan fluida kerja untuk membawa atau memindahkan panas yang berbeda beda misalnya dalam sistem absorpsi mempergunakan fluida kerja berupa larutan
lithium
bromide
dan
pada
sistem
kompresi
uap
mempergunakan fluida kerja amonia, freon dan sebagainya. Fluida yang bertugas memindahkan panas tersebut disebut refrigeran, dan dapat diklasifikasikan atas refrigeran primer dan skunder. Refrigeran primer adalah fluida kerja yang dipergunakan dalam sistem pendinginannya (Mesinnya), sedangkan refrigeran sekunder adalah
25
cairan yang dipergunakan untuk membawa energi kalor bertemperatur rendah dari satu lokasi ke lokasi lain. 2.4. Audit Energi
Audit energi adalah suatu teknik yang dipakai untuk menghitung besarnya konsumsi energi pada bangunan gedung dan mengenali cara-cara untuk penghematannya. Proses audit energi dilakukan secara bertahap, yaitu: 2.4.1.
Audit Energi Awal Audit energi awal pada prinsipnya dapat dilakukan oleh pemilik / pengelola bangunan gedung yang bersangkutan berdasarkan data rekening pembayaran energi yang dikeluarkan dan pengamatan visual. Kegiatan audit energi awal meliputi pengumpulan data energi bangunan gedung dengan data yang tersedia dan tidak memerlukan pengukuran.
2.4.2.
Audit Energi Rinci
Audit energi rinci dilakukan apabila pada audit energi awal memberikan gambaran nilai Intensitas Konsumsi Energi (IKE) pada gedung melebihi target yang telah ditentukan. Intensitas Konsumsi Energi (IKE) adalah pembagian antara konsumsi energi dengan satuan luas bangunan gedung. Standard
26
Intensitas Konsumsi Energi (IKE) sesuai dengan SNI 03-6197-2000 adalah 45 W/m². Kegiatan yang dilakukan pada audit energi rinci ini adalah mengumpulkan dan meneliti sejumlah masukan yang dapat mempengaruhi besarnya kebutuhan energi bangunan gedung, dan dari hasil penelitian dan pengukuran energi dibuat profil penggunaan energi bangunan gedung
27
