Teknik Pendingin

Teknik Pendingin danKriogenik

Ir. Henry Nasution, MT., Ph.D

Bung Hatta University Press

TEKNIK PENDINGIN DAN KRIOGENIK

Ir. Henry Nasution, MT., Ph.D

PenerbitBung Hatta University Press Padang

2010

Prakata

Teknik Pendingin dan Kriogenik x

Prakata

Syukur Alhamdulillah, dengan izinNya, usaha untuk menyiapkan buku initerlaksana. Sewaktu buku ini disusun, sangat sedikit buku Teknik Pendinginyang sesuai ditulis dalam Bahasa Indonesia, untuk dijadikan buku teks.Keperluan sebuah buku yang sesuai sangatlah dikehendaki oleh Mahasiswa diUniversitas Bung Hatta dan juga Universitas lainnya. Berdasarkan hakekatinilah penulis mencoba menyusun sebuah buku, khususnya untuk memenuhikeperluan Mahasiswa yang mengambil mata kuliah Teknik Pendingin atauRefrigerasi dan Penyegaran Udara.

Pada buku ini dilengkapi contoh Perhitungan Beban Pendingin dan teoripendukung untuk perhitungan tersebut. Sehingga dapat dijadikan pedomanbagaimana mendisain Mesin Pendingin di lapangan secara praktis maupunpada Tugas Akhir Mahasiswa. Kemudian juga dilengkapi dengan pengantarAplikasi Sistem Kendali pada Sistem Pendingin dan pengantar SistemRefrigerasi Kriogenik.

Semoga dengan terbitnya buku ini, diharapkan banyak membantu Mahasiswadan Staff Pengajar dalam usaha meningkatkan ilmu pengetahuan. Tanggungjawab moral ini dilakukan karena mengingat propesi penulis sebagai pengajardan mengingat pentingnya sebuah buku sebagai pegangan di dalam suatuproses belajar mengajarDisadari bahwa buku ini masih jauh dari sempurna, oleh karena itu penulissangat mengharapkan saran, kritik dan koreksi terhadap isi buku ini, untukdapat digunakan sebagai masukan bagi perbaikan buku dimasa yang akandatang.

Wassalam

Ir. Henry Nasution, MT., Ph.DPadang, November 2010

Daftar Gambar

Teknik Pendingin dan Kriogenik xi

Daftar Gambar

Gambar 1.1: Tekanan atmosfir, terukur dan absolutGambar 1.2: Hubungan antara skala temperaturGambar 1.3: Kekekalan massa di dalam sebuah sistem aliran sederhanaGambar 1.4: Sistem aliran steadyGambar 2.1: PsychrometerGambar 2.2: Diagram Psikometrik (ASHRAE)Gambar 2.3: Diagram Psikometrik (Carrier)Gambar 2.4: Diagram Psikometrik (CIBSE)Gambar 2.5: Diagram Psikometrik (Train Company)Gambar 4.1: Diagram alir kompresi uapGambar 4.2: Daur refrigenerasi CarnotGambar 4.3: Daur kompresi uap idealGambar 4.4: Perbandingan antara siklus kompresi uap standar dan siklus

nyata

Gambar 4.5: Metoda pengubahan uap tekanan rendah menjadi uaptekanan tinggi dalam sebuah sistem refrigerasi

Gambar 4.6: Komponen utama sistem refrigerasi absorbsiGambar 5.1: Sistem penyegaran udaraGambar 5.2: Sistem ekspansi langsungGambar 5.3: Sistem air penuhGambar 5.4: Sistem udara penuhGambar 5.5: Sistem air-udaraGambar 5.6: Tipe JendelaGambar 5.7: Tipe terpisah

Daftar Gambar

Teknik Pendingin dan Kriogenik xii

Gambar 5.8: Unit paket sentralGambar 5.9: Unit koil kipas udaraGambar 5.10: Unit induksiGambar 6.1: Daur kompresi uapGambar 6.2: Diagram T-sGambar 7.1: Komponen beban pendinginGambar 8.1: Blok diagram untuk sistem loop tertutupGambar 8.2: Sistem umpan balik pengendali On/OffGambar 8.3: Karakteristik kendali On/OffGambar 8.4: Blok diagram kendali proporsionalGambar 8.5: Blok diagram kendali integralGambar 8.6: Blok diagram kendali derivatifGambar 8.7: Blok diagram kendali PIGambar 8.8: Blok diagram kendali PDGambar 8.9: Blok diagram kendali PIDGambar 8.10: Komponen kendali fuzzyGambar 8.11: Fungsi keanggotaan segitigaGambar 8.12: Defuzzifikasi metode centroidGambar 8.13: Skematik diagram pengujianGambar 8.14: Respon temperatur ruangan pada kendali On/Off (T = 20oC)Gambar 8.15: Respon temperatur ruangan pada kendali On/Off (T = 22oC)Gambar 8.16: Respon temperatur ruangan pada kendali PID (T = 20oC)Gambar 8.17: Respon temperatur ruangan pada kendali PID (T = 22oC)Gambar 8.18: Respon temperatur ruangan pada kendali fuzzy (T = 20oC)Gambar 8.19: Respon temperatur ruangan pada kendali fuzzy (T = 22oC)

Daftar Gambar

Teknik Pendingin dan Kriogenik xiii

Gambar 8.20: COP aktual untuk kendali On/OffGambar 8.21: COP aktual untuk kendali P, PI, PD, PID dan FuzzyGambar 8.22: Konsumsi energi pada T = 20oCGambar 8.23: Konsumsi energi pada T = 22oCGambar 8.24: Penghematan energi P, PI, PD, PID dan Fuzzy dibandingkan

dengan kendali On/Off pada T = 20oC

Gambar 8.25: Penghematan energi P, PI, PD, PID dan Fuzzy dibandingkandengan kendali On/Off pada T = 22oC

Gambar 8.26: Distribusi temperatur ruangan dan konsumsi energidengan variasi putaran motor kompresor

Gambar 9.1: Refrigerator CarnotGambar 9.2: Siklus CarnotGambar 9.3: Siklus refrigerasi reversible sumber isobarGambar 9.4: Koefisien prestasi untuk refrigerator sumber isobarGambar 9.5: Refrigerator Linde-HampsonGambar 9.6: Siklus termodinamik untuk refrigerator Linde-HompsonGambar 9.7: Prapendinginan Refrigerator Linde-HampsonGambar 9.8: Siklus termodinamik untuk prapendinginan refrigerator

Linde-Hampson

Gambar 9.9: Refrigerator ClaudeGambar 9.10: Siklus termodinamika untuk refrigerator ClaudeGambar 9.11: Refrigerator Claude dengan ekspander basah dan

kompresor uap jenuhGambar 9.12: Skema refrigerator PhilipsGambar 9.13: Siklus ideal termodinamika untuk refrigerator PhilipsGambar 9.14: Refrigerator Vuilleumier

Daftar Gambar

Teknik Pendingin dan Kriogenik xiv

Gambar 9.15: Sikulus termodinamika untuk refrigerator VuilleumierGambar 9.16: Skema refrigerator SolvayGambar 9.17: Diagram T-s refrigerator SolvayGambar 9.18: Skema refrigerator Gifford-McMahonGambar 9.19: Diagram T-s refrigerator Gifford-McMahon

Daftar Tabel

Teknik Pendingin dan Kriogenik xv

Daftar Tabel

Tabel 7.1. Beban pendingin pada atap

Tabel 7.2. Beban pendingin pada dinding sebelah utara

Tabel 7.3. Beban pendingin pada dinding sebelah timur

Tabel 7.4. Beban pendingin pada dinding sebelah barat

Tabel 7.5. Beban pendingin total dinding

Tabel 7.6. Beban pendingin pada kaca secara radiasiTabel 7.7. Beban pendingin pada kaca secara konduksi sebelah timur

Tabel 7.8. Beban pendingin pada kaca secara konduksi sebelah barat

Tabel 7.9. Beban pendingin pada kaca total secara konduksi

Tabel 7.10. Beban pendingin pada kaca total Qkonduksi + QradiasiTabel 7.11. Beban pendingin luar total seluruh kamar

Tabel 7.12. Beban pendingin dalam total seluruh kamar

Tabel 8.1. Karakteristik kendali P, I dan D

Tabel 8.2. Input dan output variabel fuzzy

Tabel 8.3. Perbandingan fungsi keanggotaan

Tabel 8.4. Pengaruh banyaknya fungsi keanggotaan

Tabel 8.5. Aturan logika fuzzy

Tabel 8.6. Nilai COP aktual rata-rataTabel 9.1. Koefisien prestasi untuk refrigerator Carnot pada kondisi

operasi 300 oK dan temperatur rendah

Daftar Isi

Teknik Pendingin dan Kriogenik xvi

Daftar Isi

Prakata xDaftar Gambar xiDaftar Tabel xvDaftar Isi xvi

BAB 1 PENDAHULUAN

1.1 Penerapan Refrigerasi dan Pengkondisian Udara1.2 Sifat-Sifat Termodinamika1.2.1 Tekanan dan Temperatur1.2.2 Rapat Massa, Volume Spesifik, dan Kalor

Spesifik1.2.3 Entalpi dan Entropi1.2.4 Sifat Keadaan1.2.5 Proses-Proses Termodinamika1.3 Mekanisme Perpindahan Panas1.3.1 Konduksi1.3.2 Konveksi1.3.3 Radiasi1.4 Prinsip Kekekalan Massa dan Persamaan Energi1.4.1 Prinsip Kekekalan Massa1.4.2 Persamaan Energi

1335

688

13131414151517

BAB 2 PSIKOMETRIK 21

2.1 Udara Basah2.2 Kelembaban dan Entalpi2.3 Volume, Rapat Massa, Panas Spesifik dan Titik

Pengembunan2.4 Termodinamika Temperatur Bola Basah dari

Temperatur Bola Basah2.5 Diagram Psikometrik

212224

25

27

Daftar Isi

Teknik Pendingin dan Kriogenik xvii

BAB 3 REFRIGERAN DAN SIFAT-SIFATNYA 33

3.1 Sifat-Sifat Refrigeran yang Wajib3.2 Kelompok-Kelompok Refrigeran3.3 Pengaruh Refigeran Terhadap Lingkungan

333537

BAB 4 SIKLUS TERMODINAMIKA DALAMTEKNIK PENDINGIN

38

4.1 Siklus Kompresi Uap4.2 Daur Carnot4.3 Daur Kompresi Uap Ideal4.4 Daur Kompresi Uap Nyata4.5 Siklus Absorbsi

3839404142

BAB 5 SISTEM PENGKONDISIAN UDARA 45

5.1 Klasifikasi Sistem Pengkondisian Udara5.1.1 Klasifikasi Berdasarkan Bentuk5.1.1.1 Ekspansi Langsung5.1.1.2 Sistem Air Penuh (All Water System)5.1.1.3 Sistem Udara Penuh (All-Air System)5.1.1.4 Sistem Air-Udara (Air - Water System)5.1.2 Klasifikasi Berdasarkan Tipe5.1.2.1 Tipe Jendela (Window Unit)5.1.2.2 Tipe Terpisah5.1.2.3 Unit Paket Sentral5.1.2.4 Unit Koil Kipas Udara5.1.2.5 Unit Induksi5.2 Dasar Pemilihan Sistem

45464646474848484950515153

BAB 6 DAUR KOMPRESI UAP56

6.1 Diagram P h6.1.1 Klasifikasi Berdasarkan Bentuk6.1.2 Analisa matematik dari kondisi subdingin

dan panas lanjut

565659

Daftar Isi

Teknik Pendingin dan Kriogenik xviii

6.2 Koefisien Prestasi6.3 Contoh Perhitungan

6061

BAB 7 ESTIMASI BEBAN PENDINGIN 67

7.1 Menentukan Beban Pendingin7.2 Jenis Beban7.3 Estimasi Beban Pendingin7.3.1 Lokasi dan Spesifikasi Bangunan7.3.2 Kondisi Perencanan7.3.3 Perhitungan Beban

717278798182

BAB 8 APLIKASI KENDALI PADA SISTEMPENDINGIN

100

8.1 Sistem Kendali On/Off8.2 Sistem Kendali PID8.2.1 Aksi Kendali Proporsional8.2.2 Aksi Kendali Integral8.2.3 Aksi Kendali Derivatif8.2.4 Kendali Proporsional + Integral (PI)8.2.5 Kendali Proporsional + Derivatif (PD)8.2.6 Kendali Proporsional + Integral + Derivatif

(PID)8.3 Sistem Kendali Fuzzy8.3.1 Alasan Pemakaian Logika Fuzzy8.3.2 Implementasi Logika Fuzzy8.3.3 Komponen Kendali Fuzzy8.4 Implementasi Kendali Pada Sistem Pendingin8.4.1 Distribusi Temperatur8.4.2 Koefisien Prestasi8.4.3 Konsumsi dan Perbandingan Energi8.5 Pengaruh Perubahan Frekuensi pada Sistem

Pendingin

101103104104105106107108

109110111112117120124126129

Daftar Isi

Teknik Pendingin dan Kriogenik xix

BAB 9 SISTEM REFRIGERASI KRIOGENIK 131

9.1 Sistem Refrigerasi Ideal9.1.1 Sistem sumber isotermal ideal secara

termodinamika9.1.2 Sistem sumber isobar ideal secara

termodinamika9.2 Refrigerator Untuk Temperatur Diatas 2 K9.2.1 Sistem refrigerasi Joule Thomson9.2.2 Refrigerator prapendinginan Joule-

Thompson9.2.3 Mesin ekspansi sistem refrigerasi9.2.4 Refrigerator Philips9.2.5 Refrigerator Vuilleumier9.2.6 Refrigerator Solvay9.2.7 Refrigerator Gifford McMahon

131131

135

138138142

145148151154156

ReferensiLampiran

160162

Pendahuluan

Teknik Pendingin dan Kriogenik 1

BAB IPENDAHULUAN

Perkembangan siklus refrigerasi dan perkembangan mesin refrigerasi(pendingin) merintis jalan bagi pertumbuhan dan penggunaan mesinpenyegaran udara (air conditioning). Teknologi ini dimulai oleh Cagniard de laTour (Perancis, 1823) yang melakukan penelitian tentang keadaan kritis dangas eter. Kemudian dilanjutkan oleh Humphrey Dary dan asistennyaM.Faraday (Inggris, 1824), merupakan orang pertama yang berhasilmenemukan cara mencairkan gas ammonia.

Prinsip dasar silus refrigerasi dikembangkan oleh N.L.S. Carnot (Perancis,1824). Selanjutnya Joseph Mc.Creaty (Amerika, 1897), yang pertamamembuat instalasi pendingin yang dinamai mesin pencuci udara (air washer),yaitu suatu sistem pendingin yang mempergunakan percikan air. SedangkanDr. Willis Hariland Carier (Amerika, 1906) dan kemudian dipatenkan padatahun 1911, membuat alat pengatur temperatur dan kelembaban udara.

Penyegaran udara adalah suatu proses mendinginkan udara sehingga dapatmencapai temperatur dan kelembaban yang sesuai dengan yang dipersyaratkanterhadap kondisi udara dari suatu ruang tertentu. Selain itu, mengatur aliranudara dan kebersihannya.

1.1. Penerapan Refrigerasi dan Pengkondisian Udara

Bidanga refrigerasi dan pengkondisian udara salaing berkaitan satu samalainnya, tetapi masing-masing mempunyai ruang lingkup yang berbeda.Penerapan teknik refrigerasi yang terbanyak adalah pada refrigrasi industri,yang meliputi pemrosesan, pengawetan makanan, penyerapan kalor daribahan-bahan kimia, perminyakan, dan industri perminyakan. Dan padakegunaan khusus yaitu pada industri manufaktur dan konstruksi.

Pendahuluan


Aplikasi teknik refrigerasi dan pengkondisian udara, meliputi :

Pengkondisian udara berukuran sedang dan besar. Pengkondisian udara untuk kebutuhan industri. Penghangatan setempat (spot heating). Pendinginan setempat (spot cooling). Laboratorium lingkungan. Tekstil. Instalasi tenaga (power plant). Ruang komputer, dan lain-lain.

Pengkondisian udara untuk tempat tinggal. Pengkondisian udara untuk kendaraan. Penyimpanan dan pendistribusian bahan makanan. Pembekuan. Ruang penyimpanan. Distribusi.

Pemrosesan makanan. Produk susu. Bahan minimuman.

Industri kimia dan proses. Pemisahan gas. Pengembunan gas. Penghilangan kalor reaksi, dan lain-lain.

Penggunaan khusus refrigerasi. Wadah minuman. Penurunan kelembaban. Pembuatan es. Penawat air laut.

Sedangkan aplikasi refrigerasi pada temperatur rendah ( 123oK atau 150oC)lebih dikenal dengan teknik kriogenik, seperti memproduksi gas industri(dengan memisahkan udara menjadi Nitrogen dan Oksigen), gas alam cair, danusaha pencapaian temperatur rendah yang mendekati nol absolut. Aplikasiteknik kriogenik banyak dipergunakan pada bidang kedokteran, pesawat ruangangkasa, material, elektronika dan lain-lain.

Pendahuluan


1.2. Sifat-Sifat Termodinamika

Sifat adalah karakteristik yang dimiliki oleh zat, yang dapat ditentukanbesarnya seperti tekanan, temperatur, rapat massa dan volume spesifik, kalorspesifik, entalpi, entropi, dan sifat cair-uap dari suatu keadaan. Kerja danPanas bukan merupakan sifat, karena keduanya adalah suatu yang diperlukanpada suatu sistem untuk menghasilkan berbagai perubahan sifat. Terjadinyaperpindahan energi sebagai kerja dan panas dapat dibuktikan oleh adanyaberbagai perubahan sifat tetapi besarnya perpindahan energi mempunyaihubungan dengan cara terjadinya perubahan tersebut.

1.2.1. Tekanan dan Temperatur

Telah diketahui bahwa udara di atmosfir ini mempunyai berat. Karenanyamaka udara tersebut bisa menimbulkan tekanan pada permukaan bumi. Rapatmasa udara tidak konstan, yang tergantung pada ketinggian, temperatur dankelembaban. Oleh karena itu tekanan atmosfir, yang disebabkan oleh beratatmosfir atau udara diatas permukaan bumi, sulit atau tidak dapat dihitung.Tekanan atmosfir dapat diukur berdasarkan tinggi kolom zat cair yang bisaditahan. Di permukaan laut, tekanan yang ditimbulkan oleh kolom udara seluas1 cm2 dan setinggi atmosfir adalah 1,03 Kg. Dengan demikian tekananatmosfir pada permukaan air laut adalah 1,03 Kg/cm2 atau setara dengan 10,3m air atau 76 cm air raksa (Hg). Tekanan atmosfir akan berkurang denganelevasi atau ketinggi tempat.

Gambar.1.1 menunjukkan ketiga tekanan, yaitu tekanan atmosfir, tekananterukur dan tekanan mutlak. Tekanan terukur atau tekanan relatif adalahtekanan yang diukur berdasarkan tekanan atmosfir. Tekanan ini bisa lebihbesar (tekanan positif) atau lebih kecil (tekanan negatif atau vakum) daritekanan atmosfir. Sedangkan tekanan absolut atau tekanan mutlak atau tekanansebenarnya adalah merupakan jumlah dari tekanan atmosfir dan tekananterukur. Apabila tekanan terukur negatif maka tekanan mutlak adalah tekananatmosfir dikurangi tekanan terukur.

Temperatur berkaitan dengan energi atau perpindahan energi. Gagasan inilebih merupakan sebagai penunjukkan arah perpindahan energi sebagai panas.

Pendahuluan


Energi cendrung untuk berpindah sebagai panas dari berbagai daerahbertemperatur tinggi ke berbagai daerah yang bertemperatur rendah.

Gambar 1.1: Tekanan atmosfir, terukur dan absolut

Skala temperatur yang paling umum dipakai dalam pengukuran adalahFahrenheit dan Celsius. Skala ini mempergunakan spesifikasi jumlahinckrements antara titik beku dan titik didih air pada tekanan atmosfir. SkalaCelsius mempunyai 100 unit antara kedua titik tersebut, sedangkan skalaFahrenheit memiliki 180 unit.

Temperatur absolut skala Celsius disebut dengan skala Kelvin, sedangkantemperatur absolut skala Fahrenheit disebut Rankine. Kedua skala absolutdidefenisikan agar dapat sedekat mungkin dengan skala temperatur absoluttermodinamik. Titik nol dari kedua skala terdapat pada keadaan fisik yangsama dan perbandingan kedua harga adalah sama, tanpa memperhatikan skalaabsolut yang dipergunakan. Ini dapat diperhatikan pada persamaan berikut :

Kelvin1

2

Rankine1

2

TT

TT 1.1

Pendahuluan


Dalam hal ini titik didih air ditetapkan sebagai temperatur 100 0C dan 212 0F.Korelasi antara skala ini dapat dilihat pada gambar.1.2 dibawah ini.Selanjutnya antara 0F dan 0C terdapat korelasi menurut persamaan berikut :

0F = 32 + (9/5 0C) 1.20R = 9/5 0K 1.3

Gambar 1.2: Hubungan antara skala temperatur

1.2.2. Rapat Massa, Volume Spesifik, dan Kalor Spesifik

Rapat massa () didefenisikan sebagai massa fluida per satuan volume padatemperatur dan tekanan tertentu. Rapat massa pada suatu titik ditulis dalambentuk matematis :

K 0C 0F 0R

373,15

273,15233,15173,15

100

0- 40-100

212,0

32,0

- 40- 148

671,67

491,67419,67311,67

Pendahuluan


1.4

Sebaliknya, volume spesifik (v) adalah volume yang diisi oleh satu satuanmassa. Rapat massa dan volume spesifik saling berkaitan satu sama lain. Kalorspesifik, adalah jumlah energi yang diperlukan untuk menaikkan temperatursatu satuan massa bahan tersebut sebesar 10K. Oleh karena itu besaran inidipengaruhi oleh cara proses berlangsung dan cara kalor yang dilepaskan. Duabesaran yang umum adalah kalor spesifik pada volume konstan (cv) dan kalorspesifik pada tekanan konstan (cp).

1.2.3. Entalpi dan Entropi

Entalpi adalah jumlah kalor yang diberikan atau dilepaskan per satuan massayang ditimbulkan melalui proses dengan tekanan tetap dan meniadakan kerjayang dilakukan. Dalam analisa termodinamika, kombinasi energi dalam (U)dan kerja aliran (pV) atau U + pV sering terjadi, kombinasi ini diberi simbol(H), maka dengan demikian :

H = U + pV 1.5bila ditulis per satuan massa akan berbentuk :

h = u + pv 1.6

Tiap besaran pada ruas kanan dari persamaan diatas adalah sifat zat, jadientalpi merupakan sifat zat. Dari persamaan hukum termodinamika pertama,yaitu :

dQ = dU + dW 1.7dQ = dU + p.dv 1.8

VM

Massa (M) , kgVolume (V), m3

VM

V

lim 0 (kg/m3)

Pendahuluan


karena :

d(p.V) = p.dV + V.dp 1.9maka :

dQ = dU + d(p.V) V.dp 1.10H = U + p.V 1.11dQ = dH V.dp 1.12

pada kondisi khusus dimana proses adalah tekanan konstan, maka :

dQ = dH = (c.dT)p 1.13

atau :dQ = H2 H1 = cp.(T2 T1) 1.14

Sejauh ini gagasan dasar yang esensial bagi konsep entropi telahdikembangkan dan dapat dinyatakan sebagai :

1. Setiap sistem mempunyai entropi, entropi mengukur derajatdisorganisasi mikroskopik atau ketidak pastian manusia akantingkat keadaan mikroskopik.

2. Entropi adalah ekstensif, entropi suatu sistem adalah jumlahberbagai entropi dari bagian-bagiannya.

3. Entropi dapat diproduksi, tetapi tidak pernah dapat dibinasakan,sehingga entropi pada sistem yang diisolasi tidak pernahberkurang.

4. Entropi suatu sistem yang selalu berada pada tingkat keadaanmikroskopik yang unik adalah nol.

Walaupun entropi yang biasa diberi simbol (s) memiliki arti dan filosofi, tetapisifat ini hanya akan digunakan dalam hal yang khusus dan terbatas. Entropiterdapat dalam banyak grafik dan tabel sifat bahan dan dibicarakan disini agardapat dikenal. Kemungkinan penggunaan praktis entropi yang terbanyakadalah untuk mambaca garis entropi konstan pada grafik ketika menghitungkerja dari siklus refrigerasi kompresi uap.

Pendahuluan


1.2.4. Sifat Keadaan

Telah diketahui bahwa zat memiliki beberapa fasa, misalnya air (H2O) dapatberbentuk cairan, gas (uap air) atau padat (es). Fasa didefenisikan sebagaisejumlah zat yang seluruhnya bersifat homogen. Jadi bila suatu sistemmempunyai susunan kimia dan keadaan fisik yang merata (uniform), maka zatitu dapat dikatakan terdiri dari satu fase. Bila beberapa fasa terdapat bersamaanmaka tiap fasa dipisahkan satu sama lain oleh permukaan batas fase. Dalamtiap fase, suatu zat dapat dimiliki temperatur dan tekanan yang berbeda beda.Didalam termodinamika kondisi seperti ini dikatakan zat tersebut mempunyaibeberapa tingkat keadaan. Tiap tingkat keadaan dapat dinyatakan dalam sifatmakroskopik yang mudah diamati.

Tiap sifat pada tiap tingkat keadaan hanya memiliki satu harga, dan sifat initidak tergantung pada apa yang dialami oleh zat itu sebelumnya, ataupun carauntuk mencapai keadaan zat pada saat tersebut. Dari sini dapat dinyatakan sifatzat sebagai suatu besaran yang hanya tergantung pada sistem dan tidaktergantung pada cara yang dilalui (dialami) oleh sistem dalam mencapai suatutingkat keadaan yang tertentu. Sebaliknya tingkat keadaan suatu sistemdinyatakan oleh sifat zat. Oleh karena itu perubahan harga suatu sifat hanyatergantung pada keadaan awal dan akhir suatu sistem. Sifat-sifattermodinamika terdiri dari :

Sifat Intensif.Sifat yang tidak tergantung pada massa zat, seperti : Tekanan, Temperatur,massa jenis, volume jenis, entalpi jenis, entropi jenis, dan lain-lain.

Sifat Ekstensif.

Sifat zat yang tergantung pada massa zat, seperti : massa, volume, dan lain-lain. Sifat ekstensif per satuan massa akan menjadi sifat intensif.

1.2.5. Proses-Proses Termodinamika

Proses adalah perubahan sistem dari suatu keadaan ke keadaan yang lain. Ataudapat juga didefensikan sebagai perubahan keadaan, perubahan sifat fisis, tidak

Pendahuluan


tergantung dari cara perubahannya, dihitung berdasarkan titik-titik padaujungnya (point function) bukan berdasarkan lintasannya (path function).

Proses Reversibel dan Ir-reversibel

Proses reversibel adalah suatu proses yang setelah berlangsung, arahnya dapatdibalik kembali ke kondisi semula tanpa meninggalkan bekas pada sistem danlingkungan, atau suatu proses yang jika arahnya dibalik akan tetap melaluilintasan yang sama (berimpit), begitu pula sebaliknya dengan proses ir-reversibel.

Proses Volume Konstan (isovolum atau isokoris)

Volume spesifik akhir = volume spesifik awal proses.

Misalnya :a. Pendinginan uap air jenuh di dalam sebuah tangki tertutup :

b. Pemanasan udara di dalam ruang tertutup :

200oC100oC

21 V2 = V1

V

T

Udara

cv konstan

V2 = V1Q

Pendahuluan


c. Pemanasan air jenuh di dalam sebuah tangki tertutup :

Proses Tekanan Konstan

Tekanan akhir sistem = tekanan mula-mula (isobaris).

Misalnya :a. Ekspansi gas nitrogen di dalam silinder berpiston :

b. Pendinginan campuran air dan uap air sehingga menjadi air jenuh :

T

V

1

2

N2

1 2

P1 = P2

P = kP2 = P11

2

T

s

Pendahuluan


Proses Temperatur Konstan (isotermis)Tawal = Takhir

Ekspansi/kompresi gas di dalam silinder berpiston :

Proses AdiabatisProses adiabatik adalah suatu proses dimana tidak ada panas yang dipindahkandari atau ke sistem sepanjang proses berlangsung, jadi Q = 0. Proses ini dapatterjadi bila pada pembatas sistem diberi sekat (isolator) penahan aliran panas.Namun walaupun sistem tidak disekat, asalkan laju energi total di dalamsistem jauh lebih besar dibandingkan dengan energi yang dimasukkan ataudikeluarkan ke lingkungannya dalam bentuk panas, maka proses masih dapatdikatakan adiabatik.

Misalnya :Ekspansi/kompresi gas di dalam selinder yang berpiston :

P1

P2

s

T

Pendahuluan


Proses Energi Dalam Konstan

Proses perubahan keadaan sistem tanpa perpindahan panas dan tanpa kerja (u2= u1).

Proses isotermis, T = c, n = 1 Proses isobaris, P = c Proses isovolume, v = c

Pendahuluan


Proses adiabatis, n = k = cp/cv Proses politropis, n = n

1.3. Mekanisme Perpindahan Panas

Panas didefenisikan sebagai bentuk energi yang berpindah antara dua sistem(atau suatu sistem dan sekelilingnya) yang dikarenakan perbedaan temperatur.Sedangkan dalam kehidupan sehari-hari, panas sering digunakan untukmengartikan tenaga dalam (internal energi), yaitu kandungan panas dari bahanbakar, kenaikan panas, burung menyimpan panas dibadannya, dan sebagainya.Dalam termodinamika, panas dan energi dalam adalah dua hal yang berbeda,energi adalah suatu sifat tetapi panas bukan sifat. Suatu benda mengandungenergi tetapi bukan panas, energi berhubungan dengan suatu keadaansedangkan panas berhubungan dengan proses. Maka dalam termodinamikapanas tersebut berarti heat transfer.

Heat transfer (perpindahan panas) adalah perpindahan energi sebagai hasil dariperbedaan temperatur. Adapun mekanisme perpindahan panas, terdiri atas :Konduksi, Konveksi (konveksi paksa dan konveksi bebas) dan Radiasi.

1.3.1. Konduksi

Konduksi adalah difusi energi akibat dari pergerakan acak molekuler.

1.15

1.16

T1 T2

qx = - k dxdT

T1 > T2

x LT

LTT

dxdT 12

Pendahuluan


Fluks panas qx, adalah laju perpindahan panas dalam arah x per satuan luasyang tegak lurus pada arah perpindahan dan sebanding dengan gradientemperatur (dT/dx) pada arah itu. Tanda minus menunjukkan konsekuensipada kenyataannya bahwa panas dipindahkan dari temperatur tinggi ke rendah.Sedangkan simbol k menunjukkan arti sifat transport yang dikenal sebagaikonduktifitas termal dan merupakan karakteristik material dinding.

1.3.2. Konveksi

Konveksi didefenisikan sebagai difusi energi akibat dari pergerakan acakmolekuler ditambah perpindahan energi dari pergerakan makroskopik (fluida).

Perpindahan panas konveksi sebagai perpindahan energi terjadi dalam fluidaakibat dari efek kombinasi dari konduksi dan pergerakan kasar fluida. qadalah fluks panas konveksi, adalah perbandingan luas dengan perbedaantemperatur antara permukaan dan fluida untuk masing-masing Ts dan T.Sedangkan h, koefisien perpindahan panas, tergantung pada dimensipermukaan, kecepatan aliran, sifat primer fluida (, , cp, k), sifat sekunder(kecepatan suara, koefisien volumetrik ekspansi), percepatan gravitasi danperbedaan temperatur.

1.3.3. Radiasi

Radiasi adalah perpindahan energi oleh gerakan gelombang elektromagnetik.

Pada perpindahan panas konduksi dan konveksi memerlukan adanya media,sedangkan pada perpindahan panas radiasi tidak diperlukan dan pada ruanghampapun proses ini dapat terjadi.

Pendahuluan


Persamaan radiasi :

q = Ts4 1.17Persamaan diatas disebut juga dengan hukum Stefan-Boltzman, dengan =5,67x10-8 W/m2.K4. Permukaan dimaksud adalah sama dengan permukaanbenda hitam (sebagai radiator ideal). Jika fluks panas diemisikan daripermukaan nyata arau ril :

q = Ts4 1.18dengan : : sifat radiatif permukaan (emisivitas) atau sifat yang menunjukkan seberapabesar efisien permukaan untuk mengemisikan bila dibandingkan padaradiator ideal.

1.4. Prinsip Kekekalan Massa dan Persamaan Energi

1.4.1. Prinsip Kekekalan MassaMassa adalah suatu konsep yang mendasar, karena itu tidak mudah untukdidefenisikan. Defenisi massa sering dirumuskan dengan merujuk pada hukumNewton yaitu :

Gaya = massa percepatan

Pendahuluan


Gaya = m a = m dtdV

1.19

Suatu benda yang dikenai oleh gaya yang tidak seimbang akan mendapatpercepatan yang besarnya tergantung pada besarnya gaya tersebut. Massa daridua benda yang disatukan adalah jumlah dari masing-masing massa bendatersebut dan bahwasanya pembelahan benda homogen menjadi dua bagianyang sama akan menghasilkan dua benda yang bermassa sama, yang masing-masing setengah dari massa benda semula.

Pada gambar.1.3 dapat diperhatikan bahwa massa di dalam sistem dapatberubah menurut waktu selama massa tersebut mengalir masuk atau keluardari sistem. Anggap bahwa selama d, massa m1 memasuki sistem danmassa m2 meninggalkan sistem. Jika massa di dalam sistem selama waktu adalah m dan pada waktu + adalah m+ maka hukum kekekalan massamenyatakan bahwa :

21 mmmm 1.20

Gambar 1.3: Kekekalan massa di dalam sebuah sistem aliran sederhana

pembagian dengan menghasilkan :012

mmmm 1.21

bila laju aliran massa dinyatakan dengan :

m

mo 1.22

m

1 m1

2 m2

Pendahuluan


jika perubahan yang terjadi setiap saat adalah :

012 oo mmddm 1.23

Pada kebanyakan sistem refrigerasi dan pengkondisian udara, laju aliran massatidak berubah dari waktu ke waktu (kalaupun ada hanya perubahan kecil),karena itu aliran dapat dianggap steady atau mantap.Bila laju perubahan massadi dalam sistem adalah nol, maka :

0dan21 ddm

mmoo

1.24

1.4.2. Persamaan Energi

Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa : besarnya energi yang masukbersama aliran ditambah dengan besarnya energi berupa kalor dikurangidengan besarnya energi dalam bentuk kerja dan dikurangi dengan energi yangmeninggalkan sistem pada sisi keluar sama dengan besarnya perubahanenergi di dalam volume atur. Pada gambar.1.4 dapat diperhatikan sistem aliransteady antara sisi masuk dan keluar dari sistem :

Gambar 1.4: Sistem aliran steady

Pendahuluan


Bahagian.1 :wk = gaya jarak = (P1A1) (l1) 1.25

dimana v1 = A1l1 (specific volume), maka :wk = P1v1 (ft lbf/lbm dari fluida) 1.26

Kerja pada bahagian.1 dan bahagian.2 adalah :wknet = P2v2 P1v1 1.27

Berdasarkan hukum kekekalan energi, dari gambar diatas dapat kita nyatakanbahwa :

1. Massa dari fluida didalam sistem harus sama, jika 1 lbm fluida masukke dalam sistem maka harus sama dengan massa keluar dari sistempada waktu yang sama.

2. Tekanan, temperatur, volume spesifik dan kecepatan aliran semuanyakonstan terhadap waktu pada bahagian masuk sistem. Jumlah nilaiparameter tersebut harus sama dengan nilai pada sisi keluarnya.

3. Transfer energi (panas dan kerja) yang masuk atau keluar dari padabatas sistem (system boundary) harus konstan.

Berdasarkan defenisi diatas maka laju aliran masuk pada bahagian.1 adalah :1

o

m = A1 V1 1 1.28dengan :

1o

m : laju aliran massa (lbm/sec, Kg/sec)A1 : luas permukaan sisi masuk (ft2, m2)V1 : kecepatan aliran (ft/sec, m/s)1 : rapat massa fluida (lbm/ft3, Kg/m3)Dengan demikian laju aliran massa fluida yang meninggalkan system adalah :

2o

m = A2V22 1.29Selama laju aliran massa fluida pada sisi masuk dan keluar system sama, maka

Pendahuluan


1o

m = 2o

m = A1V11 = A2V22 1.30karena fluidanya adalah incompressible (tak mampu mampat), maka 1 = 2sehingga menjadi :

Q = A1 V1 = A2 V2 = A V 1.31

Dari gambar.4 diatas, dapat juga ditulis persamaa energi saat masuk dan keluardari sistem :

JvP

uJg

Vgg

JZ

Jwk

qJvP

uJg

Vgg

JZ

cccc

222

22221

2111

1

211

22

1.32

Dimana J = 778 ft lbf/Btu sebagi faktor pengali, dan akan memperoleh enegimekanik sehingga persamaan diatas menjadi :

222

22

22121111

21

1 7782778778

2vPu

gV

ggZwkqvPu

gV

ggZ

cccc

1.33

Diketahui bahwa entalpi (h) adalah u + Pv, sehingga persamaan diatas dapatkita tulis kembali :

2

22221

211

211

22h

JgV

gg

JZ

Jwk

qhJg

Vgg

JZ

cccc

1.34

dengan :P : tekanan static (lbf/ft2, N/m2)v : volume spesifik (ft3/lbm, m3/Kg)V : kecepatan rata-rata aliran (ft/sec, m/s)g : percepatan gravitasi local (ft/sec2, m/s2)gc : konstan (32,2 lbm ft/lbf sec2, 1 Kgm/Ns2)Z : ketinggian (ft,m)Wk : kerja (ft lbf/lbm, J/Kg)h : entalpi (Btu/lbm, J/Kg)q : transfer energi dalam bentuk panas (Btu)

Pendahuluan


= u2 u1 +J

wk 21

: menunjukkan arah dari pada proses, positiv berarti prosesmemerlukan energi sedangkan tanda negative berarti prosesmelepaskan energi, energi dapat dalam bentuk kerja atau panas.

Referensi


Referensi

1. Anderson, Edwin P., 1969, Air Conditioning, D.B. TaraporevelaSons & Company Private LTD, Bombay.

2. Arismunandar, Wiranto dan Heizo Saito, 1986, Penyegaran Udara,Pradnya Paramita, Jakarta.

3. ASHRAE, 1985, ASHRAE Handbook 1985 Fundamental,American Society of Heating, Refrigerating and Air ConditioningEngineers, Atlanta.



6. Carrier Air Conditioning Company, 1965, Handbook of AirConditioning System Design, Mc-Graw Hill Book Company, NewYork.

7. Clifford, George E., 1984, Heating, Ventilating and AirConditioning, Reston Publishing Company, Virginia.

8. Dossat, Roy J., 1978, Principle of Refrigeration, Second Edition,John Wiley & Sons, New York.

9. Gopal, M., 2002, Control Systems Principles and Design,New Delhi: Tata McGraw-Hill.

10. Hans, B.A., 1986, Cryogenic Engineering, Academic Press,London.

11. Holman, J.P., 1988, Perpindahan Kalor, Erlangga, Jakarta.12. Ibrahim, D., 2002, Microcontroller Based Temperature

Monitoring and Control, Oxford: Newnes.13. Jones, W.P., 2001, Air Conditioning Engineering, Butterworth

Heinemann, Great Britain14. Jordan, Richard C. dan Gayle B. Priester, 1981, Refrigeration and

Air Conditioning, Printice-Hall of India Private Limited, New Delhi.15. Kusumadewi, S., 2002, Analisis dan Desain Sistem Fuzzy :

Menggunakan Toolbox Matlab, Graha Ilmu, Yogyakarta.

Referensi


16. Kusumadewi, S. dan Purnomo, H., 2004, Aplikasi Logika Fuzzy :Untuk Pendukung Keputusan, Graha Ilmu, Yogyakarta.

17. Lang, V. Paul, 1987, Principle of Air Conditioning, DelmarPublisher, New Rork.

18. Miller, Rex, 1983, Refrigeration and Air Conditioning Technology,Bennett Publishing Company, Illinois.

19. Neksa, Petter dan Arne M. Bredesen, 2000, Short Course on CO2Refrigeration Technology,International Conference on Fluid andThermal Energy Convertion 2000, Bandung, Indonesia.

20. Pasek, Ari Darmawan dan Nathanael P. Tandian, 2000, Short Courseon the Applications of Hidrocarbon Refrigerants, InternationalConference on Fluid and Thermal Energy Convertion 2000, Bandung,Indonesia.

21. Pita, Edward G., 1989, Air Conditioning Principles And Systems AnEnergy Approach, Prentice Hall, New Jersey.

22. Stoeckher, W.F. dan Jones J.W., 1989, Refrigerasi danPengkondisian Udara, Erlangga, Jakarta.

23. Vance, Robert W. dan W.M. Duke, 1962, Applied CryogenicEngineering, John Wiley & Sons, New York.

24. Wang, Shan K., Zalman Lavan dan Paul Norton, 1999, AirConditioning and Refrigeration Engineering, CRC Pres, New York.

Tentang Penulis

Henry Nasution adalah Staff Pengajar Tetap JurusanTeknik Mesin Fakultas Teknologi Industri UniversitasBung Hatta dan Staff Pengajar Kontrak di Jurusan Termo-Fluid Fakulti Kejuruteraan Mekanikal Universiti TeknologiMalaysia. Kelahiran Tanjung Balai Karimun, KepulauanRiau, tahun 1970. Memperoleh ijazah Sarjana TeknikMesin di Universitas Bung Hatta tahun 1993 pada bidangKonversi Energi. Tahun 1997, memperoleh gelar Master

Teknik dengan bidang Konversi Energi dengan konsentrasi Aliran Dua Fasepada Jurusan Teknik Mesin Universitas Gadjah Mada. Gelar PhD diperolehtahun 2006 di Jurusan Termo-Fluid Fakulti Kejuruteraan Mekanikal UniversitiTeknologi Malaysia pada bidang Konservasi Energi dengan konsentrasiRefrigerasi dan Sistem Penyegaran Udara. Selanjutnya sejak tahun 2007mengasuh mata kuliah Teknik Pendingin dan Kriogenik pada Jurusan TeknikMesin Universitas Bung Hatta. Tahun 2007-2009, menjadi Peneliti Tamu padaUniversiti Teknologi Malaysia dengan bidang Penghematan Energi padaSistem Pendingin. Tahun 2010-2013, menjadi Dosen Senior (Senior Lecturer)di Jurusan Termo-Fluid Fakulti Kejuruteraan Mekanikal Universiti TeknologiMalaysia dengan mata kuliah yang diasuh Science Engineering dan jugamenjadi Instruktur pada Laboratorium Termodinamika. Sejak tahun 2010menjadi anggota pada Refrigeration and Air Conditioning Research GroupUniversiti Teknologi Malaysia.

Documents

Teknik Pendingin