Sistem Refrigerasi dan Saluran Udara Untuk Mahasiswa Politeknik Perkapalan Penyusun: George Endri Kusuma, ST, M.Sc.Eng Mardi santoso, ST, M.Eng.Sc Dr.Muhammad Anis Mustaghfirin, ST., MT
Program Studi D4 Teknik Permesinan Kapal Jurusan Teknik Permesinan Kapal Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya
Lembar Persembahan
Persembahan Untuk almarhum ibuku Mujinem Atas kasih – sayangnya yang tiada batas
i
Kata Pengantar Mata kuliah Sistem Pendingin - HVAC (Heating Ventilating and Air Conditioning) pada pohon diagram mata kuliah di D3 teknik permesinan kapal adalah merupakan mata kuliah aplikatif lanjutan dari mata kuliah dasar teoritis seperti thermodinamika teknik dan mekanika fluida yang akan diberikan berisi sistem refrigerasi dan sistem saluran udara. Semakin tingginya tuntutan kualifikasi lulusan level D3 berdasarkan Kerangka Kualifikasi Nasioanal Indonesia (KKNI) yang mengharuskan lulusan PPNS memiliki kualifikasi level 5. Salah satu poin di level 5 lulusan harus mampu menyelesaikan pekerjaan dilingkup luas maka di buku ini dilengkapi tugas perencanaan sistem refrigerasi untuk sistem cargo sebuah kapal maupun tugas perencanaan sistem saluran udara pada kapal dengan mengacu pada data aktul General Arrangement sebuah kapal yang bisa diambil oleh mahasiswa pada mata yg sudah dipelajari mahasiswa pada mata kuliah pada semester sebelumnya. Buku ini dibagi beberapa bab dimana bab 1 berisi tentang pengenalan tentang HVAC, bab 2 Sistem Refrigerasi , Bab 3 Campuran Udara dan Uap Air, Bab 4 Refrigerated Cargo, Bab 5 Beban Pendinginan Pengkondisian Udara Pada Kapal. Bab 6 Ventilasi Bab 7 Distribusi Saluran Udara. Apa yang tertuang pada buku ini hanyalah kepingan kecil dari inspirasi besar yang dihadirkan oleh mahasiswa-mahasiswi jurusan Marine Engineering-PPNS. Namun inspirasi besar ini tidak ada berguna bagi kehidupan jika tidak ada semangat dan keinginan untuk mewujudkan dan memberikan makna bagi kehidupan manusia disekitar kita.
Kusuma George With all my heart for Wisanggeni and Swasthi Santhi
ii
Daftar Isi Lembar Persembahan ................................................................................................... i Kata Pengantar ............................................................................................................. ii Bab 1 DASAR-DASAR HVAC .................................................................................. 1 1.1.
Sub Kompetensi ............................................................................................ 1
1.2.
Uraian Materi ................................................................................................ 1
1.3.
Pengenalan Sistem Pendingin dan HVAC .................................................... 1
1.4.
Water chiller and Oil Cooler ......................................................................... 2
1.4.1.
Prinsif Kerja............................................................................................... 3
1.4.2.
Proses Perpindahan Energi Panas .............................................................. 4
1.5.
Air Conditioning System............................................................................... 5
1.6.
Sistem Refrigenerasi ..................................................................................... 5
1.7.
Rangkuman ................................................................................................... 7
1.8.
Referensi ....................................................................................................... 7
1.9.
Latihan Soal .................................................................................................. 7
1.10.
Lembar kerja .............................................................................................. 9
Bab 2 Sistem Refrigerasi ........................................................................................... 11 2.1.
Sub Kompetensi .......................................................................................... 11
2.2.
Uraian Materi .............................................................................................. 11
2.3.
Mesin pendingin dan Pompa Kalor ............................................................. 11
2.4.
Siklus Carnot Terbalik ................................................................................ 12
2.5.
Siklus Ideal Refrigerasi Kompressi Uap ..................................................... 13
2.6.
Compressor ................................................................................................. 18
2.7.
Kondensor dan Evaporator .......................................................................... 18
2.8.
Alat Alat Ekspansi....................................................................................... 18
2.9.
Pipa Kapiler ................................................................................................. 18
2.9.1.
Tekanan Konstan ..................................................................................... 20
2.9.2.
Katup Apung (Floating Valve) ................................................................ 20
iii
2.9.3.
TXV (Thermostatic Expansion Valve) .................................................... 21
2.9.4.
EEV (Electric Expansion Valve) ............................................................. 22
2.9.5.
Plate Orifice ............................................................................................. 23
2.10.
Refrigerant ............................................................................................... 24
2.10.1.
Refrigeran Primer ................................................................................ 24
2.10.2.
Refigerant sekunder ............................................................................. 27
2.11.
Sistem perpipaan pada sistem refrigerasi ................................................ 28
2.12.
Assesories ................................................................................................ 32
2.13.
Latihan soal ............................................................................................. 33
2.14.
Lembar Kerja ........................................................................................... 34
Bab 3 Campuran Udara dan Uap Air ......................................................................... 37 3.1.
Campuran Udara dan Uap Air..................................................................... 37
3.1.1.
Kelembaban dan Proses Adiabatic Saturation ......................................... 37
3.1.2.
Grafik Psikrometri dan Proses Pengkondisian Udara ............................. 37
3.1.3.
Aplikasi istilah – istilah dalam psikrometri ............................................. 39
3.1.4.
Proses Psikrometri untuk Proses Pendinginan dan Pemanasan. .............. 46
3.1.5.
Simple Air Conditioning System............................................................. 54
3.2.
Rangkuman ................................................................................................. 56
3.3.
Referensi ..................................................................................................... 56
3.4.
Latihan Soal ................................................................................................ 57
3.5.
Lembar Kerja .............................................................................................. 58
Bab 4 Refrigerated Cargo .......................................................................................... 61
iv
4.1.
Sub Kompetensi .......................................................................................... 61
4.2.
Uraian Materi .............................................................................................. 61
4.3.
Desain Ruang Cargo Dalam Kapal Dagang ................................................ 61
4.4.
Beban panas yang ada pada desain cargo ................................................... 63
4.4.1.
Beban Panas Transmisi (HT)................................................................... 63
4.4.2.
Beban Panas Muatan/Produk (Hp) .......................................................... 64
4.4.3.
Container ................................................................................................. 67
4.4.4.
Beban Panas Respirasi ............................................................................. 67
4.4.5.
Beban Panas Ventilasi atau infiltrasi ....................................................... 68
4.4.6.
Beban panas akibat Fan dan motor .......................................................... 69
4.4.7.
Peti Kemas/Container .............................................................................. 69
4.5.
Rangkuman ................................................................................................. 72
4.6.
Referensi ..................................................................................................... 72
4.7.
Latihan Soal ................................................................................................ 73
4.8.
Lembar kerja ............................................................................................... 75
Bab 5 Beban Pendinginan Pengkondisian Udara Pada Kapal ................................... 77 5.1.
Sub Kompetensi .......................................................................................... 77
5.2.
Uraian Materi .............................................................................................. 77
5.3.
Introduction HVAC (Heating Ventilation and Air Conditioning) .............. 77
5.4.
Klassifikasi HVAC pada Kapal .................................................................. 78
5.4.1.
Sistem Pendingin HVAC Class A ........................................................... 79
5.4.2.
Sistem pendingin Class D ........................................................................ 79
5.4.3.
Sistem pendingin Class E ........................................................................ 80
5.4.4.
Sistem pendingin Class G ........................................................................ 81
5.5.
Flowchart Perhitungan Beban Panas HVAC dan Sistem Refrigerator ....... 82
5.6.
Perhitungan Beban-Beban Panas yang Diderita Suatu Ruangan ................ 84
5.6.1.
Beban Panas Transmisi (Qtransmission = QTr) ...................................... 84
5.6.2.
Beban Panas Akibat Panas Penghuni Ruangan (Qperson = QP) ............ 88
5.6.3.
Beban Panas akibat Panas Rambatan dari Jendela (Qwindow = QW) ......... 88
5.6.4.
Beban panas dari penggunaan lampu penerangan (QLamp = QL) ......... 89
5.6.5.
Beban Panas dari Peralatan yg Digunakan dalam Ruangan (Qmachine = Qm) 90
5.7.
Perhitungan Kapasitas Udara ...................................................................... 90
5.7.1.
Perhitungan Udara Resirkulasi ................................................................ 91
5.7.2.
Beban Panas Tambahan akibat Pernafasan Manusia............................... 92
5.8.
Perhitungan Kapasitas Beban Pendingin (QL) dari Mesin Pendingin ........ 92
5.9.
Perhitungan Massa alir refrigerant Pada Sistem Refrigerator (𝐦𝐫𝐞𝐟) : ..... 93
5.10.
Perhitungan daya Evaporator dengan formula : ...................................... 93
5.11.
Perhitungan daya condenser dengan formula : ....................................... 94
5.12.
Perhitungan Sirkulasi Udara (Air Change) .............................................. 95
5.13.
Rangkuman .............................................................................................. 95
5.14.
Referensi .................................................................................................. 96
v
5.15.
Latihan Soal ............................................................................................. 96
5.16.
Lembar Kerja ........................................................................................... 96
Bab 6 Ventilasi......................................................................................................... 101 6.1.
Tujuan Instruksional.................................................................................. 101
6.2.
Klasifikasi sistem ventilasi ........................................................................ 101
6.2.1.
Klasifikasi berdasarkan distribusi : ....................................................... 101
6.2.2.
Klasifikasi Berdasarkan Fungsi : ........................................................... 101
6.3.
Prosedur Desain System Ventilasi ............................................................ 102
6.3.1. Menghitung beban pemanasan atau beban pendinginan termasuk panas sensible dan panas laten ....................................................................................... 102 6.3.2.
Suhu yang meninggalkan saluran udara dihitung atau diasumsikan ; ... 102
6.3.3.
Menghitung massa udara yang dialirkan ............................................... 102
6.3.4.
Menghitung losses suhu udara dalam saluran udara ............................. 103
6.3.5.
Menentukan output pada heater, washer, humidifier maupun cooler.... 103
6.3.6.
Menentukan ukuran boiler atau heater (untuk pemanasan) ................... 103
6.3.7.
Menentukan system dan ukuran saluran udara ...................................... 103
6.4.
Data – data perhitungan ventilasi .............................................................. 105
6.5.
Ventilasi kamar mesin di kapal ................................................................. 105
6.5.1.
Ventilasi udara ....................................................................................... 106
6.5.2.
Routing .................................................................................................. 106
6.5.3.
Pertimbangan Desain Ventilasi Kamar Mesin ...................................... 107
6.5.4.
Udara untuk pembakaran ....................................................................... 107
6.5.5.
Crankcase Fumes Disposal .................................................................... 108
6.5.6.
Perhitungan Suplai Fan Untuk Kamar Mesin di Kapal ........................ 109
6.6.
Lembar kerja ............................................................................................. 113
Bab 7 Distribusi Saluran Udara ............................................................................... 115
vi
7.1.
Tujuan Instruksional : ............................................................................... 115
7.2.
Saluran udara (ducting) ............................................................................. 115
7.3.
Bentuk Saluran Udara ............................................................................... 116
7.4.
Material Ducting ....................................................................................... 117
7.5.
Fitting ........................................................................................................ 117
7.6.
Sistem saluran udara ................................................................................. 121
7.6.1.
Loop Perimeter. ..................................................................................... 121
7.6.2.
Radial Perimeter .................................................................................... 121
7.6.3.
Ektended Plenum ................................................................................... 122
7.6.4.
Overhead system ................................................................................... 124
7.7.
Outlet ......................................................................................................... 126
7.8.
Tipe dari outlet .......................................................................................... 126
7.9.
Lokasi / Peletakan outlet ........................................................................... 128
7.9.1.
Low Wall Outlet .................................................................................... 129
7.9.2.
High Wall Outlet ................................................................................... 129
7.9.3.
Floor Outlet ........................................................................................... 130
7.9.4.
Baseboard Outlet ................................................................................... 130
7.9.5.
Ceiling outlet ......................................................................................... 131
7.9.6.
Return Outlet ......................................................................................... 134
7.10.
Pemilihan outlet ..................................................................................... 134
vii
Bab 1 DASAR-DASAR HVAC 1.1. Sub Kompetensi Kemampuan yang akan dimiliki oleh mahasiswa setelah memahami isi modul ini adalah sebagai berikut : 1. Mahasiswa mengetahui ruang lingkup bahasan materi Heating Ventilating Air Conditioning (HVAC) 2. Mahasiswa memahami prinsif kerja dasar dari kulkas (refrigerator) dan air conditioning (AC). 3. Mahasiswa memahami prinsif kerja Water Chiller dan Oil cooler
1.2. Uraian Materi Setalah mempelajari konsep dasar thermodinamika (engineering thermodynamic) maka mahasiswa pada mata kuliah ini diharapkan mampu mengaplikasikan pada konsep dasar itu pada teknologi aplikasinya industri meliputi : 1. Water chiller dan Oil Cooler 2. Sistem refrigerator 3. Sistem air conditioning (AC) dan HVAC
1.3. Pengenalan Sistem Pendingin dan HVAC Beberapa aplikasi sistem pendingin untuk kebutuhan manusia dan dunia industri
Gambar 1. 1 Contoh Penerapan Thermodinamika khusunya pada sistem pendingin HVAC Sumber : Yunus A Cengel, 1994, “Thermodynamic, an Engineering Approach”
1
Anakku kalau kau tak sanggup menahan lelah karena belajar, Kamu harus sanggup menahan derita karena kebodohan (Imam Syafi’i)
1.4. Water chiller and Oil Cooler
Gambar 1. 2 AHU-(air handlingUnit) , FCU (fan control unit), Water Chiller (warna biru = fase liquid/cair dan warna merah dan ungu = fase vapor/uap)
Gambar 1. 3 Sistem refrigerasi / refrigerator
Komponen-komponen sistem refrigerasi: 1. Refrigerant 2. Receiver 3. Thermostatic expansion valve (TXV) 4. Evaporator 5. Compressor 6. Condenser
2
Gambar 1. 4 Oil cooler (radiator) (sources: http://www.prcracing.com/oil-coolers.html)
Gambar 1. 5 Sistem cool storage di sebuah kapal
1.4.1. Prinsif Kerja Prinsif dasar dari mesin ini adalah proses pemindahan panas dari reservoir yang bertemperatur tinggi ke reservoir rendah namun membutuhkan kerja yang harus dimasukan dalam sistem
3
Gambar 1. 6 Proses Pemindahan panas dari reservoir temperature rendah ke tinggi
1.4.2. Proses Perpindahan Energi Panas
Gambar 1. 7 Perpindahan energy panas dari sisi kiri menuju sisi kanan melalui 5 proses/loop perpindahan panas
Contoh aplikasi sistem pendingin pada unit yang besar:
Gambar 1. 8 Ice skating field dan Cooling Piping (sources: www.kolomna-speed-skating.com/)
4
1.5. Air Conditioning System Sistem pengkondisian Udara untuk mendapatkan udara dengan kondisi dan kualitas sesuai dengan kebutuhan teknis. Dimana kebutuhan meliputi kebutuhan untuk kenyamanan manusia dan juga tujuan kebutuhan industri seperti teknologi penyimpan (storage), farmasi, bahan kimia hingga industri persenjataan. Macam-macam AC sistem : a) Air Conditioning (for comfort / machine) b) Split air conditioners c) Fan coil units in a larger system d) Air handling units in a larger system
Gambar 1. 9 AC window dan Split air conditioners
1.6. Sistem Refrigenerasi Sistem pendinginan pada industri yang digunakan untuk tujuan teknologi proses pengolahan (contohnya chilling plants) dan kebutuhan domestik (contohnya refrigerators), Sistem refrigerasi dapat dibedakan berdasarkan besar kemampuan kapasitasnya pendinginannya dengan satuan TOR (Ton of Refrigeration). TOR adalah satuan untuk kapasitas kemampuan proses pendinginan mengacu pada panas yang mampu dipindahkan dari material yang didinginkan yg besarnya setara dengan efek pendinginan yang diakibatkan oleh 1 ton es bersuhu 32oF (00C) yang meleleh (berubaha fase solid menjadi liquid) selama 24 jam. 1 TOR akan memiliki nilai setara dengan 12.000 BTU/hour atau 3517 watts. Kapasitas pendinginan sistem refrigerasi berdasarkan kemampuan kapasitas pendinginannya: 1. Unit Kapasitas kecil < 50 TOR Unit refrigerasi dengan kapasitas kecil untuk memenuhi kebutuhan domestic 2. Unit Kapasitas medium antara 50 < TOR < 250 Instalasi air pendingin dengan sistem terpusat (Centralized chilled water plants) menggunakan air pendingin sebagai refrigerant sekunder dengan temperatur dengan range diatas. 3. Unit Kapasitas besar > 250 TOR
5
Instalasi pendingin terpusat dengan kapasitas pendinginan besar dengan menggunakan refrigerant pendingin sekunder larutan anti beku (brine plant) sehingga bisa mencapai temperature lebih rendah dari 00C. Industri yang besar akan memiliki beberapa unit pendingin antara lain yang berada diluar diluar gedung (off site) antara lain: 1. Chilled water pumps, 2. Condenser water pumps, 3. Cooling towers,
Gambar 1. 10 Condenser water pumps (sources www.tempest-eng.com)
Gambar 1. 11 Cooling Tower (sources: http://powerwash.ms/industrial-projects)
Pada satu industri bisa dimungkin akan memiliki 2 sampai 3 level instalasi sistem refrigenerasi dan pengkondisian udara dengan beberapa kombinasi kondisi operasi, antara beberapa contoh kombinasi antara lain : 1. Comfort air conditioning (20 – 250C) 2. Chilled water system (8 – 100C) Plant air dingin yang terpusat dengan memanfaatkan air dingin sebagai refrigeran sekundernya untuk kisaran suhu diatas 8-100C. 3. Brine system (sub-zero applications)
6
Plant air garam (brine), yang menggunakan air garam untuk suhu yang lebih rendah, refrigeran sekunder untuk penerapan suhu sub-nol, yang kemudian menjadi kapasitas unit dan kapasitas plant yang terpusat.
1.7. Rangkuman TOR (Ton of Refrigeration). BTU (British thermal unit). AHU (Air Handling Unit) FCU (Fan control unit)
1.8. Referensi 1. Yunus A Cengel, 1994, “Thermodynamic, an Engineering Approach” 2. ASHRAE Handbook of Fundamentals [1972] 3. Harrington RL., ‘Marine Engineering Hand Book’, SNAME, Jersey City, 1992 4. Stoecker WF., Jerrold W., Supratman H.,’ Teknik Pendingin dan Pengkondisian Udara’, Edisi 2, Erlangga, Jakarta 5. William G., Neil RP. ‘Trane Air Conditioning Manual’ 6. Wiranto AM., Heizo S.,’Penyegaran Udara’, Pradnya Paramita, Jakarta 1995
1.9. Latihan Soal Tugas Terstruktur 01 1. Dengan melihat diagram pada Water Chiller dan Refrigerator diatas, Coba jelaskan fungsi-fungsi dari peralatan dibawah ini : a) compressor b) condenser c) receiver d) solenoid valve e) therma expansion valve f) thermal bulb g) chiller condenser h) chill water pump i) cooling coil j) thermostat k) tempeature switch l) expansion tank 2. Berdasarkan gambar refrigerator jelaskan apa yang dimaksud dengan : a. Suction line b. discharge line c. low side d. high side 3. Sebuah Pelabuhan membutuhkan 2 unit AHU dimana unit 1 membutuhkan daya pendinginan 12 BTU/min dan unit 2 membutuhkan daya pendinginan 8,2 kW. Berapa daya TOR mesin pendingin total yang harus di-install ?
7
8
1.10. Lembar kerja ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... .....................................................................................................................................
9
......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... .....................................................................................................................................
10
Bab 2 Sistem Refrigerasi 2.1. Sub Kompetensi Kemampuan yang akan dimiliki oleh mahasiswa setelah memahami isi modul ini adalah sebagai berikut : Mahasiswa mampu memahami konsep Proses termodinamika siklus Refrigerasi dan Sifat-sifat campuran uap air-udara dan menerapkannya perhitungannya untuk siklus refrigcrasi
2.2. Uraian Materi Setelah mahasiswa menerima pengenalan HVAC mahasiswa pemahamannya akan topik-topik: 1. Siklus carnot terbalik, mesin pendingin dan pompa kalor 2. Siklus ideal kompresi uap dan aktual kompressi uap 3. Komponen penyusun sebuah sistem refrigerasi
melanjutkan
2.3. Mesin pendingin dan Pompa Kalor
Gambar 2. 1 (a) Sistem Refrigerasi (b) Sistem Pompa Kalor Sumber: Yunus A Cengel, 1994, “Thermodynamic, an Engineering Approach”
Mesin pendingin didesain untuk memindahkan panas sebesar QL dari media yang bersuhu rendah (TLow) menuju ke media yang bertemperatur lebih tinggi THigh dengan memasukan kerja sebesar W. Pompa kalor didesain untuk mensuplai panas sebesar QH dari media yang bersuhu rendah (TLow) menuju ke media yang bertemperatur lebih tinggi THigh dengan memasukan kerja sebesar W.
11
Performansi (unjuk kerja) mesin refrigerasi dan pompa kalo dapat didefinisikan sebagai Coefficient of performance (COP) yang didefinisikan sbb : 𝐶𝑂𝑃𝑅 = 𝐶𝑂𝑃𝐻𝑃 =
𝐷𝑒𝑠𝑖𝑟𝑒𝑑 𝑜𝑢𝑡𝑝𝑢𝑡 𝑅𝑒𝑞𝑢𝑖𝑟𝑒𝑑 𝑖𝑛𝑝𝑢𝑡
𝐷𝑒𝑠𝑖𝑟𝑒𝑑 𝑜𝑢𝑡𝑝𝑢𝑡 𝑅𝑒𝑞𝑢𝑖𝑟𝑒𝑑 𝑖𝑛𝑝𝑢𝑡
=
=
𝐶𝑜𝑜𝑙𝑖𝑛𝑔 𝑒𝑓𝑓𝑒𝑐𝑡 𝑊𝑜𝑟𝑘 𝑖𝑛𝑝𝑢𝑡
𝐻𝑒𝑎𝑡𝑖𝑛𝑔 𝑒𝑓𝑓𝑒𝑐𝑡 𝑊𝑜𝑟𝑘 𝑖𝑛𝑝𝑢𝑡
=
=
𝑄𝐿 𝑊𝑛𝑒𝑡,𝑖𝑛
𝑄𝐻 𝑊𝑛𝑒𝑡,𝑖𝑛
Persamaan 2. 1 Persamaan 2. 2
Karena proses memindahkan panas dilakukan dalam per satuan waktu maka notasi QL,QH dan Wnet,in harus diganti dalam bentuk per satuan waktu 𝑄̇𝐿 , 𝑄̇𝐻 dan 𝑊̇𝑛𝑒𝑡,𝑖𝑛 Sehingga COPR dan COPHP nilainya akan bisa lebih besar daripada 1, dan persamaan yang menghubungkan keduanya : COPHP = COPR + 1
Persamaan 2. 3
COP pada heat pump lebih dikenal sebagai Performance Factor (PF)
2.4. Siklus Carnot Terbalik
Gambar 2. 2 Skema Mesin Refrigerasi Carnot dan T-s Diagram Siklus Carnot Terbalik
Koefisien performansi mesin refrigerasi carnot dan pompa kalor dapat didefinisikan sbb : 1
𝐶𝑂𝑃𝑅,𝑐𝑎𝑟𝑛𝑜𝑡 = 𝑇𝐻 𝑇𝐿
𝐶𝑂𝑃𝐻𝑃,𝑐𝑎𝑟𝑛𝑜𝑡 =
−1
1 𝑇 1− 𝐿
𝑇𝐻
12
Persamaan 2. 4 Persamaan 2. 5
2.5. Siklus Ideal Refrigerasi Kompressi Uap
Gambar 2. 3 Siklus Ideal Refrigerasi Kompressi Uap Sumber: Yunus A Cengel, 1994, “Thermodynamic, an Engineering Approach”
Empat komponen utama penyusun sebuah sistem refrigerasi adalah : 1. Compressor 2. Kondensor 3. Katup expansi 4. Evaporator Proses thermodinamika pada Siklus Ideal Refrigerasi Kompressi Uap yang terjadi pada komponen penyusun sebuah sistem refigerasi sebagai berikut : 1-2 kompressi isentropic pada unit compressors 2-3 Pembuangan panas pada tekanan konstan (isobaric) pada condenser 3-4 Penurunan tekanan pada katup ekspansi 4-1 Penyerapan panas pada tekanan konstan pada evaporator Pada unit evaporator dan condenser tidak terdapat kerja yg dibutuhkan maupun yang dihasilkan karena hanya ada proses penyerapan dan pembuangan panas, kerja yang dibutuhkan hanya ada pada unit compressor, sehingga COP dari mesin refrigerasi dan pompa kalor dari siklus ideal kompressi uap adalah : 𝐶𝑂𝑃𝑅 = 𝑊
𝑄𝐿 𝑛𝑒𝑡,𝑖𝑛
=
ℎ1 −ℎ4 ℎ2 −ℎ1
dan 𝐶𝑂𝑃𝐻𝑃 = 𝑊
𝑄𝐻 𝑛𝑒𝑡,𝑖𝑛
=
ℎ2 −ℎ3 ℎ2 −ℎ1
Persamaan 2. 6
Catatan : Pada kondisi ideal ℎ1 = ℎ𝑔@𝑃1 dan ℎ1 = ℎ𝑔@𝑃1 Di awal penemuan mesin pendingin digunakan 2 macam refrigerant yaitu : 1. Ammonia NH3 2. CO2 Namun 2 jenis refrigerant tersebut memiliki potensi masalah yang besar antara lain NH3 adalah toxic dan CO2 membutuhkan tekanan sangat tinggi (30 sampai 200 atm) untuk bisa dioperasikan pada sebuah siklus refrigerasi. Sehingga untuk mengatasi masalah-masalah diatas dibuat penelitian lanjutan sehingga menemukan refrigerant jenis baru yg disebut Freon 12 (dichloro-diflouro-methane) yang bisa mengatasi kelemahan pada refrigerant NH3 dan CO2. Perkembangan teknologi menemukan
13
efek penggunaan Freon 12(R12) juga memberi dampak negatif terhadap lingkungan, dimana akibat kebocoran Freon ke udara akan menyebabkan kerusakan lapisan ozone (O3) dimana molekul chlorine(Cl) akan memecah O3 menjadi O2 bumi sehingga bumi akan memiliki potensi terpapar bahaya radiasi sinar ultraviolet sehingga sekarang penggunaan R12 sudah dilarang secara global. Penelitian lanjutan menemukan refrigerant baru yang bebas Chlorine Cl yaitu R134a (tetraflouroethane) yang menggantikan fungsi R12 karena memiliki karakteristik tidak merusak Ozone. Contoh skema dan data operasi sebuah mesin refrigerasi : Contoh Soal
Diatas adalah data yang diambil secara aktual operasional sebuah mesin pendingin: 1. Berapa panas aktual yang diserap oleh evaporator (qevap) [kJ/kg]? 2.
Berapa panas aktual yang dibuang oleh condenser (qcond) [kJ/kg]?
3.
Berapa kerja kompressi aktual yg harus diberikan pada compressor (wcomp) [kJ/kg]?
4.
Berapa kerja kompressi ideal isentropic yang harus diberikan pada compressor (wcomp) proses [kJ/kg]
5.
Berapa Coefficient of Performance (COP) dari sistem, pada saat sistem difungsikan sebagai refrigerator dan Pompa kalor (heat pump).
Langkah 1 : Cari informasi Jenis refrigerant yang digunakan di desain !!! Berdasarkan informasi didapatkan bahwa jenis refrigerant yang digunakan adalah R-134a, sehingga harus dipersiapkan diagram P-h R134a sekaligus table nya Langkah 2: notasi angka titik acuan 1,2,3 dan 4 pada setiap titik skema desain Hal ini untuk mempermudah plot data operasi desain pada diagram P-h Langkah 3 : Plot semua data yang diketahui pada diagram P-h untuk R134a
14
Dari diagram P-h maka kita bisa mendapatkan data-data nilai enthalphi (h) tiap titik acuan skema sehingga untuk mendapatkan nilai yg lebih tepat akurasinya maka bisa digunakan table Refrigerant R134a Proses 1-2: Proses kompressi secara isentropic pada compressor
Proses 2-3: Proses pembuangan panas secara isobaric di kondensor
15
Proses 3-4 Proses penurunan tekanan pada katub ekspansi secara adibatik.
Proses 4-1 Proses penyerapan panas pada evaporator dari lingkungan yang mengubah fase refrigerant dari fase vapor mixture (titik 4) menjadi saturated vapor (titik 1).
P-h diagram pada saat kerja kompressi pada compressor dilakukan secara proses kompressi adiabatic?
16
Maka terlihat dari diagram p-h, maka dengan compressi isentropic maka temperatur refrigerant keluar compressor akan turun dari 700C menjadi 500C dan penurunan enthalphi refrigerant pada saat keluar compressor menjadi 280 kJ/kg. Sehingga 𝑤𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 = ℎ2′ − ℎ1
𝑘𝐽 𝑘𝐽 = 46 𝑘𝑔 𝑘𝑔 = ℎ3 − ℎ2′ 𝑘𝐽 𝑘𝐽 = (93.6 − 280) = −186,4 𝑘𝑔 𝑘𝑔
𝑤𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 = (280 − 234) 𝑞𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙−𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑒𝑟 𝑞𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙−𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑒𝑟
Performansi Aktual Sistem 𝑞𝑒𝑣𝑎𝑝
COPR = 𝑊
𝑐𝑜𝑚
145
= 65,5 = 2.2
𝑞𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑒𝑟
COPHP = 3.2
𝑊𝑐𝑜𝑚
210
= 65,5 =
Performansi Ideal Sistem 𝑞𝑒𝑣𝑎𝑝
COPR = 𝑊
𝑐𝑜𝑚
COPHP =
=
145 46
𝑞𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑒𝑟 𝑊𝑐𝑜𝑚
= 3.15 =
186,4 46
=
4.05
Catatan : Pada sistem yang sama nilai COPHP = COPR + 1 dan COP biasanya selalu lebih besar daripada 1 makanya untuk menunjukan performansi mesin pendingin tidak menggunakan istilah Efficiency yg memiliki nilai maksimum 100%.
17
Gambar diagram P-h R134a
Gambar 2. 4 Diagram P-h R 134a Sumber: www.ohio.edu/mechanical/thermo/property_tables/R134a/ph_r134a.html
2.6. Compressor 2.7. Kondensor dan Evaporator 2.8. Alat Alat Ekspansi Fungis dari alat expansi adalah menurunkan tekanan dari refrigerant yang akan diikuti dengan penurunan temperatur refrigerant. Beberapa macam alat ekspansi yang digunakan:
2.9. Pipa Kapiler Jenis katub expansi ini penggunaan untuk kapasitas Refrigerasi s.d 10 kW dan prinsif kerjanya yaitu refrigerant bertekanan tinggi keluar dari kondensor dalam fase subcooled maka refrigeran tersebut masuk pipa kapiler sehingga terjadi penurunan tekanan sampai tekanan evaporator. Penurunan tekanan ini akibat adanya mayor loses di pipa yang berdiameter sangat kecil (pipa kapiler). Penurunan tekanan ini berakibat pada turunnya temperatur sehingga titik didih refrigerant juga mengalami penurunan.
18
Gambar 2. 5 Pipe kapiler
Kelebihan penggunaaan pipe kapiler Bentuk Sederhana Tidak ada bagian yang bergerak Tekanan sistem merata saat sistem off Torsi awal motor kecil Kekurangan penggunaan pipe kapiler Kurang responsif terhadap perubahan beban Gampang tersumbat kotoran Contoh perancangan pipe kapiler Berapa panjang pipa kapiler (Dd=1,63mm) yang diperlukan untuk menurunkan temperatur R-22 dari 40oC ke 5oC? Laju aliran massa R-22 = 0,01kg/det. 2. Tentukan dahulu properties R-22 pada temperatur 40oC, meliputi (P1 =1534 kPa, 1: f1: 0,0008857 m3/kg, h1:hf1:249.8 kJ/kg, 1: f1: 0,0001401 kg/m-s (Pa.s) m 0,01 m 1 0,0008857 4,247 2 A sec .(0,00163) / 4 VD Bilangan Reynold Re1 1 d =55769 1. 1 0.33 friction factor f1 = 0.02147 0.25 Re1 3. Cari properties pada titik 2 (39 oC), semakin kecil selisih t1-t2 semakin akurat. (P2 =1497 kPa, f2 = 0.0008823 m3/kg, g2 = 0.0155 m3/kg hf2 =248.5 kJ/kg, hg2 = 416.1 kJ/kg, f2 = 0.0001416 kg/m-s, g2 = 0.00001595 kg/m-s) 4. Cari akar x2 persamaan berikut : 2 [𝑣𝑓2 + (𝑣𝑔2 − 𝑣𝑓2 )𝑥] 𝑚̇ 2 𝑉12 1000ℎ𝑓2 + 1000(ℎ𝑔2 − ℎ𝑓2 )𝑥 + ( ) = 1000ℎ1 + 2 𝐴 2 V1
Sehingga didapatkan nilia x2 = 0.00794 5. Apabila nilai x2 diatas didapatkan nilai h2= 249.8 kj/kg , v=0.0009984 m3/kg dan = 0.00001406 kg/m-s 6. Pada kecepatan V2 = 4.729 m/s maka didapatkan nilai Re2= 62104 dan
19
friction factor f2 =0.0209 7. Pada kecepatan rata-rata Vm = 4.488 m/s didapatkan Rem= 58939 dan friction factor fm =0.02118 8. Hitung ∆L1-2 dengan formula : ∆𝐿 𝑉𝑚 [(𝑃1 − 𝑃2 ) − 𝑓𝑚 ] 𝐴 = 𝑚̇(𝑉2 − 𝑉1 ) 𝐷𝑑 2𝑣 ∆L1-2 = 0,2306 m 9. Perhitungan 1 s.d 7 diulangi sedemikian hingga ∆L1..n mencapai tn=te=5oC, dari perhitungan diatas didapatkan L= ∆L1..n =2,118 m
2.9.1. Tekanan Konstan Aplikasi Untuk sistem 30kW dan untuk proteksi overload kompresor dengan Prinsip kerja seperti ‘Reducing Valve’
Gambar 2. 6 Mekanisme Tekanan konstan
Jika Pe terlalu besar maka katup menutup lebih rapat, sehingga Pe kembali semula, jika Pe terlalu rendah maka katup membuka lebih lebar sehingga Pe kembali semula
2.9.2. Katup Apung (Floating Valve) Aplikasi digunakan untuk Floaded Evaporator Cara kerja: Jika level cairan refrigeran terlalu tinggi maka katup menyempit sehingga level cairan kembali semula, jika level cairan kurang maka katup melebar sehingga level cairan kembali semula
20
Gambar 2. 7 Floating valve system
2.9.3. TXV (Thermostatic Expansion Valve) Dua Type TXV: 1. Internal Equalizer 2. External Equalizer Refrigeran keluar evaporator didesain pada kondisi super heated tertentu sehingga jika terjadi kenaikan beban akan membuka katup lebih lebar dan jika terjadi penurunan beban katup merapat.
21
Gambar 2. 8 TXV Internal Equalizer
Gambar 2. 9 TXV External Equalizer
2.9.4. EEV (Electric Expansion Valve) Aplikasi EEV digunakan pada multiple response pada multi variasi load evaporator
22
Gambar 2. 10 Mekanisme EEV
2.9.5. Plate Orifice Aplikasi plate orifice untuk kapasitas refrigerasi sangat besar dengan kompresor centrifugal.
Gambar 2. 11 Plate Orifice
23
2.10. Refrigerant Refrigerant ada fluida kerja sistem refrigerasi yang berfungsi menyerap, memindahkan, melepaskan kalor dari satu media ke media yang lainnya. Dimana jenisnya ada 2 macam yaitu : 1. Refrigeran Primer 2. Refrigeran Sekunder
2.10.1.Refrigeran Primer Yaitu refrigeran yang berperan langsung pada siklus kompresi uap. Dimana jenisnya berupa : a) Senyawa Halokarbon Refrigerant yang senyawa penyusunnya terdiri atas satu atau lebih atom dari salah satu senyawa halogen (Cl, F,Br) Standard Penomoran R-XYZ: X=jumlah atom C -1 Y=jumlah atom H +1 Z= jumlah atom fluorin
24
Contoh pe-nomor-annya: Susunan Kimia R-12 : X=0, C-1=0; C=1 Y=1, H+1=1; H=0 Z=2, F=2 Rumus kimia R-12 = CFCl2
Gambar Susunan Kimia
R-22: X=0, C-1=0; C=1 Y=2, H+1=2; H=1 Z=2, F=2 Rumus kimia R-22 = HCFCl
R-134a : X=1, C-1=1; C=2 Y=3, H+1=3; H=2 Z=4, F=4 Rumus kimia R-134A = H2C2F4
R-143a: X=1, C-1=1; C=2 Y=4, H+1=4; H=3 Z=2, F=3 Rumus kimia R-143A = H3C2F3
25
b) Senyawa Anorganik Senyawa anorganik yang dijadikan refrigerant primer antara lain : Code
Name
Rumus kimia
717
Amonia
NH3
718
Air
H2O
729
Udara
744
Karbondioksida
CO2
764
Sulfur dioksida
SO2
Dengan standard penomoran sebagai berikut : X=7 : Organic code, yz= Berat mole c) Hidrokarbon Dengan standar penomoran (code) = Halocarbon Code
Name
Rumus kimia
50
Methane
CH4
170
Ethane
C2H6
290
Propane
C3H8
d) Azeotrop Azeotrop: campuran yang tidak dapat dipisahkan menjadi komponen komponennya dengan cara destilasi, Sifat Azeotrop berbeda dengan sifat unsur pembentuknya Contoh: R-502 merupakan campuran 48,8% R-22 dan 51,2% R-115 Karakteristik Kerja berbagai Refrigeran Refrigerant
P Evaporator kPa
P Condensor
11
20,4
Kpa 125,5
12
182,7
22
Compression Ratio
Q Refrigerasi
Debit
COP
6,15
kJ/kg 115,4
(litre/s) 4,9
5,03
744,6
4,08
116,3
0,782
4,7
295,8
1192,1
4,03
162,8
0,476
4,66
502
349,6
1308,6
3,74
106,2
0,484
4,37
717
236,5
1166,6
4,93
1103,4
0,462
4,76
Sehingga dari table diatas R-11 tekanan kerja kecil cocok untuk pipa atau tabung tipis tetapi sistem perlu dilengkapi purger untuk membuang udara yang masuk ke sistem (Pe<Patm) sedangkan Amonia Dampak refrigerasi terbesar: Cocok untuk sistem2 besar, COP relatif sama karena Wc sangat besar pula.
26
Karakteristik sifat dan safety berbagai Refrigeran Refrigeran Flamable Toxicity Reaksi dg tembaga, kuningan Reaksi dg Seng Reaksi dg Karet Alam Pencampuran dg pelumas Green House Effect Ozone Depleting Substance
11 --+ + ++ ++ ++
12 -+ + ++ ++ ++
22 -+ + + ++ ++
502 -+ + ++ ++ ++
717 ++ ++ ++ +++ -
134a ++ --++ +++ -
50 +++ --++ +++ -
2.10.2.Refigerant sekunder Pengertiannya yaitu refrigeran yang membawa kalor dari obyek yang didinginkan ke evaporator dan proses perpindahan panasnya hanya terjadi perubahan temperatur dan tidak terjadi perubahan fase. Macam macam refrigeran sekunder: 1. Brine (larutan garam) 2. Larutan Antifreezes (glycol ethylene, glycol propylene, Calcium Chloride)
Gambar 2. 12 Glycol –water solution
Sumber : www.veximchem.com/
27
2.11. Sistem perpipaan pada sistem refrigerasi Keterangan : Hijau = Suction Line Red = Discharge Line Biru = Liquid Line
Penentuan dimensi piping dengan menggunakan beberapa metode: Metode Chart: Inputan berupa Hasil rancangan sistem; Jenis refrigeran, Kapasitas evaporator (Ton Ref), Temperatur Evaporator dan kondensor (oF) Seting terhadap Kecepatan refrigeran yang diizinkan (fpm) Proses peng-Plot-an pada Chart Output dari char berupa Suction Line, Discharge line dan liquid line Metode Table Mengacu pada kecepatan refrigerant yang diijinkan pada sistem perpipaan sistem refrigerasi sbb : Refrigeran R-717 R-12 R-22 R-500 R-502 Water
28
Liquid ln 100-250 80-100 100-125 100-125 100-125 100-250
Suction ln 4000-5000 1500-1800 1500-2000 1500-2000 1500-2000 30-50 (liquid)
Discharge ln 5000-6000 1800-2250 1800-2200 1800-2200 1800-2200
29
30
31
Penentuan Dimensi Piping (Tabel)
Note
The recommendations are based on the use of standard refrigeration tubing with 0.028 or 0.032 wall thickness. Line size listed are outside tube dimensions These suggestions do not include consideration for additional pressure drop due to elbows,valves or reduced joint sizes Add 3 fluid ounces for each 10 ft, pipe over 35 ft Sumber : Tecumseh product co.j
2.12. Assesories
32
2.13. Latihan soal Tugas Terstruktur a) Buatlah desain sistem pendinginan water chiller apabila dibutuhkan untuk membuat instalasi water chiller untuk pendingin instalasi mesin dari temperatur air 300C menjadi 200C pada tanki bervolume 2.5 m3 dengan waktu pendinginan (pulldown time) 1.5 jam dengan menggunakan sistem pendingin siklus kompressi uap. Apabila selisih temperatur refrigerant terhadap temperatur air ditentukan ∆𝑇 = 8 − 10 ℃. Dengan COP aktual pendingin yang akan digunakan adalah 3.5 . Perhitungan mengabaikan beban panas pada tanki akibat pemanasan udara luar ke dalam tanki. Untuk safety desain factor digunakan faktor 10% Pertanyaan : 1. Berapa temperatur refrigerant pada evaporator ? 2. Berapa temperatur refrigerant pada condensor ? 3. Berapa tekanan refrigerant pada evaporator ? 4. Berapa tekanan refrigerant pada condensor ? 5. Berapa compression ratio compressor yang akan dibutuhkan desain? 6. Berapa besar refrigeration effect (cooling effect) pada evaporator dalam kJ/kg ? 7. Berapa % fraksi liquid saat refrigerant memasuki evaporator ? 8. Berapa besar kerja yang dibutuhkan oleh compressor dalam kJ/kg ? 9. Berapa beban pendinginan pada evaporator untuk water chiller tsb dalam satuan kW ? 10. Berapa 𝑚̇ refrigerant yang dibutuhkan untuk desain tsb dalam kg/s ? 11. Berapa COP ideal pada sistem tsb? 12. Berapa daya beban evaporator yang dibutuhkan dalam kW ? 13. Berapa daya kerja compressor yang dibutuhkan dalam kW dan HP ? 14. Berapa daya beban condensor yang dibutuhkan daalam desain dalam kW? b) Sistem pendingin yang menggunakan R134A sebagai refrigerant-nya bekerja dengan kondisi operasi tekanan (absoluts) di evaporator sebesar 200 kPa dan temperature refrigerant keluar evaporator 0C. Kondisi Refrigerant setelah mengalami proses kompressi di compressor maka tekanannya naik menjadi 1,2 Mpa dengan temperatur 650C dan kondisi refrigerant pada saat keluar kondensor pada tekanan sama 1,2 kPa dengan temperatur 400C. Berdasarkan pada data diatas lakukan perhitungan parameter-parameter dibawah ini : 1. Plot proses diatas pada p-h diagram 2. Berapa panas aktual yang diserap oleh evaporator (qevap) [kJ/kg]? 3. Berapa panas aktual yang dibuang oleh condenser (qcond) [kJ/kg]? 4. Berapa kerja kompressi aktual yg harus diberikan pada compressor (wcomp) [kJ/kg]? 5. Berapa kerja kompressi ideal isentropic yang harus diberikan pada compressor (wcomp) proses [kJ/kg] 6. Berapa Coefficient of Performance (COP) dari sistem, pada saat sistem difungsikan sebagai refrigerator dan Pompa kalor (heat pump).
33
2.14. Lembar Kerja ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... .....................................................................................................................................
34
......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... .........................................................................................................................................
35
......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... .....................................................................................................................................
36
Bab 3 Campuran Udara dan Uap Air 3.1. Campuran Udara dan Uap Air Campuran udara dan uap air dapat dianalisa dengan menggunakan diagram psychrometric
3.1.1. Kelembaban dan Proses Adiabatic Saturation Udara astmosfer terdiri campuran udara kering (dry air) dan uap air (water vapor). Berdasarkan hukum Dalton tentang tekanan parsial tentang campuran udara kering atau campuran air –uap air maka tekanan total udara dapat didefinisikan sebagai berikut : P = Pa + Pv Dimana notasi : a = mengacu pada air (udara) dan v = mengacu pada vapor (uap)
3.1.2. Grafik Psikrometri dan Proses Pengkondisian Udara Grafik psikrometri yang paling popular digunakan di aplikasi di industri adalah grafik yang dibuat oleh ASHRAE (American Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning Engineers , yang ditampilkan dibawah ini.
Gambar 3. 1 Psikrometri pada satuan SI (Sumber: "On the Psychrometric Chart" published in the ASHRAE Transactions (Paper #3736, Vol 100, Part 1, 1994)
37
Garis 100% relative humidity disebut sebagai garis jenuh (dew point curve) dimana pada titik tersebut temperatur bola basah (wet bulb temperature) dan temperatur bola kering (dry bulb temperature) akan memiliki nilai yang sama. Menentukan Sifat – sifat Termodinamik Udara dari Grafik Psikrometri Pada grafik psikrometri terdapat tujuh sifat termodinamik atau kelompok sifat termodinamik, yaitu : 1. Entalpi (Enthalpy) h 2. Kelembaban Relatif (Relative humidity) atau RH 3. Suhu Bola Basah T* atau WBT 4. Tekanan Barometric pat 5. Suhu Bola Kering T atau DBT dan Tekanan Jenuh Uap Air pws 6. Kerapatan dan volume udara v 7. Rasio Kelembaban w, Tekanan Uap Air pw, Suhu Dew Point Tdew Suhu Bola Kering adalah Suhu bola kering (DBT; Dry Bulb Temperature) merupakan suhu nyata udara yang diukur dengan termometer biasa. Suhu Bola Basah Suhu bola basah (wet bulb temperature) adalah suhu udara yang diukur dengan termometer biasa yang ujung dari gelasnya di tutupi dengan kain / kasa basah. Meskipun udara yang diukur pada dry termometer sama dengan udara yang diukur pada wet termometer, namun hasil pengukuran tidak akan sama. Suhu bola kering menunjukan suhu actual dari udara, sementara suhu bola basah menunjukan pengukuran yang nilainya lebih rendah. Hal ini dikarenakan penguapan air dari kain basah ikut mendinginkan permukaan termometer sehingga hasil pengukuran lebih rendah daripada termometer bola kering. Perbedaan hasil pengukuran tersebut tergantung pada jumlah uap yang ada diudara terjadi. Jika kandungan uap tinggi, maka air didalam kain /kasa basah, maka akan sedikit terjadi penguapan sehingga hasil pengukuran termometer bola kering tinggi. Jika kandungan uap air didalam udara rendah, maka penguapan dari kain/kasa basah akan terjadi lebih cepat karena udara mampu menyerap uap lebih cepat. Hal ini akan menyebabkan termometer bola basah menjadi lebih dingin, dan hasil pengukuran juga lebih rendah. Sehingga dapat disimpulkan bahwa, udara kering adalah udara dengan kadar uap air yang rendah dan memiliki suhu yang lebih rendah pada termometer bola basah, sementara udara lembab yang memiliki kandungan uap air lebih besar maka akan memiliki suhu yang lebih tinggi pada termometer bola basah. Jika kandungan uap air dalam udara mencapai 100% atau kelembaban relatif 100%, maka dapat dilihat pada grafik psikrometrik bahwa suhu bola basah sama dengan suhu udara kering, karena udara sudah jenuh dan tidak memungkinkan terjadinya penguapan dari kain / kasa basah sehingga hasil pengukuran termometer udara basah akan sama hasilnya dengan pengukuran menggunakan termometer udara kering. Kelembaban relative (relative humidity) adalah jumlah actual uap air didalam udara dibandingkan terhadap jumlah uap air maksimum yang dapat diserap oleh udara.
38
Satuan uap air (grain of moisture) adalah satuan yang digunakan untuk mengukur atau menentukan jumlah uap air yang terkandung dalam udara. Suhu Dew Point / Saturation Temperature adalah suhu dimana uap air akan mulai mengembun. Dengan mengetahui hubungan dari istilah –istilah yang ada dalam grafik psikrometri, maka dengan cepat dapat diketahui kondisi dari suatu udara, misalnya Jika suhu bola kering dan suhu bola basah diketahui, maka nilai kelembaban relative, dew point temperature, grain of moisture bisa dibaca pada grafik psikrometri, Contoh Soal Apabila suhu udara luar adalah 32°C dengan kelembaban relatif ∅= 60%. Dengan menggunakan psychrometric chart tentukan parameter-parameter dibawah ini: 1. Specific humidity 𝜔? 2. Nilai enthalpy-nya? 3. Temperatur bola basah Twb? 4. Temperatur jenuh (the dew-point temperature) Tdp ? 5. Volume specific udara pada kondisi tersebut? 6. Gambar semua nilai diatas pada grafik ! [18 gram-moisture/kg-air], [78 kJ/kg-air], [25.5°C], [23°C], [0.89m3/kg].
3.1.3. Aplikasi istilah – istilah dalam psikrometri Diagram psikometri pada satuan English yang banyak digunakan pada industri dengan contoh dibawah ini:
39
Gambar 3. 2 Grafik Psikometri pada satuan English
Sumber : http://img.techpowerup.org/060417/psychrometric_chart Beberapa aplikasi untuk pengkondisian udara pada antara lain antara lain: Pengkondisian Udara Pada Musim Dingin Diketahui suhu bola kering udara adalah 30 F, dan kelembaban relatih udara luar 20%. Tentukan perlakuan yang diperlukan untuk mendapatkan agar kondisi udara dalam ruangan menjadi bersuhu 72 F sampai 75 F dan kelembaban relative 30 % – 35 %. Penyelesaian : 1. Gambarkan titik pada grafik psikrometri yang menunjukan kondisi masing – masing udara yaitu titik 1 (30 F DB dan 20% RH) dan titik 2 (72 F DB dan 30 RH). (gambar 2.4) 2. Kemudian tarik garis lurus dari titik 1 ke titik 2. 3. Dari hubungan titik – titik tersebut bisa diketahui beberapa perubahan untuk mendapatkan suhu dan kelembaban sesuai dengan yang diinginkan.
40
Gambar 3. 3 Proses pengkondisian udara pada musim dingin (pemanasan)
Dari gambar diatas maka dapat dikatakan bahwa untuk meningkatkan kelembaban dari 20% menjadi 30% makan 31 satuan uap air perlu ditambahkan kedalam udara. Sementara untuk menaikan suhu dari 30 F menjadi 72 F maka perlu ditambahkan panas. Pada contoh kasus ini, grafik psikrometri menunjukan proses sederhana dari pemanasan. Peralatan yang bisa digunakan untuk pemanasan seperti ini misalnya adalah boiler, tungku, maupun koil pemanas yang dilengkapi dengan sprayer untuk menambahkan butiran air ke dalam udara. Pengkondisian Udara Musim Panas Udara luar memiliki suhu udara kering 85 F, dengan kelembaban relative 70%. Bagaimana treatmen yang harus dilakukan agar udara memenuhi criteria kenyamanan udara ruangan dengan suhu 75 F dan RH 50%. Penyelesaian : 1. Gambarkan titik 1, yaitu garis perpotongan antara RH 70%, dan suhu bola kering 85 F. Dan gambarkan titik 2, dari garis perpotongan RH 50% dan suhu bola kering 75 F. (Gambar 2.5) 2. Tarik garis lurus dari titik 1 ke titik 2. 3. Dari hubungan garis dan titik – titik tersebut dapat diketahui perubahan sifat – sifat udara yang dibutuhkan untuk menjadikan udara dari RH 70%, suhu 85 F, menjadi RH 50%, suhu 75 F.
41
1
% 70
RH
Grains of Moisture 130 Grains
% 50
Penambahan 31 grain
RH
2
65 Grains
85 F DB
75 F DB
Penurunan Temperature 10 F
Gambar 3. 4 Proses pengkondisian udara pada musim panas (pendinginan)
Dari proses pada gambar diatas ditunjukan bahwa terjadi penurunan RH dan suhu. Hal ini bisa dilakukan dengan proses pendinginan menggunakan koil pendingin. Kondensasi Diketahui suatu jendela kaca dengan suhu permukaannya 30 0F dan suhu dalam ruangan 72 F. Berapa kelembaban relative dimana tidak terjadi kondensasi pada jendela. Penyelesaian : 1. Gunakan suhu jendela 30 F sebagai dew point temperature, tentukan titiknya pada skala dew point pada grafik psikrometris. 2. Tentukan titik perpotongan antara dew point 30 F dengan 72 F suhu bola kering. 3. Tentukan nilai RH pada titik perpotongan tersebut.
RH > 20% Terjadi kondensasi
30
ew F D nt i o P
2
1
0%
RH < 20% Tidak Terjadi kondensasi
72 F DB
42
RH 2
Gambar 3. 5 Proses kondensasi
Dari grafik dapat dibaca bahwa titik perpotongan antar garis dew point 30 dengan garis suhu bola kering 72 F adalah pada RH 20%. Hal ini berarti bahwa pada RH dibawah 20% maka tidak akan terjadi kondensasi pada permukaan jendela, dan baru akan terjadi kondensasi jika RH lebih dari 20%. Kondisi untuk mencegah kondensasi ini bisa dilakukan dengan beberapa alternative, diantaranya adalah dengan mengalirkan udara hangat ke jendela untuk meningkatkan suhu dan mencegah kondensasi. Atau dengan cara menambahkan jendela (storm window) atau menggunakan jendela double pane, sehingga suhu jendela dapat dinaikan lebih dari 30 F tanpa menimbulkan kondensasi pada jendela bagian dalam. Pengkondisian udara nyaman (comfort zone) Salah satu tujuan utama dari penggunaan Psychrometric Chart pada proses pengkondisian udara adalah untuk menentukan kondisi udara paling nyaman bagi manusia, dari hasil penelitian kondisi nyaman manusia pada 22°C - 27°C dengan kelembaban relatif 𝜙 antara 40% and 60% yaitu daerah yang ditunjukan pada diagram dibawah ini.
Gambar 3. 6 Comfort zone Sumber: Israel Urieli (2011) “Engineering Thermodynamic”
Contoh Soal: Kondisi udara luar 35°C dengan kelembaban relatif 60% akan dikondisikan untuk mencapai daerah “comfort zone”. Dengan menggunakan grafik Psychrometric, Plot kan proses pengkondisian udara dan estimasikan : a) Jumlah uap air yang harus diambil dari udara tsb?
43
b) Jumlah panas yang harus dipindahkan? c) Jumlah panas yang harus ditambahkan pada udara?
[11.5g-H20/kg-dry-air], [(1)-(2), qcool = 48kJ/kg-dry-air], [(2)-(3), qheat = 10kJ/kg-dry-air].
44
Contoh Soal Kondisi udara kering pada suhu 40°C dan kelembaban relatif 10% mengalir melalui pendingin evaporatif. Air ditambahkan pada udara yang mengalir filter basah (wick) sehingga udara yang keluar dari instalasi pendingin evaporative diinginkan pada suhu 27°C. Dengan menggunakan grafik psikrometri tentukan: (a) Kelembaban relatif udara keluar? (b) Jumlah air yang ditambahkan pada udara? (c) Temperatur terendah yang mampu dicapai dengan instalasi pendinginan ini?
[45%],[5.4 g-H20/kg-dry-airs], [18.5°C]. Instalasi pendingin type ini sangat popular untuk digunakan pada kondisi cuaca panas dan kering yang mana instalasi ini disebut Swamp Cooler
45
3.1.4. Proses Psikrometri untuk Proses Pendinginan dan Pemanasan. Proses pengkondisian udara yang umum ditemukan adalah proses pemanasan, pendinginan, penambahan ataupun pengurangan kelembaban. Proses – proses tersebut diatas harus terlebih dahulu dipahami tipe dasar dari proses pemanasan dan pendinginan yaitu Pemanasan dan Pendinginan Latent, pemanasan dan pendinginan sensible. Panas Latent Panas laten diidentifikasikan sebagai panas laten penguapan dan panas laten karena fusi. Panas laten penguapan adalah panas yang diperlukan untuk mengubah cairan menjadi uap. Suatu contoh, air yang dipanaskan memiliki titik didih 212 F. Jika lebih banyak lagi panas ditambahkan kedalam air tersebut, maka air tidak akan bertambah suhunya namun air akan mulai mendidih dan berubah bentuk menjadi uap. Sehingga dalam hal ini Panas Laten Penguapan air adalah 212 F. Panas Laten Fusi adalah jumlah panas yang harus dihilangkan untuk mengubah cairan menjadi padat. Sebagai contoh, air dapat didinginkan mencapai titik beku yaitu 32 F. Jika semakin banyak panas yang dihilangkan atau dikurangi dari cairan tersebut maka air akan berubah menjadi es. Sehingga dapat dikatakan bahwa pada umumnya panas laten fusi adalah pada proses pendinginan. Aplikasi Panas Latent 1. Ketika panas laten diberikan ke udara, makan akan mengubah kandungan uap air dalam udara. Ketika panas laten ditambahkan, kandungan uap air dalam udara akan meningkat tetapi tidak meningkatkan suhu udara. 2. Sebaliknya jika panas laten dikurangi dari udara, maka jumlah kandungan uap air dalam udara akan berkurang sehingga udara menjadi lebih kering, namun suhu udara tidak berubah. Kedua proses tersebut ditunjukan dalam grafik psikrometri pada gambar 2.8 sebagai berikut :
Pengurangan Panas Laten
RH Penambahan Panas Laten
RH
Konstan Temperature
Konstan Temperature
Gambar 3. 7 Perubahan panas laten pada grafik psikrometri
46
Pemanasan dan Pendinginan Sensible Panas sensible adalah panas yang menaikan suhu tetapi tidak menaikan kandungan uap air / kelembaban dalam suatu benda. Karena disini terjadi kenaikan suhu, maka panas sensible bisa dirasakan, hal ini lah kenapa dinamakan sebagai panas Sensible. Panas yang digunakan untuk menaikan suhu suatu air adalah panas sensible. Dan panas yang dihilangkan untuk menurunkan suhu suatu air juga dinamakan sebagai panas sensible, dan prosesnya dinamakan pendinginan sensible. Ketika prinsip panas sensible diaplikasikan ke udara, maka akan terjadi perubahan suhu udara namun tidak terjadi perubahan pada kandungan uap air. Proses ini digambarkan pada grafik psikrometris sebagai garis horizontal ke kanan. Sebaliknya jika panas dikurangi dari udara, maka suhu udara akan turun tanpat terjadi perubahan kandungan uap air, dan proses nya digambarkan sebagai garis lurus horizontal ke kiri. Dari gambar tersebut dapat disimpulkan bahwa pemanasan dan pendinginan sensible akan mengubah suhu bola kering namun tidak akan mengubah suhu dew point. Dan dari penggambaran pada grafik tersebut juga bisa dilihat perubahan yang terjadi pada suhu bola basah dan kelembaban relative pada saat pemanasan dan pendinginan sensible.
RH
Pemanasan Sensibel
Pendinginan Sensible
Constant Moisture
Constant Moisture
RH
Gambar 3. 8 Pendinginan dan pemanasan sensible
Pemanasan dan Pelembaban. Udara dipanaskan dan dilembabkan biasanya dilewakan ke suatu coil pemanas dan sprayer air. Jika suatu udara dilewatkan koil pemanas pada suhu 60 Fdb (dry bulb), 45 F wb (wet bulb), 25 F dp (dew point), 28 RH, dan meninggalkan sprayer air pada kondisi 80 F db, 62 F wb, 50 F do dan 35% RH. Maka proses pemanasan dengan koil ditunjukan pada garis 1, dan pelembaban ditunjukan pada garis 2, namun pada proses pengkondisian udara pada umumnya pemanasan dan pelembaban terjadi secara simultan sehingga proses dari 1 dan 2 digambarkan langsung melalui garis 3.
47
h2 62 F wb 80 F db
3 2
h1 1 45 F wb 60 F db
Gambar 3. 9 Proses pemanasan plus pelembaban
Sementara panas yang diberikan dari koil pemanas ke udara, dapat dihitung berdasarkan perubahan entalpi dari kondisi 1 dan 2 dengan menggunakan rumus : 𝑞 = 𝑚̇(ℎ2 − ℎ1 )
Persamaan 3. 1
Dimana m adalah laju aliran massa udara, h2 dan h1 masing – masing adalah entalpi udara pada kondisi 2 dan kondisi 1. Proses Pendinginan dan Pengurangan Kelembaban Pada proses pendinginan udara harus dilewatkan melalui suatu koil pendingin. Dalam proses ini, panas sensible dan panas latent dibuang sampai udara mencapai suhu yang diinginkan. Secara umum proses pendinginan dan pengurangan kelembaban merupakan proses terbalik dari pemanasan dan pelembaban. Dan nilai panas yang dibuang sebanding dengan panas yang diberikan pada proses pemanasan. Sehingga secara grafis dapat ditunjukan pada gambar .
h1 62 F wb 80 F db
3 1
h2
45 F wb 60 F db
2
Gambar 3. 10 Proses pendinginan dan pengurangan kelembaban
48
Sensibel Heat Factor. Pada system pengkondisian udara pada umumnya, proses pendinginan dan pengurangan kelembaban terjadi secara simultan yang dalam garis psikrometri garis ini dinamakan sebagai Sensible Heat Factor Line.
50% sensible heat 50% laten heat removed
Constant moisture
Gambar 3. 11 Sensible heat
Garis diatas menunjukan bawah perubahan yang terjadi adalah panas sensible dan panas laten. Jika dalam proses pendinginan hanya meliputi pengurangan panas laten tanpa mengurangi panas sensible, maka garis sensible heat factor digambarkan sebagai garis lurus horizontal (gbr a), dan nilai sensible heat factor sama dengan 1. Jika panas yang dikurangi adalah 50% panas sensible dan 50% panas laten, maka garis sensible heat factor akan membentuk garis lurus 45o dan nilai sensible heat factor sama dengan 0,5. (gambar b). Pada kondisi udara nyaman, biasanya sensible heat factor berkisar antara 0,5 ~ 0,8. Beberapa rumah dikondisikan dengan sensible heat factor 0,8. Dan restoran biasanya memiliki sensible heat factor 0,6. Restoran memiliki factor panas sensible kecil karena menghasilkan banyak uap dari dapur dan banyaknya orang dalam restoran. Nilai sensible heat factor 0,8 mengindikasikan bahwa 80% (0,8) dari total panas yang diubah adalah panas sensible, dan 20% adalah panas laten. Dengan kata lain, jika total pendinginan yang diperlukan adalah 10 ton, maka 8 ton diperlukan untuk membuang panas sensible dan 2 ton untuk membuang panas laten. Contoh Proses pengkondisian udara yang melibatkan sensible heat factor Beban pendinginan suatu ruangan adalah 10 tons, kondisi ruangan 80 F db, 67 F wb, kondisi udara supply 60F db, 58 F wb. Maka sensible heat factor dapat ditentukan dari grafik psikrometri sebagai berikut : 1.0
1.0 0.8
0.8 0.6 0.4 0.2
0
67 F Wb 58 F Wb 60 F Db
80 F Db
67 F Wb 58 F Wb
0.80 Sensible Heat Factor
80 F Db
60 F Db
49
Dari gambar diatas dapat dibaca bahwa sensible didapat setelah diplotkan titik kondisi awal dan kondisi akhir. Dan Sensible heat factor didapatkan dari garis sejajar antara sensible heat factor protactor (skala setengah lingkaran) dengan garis proses dari titik awal dan titik akhir. Evaporative Cooling Evaporative cooling adalah proses dimana panas sensible dikurangi sementara panas latent ditambahkan kedalam udara. Proses evaporative cooling ini digambarkan pada grafik psikrometri sebagaimana ditunjukan pada gambar.
102 Gr Moisture
75 F Db
80 % RH 95 F Db
70 Gr Moisture
29 % RH
Gambar 3. 12 Proses Evaporative Cooling
Evaporative Cooling memerlukan penyemprotan air (spray). Sehingga ketika udara melewati air yang disemprotkan, maka udara akan memberikan panas ke air yang dingin, sehingga beberapa bagian air akan menguap dan meningkatkan kelembaban dalam udara. Sehingga boleh dikatakan bahwa dalam proses ini udara didinginkan dan dilembabkan atau istilahnya adalah evaporative cooling.
Contoh Soal Kondisi udara kering pada suhu 40°C dan kelembaban relatif 10% mengalir melalui pendingin evaporatif. Air ditambahkan pada udara yang mengalir filter basah (wick) sehingga udara yang keluar dari instalasi pendingin evaporative diinginkan pada suhu 27°C. Dengan menggunakan grafik psikrometri tentukan: (a) Kelembaban relatif udara keluar? (b) Jumlah air yang ditambahkan pada udara? (c) Temperatur terendah yang mampu dicapai dengan instalasi pendinginan ini?
50
[45%],[5.4 g-H20/kg-dry-airs], [18.5°C]. Instalasi pendingin type ini sangat popular untuk digunakan pada kondisi cuaca panas dan kering yang mana instalasi ini disebut Swamp Cooler Campuran Udara Sebagian besar system pengkondisian udara merupakan proses pencampuran udara, dimana udara dari luar yang telah dikondisikan dimasukan kedalam kedalam ruangan sehingga bercampur mencapai kondisi yang diinginkan. Namun pada beberapa system pengkondisian udara ada yang 100 % udara yang dikondisikan adalah udara dalam ruangan itu sendiri yang diproses dan dialirkan lagi ke dalam ruangan. Tetapi paling banyak dari system pengkondisian udara tetap akan adanya kebocoran (infiltrasi) sehingga ada pencampuran antara udara dalam ruangan dengan udara dari luar. Dengan menggunakan psikrometri chart maka suhu udara campuran bisa diketahui sehingga bisa diketahui pula perubahan – perubahan yang terjadi selama proses pencampuran termasuk perubahan yang diperlukan.
51
Sebagai contoh proses campuran udara ditunjukan dalam ilustrasi sebagai berikut : Suatu system pengkondisian udara memerlukan jumlah udara total 10.000 cfm, jumlah udara yang kembali (return air) 9.000 cfm, suhu return air 80Fdb, dan 62 Fwb, jumlah udara luar 1.000 cfm, suhu udara luar 90 Fdb, dan 75 FWb. Tentukan berapa suhu udara kering dan suhu udara basah campuran. 1. Gambarkan kondisi masing – masing udara pada grafik psikrometri 2. Tentukan persentase return air yang digunakan, yaitu : Jumlah udara total = 10.000 cfm, Jumlah return air = 9.000 cfm, Persentase udara yang digunakan = 9000/10000 = 90% 3. Tentukan perbedaan suhu udara kering antara return air dan udara luar : 90 F – 80 F = 10 F. 4. Tentukan suhu udara campuran dengan menggunakan persentase garis proses maupun dari persentase perubahan suhu. Sebagaimana ditunjukan pada gambar.
90 %
,5
10 %
63
Udara luar 90 F DB
b FW
Titik Hasil Udara Campuran
Udara kembali 80FDB
80 FDb
81 FDb
10 %
90 FDb
90 %
Gambar 3. 13 Pross pencampuran udara
Bypass Factor Udara bypass adalah udara yang melewati suatu koil pengkondisian udara (pendingin atau pemanas) tetapi udara tersebut tidak kontak langsung dengan permukaan koil. Jumlah udara yang mengalir melewati koil tanpa terjadi kontak sangat tergantung dari konstruksi / design dari koil dan kecepatan alirn udara yang melewati koil. Jika koil memiliki konstruksi sirip – sirip 1 inch per inch, maka jumlah udara bypass akan lebih banyak dibandingkan dengan konstruksi koil dengan sirip – sirip yang besarnya 7 fins per inch. Dan jika aliran udara yang melewati koil lebih rendah,
52
maka kontak dengan koil juga akan lebih besar dibandingkan dengan aliran udara yang berkecepatan tinggi.
Gambar 3. 14 Proses terjadinya bypass factor
Proses udara bypass ini diukur dengan menggunakan istilah bypass factor. Contoh perhitungannya adalah sebagai berikut : Suatu koil memiliki suhu 50F, suhu udara masuk ke koil 80F dan suhu udara meninggalkan koil 60 F. Maka bypass factor dapat dihitung sebagai berikut : 1. Selisih suhu koil dengan suhu udara meninggalkan koil : 60 – 50 = 10 F 2. Selisih suhu udara masuk ke koil dengan suhu koil : 80 – 50 = 30 F 3. Maka by pass factor didapatkan dari membagi perhitungan 2 dan 1 : Bypass factor : 30 / 10 = 0,33 Pada contoh ini, bypass factor sama dengan 0,33, hal ini menunjukan bahwa udara yang meniggalkan koil suhu nya turun 2/3 dari total penurunan suhu yang terjadi antara udara masuk koil dan suhu permukaan koil. Dalam praktek yang sebenarnya, bypass factor untuk koil pendingin telah ditentukan melalui test dan perhitungan, sehingga factor tersebut telah diketahui sebelum koil dipasang. Dengan cara ini, maka dapat ditentukan performance dari koil dan dapat dipilih koil yang paling baik untuk suatu proses. Sebagai contoh : jika bypass factor tinggi, maka diperlukan udara yang banyak yang lebih banyak untuk mendinginkan ruangan, sehingga : 1. Udara harus dialirkan dengan kecepatan yang lebih rendah. 2. Memerlukan saluran udara yang lebih besar untuk mengalirkan udara yang lebih banyak 3. Memerlukan Fan dan motor yang lebih besar untuk mengalirkan udara yang lebih banyak. Jika bypass factor kecil, maka keuntungannya adalah : 1. Udara yang diperlukan lebih sedikit, karena suhu udara yang meninggalkan koil lebih rendah.
53
2. Saluran udara, fan dan motor lebih kecil karena udara yang diperlukan lebih sedikit. Namun untuk membuat suatu koil dengan bypass yang kecil, kemungkinan akan ada beberapa kerugian, diantaranya : 1. Udara terlalu dingin sehingga kurang nyaman, meskipun dengan suplai yang sudah cukup kecil. 2. Diperlukan koil berukuran besar. 3. Karena luas permukaan koil yang kontak dengan udara lebih besar, maka koil akan menyerap panas dari udara lebih banyak, sehingga diperlukan peralatan refrigerasi yang lebih besar untuk dapat menjaga suhu permukaan koil. 4. Karena suhu udara yang disuplai kedalam ruang melewti saluran udara (ducting) sangat rendah, maka diperlukan insullasi dan seal untuk mencegah kondensasi dan kebocoran. Jadi, penentuan peralatan dan kenyamanan sangat penting dalam pemilihan suatu system pengkondisian udara. Pada umumnya, bypas factor dari suatu system pengkondisian udara bervariasi sesuai kombinasi yang optimum antara kondisi dan peralatan. Biasanya berkisar antara 0,1 sampai dengan 0,33. Apparatus Dewpoint Sebagaimana dijelaskan dalam bypass factor diatas, suhu permukaan koil digunakan untuk menentukan besarnya bypass factor. Jika besar,jumlah dan luas permukaan sirip pada koil lebih besar maka ada kemungkinan suhu udara yang meninggalakan koil sama dengan suhu permukaan koil. Jika hal ini terjadi maka udara akan mengembun (saturated) karena telah mencapai titik dewpoint. Sehingga koil yang seperti itu (mampu mengembunkan udara) dinamakan sebagai apparatus dewpoint.
3.1.5. Simple Air Conditioning System Air conditioning Proses yang sederhana di tunjukkan oleh diagram proses berikut ini: Return Air
Exhaust
Conditioned Room
1
Outdoor Air
2
3
Supply Fan
4
Air Conditioning Apparatus
Gambar 3. 15 simple air conditioning system
Jika proses tersebut didiskripsikan pada bagan psikrometri maka akan terbenruk diagram sebagaimana gambar berikut ini :
54
h2 h3
SHF
2
Sensible Heat Factor Line (Pararel)
w2
h1
w3
3 h4
w1 1 w4 4
t4
t1
t3
t2
Gambar 3. 16 Skematik proses simple air conditioning system pada grafik psikometri
Keterangan : Udara luar = udara yang dikeluarkan / exhaust ( 2 ) Udara ruangan = udara yang disirkulasi ( 1 ) Udara campuran ( 3 ) Udara yang dihumidifikasi = udara yang di suplay ke ruangan ( 4 ) Propertis udara ( 1 ) diketahui sesuai desain ruangan, propertis ( 2 ) diketahui berdasarkan tabel iklim setempat / pada kapal sesuai standar sehingga keadaan di ( 3 ) dapat di hitung dengan perumusan berikut ini : ℎ3 =
𝑄 𝑄 ( 1 )ℎ1 +( 2 )ℎ2 𝜌1 𝜌2 𝑄 ( 3) 𝜌3
𝑘𝑗
(𝑘𝑔)
Persamaan 3. 2
Dimana : Q = Dedit udara ( cfm ) 𝜌 = ensitas udara ft3/lb.da. h = enthalpy BTU/lb.da. Persamaan diatas bila ditarik pada bagan psikometrik sebanding dengan:
jarak .1 3 Q3 t 3 t1 jarak .2 3 Q3 t 2 t 3
Persamaan 3. 3
t = dry bulb temperatur (DBT)0F sedangkan Panas total HT = panas sensibel Hs + panas laten HL dimana: Hs
= 1.08.Q.Δt
Persamaan 3. 4
55
HL
H Q Δt Δω
= 0,68.Q.Δω
Persamaan 3. 5
: Panas (BTU/hr) : debit udara (cfm) : selisih DBT 0F : selisih moisture content lb/lb.da HT = 4,45.Q. Δh
Atau
Persamaan 3. 6
Pada gambar bagan psikometrik terlihat bahwa, garis beban ruangan membentuk kemiringan tertentu, demikian juga garis beban coil membentuk kemiringan tertentu, gradien garis tersebut disebut Sensible Heat Factor SHF.
SHF
Hs Hs Hs H L H T
Persamaan 3. 7
3.2. Rangkuman Coefficient of performance (COP) Performance Factor (PF) ASHRAE (American Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning Engineers Cooling tower Dry bulb temperature Dew point temperature Wet bulb temperature Relative humidity Specific humidity
3.3. Referensi
56
1.
Israel Urieli (2011) “Engineering Thermodynamic”, Ohio.edu/mechanical/thermo/index.html
http://www.
2.
ASHRAE Handbook of Fundamentals [1972]
3.
Harrington RL., ‘Marine Engineering Hand Book’, SNAME, Jersey City, 1992
4.
Stoecker WF., Jerrold W., Supratman H.,’ Teknik Pendingin dan Pengkondisian Udara’, Edisi 2, Erlangga, Jakarta
5.
William G., Neil RP. ‘Trane Air Conditioning Manual’
6.
Wiranto AM., Heizo S.,’Penyegaran Udara’, Pradnya Paramita, Jakarta 1995
3.4. Latihan Soal Tugas Terstruktur 2a
Sistem pendingin yang menggunakan R134A sebagai refrigerant-nya bekerja dengan kondisi operasi tekanan (absoluts) di evaporator sebesar 200 kPa dan temperature refrigerant keluar evaporator 00C. Kondisi Refrigerant setelah mengalami proses kompressi di compressor maka tekanannya naik menjadi 1,2 Mpa dengan temperatur 650C dan kondisi refrigerant pada saat keluar kondensor pada tekanan sama 1,2 kPa dengan temperatur 400C. Berdasarkan pada data diatas lakukan perhitungan parameter-parameter dibawah ini : 7. Berapa panas aktual yang diserap oleh evaporator (qevap) [kJ/kg]? 8. Berapa panas aktual yang dibuang oleh condenser (qcond) [kJ/kg]? 9. Berapa kerja kompressi aktual yg harus diberikan pada compressor (wcomp) [kJ/kg]? 10. Berapa kerja kompressi ideal isentropic yang harus diberikan pada compressor (wcomp) proses [kJ/kg] 11. Berapa Coefficient of Performance (COP) dari sistem, pada saat sistem difungsikan sebagai refrigerator dan Pompa kalor (heat pump). Tugas Terstruktur 2b Sebuah ruangan kapal penumpang membutuhkan udara segara dengan parameter 26oC dan RH 55%, apabila kondisi udara luar memiliki kondisi temperatur 30oC dengan RH 80%, Ada diminta untuk menghitung : (a) Berapa Enthalpi (kJ/kg) udara yang harus dikeluarkan dari udara/atau didinginkan oleh mesin pendingin? (b) Berapa enthalpy (kg/kg) udara yg harus ditambahkan ke dalam udara?
Ganjil COP Time Pulldown Refrigerant Litre water Delta T Temperatur Outside
3.5 1 jam R22 1000 8 34
Genap 4 1.5 jam R134 500 10 32
57
3.5. Lembar Kerja ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. .................................................................................................................................
58
............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. .............................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. .............................................................................................................................................
59
............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ..........................................................................................................................................
60
Bab 4 Refrigerated Cargo 4.1. Sub Kompetensi Kemampuan yang akan dimiliki oleh mahasiswa setelah memahami isi modul ini adalah sebagai berikut : Mahasiswa mampu memahami dasar-dasar perhitungan beban pendingin pada produk-produk kapal cargo
4.2. Uraian Materi Setelah mahasiswa memahami perhitungan pengkondisian udara dapat melanjutkan pemahamannya pada proses perhitungan beban pendinginan untuk produk cargo. Pada modul ini akan terdapat beberapa topic-topik perhitungan beban pendingian cargo antara lain: 1. Beban panas Transmisi 2. Beban panas produk 3. Beban panas container 4. Beban panas respirasi 5. Beban panas ventilasi atau infiltrasi 6. Beban panas dari fan,motor dan pompa panas Kapasistas sistem refrigerasi harus mampu untuk memenuhi kapasitas pendinginan pada proses : 1. “Pulldown” yaitu proses pendinginan produk cargo dari temperatur pengisian (loading) sampai temperatur penyimpangan (holding temperature) 2. “Holding” yaitu proses penyimpanan produk selama proses pengiriman dengan dasar perhitungannya adalah 18 jam operasi per hari selama proses penyimpanan.
4.3. Desain Ruang Cargo Dalam Kapal Dagang Distribusi udara dingin pada sistem refrigerasi adalah bagian vital pada sistem refrigerasi. Desain sistem pendinginan terdiri dari desain kebutuhan volume udara dingin dan gradient temperaturnya ( yaitu selisih temperatur ruang cargo terhadap temperatur udara supply dari sistem refrigerasi). Dibawah adalah gambar desain ruang cargo dengan dilengkapi 2 motor fan yang dilengkapi 2 macam sistem kecepatan : 1. Kecepatan udara cepat untuk proses pulling down 2. Kecepatan udara lambat untuk proses holding pada kondisi operasi normal
61
Gambar 4. 1 Desain Ruang Cargo dilengkapi sistem distribusi udara
Gambar 4. 2 Distribusi udara pada saluran udara bulkheaded
62
Gambar 4. 3 Ship Container
Sumber http://en.wikipedia.org/wiki/Container_ship
4.4. Beban panas yang ada pada desain cargo Ada 6 macam beban panas yang akan ditanggung oleh sistem refrigerasi dimana perhitungan desain beban pemanasnya dijelaskan dibawah ini :
4.4.1. Beban Panas Transmisi (HT) Beban panas akibat perbedaan temperature antara sisi dalam ruang cargo terhadap permukaan bagian luar ruang cargo, proses perpindahan panas yg terjadi dominan akibat perpindahan panas konduksi diakibatkan gradient temperatur bagian luar dan dalam ruang cargo. 𝑯𝑻 = 𝑼. 𝑨. ∆𝑻
(
𝑩𝑻𝑼 ) 𝒉𝒓
Persamaan 4. 1
Note: U = Koefisien perpindahan panas transmisi (BTU/hr.ft2.deg F) A = Luas area perpindahan panas (ft2) Δt = Perbedaan temperatur antara dua sisi ruang cargo. (0F) Using : Table 4.1 : Assumed boundary temperature for merchant ship refrigerated compartment Table 4.2 : Overall Transmission coefficient for merchant ship refrigerated space
63
Tabel 4. 1 Temperatur Asumsi Batas Pada Kapal Dagang Assumed boundary temperature for merchant ship refrigerated compartment
no 1 2 3 4 5 6
Surface boundary Sun-exposed weather deck,wood Sun-exposed weather deck,steel Adjacent machinery spaces Adjacent refrigerated spaces Surface exposed to sea water Other interior spaces
Temperatur oF 120 140a 120 Design temperature b 85 100
a
Maritime administration standard 120oF b consider if adjacent space maximum design temperature is higher than space being calculated. Tabel 4. 2 Overall Transmission Coefficient for Merchant Ship Refrigerated Space Construction
Bulkheaded with stiffeners on side opposite insulation Bulkheaded and deck with stiffeners penetrating insulation Deck underfoot; cellular glass insulation topped with 2 to 3 in reinforced concrete mastic Deck underfoot; cellular glass (1 ½ inch) and polyurethane insulation topped with 2 to 3 in reinforced concrete mastic Nonmetallic dividing bulkhead (no steel framing)
Insulation thickness in a inch 8 12 8 12 6 8 12 b 4 b 6
U factor in 2 0 BTU/ ft -hr- F
4 6
0.08 0.06
0.06 0.04 0.1 0.07 0.09 0.07 0.05 0.09 0.06
a
ketebalan isolator minimal pada stiffeners,beam dan struktur lainnya adalah 2 inch, untuk compartment bersuhu 35 F dan lebih tinggi dan 4 inch untuk yang temperaturnya dibawah 350F. b nilai adalah ketebalan total antara cellular glass ditambah polyurethane
4.4.2. Beban Panas Muatan/Produk (Hp) Beban panas yang ditanggung oleh mesin pendingin untuk menurunkan temperatur produk/muatan dari temperatur pengisian (loading) hingga mencapai temperatur penyimpanannya (holding) produk tsb dengan durasi waktu tertentu (pulldown time) dihitung dengan formula : 𝑯𝒑 =
64
𝑾𝒑 .𝒔.∆𝑻 𝒕
𝑩𝑻𝑼 ) 𝒉𝒓
(
Persamaan 4. 2
Wp = berat muatan yang disimpan (lb) S = panas spesifik dari muatan/produk (btu/lb.deg F) Δt = cooling range ( Perbedaan temperature antara saat loading terhadap holding) (oF) t = Durasi waktu penurunan temperaturnya (48 jam untuk penyimpanannya dan 72 jam untuk cargo) Proses perhitungan berat muatan diperlukan parameter volume ruang muat serta stowage density (kepadatan massa) jenis muatan. Kepadatan massa jenis adalah pengukuran berat massa setiap satuan volume benda. Semakin tinggi berat massa jenis suatu benda, maka semakin besar pula stowage density Tabel 4. 3 Refrigerated Ships’s Store Temperature for Merchant Ships Product or space designation meata Fisha Frozen foods and ice cream Fruit and vegetables Dairy Thaw room and vestibules Scuttlebutt Potatoes Flowers Smoked meat Mineral water,champagne,wine and liquor Beer Bon voyage Butcher shop Morque Ice storage
Temperature 0 F -minus 10 to 0 -minus 10 to 0 -minus 10 to 0 35 35 40 to 45 50 40 36 15 45
a. some cargo ship operator stow both meat and fish in the same compartment
35 40 60 0 15
65
Tabel 4. 4 Stowage Densities of Common Refrigerated Product Density 3 a ft / long ton 106 64 120 51 125 67
Product Apples (in boxes) Bacon (in boxes) Bananas Beef (frozen and packed) Beef (hung in quarter) Beef (boned and compressed) Butter (in kings or casses) Cheese (in boxes) Fish (in boxes) Fish (frozen) Lemons Lamb or mutton Oranges Potatoes (in bags) Potatoes (in barrels)
Note a Long ton equals 2240 lb.
67 68 70 80 84 110 84 61 73
(Sumber : “Marine Engineering” by R. L. Harrington Chapter XIX) Data-data berikut digunakan dalam perhitungan beban pendinginan produk. Data-data berikut dapat disesuaikan kembali oleh desain yang akan direncanakan. Tabel 4. 5 Product Load Data Item 0
Specific heat in Btu/ lb F Stowage density in pcf 0 Cooling range in F Pulldown time in hr
Meat and Fish 0.45 35 15 48
Fruit and vegetables 0.90 30 30 48
Dairy product 0.7 22 25 48
(Sumber : “Marine Engineering” by R. L. Harrington Chapter XIX)
Table for calculation Table 4.4 Stowed densities of common refrigerated product ( when spesific data are not available, an average stowage density of 90 cu ft/long tong may be used ) Table 4.6 Product load data for store
66
Tabel 4. 6 Product Load Data for Cargo Specific heat in BTU/lb-deg F
frozen chilled
Stowage density Product temperature when loaded ( 0 F)
Common holding temperature ( 0F )
design
frozen Precool ed hot Frozen Chilled Chilled
Pulldown time in hour
0.45 0.9 0.25 25 65 85 -10 to 0 (0) 30 to 35 (1) 50 to 55 (3) 72
Note : (0),(1) dan (3) sebagai tanda indikasi pertukaran udara per jam dihitung pada gross volume. Maritime Administration menentukan untuk jenis Cargo pada kondisi chilled 30 to 35 (1) nilainya adalah 2 Air Change/hr.
4.4.3. Container Beban panas akibat ruang muat yang dikalkulasi pada saat proses pulldown : 𝑯𝒄 =
𝑾𝒄 .𝒔.∆𝑻 𝒕
𝑩𝑻𝑼 ) 𝒉𝒓
(
Persamaan 4. 3
Wc = Berat dari ruang muat yang setara dengan 10% berat muatan yang sering digunakan. S = Panas spesifik dengan nilai umum yg digunakan 0.65 Btu/lb-deg F. Note : Dengan nilai cooling range dan pulldown time yang sama dengan perhitungan beban panas muatan
4.4.4. Beban Panas Respirasi Beban panas yang berasal dari aktivitas pernafasan produk muatan mahluk hidup. Pada produk muatan tertentu seperti buah-buahan dan bunga tetap dianggap sebagai mahluk hidup karena masih terdapat proses respirasi yaitu menyerap oxygen dan melepaskan carbon dioksida dan uap air. 𝑯𝑹 = 𝑾. 𝑹
(
𝑩𝑻𝑼 ) 𝒉𝒓
W = Berat dari produk muatan yang disimpan R = Panas respirasi Tabel for calculation :
Persamaan 4. 4
(lb) (Btu/lb-hr)
Using Table 16 Product Average respiration Rate Note: For ship’s store a rate of 0,09 (0,13 at loading ,0,05 at holding) may be used
67
Tabel 4. 7 Product Average Respiration Rate Temperature in deg F 35 45 55 65 75 85
Respiration Rate In BTU/lb-hr 0.04 0.06 0.08 0.11 0.13 0.17
Gambar 4. 4 Average infiltration rate for ship’s compartment entered from a thaw room
4.4.5. Beban Panas Ventilasi atau infiltrasi Untuk perhitungan yang praktis digunakan formula sbb : 𝑯𝑽 = 𝑽𝒈 . 𝑹. ∆𝑯
Vg
68
𝑩𝑻𝑼 ) 𝒉𝒓
(
= Volume kotor/bruto dari ruang muat
Persamaan 4. 5
(ft3)
R ΔH
= pertukaran udara (table 15 for cargo and fig 12 for store) (x/hr) = Panas yang dibuang (table 17 (BTU/cu. Ft)
4.4.6. Beban panas akibat Fan dan motor Beban panas yang bersumber dari penggunaan fan/motor yang digunakan untuk menghomogenkan temperature udara di ruang muat. 𝑯𝒎𝒇 =
𝒎𝒐𝒕𝒐𝒓 𝒃𝒓𝒂𝒌𝒆 𝑯𝑷 𝒙 𝟐𝟒𝟒𝟓 𝒎𝒐𝒕𝒐𝒓 𝒆𝒇𝒇𝒊𝒄𝒊𝒆𝒏𝒄𝒚
𝑩𝑻𝑼 ) 𝒉𝒓
(
Persamaan 4. 6
Efisiensi motor listrik diambil dari Tabel 4.8 Tabel 4. 8 Electric Motor Efficiencies Motor size in hp (horse power) Less than 1/12 1/12 to 1/8 1/8 to 1/4 ¼ to 1/2 ½ to 1 1 to 5 5 and larger
Motor Efficiency 0.45 0.5 0.6 0.65 0.75 0.8 0.85
Panas yg didapatkan ketika dioperasikannya fan : Hf = motor brake horsepower x 2445
Persamaan 4. 7
4.4.7. Peti Kemas/Container Sering kali untuk membawa muatan kapal menggunakan peti kemas yang digunakan untuk ruang cargo dan difasilitasi dengan instalasi mesin pendingin.
Gambar 4. 5 Refrigerated Container
Sumber http://www.shippingcontainers24.com
69
Gambar 4. 6 Air circulation in refrigerated container
Source: http://www.uasc.net/en/refrigerated-cargo
Gambar 4. 7 Reefer Container Fleet
Sumber: http://www.cma-cgm.com Tabel 4. 9 Dimensi dan spesifikasi Peti Kemas
70
71
4.5. Rangkuman 4.6. Referensi a) b) c) d) e)
72
Israel Urieli (2011) “ Engineering Thermodynamic”, http://www. Ohio.edu/mechanical/thermo/index.html Joel. R, 1984, Basic Engineering Thermodinamic in Si Yunus A Cengel, 1994, “Thermodynamic, an Engineering Approach” http://www.powerplantequip.com/products_boilerfeed.php http://www.acusim.com/html/apps/plainfin.html
4.7. Latihan Soal Tugas terstruktur 1 Buatlah perhitungan beban pendinginan pada peti kemas dan produk sesuai dengan NRP yang anda miliki, Berapa beban pendinginan akibat : 1. Beban panas Transmisi, Beban panas produk, Beban panas container ,Beban panas respirasi,Beban panas ventilasi atau infiltrasi,Beban panas dari fan,motor dan pompa panas 2. Desain sistem pendingin untuk cargo tsb. (Nrp Ganjil R134a dan Genap R22) No
NRP Mahasiswa
product cargo
Container Size
Cargo Ship
(in ft) 1
1
apple (in boxes)
20
A
2
2
bacon (in boxes)
40
B
3
3
bananas
45
C
4
4
beef (frozen and packed)
20
D
5
5
beef (hung in quarters)
40
E
6
6
beef (boned and compressed)
45
A
7
7
butter (in kegs or cases)
20
B
8
8
cheese (in boxes)
40
C
9
9
fish (in boxes)
45
D
10
10
fish (frozen)
20
E
11
12
lemons
40
A
12
13
lambs or mutton
45
B
13
15
oranges
20
C
14
16
potatoes (in bags)
40
D
15
17
potatoes (in barrels)
45
E
16
18
apple (in boxes)
40
A
17
19
bacon (in boxes)
45
B
18
20
bananas
20
C
19
21
beef (frozen and packed)
40
D
20
22
beef (hung in quarters)
45
E
21
23
beef (boned and compressed)
20
A
22
24
butter (in kegs or cases)
45
B
23
25
cheese (in boxes)
40
C
24
26
fish (in boxes)
20
D
25
27
fish (frozen)
45
E
26
28
lemons
45
A
27
29
lambs or mutton
20
B
28
30
apple (in boxes)
45
C
29
31
bacon (in boxes)
20
D
73
Equipment Room
A ice stora ge
74
Equipment Room
Mine ral wate r
Ice stora ge
B
froze n
Smo ked
froze n
food
Meat
food
Equipment Room
smok ed meat
C
mine ral wate r
Flow ers
empty room
fish
froze n
empty room
fish
food
Smo ked Meat
D
appl e in box
fish in box
E
Engine Room
Engine Room
Engine Room
Engine Room
Engine Room
Cargo ship A
Cargo ship B
Cargo ship C
Cargo ship D
Cargo ship E
4.8. Lembar kerja ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................
75
............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................
76
Bab 5 Beban Pendinginan Pengkondisian Udara Pada Kapal 5.1. Sub Kompetensi Kemampuan yang akan dimiliki oleh mahasiswa setelah memahami isi modul ini adalah sebagai berikut : Mahasiswa mampu memahami dasar-dasar perhitungan beban sistem mesin pendinginan dan mampu menghitung beban pengkondisian udara pada kapal
5.2. Uraian Materi Setelah mahasiswa memahami dasar-dasar sistem refrigerasi dan psychrometri akan mampu mengaplikasikannya pada penerapan sistem pengkondisian udara HVAC antara lain topic-topik: 1. Pengertian HVAC dan Klasifikasi sistem HVAC pada kapal 2. Flowchart Perhitungan Beban Panas HVAC dan Sistem Refrigerator 3. Perhitungan beban panas total pengkondisian udara 4. Perhitungan Kapasitas Beban Pendingin (QL) dari Mesin Pendingin 5. Perhitungan daya sistem refrigerator 6. Perhitungan kapasitas air laut untuk pendingin kondensor AC 7. Perhitungan kapasitas air tawar untuk AC type water chiller
5.3. Introduction HVAC (Heating Ventilation and Air Conditioning) Pengertian dari HVAC adalah : 1. Heating merupakan proses pengaturan udara untuk menciptakan udara panas, Sistem ini banyak digunakan di daerah-daerah yang beriklim dingin, yang sepanjang musim didominasi dengan suhu yang dingin. Tersusun oleh beberapa bagian penting antara lain : boiler, furnace, heat pump, radiator dan hydronic. Furnace berfungsi sebagai sumber panas yang ditransfer ke fluida kerja air bernama hydronic di boiler. Hydronic tersirkulasi berkat kerja dari heat pump yang selanjutnya setelah dari boiler, hydronic menuju ke radiator untuk memindahkan panas yang dikandung ke udara yang tersirkulasi. Udara inilah yang digunakan untuk memanaskan ruangan 2. Ventilating merupakan proses untuk mensirkulasikan udara dari dalam suatu ruangan dengan udara luar yang bertujuan untuk membuang bahan kontaminan seperti debu, kelembaban, bau-bauan yang tidak sedap, karbondioksida, panas, bakteri di udara. Ventilasi merupakan salah satu penerapan teori mekanika fluida didalamnya terdapat tiga metode yaitu : a. Paksa (Forced) yaitu ventilasi udara dengan bantuan alat mekanis seperti supply fan dan exhaust fan. b. Alami (Natural) yang merupakan ventilasi yang terjadi secara alami tanpa bantuan alat mekanis seperti pertukaran udara melalui jendela atau pintu. c. Kombinasi (Combination) adalah gabungan antara paksa dan alami.
77
3. Air Conditioning adalah proses pengkondisian udara secara bersamaan mengkontrol beberapa parameter antara lain temperatur, kelembaban relatif, kebersihan udara dan distribusi kebutuhan udaranya untuk mencapai standard kebutuhan tertentu. Beberapa instrument-instrument dari HVAC diantaranya: a. Chiller merupakan mesin refrigerasi yang berfungsi untuk menghilangkan panas cairan pada sisi evaporator-nya yang selanjutnya akan didistribusikan pada mesin penukar kalor FCU (Fan Control Unit) /AHU (Air Handling Unit) b. FCU merupakan perangkat sederhana yang terdiri dari kumparan (coil) dan kipas. FCU digunakan untuk mengontrol suhu dalam ruangan yang dikendalikan oleh on/off switch atau thermostat. Karena kesederhanaannya itulah, FCU lebih ekonomis bila dibandingkan dengan AHU. c. AHU merupakan alat yang digunakan untuk pengkondisian udara dan sirkulasi udara sebagai bagian dari sistem HVAC. AHU biasanya berupa unit berisi blower, elemen pemanas atau pendingin, filter, peredam suara. d. Cooling Tower, merupakan suatu peralatan yanag digunakan untuk menurunkan suhu air dengan cara mengekstrasi panas dari air dan mengemisikannya ke atmosfir. Cooling Tower menggunakan proses penguapan, dimana sebagaian air diuapkan ke aliran udara yang bergerak dan kemudian dibuang ke atmosfir.
5.4. Klassifikasi HVAC pada Kapal Sistem pengkondisian udara pada kapal akan dibagi berdasarkan fungsi kapal tersebut yaitu : a) Naval ( kapal angkatan laut ) b) Merchant ( kapal dagang) Secara umum HVAC pada 2 jenis kapal tsb digunakan untuk : 1. Menjaga crew/penghuni kapal tetap sehat secara fisik maupun mental 2. Menyediakan temperatur lingkungan yang sesuai dengan kriteria kerja peralatan (equipment) 3. Menyediakan temperatur lingkungan yg sesuai untuk menjaga barang berbahaya seperti amunisi pada kapal Naval 4. Menjaga (mengawetkan) produk-produk yang mudah busuk untuk kebutuhan Store,supplies dan cargo. 5. Mencegah kontaminasi dari bahan beracun (noxious) dan mudah meledak Berdasarkan Marine Engineering Handbook kapasitas pengkondisian udara yang umum digunakan untuk kapal yaitu antara 5000 cfm sampai 8000 cfm. Dimana kapal Naval ship menggunakan sistem HVAC terpusat ( central station) yg disebut sebagai sistem resirkulasi ( recirculation system) Sistem HVAC pada Merchant Ship (kapal dagang) diklasifikasikan menjadi : 1. Sistem HVAC yg melayani ruangan yang berdimensi volume kecil antara lain passenger staterooms, crew’quarter, office, shops dll 2. Sistem HVAC yang melayani ruangan yang berdimensi volume besar seperti ruang makan, lounges, messroom dll
78
Terdapat 4 macam peng-class-an mengenai sistem HVAC :
5.4.1. Sistem Pendingin HVAC Class A
Gambar 5. 1 Skema Sistem Pendingin class A dengan pengatur Kelembaban
Pada gambar 5.1 merupakan gambaran ilustrasi dari sistem Class A yang dikhususkan untuk pendinginan yang memerlukan udara sirkulasi dalam jumlah besar. Dimana udara sirkulasi didapat dari udara segar (fresh air) dan udara resirkulasi dari ruangan yang keduanya dikondisikan terlebih dahulu meliputi filterisasi dan pengkondisian ( antara lain preheating,cooling, dehumidifying etc ) oleh sistem terpusat HVAC.
5.4.2. Sistem pendingin Class D
Gambar 5. 2 Skema Sistem Pendingin Class D
Pada gambar 5.2 Class D (terminal pemanas ulang) AC ruang yang disediakan untuk mengakomodasi kebutuhan pendinginan dengan beban maksimum. Campuran udara luar dan udara sirkulasi yang telah difilter dipanaskan, didinginkan dan diatur kelembabannya sesuai dengan kebutuhan beban. Sistem ini digunakan untuk pelayanan penumpang kapal serta untuk para crews kapal. Dalam Class D terdapat dua komponen
79
yang berfungsi sebagai pengatur keluaran dari udara panas maupun udara dingin yang diatur berdasarkan sensor dimana sensor tersebut bekerja saat siklus pemanas maupun siklus pendingin.
5.4.3. Sistem pendingin Class E
Gambar 5. 3 Skema Sistem Pendingin Class E
Untuk gambar 5.3 merupakan rangkaian sistem yang digunakan untuk ruangan kecil yang memerlukan pengkondisian udara berkualitas tinggi. Sistem pendinginan udara merupakan sistem utama pada klas ini, sedangkan sistem pemanas ruangan adalah sistem sekundernya. Baik udara panas maupun udara dingin, disuplai bedasarkan kebutuhan untuk mendapatkan rasa nyaman terhadap penghuni yang berada dalam ruangan tersebut.
80
5.4.4. Sistem pendingin Class G
Gambar 5. 4 Skema Sistem Pendingin Class G
Sedangkan pada gambar 5.4 merupakan sistem HVAC yang menggunakan sistem saluran ganda (dual duct). Dimana distribusi udara disupplai oleh Fan pada sistem terpusat yang memiliki tekanan kerja tinggi sehingga bisa mendistrbusikan udara pada dua saluran udara pada kecepatan yang tinggi yaitu 5000 fpm. Pada sistem ini akan ada 2 saluran yaitu : 1. Saluran udara panas 2. Saluran udara dingin Sehingga proses pencampuran yang tepat antara keduanya macam udara tersebut dilakukan untuk mendapatkan nilai yg sesuai dengan beban ruangan.
81
5.5. Flowchart Perhitungan Beban Panas HVAC dan Sistem Refrigerator Start
Design HVAC
Standard ASHRAE RU
Beban Panas Ruangan
Beban Panas transmisi Beban Panas Penghuni Beban Panas Jendela Beban Panas Lampu Beban panas peralatan
Beban Panas Transmisi
Material Luasan dinding Temp Inside dan outside
Beban Panas Penghuni
Jumlah orang Jenis aktivitas
Beban Panas Jendela
Type jendela Luasan Jendela Temp inside dan outside
Jenis/jumlah lampu Luas ruangan
Beban Panas Lampu
Beban Panas Peralatan
Jenis peralatan Jumlah peralatan
Beban Panas Total
Gambar 5. 5 flowchart proses perhitungan Beban Panas Total
82
Beban Panas Total (QL)
Kapasitas Udara Sirkulasi (Vs)
Kapasitas fresh air (Vfa)
Kapasitas Udara resirkulasi (Vr)
Enthalpy before evaporator
Kapasitas fresh air Kapasitas resirkulasi
Standard Jumlah orang Kondisi udara outside T & RH
Kondisi udara ruangan T,RH
Enthalpy udara campura Vfa dan Vr Kondisi fresh air h,v,Vfa Kondisi recirculation h,v,Vr
Enthalpy udara after evaporator
Q Load Evaporator
Beban Panas Total Jenis refrigerant DT Desain selisih T(udara after evap) vs T(room)
Vs r density average of air D Enthalphy before and
after Evaporator
Mass flowrate Refrigerant
QL Beban Panas Total Jenis refrigerant D Enthalphy
refrigeration effect
P Evaporator P Compressor P condensor
Gambar 5. 6 flowchart perhitungan daya compressor dan kondensor
83
5.6. Perhitungan Beban-Beban Panas yang Diderita Suatu Ruangan Sumber beban panas yang diderita ruangan berasal dari : A. Beban panas akibat Transmisi (rambatan) melewati dinding,plafon dan juga lantai ruangan (Qtransmission =QTr) B. Beban panas dari panas penghuni ruangan (QPerson = QP) C. Beban panas dari panas rambatan dari jendela (QWindow = QW) D. Beban panas dari penggunaan lampu penerangan (QLamp=QL) E. Beban panas dari peralatan yang digunakan dalam ruangan (Qmachine=Qm) Sehingga total beban panas yang ditanggung oleh mesin pendingin (QT) : QTotal = QTR + QP + QW + QL + QM
5.6.1. Beban Panas Transmisi (Qtransmission = QTr) Dengan formula yang digunakan adalah 𝑄𝑇𝑟 = 𝑈. 𝐴. Δ𝑇 (𝑤𝑎𝑡𝑡)
Persamaan 5. 1
u = koefisien perpindahan panas menyeluruh dari dinding, lantai dan atap ( dalam satuan W/m2 ˚C) A = Luasan yang dirambati panas (m2) Δt = Perbedaan temperatur antara udara dalam ruang yang dikondisikan terhadap temperatur luar (˚C) Nilai u dapat dihitung dengan persamaan : 𝑈=1
1
⁄ℎ +𝑥⁄𝑘+1⁄ℎ 𝑜 𝑖
Persamaan 5. 2
Dimana : x = ketebalan dari dinding yang dialiri panas ( m) k= konduktivitas panas dari material dinding (W/m.K) hi= koefisien konveksi bagian dalam ruang W/m2.K ho= koefisien konveksi bagian luar ruang W/m2.K Nilai koefisien konveksi udara 9.3 W/m2.K untuk hi dan ho sering digunakan untuk kalkulasi nilai u diatas namun jika bagian luar dinding terkena aliran udara dengan kecepatan 24 km/h maka nilai ho akan meningkat sampai nilai 34 W/m2.K Tabel 5. 1 Kondukvitas Thermal dari Material insulasi (ASHRAE)
84
Kondisi Isolasi Isolasi di kapal berfungsi untuk menahan rambatan panas, api, suara serta mencegah terjadinya kondensasi (pengembunan uap air). Di bawah ini adalah standart yang umum digunakan di kapal : Tabel 5. 2 Kondisi Isolasi No
Jenis Isolasi
A
Isolasi Saluran Udara untuk Mencegah Kondensasi
B
C
4
Isolasi Pipa Freon dan Pipa Air Dingin (Water Chiller Pipe)
Isolasi Ruang untuk Kapal Komersial
Fire Insulation Thermal Insulation Isolasi Rambat Suara
Isolasi Ruang untuk Kapal Perang
Deck
5
Isolasi untuk Ruang Pendingin Kapal Ikan (Fish Hold)
Sidewall Bulkheaded (engine room) Bulkhead (ford Peak) floor
Spesifikasi Material Glasswool Density Armaflex Armaflex, Foam Polysytrene DensityTebal
Density (kg/m3) 16-30
Tebal (mm) 25
16-30
19
16-30
19
Mineral Wool
100-120
50
Glasswool
16-32
50
16-32
25
16 - 20
50
Glasswool
Mineral Wool Density Polyurethane Foam Polyurethane Foam Polyurethane Foam Polyurethane Foam Polyurethane Foam
45
250
45
200
45
Isolasi Glasswool dibungkus dengan kanvas/aluminium foil (t = 0,5mm) Isolasi Foam Polysytrene dibungkus dengan kanvas/aluminium foil (t=0,5mm) A60, A30, A15 steel deck & bulkhead
Lapisan pembungkus Non Combustible Material ( t=10mm) Menggunakan Isolasi Thermal dan tidak terikat peraturan seperti SOLAS dan lainnya.
200
45
45
Ket.
Cover : FRP,AL,Galv Steel, Marine plywood
200 150
Kondisi Udara Luar Kondisi udara luar bervariasi sesuai pergantian musim, namun untuk penentuan kapasitas AC digunakan kondisi paling kritis: 1. Kondisi musim panas (summer season) untuk kapal dengan trayek khusus daerah tropis. 2. Kondisi musim panas dan musim dingin (winter season) untuk kapal dengan trayek yang mengalami pergantian musim. Di bawah ini adalah standard desain kondisi udara luar dari beberapa assosiasi sbb :
85
Tabel 5. 3 Kondisi Udara Luar
No.
Kondisi
Standard
1
Musim panas
2
Musim dingin
ISO 7547-1985E German Condition Indonesian Navy Boat ISO 7547-1985E
Parameter Temperatur Relative Humidity (0C) (%) 35 70 28 90 32 90 -20
Kondisi Udara Dalam Ruangan Kondisi udara dalam ruang, umumnya ditentukan oleh pemilik kapal dan dimaksudkan untuk kenyamanan manusia serta untuk peningkatan efektifitas kerja suatu peralatan dalam ruang tersebut. Di bawah ini beberapa standart kondisi udara dalam ruang : Tabel 5. 4 Kondisi Udara dalam Ruang No.
Standard
Kondisi
1
ISO 7547-1985E
2 3
Indonesian Navy Boat Kapal Selam Indonesia
4
ASHRAE
Musim panas Musim dingin Musim panas Musim panas Comfortable Area Acceptable Area
Temperatur (0C) 27
Parameter Relative Humidity (%) 50
28 25 18-22
50 60 50-60
23-26 20-30
40-60 40-60
Perhitungan Temperature Sekeliling Ruang Temperature deck dan dinding yang terkena sinar matahari Temperature Deck
TD =
(k.αk ) T } αk −k r k.α αk + k αk −k
JA+(αk .To )+{
Persamaan 5. 3
Dimana : TD= temperature deck (0C) 𝑊 J = Panas dari matahari yang mengenai deck (𝑚2 ) dimana besarnya setara ≈ 785 A=Faktor absorbsi Tabel 5. 5 Faktor absorbsi
Warna Kapal Gelab Krem putih
86
Faktor absorbsi (A) 0.65 ~ 0.8 0.5 ~ 0.7 0.3 ~ 0.8
Catatan Pada perencanaan secara umum kapal belum diketahui warnanya maka diambil nilai A=0.6
𝑊 𝑚2
Perhitungan besarnya temperature deck suatu ruangan terkena paparan langsung sinar matahari hari dengan kondisi sbb : Kondisi ruangan = 250C dengan RH 50% Kondisi udara luar = 350C dengan RH 70 % Dengan dengan lapisan deck dan isolasi dengan susunan dinding kapal : Steel ( 6 mm) Glass Wool (50 mm)
E-1
E-3
Plywood (5 mm)
Rongga Udara
(𝑘. 𝛼𝑘 ) 𝑇} 𝛼𝑘 − 𝑘 𝑟 𝑇𝐷 = 𝑘. 𝛼𝑘 𝛼𝑘 + 𝛼𝑘 − 𝑘 J = 785 w/m2 A = 0.6 𝛼𝑘 = 20 w/m2.0C To = 350C 𝑑 1 1 1 ∑ 𝜆 + 𝑀𝑖 + 𝑀𝑏 = + + k 𝛼𝑜 𝛼𝑖 δ 𝐽𝐴 + (𝛼𝑘 . 𝑇𝑜 ) + {
Parameter Design k
Tr
= 250C
K= w/m2 0C
Mi Mb
𝛼𝑜 = 80 w/m2 0C 𝛼𝑖 = 8 w/m2 0C 𝑑𝑖 = 0.006 m 𝜆𝑖 = 15 w/m2 0C 𝑑2 = 0.05 m 𝜆2 = 0.04 w/m2 0C 𝑑3 = 0.005 m 𝜆3 = 0.109 w/m2 0C Mi= 0.47 m2 0C/w Mb= 0.09 m2 0C/w
δ
δ = 1.45
Outside air Inside air steel Glass wool Plywood
Koefisien perpindahana panas menyeluruh (total) Koefisien konveksi udara luar Koefisien konveksi udara luar Tebal dan konduktivitas thermal material steel Tebal dan konduktivitas thermal material glass wool Tebal dan konduktivitas thermal material plywood Thermal contact resistance Tebal dan konduktivitas thermal material steel
𝑑1 𝑑2 𝑑3 1 1 1 𝜆1 + 𝜆2 + 𝜆3 +𝑀𝑖 + 𝑀𝑏 = + + k 𝛼𝑜 𝛼𝑖 δ 0.006 m 0.05 m 0.005 m 𝑚2 𝐶 𝑚2 𝐶 𝑤 + 𝑤 + 𝑤 + 0.47 𝑊 + 0.09 𝑊 15 2 0.04 2 0.109 2 1 1 1 𝑚 𝐶 𝑚 𝐶 𝑚 𝐶 = + 𝑤 + k 80 𝑤 1.45 8 𝑚2 𝐶 𝑚2 𝐶 1 0.0004 + 1.25 + 0.04587 + 0.47 + 0.09 = 0.0125 + 0.0125 + k 1.45 1 𝑚2 𝐶 = (0.1375 + 1.28) k 𝑤 𝑊 k= 0.705 2 𝑚 𝐶 sehingga temperatur deck bisa dihitung : (𝑘. 𝛼𝑘 ) 𝐽𝐴 + (𝛼𝑘 . 30 𝐶) + { 𝑇} 𝛼𝑘 − 𝑘 𝑟 𝑇𝐷 = 𝑘. 𝛼𝑘 𝛼𝑘 + 𝛼𝑘 − 𝑘
87
𝑊 𝑊 (0.705 2 .20 2 ) 𝑊 𝑊 𝑚 𝐶 𝑚 𝐶 (250 𝐶)] 0 785 2 . 0.6 + (20 2 . 35 𝐶) + [ 𝑊 𝑊 𝑚 𝑚 𝐶 20 2 − 0.705 2 𝑚 𝐶 𝑚 𝐶 𝑇𝐷 = 𝑊 𝑊 (0.705 2 .20 2 ) 𝑊 𝑚 𝐶 𝑚 𝐶 20 2 + 𝑚 𝐶 20 𝑊 − 0.705 𝑊 𝑚2 𝐶 𝑚2 𝐶 𝑊 𝑊 𝑊 2 + (700 𝑚2 ) + [18.27 𝑚2 ] 𝑚 𝑇𝐷 = 𝑊 𝑊 20 2 + 0.703 2 𝑚 𝐶 𝑚 𝐶 𝑊 1189.27 2 𝑚 𝑇𝐷 = 𝑊 20.703 2 𝑚 𝐶 𝑇𝐷 = 57.440 𝐶 𝑇𝐷 = 580 𝐶 Sehingga bagian deck akan mencapai temperature 580C 471
5.6.2. Beban Panas Akibat Panas Penghuni Ruangan (Qperson = QP) Berdasarkan ASHRAE 1964 Guide and Data Book Heat Gain from People (for Marine Air Conditioning Loads) setiap orang mengeluarkan kalor pada berbagai kegiatan sebagai berikut : Tabel 5. 6 Panas dari Penghuni
Activity @ 27 C Dancing Eating (mess rooms and dining room) Waiters Moderate Actifity (Launge, Ships Office Chart Room etc)) Light Actifity (State Rooms, Crews, Berthigs etc) Workshops
Sensible 72 64 88 59
Heat Rate ,W latent 177 97 205 73
Total 249 161 293 132
57
60
117
73
149
222
5.6.3. Beban Panas akibat Panas Rambatan dari Jendela (Qwindow = QW) Jumlah panas yang masuk ke ruangan melalui konduksi sangat dipengaruhi oleh material yang digunakan struktur bangunan tersebut. Faktor yang mempengaruhi ini biasanya dinamakan sebagai factor “U” yang merupakan konduktifitas thermal dari material struktur ruangan. Nilai U menunjukan jumlah panas yang dapat dipindahkan per satuan luas permukaan struktur bangunan. Nilai U sangat tergantung pada material struktur, beberapa nilai U dijelaskan pada table berikut.
88
Tabel 5. 7 Nilai U Struktur Jendela , kaca biasa Jendela, kaca badai Jendela, double kaca Dinding Biasa Atap dan langit – langit Dinding – commercial building Atap dan langit –langit (commercial building)
U Factor Btu/ft2.h.oF W/m2.oK 1,13 6,4 0,45 2,5 0,65 3,6 0,25 1,4 0,31 1,7 0,33 1,8 0,40 2,2
Jumlah panas yang merambat melalui jendela kaca dihitung berdasarkan formula sebagai berikut : QW = U. A. ΔT QW U A Δt
Persamaan 5. 4
= Jumlah panas yang merambat = koefisien perpindahan panas menyeluruh = Luas jendela = Perbedaan temperatur bagian luar dan dalam ruangan
Bila jendela tersebut langsung kena sinar matahari, maka jumlah panas yang merambat adalah : Q = 350 W/m2 (jendela tanpa interior shading) Q = 240 W/m2 (jendela dilengkapi dengan shading) Dimana jendela yang umum digunakan pada kapal adalah type single glass dan dalam perhitungan diasumsikan tanpa shading.
5.6.4. Beban panas dari penggunaan lampu penerangan (QLamp = QL) Panas dari lampu dalam satu ruangan bisa tidak diperhitungkan apabila ruangan tersebut didesain dengan penerangan dari sumber alam sebagai contohnya adalah jendela kaca “sky light” sehingga pada siang hari diasumsikan tidak perlu dioperasikan penyalaan lampu penerangan. Apabila ruangan tidak menggunakan penerangan alam maka beban panas dari lampu penerangan dapat diperhitungankan dengan menggunakan table dibawah ini : Tabel 5. 8 Panas dari Lampu
No. 1 2 3
Space Cabin, etc. Mess or Dining room Gymnasium, etc.
Heat gain from general lighting (W/m2) Incandescent Fluorecent 15 8 20 10 40 20
Catatan : Umumnya lampu yang digunakan untuk ruang akomodasi kapal adalah tipe fluorecent.
89
5.6.5. Beban Panas dari Peralatan yg Digunakan dalam Ruangan (Qmachine = Qm) Jumlah panas yang disebabkan oleh peralatan dalam suatu ruang tergantung dari jenis dan kapasitas peralatan yang terpasang akan mengikuti data dari manufaktur dimana peralatan itu diproduksi. Namun apabila tidak tersedia table 5.9 bisa menjadi sebagian acuan jumlah panas yang dihasilkan oleh peralatan elektronik. Tabel 5. 9 Beban Panas Peralatan (equipment) No 1 2 3 4 5
Peralatan Wheel House CICI Room Radio Room Mess Room Engine Control Room
Beban Panas yang dihasilkan (watt) 1000-2500 1000-2500 500-2500 100-500 3500-7500
5.7. Perhitungan Kapasitas Udara Kapasitas udara yang dibutuhkan untuk disupplay ke dalam ruangan untuk mencapai temperatur dan kelembaban relatif ruang sesuai dengan kriteria yang diinginkan dapat dihitung dengan menggunakan formula sebagai berikut 𝑄 𝑉𝑠̇ = 𝜌.𝐶 𝑇.∆𝑇 𝑝
𝑚3
(ℎ)
Persamaan 5. 5
𝑉𝑠̇ = Kapasitas udara yang disupplai (m3/h) QT = Total panas yang diderita ruang (watt) ρ = Density udara ( dengan asumsi rata-rata pada tekana atmosfer 1,2 kg/m3) Cp = Panas spesifik udara (1,025 kJ/Kg ˚C) Δt =Perbedaan temperatur udara dingin yang masuk ruangan dengan temperatur kriteria nyaman dan sehat bagi manusia, dimana dengan memperhatikan kesehatan maka didesain tidak lebih dari 10˚C. Kondisi Udara Segar Udara segar adalah udara segar (fresh Air) yang diambil dari luar badan kapal disupplai kedalam ruangan melalui sistem HVAC sebagai sumber udara baru yang bersih dan kuantitasnya tergantung pada : 1. Standard yang akan diimplementasikan ( bisa diliat di Table 3.4 ) 2. Jumlah penghuni Dimana kebutuhan minimal udara segar dari beberapa assosiasi setiap orang per-jam sebagai berikut:
90
Tabel 5. 10 Kebutuhan Udara Segar pada Beberapa Negara Assosiasi DT 1 (BRITISH)
Kebutuhan Udara Segar 1. Public Room : 17 m3/h/p 2. Private Room : 25,5 m3/h/p NSC (DNS) (NORWAY) 25 m3/h/p USA 17 m3/h/p DSS (DENMARK) 20 m3/h/p GL (GERMANY) 30 m3/h/p MESS (JAPAN) 1. Public Room : 17 m3/h/p 2. Private Room : 25,5 m3/h/p 3. Total : 30% PT. PAL INDONESIA 1. Commercial Ships (INDONESIA) Public Room : 17 m3/h/p Private Room : 20-30 m3/h/p 2. Navy Ship : 20 m3/h/p 3. Total : 20-30 % SEE B.G 100% Fresh Air
Ket p = person h = hour
5.7.1. Perhitungan Udara Resirkulasi Udara resirkulasi (recirculation air) adalah udara buangan dari ruangan yg dikondisikan tapi masih memiliki temperatur rendah sehingga bisa digunakan atau dialirkan kembali ke unit pendingin sistem HVAC untuk mengurangi beban pendingingan sistem HVAC. Perhitungan massa udara resirkulasi akan tergantung Volume udara sirkulasi dikurangi volume udara segar (fresh air) yang dibutuhkan untuk pengkondisian udara yang mengacu pada tabel 3.4:
5ft. Ø
C (to Outside) D (recirculation)
4ft. 8.27in. x 4ft. 8.27in.
B (Outlet Room)
A (ROOM)
Damper
MD
EVAPORATOR 5ft. Ø
E (from Outside)
F (Mixture )
G (After Coil)
H (Inlet Room)
Gambar 5. 7 Skema udara resirkulasi dan udara segar 𝑽̇𝒇𝒓𝒆𝒔𝒉 𝒂𝒊𝒓 = (𝑽̇𝒇𝒂 ) = Volume rate udara segar dari luar (outside) (
𝑚3 ) 𝑠
𝑽̇𝒓𝒆𝒄𝒊𝒓𝒄𝒖𝒍𝒂𝒕𝒊𝒐𝒏 = 𝑽̇𝒓 = Volume rate udara ruangan (outlet room) yg digunakan kembali (
𝑚3 ) 𝑠
91
3
𝑚 𝑽̇𝒔𝒖𝒑𝒑𝒍𝒚 = 𝑽̇𝒔 = Volume rate udara yg sudah dikondisikan untuk disupplai di ruangan ( ) 𝑠
̇ + 𝑉𝑟̇ 𝑉𝑠̇ = 𝑉𝑓𝑎
Persamaan 5. 6
Nilai enthalpy udara campuran masuk Evaporator : 𝑉̇𝑓𝑎
ℎ𝑚𝑖𝑥 =
(𝑣
𝑓𝑎
𝑉̇
)ℎ𝑓𝑎 +( 𝑣 𝑟 )ℎ𝑟 𝑟
𝑉̇𝑓𝑎
𝑉̇ ( 𝑣 )+( 𝑣 𝑟 ) 𝑟 𝑓𝑎
𝑘𝑗
(𝑘𝑔)
Persamaan 5. 7
Dimana: 𝑘𝑗 ℎ𝑚𝑖𝑥 = enthalpy udara campuran (mixture) antara fresh air dan recirculation air (𝑘𝑔) 𝑚3
𝑣𝑓𝑎 = volume spesifik udara fresh air ( 𝑘𝑔 )
𝑚3
𝑣𝑟 = volume spesifik udara recirculation air ( 𝑘𝑔 )
5.7.2. Beban Panas Tambahan akibat Pernafasan Manusia Akibat dari uap air yang dikeluarkan manusia pada saat bernafas dalam ruangan yaitu adanya penambahan nilai RH, sehingga untuk mencapai RH yang direncanakan maka RH udara yang masuk diperkecil sebesar RH yang diakibatkan oleh pernafasan manusia. Dengan cara menurunkan nilai enthalphy udara yang masuk sehingga enthalpnya (∆ℎ𝑒) menjadi kecil: ∆ℎ𝑒 =
𝑁𝑝 .𝑄𝑝
Persamaan 5. 8
𝑣̇ 𝜌
∆ℎ𝑒 = enthalphy yang harus diturunkan untuk mengimbangi penambahan RH dalam ruangan yg disebabkan adanya uap air dari nafas penghuni 𝑁𝑝 = jumlah orang dalam ruang 𝑗
𝑄𝑝 = panas latent yang dikeluarkan orang sebesar 80 watt/person (80 𝑠/person) 𝑣̇ = kapasitas udara yang disupply ke dalam ruangan (m3/hour) 𝜌 = density udara rata-rata pada tekanan atmosfer (1.2 kg/m3)
5.8. Perhitungan Kapasitas Beban Pendingin (QL) dari Mesin Pendingin Kapasitas beban mesin pendingin dapat dihitung dengan formula sbb : 𝑄𝐿𝑜𝑎𝑑 = 𝑉𝑠̇ 𝜌∆ℎ
𝑘𝐽 ℎ
( )
Persamaan 5. 9
𝑣̇ = Kapasitas udara dingin yg disupplai kedalam ruangan (𝑚3 /h) 𝜌 = density udara rata-rata pada tekanan atmosfer (kg/m3) ∆ℎ = perbedaan enthalpy antara udara yang masuk evaporator (ℎ𝑚𝑖𝑥 ) dan sesudah evaporator (kJ/kg). Contoh perhitungan Buat perhitungan besarnya kapasitas beban pendingan ruangan sebagai berikut : Jumlah penghuni ruangan 10 orang Parameter udara kondisi luar 350C dengan RH 70% Total panas QT yang diderita oleh ruangan sebesar 5000 watt dan kondisi ruangan yang diinginkan untuk kenyamanan penghuninya adalah 250C dengan RH 50%
92
Jawaban : 𝑄𝑇 𝑣̇ = 𝜌. 𝐶𝑝 . ∆𝑇 𝑣̇ = 1.2
5 𝑘𝑊
𝑘𝑔 𝑘𝑗 . 1,025 . 100 𝐶 𝑘𝑔. 𝐾 𝑚3
𝑣̇ = 0.406
𝑚3 𝑠
𝑚3
𝑣̇ = 0.406 𝑥 3600 = 1463,4 ℎ Berdasarkan table Tabel 3. 1 Kebutuhan Udara Segar pada Beberapa Negara kebutuhan fresh air (FA) = 17.5 – 30 m3/h/person Diambil nilai maksimal kebutuhan fresh air yaitu 30 m3/h/person Maka kebutuhan fresh air (FA) untuk 10 orang : = 30 m3/h/person * 10 person = 300 m3/h 300 Sehingga % udara segar yang perlu disupplai sebesar 1463,4 . 100% = 20.5 % Enthalphy yang harus diturunkan untuk mengimbangi penambahan RH dalam ruangan yg disebabkan adanya uap air dari nafas penghuni sebesar : 𝑁𝑝 . 𝑄𝑝 ∆ℎ𝑒 = 𝑣̇ 𝜌 𝑗 10 . 80 𝑠 ∆ℎ𝑒 = 𝑘𝑔 𝑚3 1463,4 . 1.2 3 ℎ 𝑚 𝑗 10 . 80 𝑠 ∆ℎ𝑒 = 𝑘𝑔 1463,4 𝑚3 3600 𝑠 . 1.2 𝑚3 𝑗 𝑘𝐽 ∆ℎ𝑒 = 1640 = 1,64 𝑘𝑔 𝑘𝑔
5.9. Perhitungan Massa alir refrigerant Pada Sistem Refrigerator (𝐦̇𝐫𝐞𝐟 ) : Perhitungan kebutuhan refrigerant yang mengalir pada sistem refrigerasi membutuhkan informasi beban total pendinginan dan dampak refrigerasi dari jenis refrigerant yang digunakan: 𝑚̇𝑟𝑒𝑓 = ∆ℎ
Qevap ∆hrefrigerasi ṁref
𝑘𝐽 ℎ
𝑄𝐿𝑜𝑎𝑑 ( ) 𝑟𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑠𝑖 (
Persamaan 5. 10
𝑘𝐽 ) 𝑘𝑔
= Beban evaporator = dampak refrigerasi (refrigeration effect) = Massa alir refrigerant yang dibutuhkan
(kJ/h) (kJ/kg) (kg/h)
5.10. Perhitungan daya Evaporator dengan formula : Perhitungan daya evaporator mengacu pada masss flow rate refrigerant dan juga entalphy refrigerant yang masuk dan keluar evaporator : 𝑃𝐸𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑡𝑜𝑟 = 𝑚̇𝑟𝑒𝑓 . ∆ℎ𝑅𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑒𝑓𝑓𝑒𝑐𝑡 = 𝑚̇𝑟𝑒𝑓 (ℎ𝑜𝑢𝑡 − ℎ𝑖𝑛 ) Persamaan 5. 11
93
kj hin = Enthalpy refrigerant masuk evaporator ( ) kg kj hout = Enthalpy refrigerant keluar evaporator ( ) kg
Perhitungan daya kompresor dengan formula: 𝑃𝑐𝑜𝑚𝑝 = 𝑚̇𝑟𝑒𝑓 (ℎ𝑜𝑢𝑡 − ℎ𝑖𝑛 )
Persamaan 5. 12
kj hin = Enthalpy refrigerant masuk kompressor ( ) kg kj hout = Enthalpy refrigerant keluar kompressor ( ) kg
5.11. Perhitungan daya condenser dengan formula : Perhitungan daya condenser akan membutuhkan informasi mass flow rate dari refrigerant dan juga enthalpy refrigerant yang masuk condenser dan keluar condenser mengacu pada temperatur media pendingin yang digunakan oleh condenser tsb : 𝑷𝒄𝒐𝒎𝒑 = 𝒎̇𝒓𝒆𝒇 (𝒉𝒐𝒖𝒕 − 𝒉𝒊𝒏 ) kj hin = Enthalpy refrigerant masuk condensor ( ) kg kj hout = Enthalpy refrigerant keluar condensor ( ) kg
94
Persamaan 5. 13
5.12. Perhitungan Sirkulasi Udara (Air Change) SOLAS (Safety of Life At Sea) dan ISO yang juga mengatur kriteria kenyamanan penghuni ruangan dengan menentukan nilai minimal sirkulasi udara untuk ventilasi mekanis. Untuk ruang yang dikondisikan jumlah sirkulasi udara tergantung pada beban panas yang diderita ruang dengan formula sebagai berikut : 𝑉
𝐿𝑤 = 𝑉̇
Persamaan 5. 14
𝑠
𝐿𝑤 = 𝑎𝑖𝑟 𝑐ℎ𝑎𝑛𝑔𝑒 𝑉 = 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑟𝑢𝑎𝑛𝑔 (𝑚3 ) 𝑉𝑠̇ = Kapasitas udara yg disupplai (m3/h) Berdasarkan SOP dari PT PAL Indonesia jumlah minimal sirkulasi udara terhadap ruangan yang dikondisikan di kapal adalah dapat ditabelkan sbb : Tabel 5. 11 Air Change
No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Room conditioned Air Change (x/h) remarks Living room/hospital 8 Public room/office 12 Wheel house 12 Chart room 12 Radio room 20 CIC Room 20 Galley 20 Engine control room 20 Cargo control room 20 Laundry 15 Spoot cooling room 6
Catatan : Untuk kesehatan manusia agar tidak tidak “masuk angin” maka air change didesain tidak lebih dari 30 x/h
5.13. Rangkuman HVAC (Heating Ventilation and Air Conditioning) Klassifikasi HVAC pada Kapal Perhitungan Beban-Beban Panas yang Diderita Suatu Ruangan Beban panas akibat Transmisi (rambatan) Beban panas dari panas penghuni ruangan Beban panas dari panas rambatan dari jendela Beban panas dari penggunaan lampu penerangan Beban panas dari peralatan yang digunakan dalam ruangan
95
5.14. Referensi 1. 2.
Yunus A Cengel, 1994, “Thermodynamic, an Engineering Approach” Harrington RL., ‘Marine Engineering Hand Book’, The Society of Naval Architect and Marine Engineers, New York, 1992
5.15. Latihan Soal Tugas Terstruktur 01 Berdasarkan RU yang anda miliki lakukan, buatlah : 1. Perhitungan beban panas total pengkondisian udara (QL) ! 2. Perhitungan daya sistem refrigerator yang dibutuhkan ! 3. Perhitungan kapasitas air laut untuk pendingin kondensor AC 4. Perhitungan kapasitas air tawar untuk AC type water chiller
5.16. Lembar Kerja ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................
96
............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................
97
............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................
98
............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................
99
............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................
100
Bab 6 Ventilasi 6.1. Tujuan Instruksional Ventilasi merupakan upaya mensirkulasikan udara guna mendapatkan udara yang segar bagi kenyamanan ruangan. Dalam bab ini akan dibahas mengenai prosedur desain system ventilasi, ventilasi kamar mesin di kapal dan perhitungan suplai fan untuk ventilasi. Sehingga mahasiswa akan memiliki kompetensi ; 1. Memahami prosedur desain system ventilasi 2. Mampu menghitung kebutuhan fan untuk ventilasi.
6.2. Klasifikasi sistem ventilasi Klasifikasi sistem didasarkan beberapa modelnya
6.2.1. Klasifikasi berdasarkan distribusi : 1. Sistem sentral : suatu peralatan sentral mensuplai udara keseluruh bangunan yang dialirkan melalui suatu system saluran udara (ducting). 2. Sistem Unit : setiap ruangan didalam gedung memiliki satu unit system ventilasi sendiri.
6.2.2. Klasifikasi Berdasarkan Fungsi : Sistem split dari pemanasan dan ventilasi : pada system ini, panas dialirkan ke gedung melalui radiasi pada lapisan dindingnya, sementara ventilasi dialirkan melewati suatu saluran udara pada suhu ruangan. Sistem Kombinasi : pada system kombinasi, suatu peralatan ventilasi terpusat mensuplai udara pada suhu diatas atau dibawah suhu ruangan sehingga dapat memanaskan atau mendinginkan suhu ruangan sesuai yang disyaratkan. Skema distribusi udara.
Gambar 6. 1 Beberapa macam distribusi udara diaplikasikan dalam suatu ruangan. (1). Upward flow system, (2) Downward flow system (3) High-level supply and return system, (4) Low-level supply and return system, (5) Ejector system
101
6.3. Prosedur Desain System Ventilasi 1. Menghitung beban pemanasan atau beban pendinginan termasuk panas sensible dan panas laten 2. Suhu yang meninggalkan saluran udara dihitung atau diasumsikan 3. Menghitung massa udara yang dialirkan 4. Menghitung losses suhu udara dalam saluran udara 5. Menentukan output pada heater, washer, humidifier maupun cooler 6. Menentukan ukuran boiler atau heater (untuk pemanasan) 7. Menentukan system dan ukuran saluran udara
6.3.1. Menghitung beban pemanasan atau beban pendinginan termasuk panas sensible dan panas laten Perhitungan beban pemanas dan pendingin telah dijelaskan pada Bab. 5.
6.3.2. Suhu yang meninggalkan saluran udara dihitung atau diasumsikan ; a. Untuk pemanas 38~50 oC (100~120 F). b. Untuk pendinginan , dengan inlet dekat ruang hunian, 6 ~ 8 oC dibawah suhu ruangan (10~ 15F). c. Untuk pendinginan dengan menggunakan high velocity diffusing jets, 17 oC dibawah suhu ruangan.
6.3.3. Menghitung massa udara yang dialirkan 𝑚̇ =
𝑄 𝐶𝑝 (𝑇𝑑 −𝑇𝑟 )
𝑉=
𝑄 𝜌.𝐶𝑝 (𝑇𝑑 −𝑇𝑟 )
Persamaan 6. 1
Dimana; m : laju aliran massa udara (kg/s) V : volume udara (m3/s) Q : nilai beban panas sensible (kW) Cp : kapasitas panas spesifik udara (= 1.01) (kJ/kg K) r : kerapatan massa udara ( 1.21) (kg/m 3) Td : suhu udara keluar saluran udara (oC) Tr : suhu udara dalam ruangan (oC) jika massa udara dibatasi oleh kelembaban (kandungan uap air), maka massa udara dihitung sebagai berikut ; 𝑚̇ = 𝑤
𝑊
2 −𝑤1
Dimana ; m = laju aliran massa udara (kg/s) W = jumlah uap air yang harus diserap (g/s) W1 = kelembaban udara suplai (g/kg)
102
Persamaan 6. 2
W2
= kelembaban udara dalam ruangan (g/kg)
Alternatif lain, jumlah udara ditentukan oleh kebutuhan ventilasi yang dihitung berdasarkan jumlah penghuni ruangan, tipe ruangan ataupun proses yang terjadi dalam ruangan. Kelemahan dari system kombinasi adalah jumlah udara yang dibutuhkan unruk pemanasan atau pendinginan tidak sama dengan jumlah udara yang diperlukan dengan udara ventilasi, sehingga persyaratan tersebut sangat sulit untuk dipenuhi.
6.3.4. Menghitung losses suhu udara dalam saluran udara 𝑚̇. 𝐶𝑝 . (𝑇1 − 𝑇2 ) = 𝐴. 𝑘. [
𝑇1 −𝑇2 2
− 𝑇𝑟 ]
Persamaan 6. 3
Dimana m : laju aliran massa udara (kg/s) Cp : kapasitas panas spesifik udara (1.01) (kJ/kg K) A : luasan dinding saluran udara (ducting) (m2) 2 k : koefisien heat loss dinding saluran udara (kW/m .K) Tl : suhu awal saluran udara (oC) T2 : suhu akhir saluran udara (oC) Tr : suhu udara ruangan (oC) k : 5.68 x 10-3 kW/m2.K untuk saluran udara dari metal : 2.3 x 10-3 kW/m2.K untuk saluran udara dengan insulasi. Untuk penurunan atau losses drop suhu yang cukup besar maka harus digunakan perbedaan temperature rata – rata logarithma, sehingga perhitungan menjadi : 𝑚̇. 𝐶𝑝 . (𝑇1 − 𝑇2 ) = 𝐴. 𝑘.
(𝑇1 −𝑇𝑟 )−(𝑇2 −𝑇𝑟 ) (𝑇 −𝑇𝑟 ) 2 −𝑇𝑟 )
log(𝑇1
Persamaan 6. 4
6.3.5. Menentukan output pada heater, washer, humidifier maupun cooler Besarnya peralatan untuk menghasilkan jumlah udara, pemanasan, pendinginan, pelembaban, pengeringan dipilih dari catalog.
6.3.6. Menentukan ukuran boiler atau heater (untuk pemanasan) 𝐵 = 𝑄. (1 + 𝑥)
Persamaan 6. 5
Dimana : B = rating boiler (kW) Q = beban panas total pada system (kW) x = margin untuk desain pemanasan (0.15 to 0.20) Boiler dengan rating yang sesuai dapat dipilih dari catalog
6.3.7. Menentukan system dan ukuran saluran udara
103
𝑉 𝐴 𝑃𝑡 = 𝑃1 + 𝑃2 + 𝑃3 2. 𝑓. 𝜌. 𝑣 2 𝑝1 = 𝑑 𝑘. 𝑣 2 . 𝜌 𝑝2 = ∑ 2 𝑣=
v V A Pt Pl P2 P3 i f K r d
: kecepatan aliran udara (m/s) : volume aliran udara (m3/s) : luas penampang saluran udara (m2) 2 : total losses pada system (N/m ) : losses karena gesekan pada ducting (N/m2) : losses pada fitting (N/m2) : losses pada peralatan (filters, heaters, dsb) (N/m2) : gesekan per unit panjang ducting (N/m2 per m panjang ducting) : factor gesekan pada ducting, dipengaruhi factor Reynolds number : koefisien gesekan pada fitting : kerapatan massa udara (kg/m3) : diameter saluran udara (m)
Nilai i dapat dicari dari grafik kerugian tekanan pada ducting pada appendix 4.1. Untuk ducting persegi, maka diameter ekuivalen dapat dicari menggunakan rumus : 5
𝑑 = 1.26. √
(𝑎.𝑏)3
Persamaan 6. 6
𝑎+𝑏
Dimana ; d : diameter equivalent (m) a,b : panjang, lebar sisi dari ducting
(m)
Untuk density udara standard 1, 21 kg/m3 sehingga ; 𝑣
2
𝑝2 = 𝑘 (1.29)
Dimana v dalam m/s
104
𝑁 𝑚2
Persamaan 6. 7
6.4. Data – data perhitungan ventilasi
Ventilasi Kamar Mandi Untuk ventilasi kamar mandi biasanya diyaratkan sirkulasi udara adalah 6 kali per jam atau 0,018 m3/s.
6.5. Ventilasi kamar mesin di kapal Informasi Umum Ada tiga aspek udara untuk ventilasi kamar mesin di kapal yaitu : 1. Udara Ventilasi, udara yang dibutuhkan untuk kebutuhan dan kenyamanan dalam ruangan kamar mesin dan diperlukan untuk mengangkut yang panas yang terpancar dari mesin dan peralatan lain-lain didalam kamar mesin 2. Udara pembakaran, udara yang dibutuhkan untuk membakar bahan bakar didalam mesin induk maupun mesin bantu. 3. Crankcase Fumes Disposal, udara yang dibutuhkan untuk membuang uap minyak panas dari dalam crankcase maupun dari dalam tangki.
105
6.5.1. Ventilasi udara Ventilasi udara di kamar mesin memiliki dua tujuan utama, yaitu ; 1. Untuk menyediakan lingkungan udara yang memungkinkan mesin dan peralatan berfungsi dengan baik. 2. Untuk menyediakan lingkungan udara yang nyaman bagi personel atau awak kamar mesin.
6.5.2. Routing Routing adalah bentuk aliran udara dalam ruangan kamar mesin. Routing sangat penting dan menentukan tercapainya kondisi lingkungan udara kamar mesin yang nyaman. Untuk itu biasanya udara bersih dari luar dialirkan masuk kamar mesin sejauh mungkin dari sumber panas yang ada, dan masuk kedalam kamar mesin pada titik yang serendah mungkin agar secara natural udara dapat terdistribusi merata keseluruh ruangan kamar mesin. Gambar 4.2 menunjukan beberapa alternative routing yang seringkali ada dalam kamar mesin. Effisiensi dari routing pada gambar tersebut diistilahkan sebagai Factor Routing (Frouting), dimana gambar A memiliki Frouting = 1.0 dan merupakan routing udara kamar mesin yang paling baik dibandingkan alternative routing yang lain. Untuk routing yang kurang efisien, maka jumlah udara yang harus diSehingga untuk routing yang lain, nilai factor routing menunjukan kelipatan jumlah udara yang harus disuplai ke dalam ruangan dibandingkan dengan jumlah udara yang dibutuhkan pada routing gambar A. Misalnya, untuk gambar B, jumlah udara yang dibutuhkan adalah 1,4 kali daripada jumlah udara yang dibutuhkan pada gambar A.
Gambar 6. 2 Beberapa alternative routing saluran udara kamar mesin
106
6.5.3. Pertimbangan Desain Ventilasi Kamar Mesin Suatu system ventilasi yang baik harus mampu menjaga suhu ruangan dalam kamar mesin sekitar 9oC diatas suhu lingkungan. Dan suhu maksimum kamar mesin tidak boleh melebihi 49 oC. Untuk sirkulasi, secara umum jika routing udara kamar mesin cukup baik, maka sirkulasi udara dalam kamar mesin cukup sebesar 2 kali per menit dengan volume aliran udara sekitar 0,1 – 0,2 m3/menit per Hp daya mesin (tidak termasuk udara yang dibutuhkan untuk pembakaran). Untuk ventilation gas buang maka besarnya aliran udara adalah sekitar 110% - 120% dari pada aliran udara masuk. Pada kondisi cuaca dingin, maka seringkali aliran udara masuk dikurangi untuk menjaga kondisi suhu di kamar mesin tetap nyaman, untuk itu motor penggerak fan biasanya diberi pengatur kecepatan. Sisi masuk ventilasi udara di kapal biasanya terletak pada bagian depan dan pada bagian dalam ruang kamar mesin berada pada sisi serendah mungkin, sementara sisi buang terletak di belakang dengan ketinggian yang lebih dari pada sisi masuk.
6.5.4. Udara untuk pembakaran Pada umumnya suatu mesin diesel membutuhkan udara untuk pembakaran bahan bakar sebesar 0,1 m3/kW/min. Untuk itu biasanya suatu system ducting yang besar untuk mensuplai udara untuk pembakaran ini diarahkan langsung ke mesin diesel. SIstem ducting harus memiliki kerugian gesek sekecil mungkin, diupayakan tidak melebihi 2,94 kPa. Sistem ducting juga harus dilengkapi dengan filter udara untuk mencegah kotoran, debu ataupun material lain yang tidak diinginkan masuk ke dalam mesin. Filter udara juga dilengkapi dengan suatu alarm peringatan yang akan memberikan sinyal jika filter sudah kotor dengan indikasi naiknya tekanan pada saluran sebesar kurang lebih 7,47 kPa. Kecepatan aliran udara untuk pembakaran pada umumnya dirancang tidak melebihi 2440 m/min. Kecepatan aliran udara yang tinggi cenderung akan menimbulkan noise. Saluran udara juga dilengkapi dengan water trap untuk mencegah masuknya embun, air hujan dan lainnnya masuk kedalam mesin. Gambar4.3. menunjukan suatu contoh ventilasi di kamar mesin.
107
Gambar 6. 3 Sistem ventilasi kamar mesin
6.5.5. Crankcase Fumes Disposal Oil mist (kabut minyak) sering kali timbul pada mesin yang panas dimana tekanan udara panas dari piston ring ke bawah menuju crankcase menyebabkan minyak yang ada dalam crankcase menguap. Uap minya ini berbahaya karena mudah terbakar sehingga seringkali menimbulkan bahaya ledakan pada mesin, sehingga dibutuhkan suatu mekanisme pembuangan gas / uap minyak ini dari dalam crankcase dan diistilahkan dengan crankcase fumes disposal. Pipa ventilasi dari crankcase harus didesain sedemikian rupa sehingga tekanan dari dalam crankcase dapat dengan mudah keluar atmosphere. Biasanya jika pipa ventilasi dari crankcase lebih panjang dari 3 meter, maka diupayakan sedikit mungkin elbow yang ada untuk mengurangi kerugian gesekan (maksimal 3 elbow 90o). Pipa ventilasi dari crankcase harus membuang uap minyak dari dalam crankcase langsung ke udara bebas dengan posisi lebih tinggi daripada ventilasi udara masuk kamar mesin.
108
Gambar 6. 4 Crankcase fumes disposal vent
6.5.6. Perhitungan Suplai Fan Untuk Kamar Mesin di Kapal 1.
Menghitung kebutuhan udara untuk pembakaran (Q1) Q1 F xV x m x H
Persamaan 6. 8
Dimana, F : konsumsi bahan bakar, (kg/kW/h) V : udara yang dibutuhkan untuk membakar bahan bakar 12 m3/kg m : factor toleransi, 1,5 ~ 2.0 H : Daya mesin, (kW) 2.
Menghitung kebutuhan udara untuk membuang panas dari kamar mesin (Q2) 𝑄2 =
𝐻𝑟 𝜌.𝐶𝑝 .∆𝑇
Persamaan 6. 9
Dimana, Hr : panas radiasi yang dikeluar kan oleh mesin maupun peralatan, Untuk mesin induk : 1% ~ 2% x daya mesin, (kW) Untuk mesin bantu : 4% ~ 5% x daya mesin, (kW) Untuk motor listrik : 4% ~ 5% x daya mesin, (kW) 3 r : densitas udara, 1,20 kg/m (untuk udara standar) Cp : panas spesifik udara, 1,01 kJ/kg.oC. DT : perbedaan suhu udara luar dan udara dalam ruangan, (oC). 3.
(kW)
Menghitung kebutuhan vetilasi udara (Q3) 𝑄3 = 𝑉. 𝐿𝑤
Persamaan 6. 10
109
Dimana, V : volume ruangan, (m3) Lw : jumlah sirkulasi udara yang diperlukan untuk suatu ruangan per jam, (kali/jam) Untuk kamar mesin, Lw = 20 kali / jam Untuk engine control room, Lw = 10 kali / jam Untuk workshop, Lw = 20 kali / jam Untuk deck store, Lw = 10 kali / jam Untuk engine store, Lw = 10 kali / jam 4.
Menghitung supply udara untuk kamar mesin Total kebutuhan udara ventilasi untuk kamar mesin = Q1+Q2 + Q3
5.
Menentukan fan untuk ventilasi kamar mesin
Fan dipilih sesuai dengan perhitungan kapasitas udara yang dibutuhkan dan juga mempertimbangkan karakteristik kerugian tekanan dan kerugian tekanan yang timbul sepanjang ducting. Namun ada semacam assumsi umum jika kerugian tekanan sepanjang ducting sulit dihitung adalah dengan memilih maksimum kapasitas fan 1,3 ~ 2,0 kali kapasitas udara yang dibutuhkan. Gambar 6.5. Menunjukan titik operasional fan pada kerugian tekanan dari system. Spesifikasi fan biasanya didapat kan dari grafik performance fan (gambar 6.6) ataupun dari table data performance fan (table 6.1).
Gambar 6. 5 Grafik titik operasional fan
110
Gambar 6. 6 Grafik performance fan
111
Tabel 6. 1 Data performance fan
112
6.6. Lembar kerja ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................
113
............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................
114
Bab 7 Distribusi Saluran Udara 7.1. Tujuan Instruksional : Pada bab ini dijelaskan dasar – dasar pendekatan untuk mendesain suatu system saluran udara (ducting). Dan juga dijelaskan beberapa konsep dasar yang penting dan harus dimengerti oleh mahasiswa, seperti halnya ukuran fan, ukuran ducting, ukuran dan lokasi outlet dan inlet. Setelah menyelesaikan bab ini diharapkan mahasiswa mampu ; 1. Mengetahui macam – macam system distribusi udara 2. Mengetahui macam – macam bentuk standard fitting 3. Menentukan posisi yang optimal dari system saluran udara.
7.2. Saluran udara (ducting) Sistem distribusi udara berfungsi mengarahkan dan mendistribusikan udara kedalam ruangan yang akan dikondisikan. Biasanya sistem pengkondisian udara terdiri atas fan, duct, outlet dan sebagainya. Suatu system distribusi udara yang sederhana biasanya terdiri atas fan dengan fan outlet opening yang dihubungkan dengan suatu ducting lurus dan supply outlet dan atau terminal yang terpasang di ujung ducting. Saluran udara sederhana ini biasanya tidak berubah ukuran dan penampangnya. Pada system yang lebih komplek, biasanya saluran udara sudah bercabang – cabang, dilengkapi dengan elbow, belokan dan sebagainya, ukuran yang berubah – ubah, dan dilengkapi dengan peralatan pengatur aliran udara seperti halnya damper, turning vanes. Komponen – komponen tambahan tersebut akan menambah tahanan pada systems saluran udara. Total tahanan pada komponen system saluran udara dan gesekan pada saluran udara diakibatkan oleh aliran udara yang melewati permukaan bagian dalam dari saluran, hal ini menjadi factor utama dalam menentukan ukuran fan, motor penggerak fan dan jumlah tekanan udara yang diperlukan.
Gambar 7. 1 Sistem ducting dan komponen – komponen yang berperan
115
menimbulkan tahanan.
7.3. Bentuk Saluran Udara Ducting tersedia dalam bentuk lingkaran, persegi, kotak dan elips. Dari sudut pandang ekonomi, ducting lingkaran lebih disukai karena ducting lingkaran menghabiskan ruangan yang lebih sedikit dan jumlah udara yang lebih banyak. Hal ini berarti lebih sedikit material yang digunakan, lebih sedikit permukaan ducting, lebih sedikit gesekan, dan lebih sedikit material insulasi yang digunakan daripada jika menggunakan ducting bentuk yang lain. Dari sudut pandang estetika, ducting rectangular lebih disukai karena cenderung untuk menampakankan bentuk yang flat dan lebih mudah untuk dikerjakan, selain itu ducting rectangular juga sering digunakan jika tempatnya sempit dan menyaratkan ducting dengan tinggi yang kecil.
Gambar 7. 2 Layout Sistem Saluran Udara Adalah suatu hal yang umum dalam praktek untuk menggunakan ducting rectangular pada bagian plenum dari sistem saluran udara dan menggunakan ducting lingkaran pada bagian cabang. Untuk menghubungkan antara ducting lingkaran dan ducting persegi digunakan take off fitting antara rectangular pada plenum dengan ducting lingkaran pada cabang. Pada beberapa installasi, sering kali ruang antara balok –balok lantai digunakan sebagai bagian dari sistem saluran udara. Ketika hal ini dilakukan, balok – balok dalam ruangan harus dilapisi dengan material kedap untuk mencegah kebocoran. Teknik lain
116
adalah menggukana ruangan diatas langit – langit atau dibawah risefloor (crawl space construction) sebagai plenum chambers. Persyaratan dari teknik ini adalah, ruangan yang digunakan harus kedap, diisolasi dan harus memenuhi standard.
Gambar 7. 3 Instalasi saluran udara dibawah lantai
7.4. Material Ducting Ducting bisa dibuat dari berbagai macam material diantaranyan adalah ; sheet metal, aluminium, fiberglass, keramik, plastik dan semen. Setiap material memiliki kelebihan dan kekurangan masing – masing. Misalkan ; sheet metal lebih berat daripada aluminium tetapi harganya lebih murah. Aluminium lebih tahan korosi seperti halnya fiberglass. Ducting plastik saat ini banyak digunakan karena ringan dan murah meskipun tidak tahan akan panas.
7.5. Fitting Pada gambar dibawah ini terdapat berbagai macam fitting yang sering digunakan dalam sistem saluran udara, seperti take-off, bends, elbow, turning vanes, transformation, collars, felxible connection, dampers, offsets, end caps, stack fitting, boots, register heads, floor pans dam beberapa kombinasi.
117
Gambar 7. 4 . Macam – macam fitting
118
Gambar 7. 5 Macam – macam fitting
119
Gambar 7. 6 Macam – macam fitting
120
7.6. Sistem saluran udara Sistem saluran udara dibagi menjadi dua kategori umum ; (1). Sistem saluran udara untuk keperluan pemanas, (2) Sistem saluran udara untuk keperluan pendingin. Sistem perimeter yang mensuplai udara pada ketinggian mendekati lantai dan sepanjang dinding dari struktur bangunan adalah sistem yang sesuai digunakan untuk keperluan pemanasan. Sementara sistem yang mensuplai udara dari atas langit – langit adalah sesuai untuk sistem pendinginan. Layout sistem saluran udara dapat dibagi menjadi beberapa, yaitu loop perimeter, extended plenum, overhead system dan overhead trunk yang dijelaskan sebagai berikut :
7.6.1. Loop Perimeter. Pada sistem loop perimeter, ducting dipasang secara kontinyu, sebagai bagian dari loop tertutup dari sistem yang mengelilingi bangunan. Suplai udara melewati central plenum yang terletak di tengah dan dialirkan ke perimete loop melalui beberapa feeder duct. Feeder duct biasanya dilatakan sepanjang loop dan didesain untuk memasuki loop pada titik didalam ruangan yang memiliki tingkat kenyamanan paling sedikit. Untuk aplikasi pemanasan, hal ini bisa pada lokasi dekat jendela dimana udara dingin masuk, sementara untuk aplikasi pendinginan bisa diletakan pada area dimana terjadi konsentrasi sumber panas. Suatu sistem loop perimeter adalah ideal untuk kontruksi dari papan, ketika panas dari feeder duct berada dibawah lantai maka dapat mengimbangi kondisi lantai yang dingin.
Gambar 7. 7 Loop perimeter system
7.6.2. Radial Perimeter Pada sistem radial perimeter, udara suplai dihantarkan dari suatu central plenum yang kemudian darinya dipisahkan ducting untuk menuju masing – masing oulet. Hal ini berari bahwa supplu duct merupakan kepanjangan dari plenum ke semua arah. Sistem ini hanya sesuai untuk ruangan diatas langit – langit atau dibawah lantai. Jika digunakan pada bangunan dengan basement, maka ketinggian basement harus ditambah untuk menempatkan ducting, atau ketinggian basement akan berkurang.
121
Gambar 7. 8 Radial perimeter system
7.6.3. Ektended Plenum Sistem ektended plenum memiliki perpanjangan plenum ke dua arah atau lebih yang diletakan sepanjang rangka dari struktur bangunan. Seperti halnya pada sistem radial, masing – masing outlet disuplai dari ducting cabang yang terpisah. Pada sistem ektended plenum, ducting cabang diambil dari beberapa titik pada perpanjangan plenum sehingga semua ducting cabang dapat diinstall pararel. Teknik ini memungkinkan instalasi ini bisa dipasang pada basement, ruang langit – langit, bawah lantai maupun di loteng.
Gambar 7. 9 Loop perimeter system
122
Gambar 7. 10 Extended plenum system
123
7.6.4. Overhead system A. Overhead Trunk Pada sistem overhead trunk, plenum utama atau trunk di perpanjang sampai dengan di langit – langit . Selanjutnya ducting cabang disambungkan dari perpanjangan plenum tadi untuk menyuplai udara kedalam ruangan. Sistem ektended overheadtrunk juga sering digunakan dengan outlet terpasang pada langit – langit.
Gambar 7. 11 Overhead trunk system
B. Overhead radial. Pada sistem overhead radial tidak terdapat perpanjangan plenum. Udara dimasukan kedalam ruangan melalui ducting cabang yang dihubungkan langsung ke central plenum dan dipasang pada kangit – langit.
124
Gambar 7. 12 Overhead Radial Duct System
Gambar 7. 13 Extended plenum system
125
7.7. Outlet Outlet atau lubang keluar merupakan salah satu komponen penting dalam sistem saluran udara, dilihat dari sisi estetika, fungsi dan performance. Banyak tipe outlet yang tersedia dan didesain untuk memenuhi fungsi dan metode pendistribusian udara kedalam ruangan maupun untuk memindahkan udara dari dalam ruangan. Oleh karena itu outlet harus memenuhi kriteria ;
Gambar 7. 14 Bentuk aliran udara dari suatu diffuser
memiliki tampilan yang tidak menunjukan sebagai bukaan ducting. Mengalirkan udara tidak kurang dari ¾ dari jarak dinding yang berlawanan. Menyemburkan, membelokan dan atau menyebarkan udara ke ruangan. Menambahkan laju aliran udara. Mencegah kotoran dan kebisingan/
7.8. Tipe dari outlet
126
Supply outlet opening (lubang masuk) ; lubang udara masuk yang terpasang didinding, di langit – langit maupun di lantai. Return Outlet opening (lubang hisap) ; adalah lubang hisap yang terpasang dinding, langit – langin maupun di lantai yang berfungsi menangkap udara dari dalam ruangan untuk dikembalikan ke sistem pengkondisian udara.
Gambar 7. 15 Fixed deflecting registers
Gambar 7. 16 Perforated grilles
Ceiling Diffuser : lubang masuk berbentuk lingkaran maupun ractangular yang dilengkapi dengan multiple layer yang berfungsi untuk menyebarkan udara kedalam ruanga. Biasanya terpasang di langit – langit.
127
Grille : adalah tutup yang terpasang pada semua bukaan ducting dimana udara keluar / masuk. Register : Adalah grille yang dilengkapi dengan damper untuk mengontrol jumlah udara yang melewatinya. Free Area : adalah area bebas dari bukaan suatu outlet dimana udara dapat melewatinya. Core Area : adalah total area dari bukaan grille. Fixed Louver Register : adalah register dengan batang atau lajur (louver) vertikal maupun horizontal yang telah diset pada posisi tertentu untuk mengarahkan semburan udara kedalam ruangan. Adjustable Louver Register : register yang dilengkapi dengan batang lajur yang dapat digerakan untuk mengarahkan semburan udara yang masuk kedalam ruangan.
Gambar 7. 17 Adjustable deflecting registers
7.9. Lokasi / Peletakan outlet Supply dan return outlet opening pada ruangan yang dikondisikan harus diletakan pada tempat yang sesuai untuk mendapatkan suplai dan aliran udara yang tepat sehingga kenyamanan dalam ruangan tercapai dan terjaga. Peletakan outlet ditentukan dengan mempertimbangkan apakah sistem akan diaplikasikan untuk keperluan pemanasan ataukah keperluan pendinginan. Jika kedua nya diaplikasikan bersama, maka diperlukan pertimbangan dan perhatian yang lebih besar.
128
Gambar 7. 18 Macam – macam tipe register dengan beberapa kemungkinan peletakannya
Heating : sumber ketidaknyamanan pada sistem adalah suhu yang rendah, misalnya pada jendela. Jika aliran udara dingin tidak diperhatikan dalam peletakan outlet untuk keperluan pamanasan maka udara dingin akan menyebar keseluruh ruangan dan mengakibatkan ketidaknyamanan. Untuk alasan ini, maka suplai udara panas sering diletakan pada sisi dinding ataupun pada lantai dibawah jendela. Udara hangat dari outlet dikontrol dengan register. Cooling : sumber ketidaknyamanan pada sistem pendingin adalah adanya sumber panas. Masuknya udara dingin dari jendela tidak diperhitungkan dalam pendinginan sehingga peletakan outlet lebih felksible, dan memungkinkan menggunakan sistem ducting yang sederhana.
7.9.1. Low Wall Outlet Outlet diletakan pada dinding bagian bawah terutama dibawah jendela. Outlet ini biasanya dilengkapi dengan register untuk mengatur dan menyebarkan udara yang dimasukan kedalam ruangan. Jika low wall outlet dilengkapi dengan register dengan arah semburan udara konstan ke arah horizontal, maka kombinasi oultet dan register ini akan baik bagi aplikasi pemanasan namun kurang baik untuk aplikasi pendinginan.
7.9.2. High Wall Outlet High wall outlet biasanya diletakan pada sisi dinding bagian atas. High wall outlet bagus untuk aplikasi distrubusi udara dingin, kurang bagus untuk distribusi udara panas.
129
Gambar 7. 19 Oultet dinding
7.9.3. Floor Outlet Floor outlet diletakan pada lantai disepanjang tepi ruangan. Floor outlet cukup bagus baik untuk aplikasi pendinginan maupun pemanasan, dengan dilengkapi register yang sesuai. Untuk aplikasi pendinginan, floor outlet harus mampu menyebarkan udara dingin dengan kecepatan yang cukup untuk mampu mencapilangit –langit. Jika kecepatan tidak tercapai karena ada kecenderungan udara dingin untuk turun kebawah, maka pendinginan hanya akan terjadi dibawa dan mengakibatkan ketidaknyamanan.
Gambar 7. 20 Floor oultet
7.9.4. Baseboard Outlet Sesuai namanya, baseboard outlet diletakan sepanjang bagian paling bawah dari dinding. Cocok untuk aplikasi pemanasan maupun pendinginan.
130
Gambar 7. 21 Baseboard oultet
7.9.5. Ceiling outlet Ceiling outlet diletakan dilangit –langit biasanya ditengah – tengah ruangan, atau jika ruangannya luas bisa dipasang beberapa ceiling outlet yang terpasang merata. Sistem outlet ini cocok digunakan untuk sistem pemanasan maupun pendiginan. Tutup yang berlubang – lubang / kisi – kisi (perforated panel) seringkali dipasang pada ceiling outlet untuk mendapatkan area penyebaran yang luas tanpa mengurangi tekanan.
Gambar 7. 22 Overhead distribution dan ceiling outlet
131
Gambar 7. 23 Perforated panel
Tabel 7.1. dibawah ini menunjukan perbandingan performance dari kelima tipe dasar dari outlet.
132
Tabel 7. 1 Perbandingan lima tipe dasar dari outlet
133
Gambar 7. 24 Perbandingan posisi outlet terhadap distribusi udara
7.9.6. Return Outlet Return outlet tipe floor dan baseboard seringkali digunakan pada instalasi perumahan. High wall dan ceiling return outlet juga bisa digunakan untuk aplikasi pemanasan. Jika suply outlet pada pemanasa berasal dari atas dan return outlet juga terpasang diatas, harus diperhatikan kemungkinan tidak efektifnya pengkondisian udara, ada kemungkinan udara langsung by pass kembali ke return outlet tanpa memanaskan ruangan.
7.10. Pemilihan outlet Review kondisi gedung, bangunan dan ruangan untuk melihat ukuran dan bentuknya. 1. Menetukan jumlah udara yang harus dimasukan kedalam ruangan. 2. Memilih tipe outlet dan menentukan lokasi penempatannya. Menentukan aliran yang sesuai apakah throw, blow dan kecepatan aliran. 3. menentukan ukuran outlet dari katalog ataupun perhitungan. Hal ini akan dijelaskan dalam bab penentuan ukuran sistem saluran udara.
134
