Pending In

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Defenisi Mesin Pendingin

Mesin pendingin adalah suatu alat yang digunakan untuk memindahkan

panas dari dalam ruangan ke luar ruangan. Adapun sistem mesin pendingin yang

paling banyak digunakan adalah sistem kompresi uap. Secara garis besar

komponen sistem pendingin siklus kompresi uap terdiri dari:

2.1.1 Kompressor

Tugas kompressor adalah “mengangkat” refrigeran dari evaporator,

mengkompres, dan “mendorongnya” ke kondensor. Kompressor ini harus

menjaga tekanan evaporator tetap rendah agar refrigerant bisa menguap dan

tekanan kondensor tetap. Untuk melakukan tugas ini kepada kompressor kita

berikan energi listrik yang akan diubahnya menjadi mekanik untuk melakukan

kompresi. Bisa dikatakan, kompresor adalah bagian utama dari suatu SKU. Jika

dibandingkan, harga kompresor mencakup 30-40% dari total harga satu unit SKU.

Di pasaran tersedia banyak jenis kompressor yang umum digunakan pada

SKU. Masing-masing tentunya akan memiliki kelebihan dan kelemahan.

Bagaimana memilih kompressor yang sesuai tergantung kepada spesifikasi yang

diinginkan. Berdasarkan prinsip kerjanya secara umum kompressor dapat

diklassifikasikan atas dua jenis, yaitu: tipe perpindahan positif (positive

displacement) dan Roto-dynamic. Masing-masing bagian ini masih dapat dibagi

Universitas Sumatera Utara

lagi. Untuk lebih jelas pembagian ini ditampilkan dalam bentuk diagram pada

Gambar 2.1. Prinsip kerja kompressor jenis positive displacement, secara ringkas,

adalah sebagai berikut: uap refigeran dari evaporator dihisap dan dijebak pada

suatu ruang tertentu, kemudian ditekan hingga tekanannya melebih tekanan

kondensor dan kemudian dilepas ke kondensor. Setelah langkah ini selesai, maka

proses akan diulang lagi. Sebenarnya jika melihat proses ini, aliran fluida pada

kompressor ini tidaklah kontinu tetapi terputus-putus. Tetapi karena frekuensi

terputusnya sangat tinggi, aliran akan kelihatan tidak terputus atau kontinu.

Sementara pada kompressor type roto-dynamic tekanan refigeran dihasilkan

dengan mengubah energi kinetik dengan menggunakan elemen yang berotasi.

Oleh karena ini, aliran fluida pada kompressor tipe ini termasuk kontinu.

2.1.2 Kondensor

Kondensor adalah APK (Alat Penukar Kalor) yang berfungsi mengubah

fasa refrigeran dari kondisi superheat menjadi cair, bahkan kadang sampai kondisi

subcooled. Untuk mengingatkan kembali, ingat lagi diagram Ph, tugas dari

kondensor adalah mengantar refrigeran dari titik 2 (setelah melalui kompressor)

sampai ke titik 3 (sebelum masuk ke katup expansi). Proses ini adalah proses

membuang panas pada tempertur kondensasi, yang diasumsikan konstan.

Medium pendingin yang biasa digunakan untuk melakukan tugas ini

adalah udara lingkungan, air, atau gabungan keduanya. Masing-masing medium

ini mempunyai kelebihan dan kekurangan. Pembagian kondensor berdasarkan

medium yang digunakan dapat dibagi atas 3 bagian, yaitu: (1) Kondensor


berpendingin udara, (2) Kondensor berpendingin air, dan (3) Kondensor

berpendingin gabungan (Evaporative Condenser). Jika medium yang digunakan

adalah udara, kelebihannya adalah tidak diperlukan pipa untuk mengalirkannya

dan tidak perlu repot untuk membuangnya karena setelah menyerap panas bisa

langsung dilepas ke udara lingkungan.

Kelemahannya, udara tidak mempunyai sifat membawa dan menghantar

panas yang baik. Oleh karena itu diperlukan usaha yang lebih untuk mengalirkan

lebih banyak udara. Bisa dipastikan kondensor dengan medium pendingin udara

umumnya digunakan pada siklus refrigerasi dengan kapasitas pendinginan yang

kecil. Sementara jika medium pendigin yang digunakan adalah air, kelebihannya

adalah air mempunyai sifat membawa dan memindahkan panas yang jauh lebih

baik daripada air. Oleh karena itu tidak dibutuhkan peralatan yang besar untuk

proses perpindahan panas. Tetapi air tidak boleh dibuang begitu saja ke

lingkungan. Misalnya setelah digunakan sebagai pendingin kondensor air akan

menjadi panas dan tidak bisa dibuang begitu saja ke sungai atau danau, bisa-bisa

terapung semua nanti ikan yang ada di situ. Untuk menghindari efek lingkungan

ini, biasanya kondensor berpendingin air dilengkapi dengan cooling tower yang

fungsinya mendinginkan air panas yang berasal dari kondensor dengan

menjatuhkannya dari suatu ketinggian agar dapat didinginkan oleh udara. Oleh

karena itu biaya awal kondensor berpendingin air ini biasanya lebih besar tetapi

biaya operasionalnya kecil, oleh karena itu sistem ini biasanya digunakan pada

SKU dengan kapasitas besar. Pada evaporative kondensor air dan udara digunakan

untuk mendinginkan kondensor. Air disiramkan ke pipa-pipa kondensor dan udara

juga ditiupkan. Hal ini akan mengakibatkan terjadinya penguapan di permukaan


kondensor. Karena panas penguapan air sangat tinggi, dan ini diambil dari

refigeran melalui dinding pipa maka jenis ini akan mempunyai koefisien

perpindahan panas yang sangat baik. Hal-hal yang disebutkan di atas adalah salah

satu perbedaan utama dari kondensor berpendingin air dan berpendingin udara.

2.1.3 Evaporator

Pada diagram Ph dari siklus kompresi uap sederhana, evaporator

mempunyai tugas merealisasikan garis 4-1. Setelah refrigeran turun dari

kondensor melalui katup expansi masuk ke evaporator dan diuapkan, dan dikirim

ke kompressor. Pada prinsipnya evaporator hampir sama dengan kondensor, yaitu

sama-sama APK yang fungsinya mengubah fasa refrigeran. Bedanya, jika pada

kondensor refrigerant berubah dari uap menjadi cair, maka pada evaporator

berubah dari cair menjadi uap. Perbedaan berikutnya adalah, sebagai siklus

refrigerasi, pada evaporatorlah sebenarnya tujuan itu ingin dicapai. Artinya, jika

kondensor fungsinya hanya

membuang panas ke lingkungan, maka pada evaporator panas harus diserap untuk

menyesuaikan dengan beban pendingin di ruangan. Berdasarkan model

perpindahan panasnya evaporator dapat dibagi atas natural convection dan forced

convection. Pada evaporator natural convection, fluida

pendingin dibiarkan mengalir sendiri karena adanya perbedaan massa jenis. Pada

jenis ini umumnya evaporator ditempatkan ditempat yang lebih tinggi. Fluida

yang bersentuhan dengan evaporator akan turun suhunya dan massa jenisnya akan

naik, sebagai akibatnya, fluida ini akan turun dan mendesak fluida di bawahnya

untuk bersirkulasi. Sistem ini hanya mampu pada refrigerasi dengan kapasitas-


kapasitas kecil, seperti kulkas. Kebalikannya, evaporator forced convection

menggunakan blower untuk memaksa terjadinya aliran udara sehingga terjadi

konveksi dengan laju perpindahan panas yang lebih baik. Pada evaporator dengan

konveksi paksa dapat juga dibedakan atas dua bagian yaitu refrigeran mengalir di

dalam pipa dan

refrigeran mengalir di luar pipa.

2.1.4 Katup Expansi

Fungsi dari katup expansi ada dua, yaitu (1) menurunkan refrigeran dari

tekanan kondensor sampai tekanan evaporator dan (2) mengatur jumlah aliran

refrigeran yang mengalir masuk ke evaporator. Pada kondisi pengaturan yang

ideal, sangat dipantangkan jika cairan referigeran dari evaporator sampai masuk

ke kompressor. Hal ini bisa saja terjadi, misalnya, karena beban pendinginan

berkurang, refrigeran yang menguap di evaporator akan berkurang. Jika pasokan

refrigeran cair dari kondensor tetap mengalir maka hal ini akan memaksa cairan

refrigeran masuk ke kompressor. Untuk menghindari hal inilah katup ekspansi

difungsikan. Jika beban berkurang, maka pasokan refrigeran akan berkurang,

sehingga menjamin hanya uap refrigeran yang masuk ke kompressor.

Jenis katup expansi dapat dibagi atas 7 jenis, yaitu:

1. Katup expansi manual

2. Tabung kapiler

3. Orifice


4. Katup expansi automatic

5. Katup expansi thermostatik

6. Katup expansi mengapung

7. Katup expansi elektronik

2.2 Sistem Refrigerasi

Refrigerasi merupakan suatu proses penarikan kalor dari suatu

benda/ruangan ke lingkungan sehingga temperatur benda/ruangan tersebut lebih

rendah dari temperatur lingkungannya. Sesuai dengan konsep kekekalan energi,

panas tidak dapat dimusnahkan tetapi dapat dipindahkan. Sehingga refrigerasi

selalu berhubungan dengan proses-proses aliran panas dan perpindahan panas.

Siklus refrigerasi memperlihatkan apa yang terjadi atas panas setelah

dikeluarkan dari udara oleh refrigeran di dalam koil (evaporator). Siklus ini

didasari oleh dua prinsip, yaitu:

1. Saat refrigeran cair berubah menjadi uap, maka refrigeran cair itu mengambil

atau menyerap sejumlah panas.

2. Titik didih suatu cairan dapat diubah dengan jalan mengubah tekanan yang

bekerja padanya. Hal ini sama artinya bahwa temperatur suatu cairan dapat

ditingkatkan dengan jalan menaikan tekanannya, begitu juga sebaliknya.

Pada dasarnya sistem refrigerasi dibagi menjadi dua, yaitu:

1. Sistem refrigerasi mekanik


Sistem refrigerasi ini menggunakan mesin-mesin penggerak atau dan alat

mekanik lain dalam menjalankan siklusnya. Yang termasuk dalam sistem

refrigerasi mekanik di antaranya adalah:

a. Siklus Kompresi Uap (SKU)

b. Refrigerasi siklus udara

c. Kriogenik/refrigerasi temperatur ultra rendah

d. Siklus sterling

2. Sistem refrigerasi non mekanik

Berbeda dengan sistem refrigerasi mekanik, sistem ini tidak memerlukan

mesin-mesin penggerak seperti kompresor dalam menjalankan siklusnya. Yang

termasuk dalam sistem refrigerasi non mekanik di antaranya :

a. Refrigerasi termoelektrik

b. Refrigerasi siklus absorbsi

c. Refrigerasi steam jet

d. Refrigerasi magnetic

e. Heat pipe

2.2.1. Siklus Kompresi Uap

Dari sekian banyak jenis-jenis sistem refigerasi, namun yang paling umum

digunakan adalah refrigerasi dengan sistem kompresi uap. Komponen utama dari

sebuah siklus kompresi uap adalah kompresor, evaporator, kondensor dan katup

expansi. Berikut adalah sistem konvensional siklus kompresi uap (gambar 2.1)

dan skema diagram p-h siklus kompresi uap (gambar 2.2).


Kondensor

Kompresor

Evaporator

Katup expansi

1

23

4

Gambar 2.1 Skema siklus kompresi uap (Himsar Ambarita,2010)

Pada siklus kompresi uap, di evaporator refrigeran akan ‘menghisap’

panas dari dalam ruangan sehingga panas tersebut akan menguapkan refrigeran.

Kemudian uap refrigeran akan dikompres oleh kompresor hingga mencapai

tekanan kondensor, dalam kondensor uap refrigeran dikondensasikan dengan cara

membuang panas dari uap refrigeran ke lingkungannya. Kemudian refrigeran akan

kembali di teruskan ke dalam evaporator. Dalam diagram T-s dan P-h siklus

kompresi uap ideal dapat dilihat dalam gambar berikut ini.


Gambar 2.2 Diagram T-s dan P – h Siklus Kompresi Uap

(Himsar Ambarita,2010)

Proses-proses yang terjadi pada siklus kompresi uap seperti pada gambar 2.2

diatas adalah sebagai berikut:


a. Proses kompresi (1-2)

Proses ini dilakukan oleh kompresor dan berlangsung secara isentropik. Kondisi

awal refrigerant pada saat masuk ke dalam kompresor adalah uap jenuh

bertekanan rendah, setelah mengalami kompresi refrigeranakan menjadi uap

bertekanan tinggi. Karena proses ini berlangsung secara isentropik, maka

temperatur ke luar kompresor pun meningkat. Besarnya kerja kompresi per satuan

massa refrigeran dapat dihitung dengan menggunakan persamaan:

Wk = h1– h2 ………..(2.1)

dimana : Wk = besarnya kerja kompresor (kJ/kg)

h1 = entalpi refrigeran saat masuk kompresor (kJ/kg)

h2= entalpi refrigeran saat keluar kompresor (kJ/kg)

b. Proses kondensasi (2-3)

Proses ini berlangsung didalam kondensor. Refrigeran yang bertekanan tinggi dan

bertemperatur tinggi yang berasal dari kompresor akan membuang kalor sehingga

fasanya berubah menjadi cair. Hal ini berarti bahwa di dalam kondensor terjadi

pertukaran kalor antara refrigeran dengan lingkungannya (udara), sehingga panas

berpindah dari refrigeran ke udara pendingin yang menyebabkan uap refrigeran

mengembun menjadi cair. Besar panas per satuan massa refrigeran yang

dilepaskan di kondensor dinyatakan sebagai:

Qc = h2 – h3 ……..(2.2)

dimana : Qc = besarnya panas dilepas di kondensor (kJ/kg)

h2 = entalpi refrigeran saat masuk kondensor (kJ/kg)


h3= entalpi refrigeran saat keluar kondensor (kJ/kg)

c. Proses expansi (3-4)

Proses expansi ini berlangsung secara isoentalpi. Hal ini berarti tidak terjadi

perubahan entalpi tetapi terjadi drop tekanan dan penurunan temperatur, atau

dapat dituliskan dengan:

h3 = h4 …….(2.3)

Proses penurunan tekanan terjadi pada katup expansi yang berbentuk pipa kapiler

atau orifice yang berfungsi untuk mengatur laju aliran refrigeran dan menurunkan

tekanan.

d. Proses evaporasi (4-1)

Proses ini berlangsung secara isobar isothermal (tekanan konstan, temperatur

konstan) di dalam evaporator. Panas dari dalam ruangan akan diserap oleh cairan

refrigeran yang bertekanan rendah sehingga refrigeran berubah fasa menjadi uap

bertekanan rendah. Kondisi refrigeran saat masuk evaporator sebenarnya adalah

campuran cair dan uap, seperti pada titik 4 dari gambar 2.2 diatas.

Besarnya kalor yang diserap oleh evaporator adalah:

Qe = h1 – h4 ……(2.4)

dimana : Qe = besarnya panas yang diserap di evaporator (kJ/kg)

h1 = entalpi refrigeran saat keluar evaporator (kJ/kg)

h4= entalpi refrigeran saat masuk evaporator (kJ/kg)


Selanjutnya, refrigeran kembali masuk ke dalam kompresor dan

bersirkulasi lagi.Begitu seterusnya sampai kondisi yang diinginkan tercapai.Untuk

menentukan harga entalpi pada masing-masing titik dapat dilihat dari tabel sifat-

sifat refrigeran.

Setelah melakukan perhitungan untuk beberapa jenis refrigerant yang

sering dipakai di Indonesia, didapat nilai COP(Coefficient of Performance)berikut

Tabel 2.1 Nilai COP dari beberapa jenis refrigerant

Temp(C)

Refrignt

40 45 50 55 60 65 70

R12 5,58 4,75 4,21 3,65 3,22 2,84 2,48

R600 5,08 4,34 3,69 3,18 2,77 2,44 2,14

R134a 4,92 5,05 3,92 3,34 2,90 2,54 2,18

R22 5,47 4,75 4,98 3,97 3,26 2,78 2,44

2.2.2 Siklus Kompresi Uap dengan Water Heater

Water heater termasuk ke dalam bagian kondensor karena proses

pemanasan air pada water heater tersebut menggunakan panas buangan dari

kondensor dimana pada umumnya suhu freon yang keluar dari kompresor AC

dibuang pada kondensor. Dengan adanya water heater, aliran panas itu

dibelokkan dulu kedalam tangki air dingin sebelum masuk ke kondensor terjadi


kontak perpindahan panas dari pipa AC dan air di dalam tangki. Pipa AC yang

keluar dari kompresor langsung di alirkan dahulu ke dalam heat exchanger berupa

pipa spiral dalam tangki dan air yang semula dingin pun memanas, begitupula

sebaliknya suhu freon yang panas menurun, setelah melewati pipa spiral dalam

tangki barulah kemudian pipa AC kembali diarahkan ke kondensor. Untuk

memperoleh air panas AC harus menyala dulu, bila ingin mendapat air panas pagi

hari, AC dinyalakan malam sebelumnya minimal 8 jam.

Adapun manfaat dari water heater adalah:

Hemat Biaya

Daya Tahan lebih lama

Aman

Air panas yang diperoleh stabil.

Adapun gambar siklusnya adalah sebagai berikut:


Gambar 2.3 Mesin Pendingin siklus kompresi uap hybrid

Gambar 2.4 Mesin Pendigin siklus kompresi uap hybrid terhubung dengan

data logger


Gambar 2.5 Diagaram P-h siklus kompresi uap hybrid

Proses-proses yang terjadi pada siklus kompresi uap hybrid seperti pada

gambar 2.5 diatas adalah sebagai berikut:

1-1’= proses berlangsung secara isobar isothermal (tekanan konstan, temperatur

konstan) di dalam evaporator. Panas dari lingkungan akan diserap oleh

cairan refrigerant yang bertekanan rendah sehingga refrigerant berubah

fasa menjadi uap bertekanan rendah. Kondisi refrigerant saat masuk

evaporator sebenarnya adalah campuran cair dan uap.

1’-2= proses berlangsung di antara evaporator dan compressor, dimana tekanan

konstan (isobar).

2-3= proses berlangsung dilakukan oleh compressor dan berlangsung secara

isentropik adibatik. Kondisi awal refrigerant pada saat masuk ke dalam

compressor adalah uap jenuh bertekanan rendah, setelah mengalami

kompresi refrigerant akan menjadi uap bertekanan tinggi. Karena proses


ini berlangsung secara isentropic, maka temperature ke luar kompresor pun

meningkat.

3-4= proses ini berlangsung di dalam water heater dalam kondisi superheat.

Dimana uap refrigerant dari kompressor akan di kompres hingga mencapai

tekanan kondensor.

4-.5= proses ini berlangsung di dalam water heater dalam kondisi superheat.

dimana panas refrigerant yang telah di kompres oleh compressor

dibelokkan ke dalam koil pemanas di dalam tangki sebelum masuk ke

dalam kondensor.

5-6= proses berlangsung di antara water heater dan kondensor dengan tekanan

konstan (isobar). Dimana panas refrigerant sudah menurun, karena sudah

diserap oleh air di dalam tangki water heater.

6-.7=Proses ini berlangsung didalam kondensor. Refrigeran yang bertekanan

tinggi dalam kondisi superheat yang berasal dari water heater akan

membuang kalor sehingga fasanya berubah menjadi cair. Hal ini berarti

bahwa di dalam kondensor terjadi pertukaran kalor antara refrigeran

dengan lingkungannya (udara), sehingga panas berpindah dari refrigeran

ke udara pendingin yang menyebabkan uap refrigeran mengembun

menjadi cair.

7-8= proses berlangsung di antara kondensor ke katup expansi, dimana tekanan

dan temperature sudah menurun.


8-9= proses expansi ini berlangsung secara isoentalpi. Hal ini tidak terjadi

perubahan entalpi tetapi tejadi drop tekanan dan penurunan temperatur.

9-1= proses ini berlangsung secara isobar isothermal (tekanan konstan,

temperature konstan) di dalam evaporator. Dimana panas dari lingkungan

akan di serap oleh cairan refrigerant yang bertekanan rendah sehingga

refrigerant berubah fasa menjadi uap bertekan rendah. Kondisi refrigerant

saat masuk evaporator sebenarnya adalah campuran cair dan uap.

2.3 Beban Pendingin

2.3.1 Defenisi Beban Pendingin

Beban pendinginan adalah aliran energi dalam bentuk panas. Perlu diulang

kembali bahwa tugas unit pendingin adalah menjaga kondisi suatu ruangan agar

berada pada suhu dan kelembaban tertentu yang umumnya lebih rendah dari

temperatur dan kelembaban lingkungan luar. Jenis beban pendingin, dapat dibagi

menjadi dua, yaitu panas sensible dan panas laten. Panas sensible adalah panas

yang diterima atau dilepaskan suatu materi sebagai akibat perubahan suhunya.

Panas laten adalah panas yang diterima atau dilepaskan suatu materi

karena perubahan fasanya. Untuk lebih menjelaskan arti masing-masing panas ini,

misalkan kita mendinginkan air dari 100oC sampai mejadi es 0oC. Panas yang

diserap dari air mulai dari 100oC menjadi 0oC (masih tetap air) disebut beban

sensible. Jika air yang suhunya sudah 0oC didinginkan lagi hingga akhirnya


menjadi es, di sini tidak terjadi perubahan suhu, tetapi perubahan fasa. Panas yang

diserap di sini disebut panas laten.

Gambar 2. 6 Jenis beban pendingin pada udara luar (Himsar Ambarita,2010)

2.3.2 Sumber-Sumber Beban Pendingin

Beban pendingin bagi suatu ruangan yang dikondisikan bisa berasal dari

beberapa sumber. Sumber-sumber ini umumnya dibagi 2 bagian besar, yaitu

beban yang berasal dari luar ruangan dan beban yang berasal dari dalam ruangan.

Panas yang berasal dari luar ruangan antara lain: panas yang berpindah secara

konduksi dari dinding, dari kaca, dari atap, dan dari jendela. Panas radiasi sinar

matahari yang masuk dari material yang tembus pandang seperti bahan kaca dan

plastic. Panas dari masuknya udara luar, yaitu udara ventilasi dan udara infiltrasi.

Sementara sumber panas yang berasal dari dalam dapat berupa panas akibat lampu

penerangan, panas dari mesin yang ada di ruangan, panas akibat peralatan

memasak yang ada di ruangan, komputer, dll. Dan juga panas dari mahluk hidup


yang ada di ruangan (manusia). Semua sumber-sumber panas ini akan dihitung

beban yang diakibatkannya pada unit pendingin.

2.3.3 Analisa Beban Pendingin

Menghitung beban pendingin pada prinsipnya adalah menghitung laju

perpindahan panas yang melibatkan semua jenis perpindahan panas, yaitu:

konduksi, konveksi, radiasi, penguapan, dan pengembunan. Adalah sangat sulit

jika harus menghitungnya satu persatu pada waktu tertentu. Oleh karena itu

dikenal banyak metode perhitungan beban pendingin. Metode yang umum

digunakan antara lain Transfer function method (TFM), Cooling Load Temperatur

Difference (CLTD), dan Time-averaging (TETD/TA). Dari ketiga cara ini, hanya

CLTD yang menggunakan perhitungan sederhana sehingga dapat dilakukan

secara manual. Sementara TFM dan TETD/TA adalah perhitungan yang

dirancang untuk diselesaikan dengan menggunakan komputer.

Sebelum melakukan perhitungan beban pendinginan pada suatu ruangan

yang akan dikondisikan, data-data pendukung harus dikumpulkan. Data yang

harus dimiliki sebelum melakukan perhitungan adalah sebagai berikut:

1. Lokasi bangunan dan arahnya

2. Konstruksi dari bangunan

Informasi ini dibutuhkan untuk mendapatkan koefisien perpindahan panas

menyeluruh dari konstruksi bangunan.

3. Kondisi di luar gedung, misalnya apakah ada pelindung misalnya pohon atau


bangunan tinggi yang menghindari gedung dari paparan sinar matahari.

4. Kondisi design di dalam gedung, misalnya pada temperatur dan RH berapa

gedung akan dikondisikan.

5. Jadwal penghuni di dalam gedung, misalnya jika pusat perbelanjaan pada

pukul berapa terjadi kunjungan terbanyak, dll.

6. Jumlah lampu dan peralatan listrik yang dipasang di dalam gedung

7. Jadwal masuknya/beroperasinya peralatan-peralatan di dalam gedung

8. Kebocoran udara (infiltrasi) dan penambahan udara (ventilasi).

Informasi-informasi ini akan digunakan sebagai parameter pada

perhitungan dan atau untuk mencari parameter-parameter tambahan yang akan

digunakan dalam perhitungan beban pendingin.

Prosedur perhitungan beban pendingin dengan menggunakan metode

CLTD adalah sebagai berikut:

A. Beban Pendingin dari Luar

1. Panas konduksi dari dingin, atap, dan konduksi dari dinding yang

berbahan kaca.

………(2.5)


Dimana adalah beban pendingin (Watt) dan merupakan beban sensible.

Sebagai catatan panas konduksi tidak mempunyai beban latent. U koefisien

perpindahan panas untuk bahan dinding, atap dan kaca (Lihat Lampiran1 dan

Lampiran 2 pada bagian ketiga catatan ini).

CLTD adalah cooling load temperatur difference ditampilkan pada Tabel 30 dan

Tabel 32 Bab 28 ASHARE (Bahan ini akan saya bagi beserta tulisan ini, disebut

sebagai bahan kedua). Data pada table tersebut adalah untuk kondisi di USA pada

400LU di bulan July, sementara untuk yang bukan lintang itu harus dikoreksi

dengan menggunakan persamaan berikut:

………(2.6)

Nilai LM dapat dilihat pada Lampiran 3 (catatan bagian 3). Dan k adalah

koreksi karena pengaruh warna = 1 (Gelap), =0,83 (medium), dan =0,65 (cerah).

= temperatur ruangan yang direncanakan. = temperatur udara luar maksimum

– (beda temperatur harian/2).

2. Panas transmisi dari dinding kaca

……(2.7)

Dimana A adalah luas penampang, dan SC adalah koefisien bayang

(shading coefficient), gunakan tabel 4 pada lampiran. SCL adalah solar cooling

load factor ditampilkan pada table 36 ASHARE Bab 28. Panas ini adalah panas

sensible.

3. Panas dari atap, partisi, dan lantai


………(2.8)

Dimana U dihitung berdasarkan bahan atap dan lantai. temperatur di luar

ruangan yang dijaga pada temperatur .

B. Beban Panas dari Dalam Ruangan

1. Panas dari tubuh manusia di dalam ruangan

Tubuh manusia dalam beraktivitas, selalu mengeluarkan panas ke udara

sekelilingnya. Panas yang dilepaskan oleh tubuh manusia ini terdiri dari 2 jenis,

yaitu panas sensible dan panas laten. Masing-masing panas ini dapat dihitung

sebagai berikut:

= N × (Sensible heat gain)× CLF ……(2.9)

=N×(Laten heat gain) ……(2.10)

Sensible heat gain dan Laten heat gain adalah perkiraan panas sensible

dan panas laten yang dikeluarkan manusia dan sesuai umur dan aktivitasnya.

Datanya ditampilkan pada Tabel 3. Dan N adalah jumlah manusia yang ada di

ruangan. CLF adalah cooling load factor datanya ditampilkan pada Table 37.

2. Panas dari Lampu/Penerangan

Lampu atau alat penerangan mengubah energi listrik menjadi cahaya, dan

sebagian energi ini akan berubah menjadi panas. Sebagai catatan bola lampu akan

terasa panas setelah dihidupkan beberapa lama. Besar panas yang dilepaskan bola

lampu/penerangan ke lingkungan adalah panas sensible dan dapat dihitung dengan

menggunakan persamaan:


………(2.11)

Dimana W adalah daya total lampu, lighting use (dibuat pada table),

special allowance factor, dan CLF adalah cooling load factor untuk lampu

(Tabel 38).

3. Panas dari motor listrik

Di dalam ruangan yang dikondisikan juga umumnya terdapat motor listrik,

misalnya motor listrik yang membuat perputaran udara melalui evaporator.

Contoh lain misalnya motor penggerak pompa air. Data pata Tabel 4 dapat

digunakan langsung atau dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut:

………(2.12)

P adalah total daya motor, factor efisiensi, dan CLF adalah cooling load factor

untuk motor (Tabel 37).

4. Panas dari peralatan dapur dan memasak (Appliances)

Sudah dapat dipastikan kegiatan memasak di dapur akan memberikan

beban pendingin ke dalam ruangan yang akan didinginkan. Besar beban ini dapat

dihitung dengan menggunakan persamaan berikut :

………(2.13)

atau

………(2.14)

CLF cooling load factor yang ditampilkan pada Tabel 37 dan Tabel 39.

5. Panas dari udara ventilasi dan udara infiltrasi


Arti dari udara ventilasi dan infiltrasi telah dijelaskan di bagian atas, saat

menjelaskan jenis beban pendingin di persamaan (1) dan persamaan (2).

Persamaan yang lebih praktis yang dapat digunakan untuk menghitung panas

sensible dan panas laten dari tambahan udara ventilasi ini adalah persamaan

berikut ini :

……(2.15)

……(2.16)

Dan beban total adalah:

……(2.17)

Dimana Q adalah laju aliran udara ventilasi.

2.4 Analisa Evaporator

Defenisi dan fungsi evaporator pada siklus kompresi uap sudah dijelaskan

pada pengertian mesin pendingin. Dibawah ini adalah gambar dari evaporator:


Gambar 2.7 Evaporator pada sistem inderect yang digunakan mendinginkan air (Himsar Ambarita, 2010)


Gambar 2.8 Evaporator yang mendinginkan udara secara langsung (Himsar

Ambarita, 2010)


Berdasarkan bagaimana cara evaporator mengambil beban pendingin dari

ruangan yang ada beban pendinginnya, sistem pendingin dapat dibagi dua jenis,

yaitu direct cooling sistem dan indirect cooling sistem. Perbedaan ini juga akan

mempengaruhi bentuk dan jenis evaporatornya. Pada direct system, evaporator

langsung bersentuhan dengan udara yang mendinginkan ruangan. Contoh yang

termasuk ke jenis ini adalah sistem AC yang dipasang di rumah-rumah. Sistem

yang kedua, evaporator hanya mendinginkan fluida kedua (biasa disebut

refrigerant sekunder, misalnya air), lalu air dingin ini akan disirkulasikan ke

dalam ruangan yang akan didiginkan, untuk digunakan mendinginkan udara.

Sistem ini biasa digunakan untuk sistem pengkondisian udara pada bangunan-

bangunan besar seperti supermarket. Dengan kata lain, pada sistem direct,

evaporator mendinginkan udara, tetapi pada sistem indirect evaporator

mendinginkan refrigeran kedua. Contoh bentuk evaporator kedua sistem ini

ditampilkan pada gambar 2.7 dan gambar 2.8.

Analisa evaporator pada prinsipnya sama dengan analysis kondensor

karena sama-sama merupakan APK. Oleh karena itu persamaan-persamaan

koefisien konveksi pada kondensor masih dapat digunakan untuk menganalisis

evaporator.

Sebagai contoh evaporator pada gambar 2.7 koefisien perpindahan panas

pada sisi air dapat dicari pada text book perpindahan panas. Sementara pada

refrigeran di dalam pipa harus digunakan rumus-rumus konveksi pendidihan

(boiling). Sebagai catatan, jika dibandingkan, analysis sebuah evaporator adalah

lebih rumit dibanding dengan kondensor. Alasannya antara lain, pada evaporator

temperatur udara setelah didinginkan harus memenuhi syarat agar beban sensible


dan beban laten dapat diambil dari ruangan. Pendinginan udara sampai di bawah

temperatur saturasi akan mengakibatkan perubahan fasa pada sisi luar evaporator.

Bahkan pada kondisi ekstreem (jika temperatur evaporasi di bawah 0oC)

akanterjadi pembekuan (air menjadi es). Maka ada tiga proses perubahan fasa di

sini evaporasi refrigeran di dalam pipa, saturasi uap air di luar pipa dan (mungkin)

pembekuan air di permuakaan pipa. Hal inilah yang membuat perhitungan jadi

rumit. Sementara, pada kondensor hanya ada satu perubahan fasa, yaitu pada

refrigeran.

Profil temperatur untuk evaporator pada gambar 2.8 ditampilkan pada

gambar 2.9 berikut, dimana Te adalah temperatur evaporasi dan Tai dan Tao

adalah temperatur udara masuk dan keluar evaporator. Profil ini adalah profil

yang diidealkan.

Gambar 2.9 Profil temperatur pada Evaporator (Himsar Ambarita,2010)

Pada Gambar 2.10, ditampilkan pola aliran fluida yang melewati sebuah

pipa yang penampangnya berbenduk lingkaran dengan diameter D. Fluida yang

X (jarak)


awalnya mempunyai kecepatan seragam U akan terbagi melalui bagian atas dan

bagian bawah pipa. Aliran fluida ini akan menyatu kembali di bagian belakang

pipa. Tepat pada pertengahan bagian depan pipa ada satu titik dimana partikel

fluida diam. Titik ini dikenal dengan istilah stagnant point.

D

U ∞T

Gambar 2.10 Pola aliran fluida melalui silinder (Himsar Ambarita, 2011)

Jika dilakukan perbandingan dengan aliran yang sejajar dengan plat datar,

maka hal-hal berikut ini perlu dicatat.

1. Karena umumnya arah aliran adalah menyilang (bukan sejajar) terhadap

bendanya atau biasa disebut frontal, maka koefisien yang dihasilkan benda-

benda ini akan dinamakan koefisien drag dan disimbolkan DC .

2. Bilangan Reynold dan bilangan Nu akan didefenisikan dengan diagonal (D)

sebagai pengganti panjang karakteristik. Maka defenisi bilangan Reynolds dan

bilangan Nusselt menjadi:


µρ DU maxRe = ……..(2.18)

khDNu = ……..(2.19)

3. Bilangan Re kritis sebagai dasar untuk mengkategorikan aliran fluida atas

laminar atau turbulen adalah 5102Re ×= . Tetapi angka ini jarang digunakan

untuk membedakan persamaan.

Karena sangat susah menentukan nilai lokal dari masing-masing koefisien,

maka yang ditampilkan pada persamaan-persamaan hanya nilai rata-rata. Dengan

kata lain tidak akan dikenal nilai lokal. Persamaan-persamaan yang digunakan di

sini umumnya didapat dengan cara eksperimen. Rumus koefisien drag dan

bilangan Nu akan dijabarkan pada bagian berikut.

Pada umumnya, bentuk penampang pipa adalah lingkaran. Ada kalanya

penampang pipa bukan lingkaran, tetapi berbentuk lain seperti ellips, persegi 4,

dll. Untuk pipa dengan penampang seperti ini, persamaan umum berikut dapat

digunakan.

nmC PrReNu = ………..(2.20)

Syarat menggunakan persamaan ini adalah sifat fisik fluida dianalisa pada

temperatur film.

Konstanta C, m, dan n pada persamaan tersebut telah disusun oleh

Zukauskas (1972) dan Jakob (1949), untuk masing-masing kasus ditampilkan

pada Tabel 2.2.


Tabel 2.2 Persamaan bilangan Nu untuk pipa ( Himsar Ambarita,2011)

Penampang Syarat Re Nu

Fluida: Gas dan Cair

0,4 – 4 31330,0 PrRe989,0Nu =

4 – 40 31335,0 PrRe911,0Nu =

40 – 4000 31466,0 PrRe683,0Nu =

4000 – 40000 31618,0 PrRe193,0Nu =

40000 – 400000 31805,0 PrRe027,0Nu =

Fluida: Gas

5000-100.000 31675,0 PrRe102,0Nu =

D

Fluida: Gas

5000 – 100.000 31588,0 PrRe246,0Nu =

D

Fluida: Gas

5000 – 100.000

31638,0 PrRe153,0Nu =

D

Fluida: Gas

5000 – 19.500

31638,0 PrRe160,0Nu =


19.500-100.000 31782,0 PrRe0385,0Nu =

D

Fluida: Gas

4000 – 15.000 31731,0 PrRe228,0Nu =

D

Fluida: Gas

2500 – 15.000 31612,0 PrRe248,0Nu =

Pada pipa bidang perpindahan panasnya pastilah berbentuk silinder, seperti

yang ditunjukkan pada Gambar 2.10. Di dalam pipa dengan jari-jari permukaan

dalam ri dan permukaan luar dengan ro mengalir fluida panas dengan temperatur

Ti. Sementara fluida dingin berada di luar pipa dengan temperatur To. Koefisien

konveksi di permukaan dalam, permukaan luar, dan koefisien konduksi masing-

masing pipa masing masing adalah hi, ho, dan k.

ri

ro

Ti

Ta

Tb

Tok

hi

ho

R1 R3R2

Ti T0Ta Tb

Gambar 2.11 Bidang perpindahan panas pada pipa ( Himsar Ambarita,2011)


Untuk bidang perpindahan panas seperti pada Gambar 2.11, masing-masing

tahanan termal dinyatakan dengan persamaan:

ii AhR 1

1 = , LkrrR io

π2)ln(

2 = ,danoo Ah

R 13 = ………..(2.21)

Dimana L adalah panjang silinder tegak lurus bidang gambar. Perbedaan

persamaan (2.21) dengan persamaan untuk bidang datar adalah luar permukaan

bidang perpindahan panas. Pada pipa luas permukaan dalam tidak akan sama lagi

dengan luas permukaan luar. Sebagai akibatnya koefisien perpindahan panas

menyeluruh pada permukaan dalam akan berbeda dengan koefisien pada

permukaan luar.

Jika didefenisikan untuk permukaan dalam, maka persamaan yang akan

digunakan adalah:

00

12

)ln(11AhLk

rrAhAU

io

iiii

++=π ……..(2.22)

Dimana LrA ii π2= adalah luar bidang perpindahan panas pada permukaan

dalam pipa, dan luas bidang perpindahan panas di permukaan luar adalah

LrA oo π2= . Dengan menggunakan defenisi ini, maka koefisien perpindahan panas

menyeluruh pada sisi dalam pipa adalah:

( )o

iii

ii rr

hkrrr

hU 0

0 1ln11++= ………..(2.23)


Sementara jika didefenisikan pada permukaan luar, maka persamaan yang

akan digunakan adalah:

00

12

)ln(11AhLk

rrAhAU

io

iioo

++=π ………..(2.24)

Dengan menggunakan defenisi luas permukaan, maka koefisien

perpindahan panas menyeluruh pada sisi luar pipa adalah:

( )0

0 1ln11hk

rrrrr

hUio

i

o

io

++= ………..(2.25)

2.4.1 Faktor Kerak ( Fouling Factor)

Pada persamaan menghitung koefisien perpindahan panas menyeluruh

yang ditampilkan pada persaman untuk plat datar dan persamaan (2.23) dan (2.25)

untuk bidang yang berbentuk silinder adalah untuk kasus-kasus dimana

permukaan APK masih mulus atau kondisi baru. Pada umumnya, setelah

beroperasi beberapa lama pada permukaan APK akan terdapat lapisan. Jika

sebuah permukaan dialiri fluida secara terus-menerus, misalkan fluidanya air,

maka setelah beberapa lama di permukaan akan timbul suatu lapisan yang bisa

diistilahkan dengan kerak. Untuk memperhitungkan efek dari lapisan kerak ini

digunakan fouling factor. Lapisan kerak ini semakin lama akan semakin tebal dan

akan mempengaruhi koefisien perpindahan panas diantara kedua aliran fluida.

Dengan bahasa yang berbeda dapat dituliskan sebagai berikut: kerak ini dapat


dianggap menjadi permukaan padat tambahan yang akan memisahkan permukaan

bidang dengan aliran fluida. Yang pasti, kerak ini akan mengurangi laju

perpindahan panas antara kedua fluida.

Pada permukaan plat datar persamaan koefisien perpindahan panas

menyeluruh dengan memasukkan koefisien kerak dapat dituliskan menjadi:

ofofi

i hR

kdR

hU111

++++= ………..(2.26)

Dimana fiR dan foR adalah tambahan tahanan termal akibat kerak, masing-

masing pada permukaan dalam dan permukaan luar.

Banyak faktor yang mempengaruhi terbentuknya kerak pada permukaan

suatu bidang APK, beberapa yang umum disebutkan adalah kecepatan fluidanya

mengalir dan jenis fluida yang mengalir. Semakin cepat fluida mengalir akan

mengurangi kemungkinan terjadinya kerak. Semakin bersih fluida yang mengalir

dari kotoran maka semakin kecil kemungkinan terjadinya kerak. Seandainya

fluida yang digunakan pada suatu APK adalah air yang tersedia di suatu daerah,

maka kandungan air tersebut akan mempengaruhi terjadinya kerak pada APK

tersebut nantinya. Pada Tabel 2.3 ditampilkan beberapa besaran faktor kerak yang

diteliti di Amerika Serikat.


Tabel 2.3 Faktor dan koefisien konveksi lapisan kerak ( Himsar Ambarita, 2011)

No Fluida kerja Koef. kon

[W/m2 oC]

Faktor kerak, Rf [m2 oC/W]

1 Air sungai 3000-12000 0,003-0,0001

2 Air laut 1000-3000 0,001-0,0003

3 Air pendingin (Cooling tower)

3000-6000 0,0003-0,00017

4 Air Kota (bersih ) 3000-5000 0,0003-0,0002

5 Air Kota (sedang) 1000-2000 0,001-0,0005

6 Uap kondensasi 1500-5000 0,00067-0,0002

7 Uap bebas minyak 4000-10000 0,0025-0,00001

8 Uap mengandung minyak 2000-5000 0,0025-0,0002

9 Larutan garam dingin 3000-5000 0,0003-0,0002

10 Udara dan gas buang industri

5000-10000 0,0002-0,00001

11 Asap (flue gas) 2000-5000 0,0005-0,0002

12 Uap organik 5000 0,0002

13 Cairan organik 5000 0,0002

14 Hidrokarbon ringan 5000 0,0002

15 Hidrokarbon berat 2000 0,0005

16 Fluida organik mendidih 2500 0,0004

17 Fluida organik mengembun

5000 0,0002

18 Heavy transfer fluids 5000 0,0002

19 Larutan garam 3000-5000 0,0003-0,0002

Sampai saat ini belum dijumpai penelitian yang mempublikasikan berapa

sebenarnya faktor kerak yang sesuai dengan kondisi air yang ada di Indonesia.


Misalnya, data pada tabel menyebutkan bahwa fouling factor untuk air kota yang

bersih sekitar 3000 – 5000. Hal ini belum tentu sesuai/cocok untuk air PAM yang

ada di Indonesia. Meskipun masih diperlukan penelitian lanjutan, tetapi data pada

Tabel 2.3 tetap masih dapat digunakan untuk kondisi di Indonesia. Hal ini khusus

untuk air, sementara untuk fluida lain seperti Hidrokarbon data itu dapat langsung

digunakan.

2.4.2 Nilai koefisien perpindahan panas menyeluruh

Perhitungan koefisien perpindahan panas menyeluruh biasanya

menggunakan acuan salah satu sisinya, misalnya sisi dalam (i) atau sisi luar (o)

saja. Atau bisa juga sisi fluida panas atau sisi fluida dingin. Pada permukaan datar

nilai ini akan sama, tetapi untuk pipa nilai ini akan berbeda. Tetapi yang umum

digunakan adalah pada permukaan luar pipa. Berikut dirumuskan koefisien

perpindahan panas menyeluruh yang menggunakan permukaan luar sebagai

acuan.

( )0

00000

0

1ln11h

Rk

rrrRrr

hrr

U fi

fiiii

++++= ……..(2.27)

Persamaan ini dapat dihitung jika koefisien perpindahan panas di sisi

dalam dan disisi luar diketahui atau dihitung.

Pada saat melakukan analysis pada sebuah APK, koefisien perpindahan

panas menyeluruh ini umumnya tidak diketahui. Sementara melakukan

perhitungan langsung tidak memungkinkan karena temperatur fluida belum

diketahui secara lengkap. Untuk itu diperlukan asumsi awal agar dapat melakukan


perhitungan. Dengan menggunakan asumsi awal ini, perhitungan dapat dilakukan

dan temperatur fluida bisa dihitung. Setelah temperatur fluida didapat dari hasil

perhitungan, maka koefisien perpindahan panas yang sebenarnya dapat dihitung

kembali dan dilakukan lagi koreksi, demikian seterusnya.

Untuk keperluan ini agar tebakan awal tidak terlalu jauh maka perlu

dikumpulkan informasi awal tentang koefisien perpindahan panas menyeluruh

dari beberapa APK. Sebagai gambaran, besar koefisien perpindahan panas

menyeluruh dari beberapa kasus ditampilkan pada Tabel 2.4. Data yang

ditampilkan pada Tabel 2.4 adalah perkiraan dan angka yang sebenarnya sangat

tergantung pada beberapa faktor antara lain bentuk permukaan, tekanan dan

temperatur kerja, jenis dan proses fisik yang terjadi pada fluidanya.


Tabel 2.4 Nilai koefisien perpindahan panas menyeluruh ( Himsar Ambarita,2011)

No Fluida Panas Fluida dingin U [W/m2 oC]

Heat Exchanger

1 Air Air 800-1500

2 Pelarut organik Pelarut Organik 100-300

3 Minyak ringan Minyak ringan 100-400

4 Minyak berat Minyak berat 50-300

5 Gas Gas 10-50

Cooler

6 Pelarut organik Air 250-750

7 Minyak ringan Air 350-900

8 Minyak berat Air 60-900

9 Gas Air 20-300

10 Pelarut organik Garam 150-500

11 Air Garam 600-1200

12 Gas Garam 15-250

Heater

13 Uap air Air 1500-4000

14 Uap air Pelarut organik 500-1000

15 Uap air Minyak ringan 300-900

16 Uap air Minyak berat 60-450

17 Uap air Gas 30-300

18 Dowtherm (larutan organic)

Minyak berat 50-300

19 Dowtherm Gas 20-200

20 Gas Asap (Flue gas) Uap 30-100

21 Gas Asap Uap Hidrokarbon 30-100

Kondensor


22 Uap air Air 1000-1500

23 Uap organik Air 700-1000

24 Organic (Some non condensable gases)

Air 500-700

2.4.3 Metode LMTD

LMTD adalah perbedaan temperatur rata-rata logaritmik (Log

MeanTemperatur Difference). Untuk kasus evaporator yang profil temperaturnya

diidealkan seperti pada Gambar 2. 8 dapat dihitung dengan persamaan:

LMTD = ………(2.28)

Dan Laju perpindahan panas dari udara ke refrigeran jika dihitung

berdasarkan luas bidang perpindahan panas sebesar di sisi luar pipa Ao, adalah:

………(2.29)

Nilai tengah beda temperatur, mT∆ sering disebut Mean Temperatur

Difference (MTD). Parameter ini merupakan fungsi dari temperatur masuk,

temperatur keluar, dan arah aliran dari kedua fluidanya. Karena persamaannya

merupakan bentuk logaritmic, maka persamaan nilai tengah ini akan disebut

LMTD (Log Mean Temperatur Difference). Perhitungan LMTD akan tergantung

pada arah aliran dan jenis Alat Penukar Kalor yang akan dianalisis.


Documents

Pending In