Teori Dasar Heat Pump

7/16/2019 Teori Dasar Heat Pump

http://slidepdf.com/reader/full/teori-dasar-heat-pump 1/29

A. Pengertian Pompa Kalor

Pompa kalor (heat pump) adalah mesin yang memindahkan panas dari satu

lokasi (atau sumber) ke lokasi lainnya menggunakan kerja mekanis. Sebagian

besar teknologi pompa kalor memindahkan panas dari sumber panas yang

bertemperatur rendah ke lokasi bertemperatur lebih tinggi. Contoh yang paling

umum adalah lemari es, freezer, pendingin ruangan, dan sebagainya.

Pompa panas pada dasarnya adalah sebuah refrigerator yang digunakan

untuk memompa energi termal dari tandon dingin (udara dingin) ke tandon

panas (udara panas). Tandon panas merupakan sistem ideal dengan kapasitor

panas yang demikian besar sehingga dapat menyerap atau memberikan panas

tanpa perubahan temperatur yang berarti.

Sistem pompa kalor itu tidak hanya berfungsi untuk mendinginkan atau

mempertahankan temperatur sumber kalor yang rendah. Tetapi juga dapat

mengalirkan energi kalor ke suatu benda atau penyerap kalor untuk menaikkan

temperatur atau mempertahankan temperaturnya pada tingkat yang tinggi

secara baik. Dalam ilmu termodinamika, refrigerator dan pompa kalor (heat

pump) relatif sama. Perbedaannya, terletak hanya pada proses kerjanya. Mesin

kalor adalah alat yang berfungsi untuk mengubah energi panas menjadi energi

mekanik. Misalnya pada mesin mobil, energi panas hasil pembakaran bahan

bakar diubah menjadi energi gerak mobil. Tetapi, dalam semua mesin kalor

kita ketahui bahwa pengubahan energi panas ke energi mekanik selalu disertai

pengeluaran gas buang, yang membawa sejumlah energi panas. Dengan

demikian, hanya sebagian energi panas hasil pembakaran bahan bakar yang

http://id.wikipedia.org/wiki/Panas

http://id.wikipedia.org/wiki/Kerja_mekanis

http://id.wikipedia.org/wiki/Temperatur

http://id.wikipedia.org/wiki/Lemari_es

http://id.wikipedia.org/w/index.php?title=Freezer&action=edit&redlink=1

http://id.wikipedia.org/w/index.php?title=Pendingin_ruangan&action=edit&redlink=1

http://id.wikipedia.org/w/index.php?title=Pendingin_ruangan&action=edit&redlink=1

http://id.wikipedia.org/w/index.php?title=Freezer&action=edit&redlink=1

http://id.wikipedia.org/wiki/Lemari_es

http://id.wikipedia.org/wiki/Temperatur

http://id.wikipedia.org/wiki/Kerja_mekanis

http://id.wikipedia.org/wiki/Panas



diubah ke energi mekanik. Contoh lain adalah dalam mesin pembangkit tenaga

listrik ; batu bara atau bahan bakar lain dibakar dan energi panas yang

dihasilkan digunakan untuk mengubah wujud air ke uap. Uap ini diarahkan ke

sudu - sudu sebuah turbin, membuat sudu - sudu ini berputar. Akhirnya energi

mekanik putaran ini digunakan untuk menggerakkan generator listrik. Pada

banyak penggunaan, untuk mesin yang sama dapat dipakai sebagai refrigerator

dan juga sebagai pompa kalor. Pada beberapa situasi, baik efek pendinginan

pada satu tingkat temperatur maupun efek pemanasan pada temperatur lain bisa

saja dinginkan, dan dengan demikian sistem akan beroperasi serentak sebagai

mesin refrigerasi dan sebagai pompa kalor.

Pompa kalor bisa disamakan dengan mesin kalor yang beroperasi dengan

cara terbalik. Satu tipe yang paling umum dari pompa kalor dengan

menggunakan sifat fisik penguapan dan pengembunan suatu fluida yang

disebut refrigeran. Pada aplikasi sistem pemanasan, ventilasi, dan pendingin

ruangan, pompa kalor merujuk pada alat pendinginan kompresi-uap yang

mencakup saluran pembalik. Beberapa jenis pompa kalor dengan sumber panas

udara tidak bekerja dengan baik setelah temperatur jatuh di bawah -5 oC.

Diagram sederhana pompa kalor dengan siklus pendinginan uap

bertekanan (vapor-compression refrigeration) :

1. Pengembunan dengan melepaskan panas

2. Saluran yang mengalami pelebaran

3. Penguapan dengan menyerap panas

4. Kompresor

http://id.wikipedia.org/wiki/Mesin_kalor

http://id.wikipedia.org/wiki/Penguapan

http://id.wikipedia.org/wiki/Pengembunan

http://id.wikipedia.org/wiki/Fluida

http://id.wikipedia.org/w/index.php?title=Refrigeran&action=edit&redlink=1

http://id.wikipedia.org/w/index.php?title=Refrigeran&action=edit&redlink=1

http://id.wikipedia.org/wiki/Fluida

http://id.wikipedia.org/wiki/Pengembunan

http://id.wikipedia.org/wiki/Penguapan

http://id.wikipedia.org/wiki/Mesin_kalor



Gambar 1. Siklus Pompa Kalor Sumber : http://id.wikipedia.org/wiki/Turbin

B. Cara Kerja

Berdasarkan pada hukum kedua termodinamika, panas tidak bisa secara

spontan mengalir dari sumber bertemperatur rendah ke lokasi bertemperatur

tinggi; suatu kerja dibutuhkan untuk melakukan ini. Pompa kalor berbeda

dalam hal bagaimana mereka mengaplikasikan kerja tersebut untuk

memindahkan panas, namun pada dasarnya pompa kalor adalah mesin kalor

yang bekerja secara terbalik. Mesin kalor membuat energi mengalir dari lokasi

yang lebih panas ke lokasi yang lebih dingin, menghasilkan fraksi dari proses

tersebut sebagai kerja. Kebalikannya, pompa kalor membutuhkan kerja untuk

memindahkan energi termal dari lokasi yang lebih dingin ke lokasi yang lebih

panas.

Sejak pompa kalor menggunakan sejumlah kerja untuk memindahkan

panas, sejumlah energi yang dibuang ke lokasi yang lebih panas mengandung

kalor yang lebih tinggi dari pada sejumlah kalor yang diambil dari sumber

dingin. Satu tipe pompa kalor bekerja dengan mengeksploitasi sifat fisik

penguapan dan pengembunan fluida yang disebut refrigran. Fluida yang

bekerja, pada keadaan gasnya, diberi tekanan dan disirkulasikan menuju sistem

http://id.wikipedia.org/wiki/Hukum_kedua_termodinamika

http://id.wikipedia.org/wiki/Hukum_kedua_termodinamika



dengan kompresor. Pada satu sisi dari kompresor, di mana gas dalam keadaan

panas dan bertekanan tinggi, didinginkan di penukar panas yang disebut

kondenser, hingga fluida itu mengembun pada tekanan tinggi. Refrigeran yang

telah mengembun melewati alat penurun tekanan yang dapat dilakukan dengan

memperluas volume saluran (memperlebar saluran atau memperbanyak

cabang), atau juga bisa dengan penghambat berupa turbin. Lalu, refrigeran

yang berbentuk cair masuk ke sistem yang ingin didinginkan. Dalam proses

pendinginan itu, refrigeran mengambil panas sehingga refrigeran kembali

menguap dan sistem menjadi dingin.

Dalam sistem seperti ini, sangat penting bagi refrigeran untuk mencapai

suhu tinggi ketika diberi tekanan, karena panas sulit bertukar dari fluida dingin

ke lokasi yang lebih panas secara spontan. Dalam hal ini, refrigeran harus

bersuhu lebih tinggi dari temperatur penukar panas. Dengan kata lain, fluida

harus bertekanan rendah jika ingin mengambil kalor dari suatu sistem dan

menguap, dan fluida harus bertekanan tinggi jika ingin membuang kalor dan

mengembun. Hal ini sesuai dengan persamaan gas ideal yang menyatakan

bahwa temperatur berbanding lurus dengan tekanan. Jika hal ini tercapai,

efisiensi tertinggi akan tercapai.

1. Contoh penggunaan pompa kalor

Lemari es (Refrigerator) dapat dipandang sebagai mesin kalor yang bekerja

terbalik. Mesin kalor mengambil panas dari sebuah wadah panas,

mengubahnya sebagian menjadi usaha mekanik, dan membuang selebihnya

ke sebuah wadah dingin. Akan tetapi refrigerator mengambil panas dari

http://id.wikipedia.org/wiki/Kompresor

http://id.wikipedia.org/w/index.php?title=Kondenser&action=edit&redlink=1

http://id.wikipedia.org/wiki/Turbin

http://id.wikipedia.org/wiki/Turbin

http://id.wikipedia.org/w/index.php?title=Kondenser&action=edit&redlink=1

http://id.wikipedia.org/wiki/Kompresor



wadah dingin, kompresornya memberikan input usaha mekanik, dan panas

dibuang ke wadah panasnya yakni dilingkungan sekitarnya. Bila untuk

menjalankan suatu alat pendingin tidak diperlukan usaha, koefisien kerja

(panas yang diambil dibagi oleh usaha yang dilakukan ) akan menjadi tak

berhingga. Pengalaman membuktikan bahwa selalu diperlukan usaha untuk

memindahkan panas dari benda yang lebih dingin ke benda yang lebih

panas. Ungkapan negatif ini membawa kita kepada ungkapan lain hukum

kedua Termodinamika, yaitu : ”Tidak mungkin ada proses yang hasilnya

hanya memindahkan panas dari benda yang lebih dingin ke benda yang

lebih panas ”.

2. Tinjauan hukum kedua termodinamika tentang mesin kalor

”Tidak mungkin bagi sebuah mesin panas yang bekerja secara siklis untuk

tidak menghasilkan efek lain selain menyerap panas dari suatu tandon dan

melakukan sejumlah usaha-usaha yang ekivalen”. Pernyataan tersebut

merupakan hasil eksperimen tentang rumusan Kelvin – Planck atau rumusan

mesin kalor untuk hukum kedua termodinamika. Penyertaan kata ”siklis”

dalam rumusan ini merupakan hal yang penting karena mengubah panas

seluruhnya menjadi usaha dalam proses yang non siklus, merupakan hal

yang mungkin. Gas ideal yang mengalami ekspansi isotermis dapat

melakukan hal ini. Namun, setelah ekspansi itu, gas tidak berada dalam

keadaan awalnya. Untuk mengembalikan gas ke keadaan awalnya, usaha

harus dilakukan pada gas , dan sejumlah panas yang akan dibuang.



C. Refrigerant

Refrigeran adalah zat yang mengalir dalam mesin pendingin (refrigerasi)

atau mesin pengkondisian udara (AC). Zat ini berfungsi untuk menyerap panas

dari benda atau udara yang didinginkan dan membawanya kemudian

membuangnya ke udara sekeliling di luar benda/ruangan yang didinginkan.

Pemilihan refrigeran pada mesin pendingin merupakan faktor yang

menentukan karena dapat mempengaruhi efisiensi dari mesin itu sendiri. Unit-

unit refrigerasi banyak dipergunakan untuk daerah temperatur yang luas, dari

unit untuk keperluan pendinginan udara sampai refrigerasi. Untuk unit

refrigerasi tersebut diatas, hendaknya dapat dipilih jenis refrigeran yang paling

sesuai dengan jenis kompresor yang dipakai dan karakteristik

thermodinamikanya yang antara lain meliputi temperatur penguapan dan

tekanan penguapan serta temperatur pengembunan dan tekanan pengembunan.

Sifat-Sifat Refrigeran yang Wajib :

1. Tekanan penguapan harus cukup tinggi. Sebaiknya refrigeran memiliki

temperatur pada tekanan yang lebih tinggi, sehingga dapat dihindari

kemungkinan terjadinya vakum pada evaporator dan turunnya efisiensi

volumetrik karena naiknya perbandingan kompresi.

2. Tekanan pengembunan yang tidak terlampau tinggi. Apabila tekanan

pengembunannya terlalu rendah, maka perbandingan kompresinya menjadi

lebih rendah, sehingga penurunan prestasi kondensor dapat dihindarkan,

selain itu dengan tekanan kerja yang lebih rendah, mesin dapat bekerja lebih



aman karena kemungkinan terjadinya kebocoran, kerusakan, ledakan dan

sebagainya menjadi lebih kecil.

3. Kalor laten penguapan harus tinggi. Refrigeran yang mempunyai kalor laten

penguapan yang tinggi lebih menguntungkan karena untuk kapasitas

refrigerasi yang sama, jumlah refrigeran yang bersirkulasi menjadi lebih

kecil.

4. Volume spesifik ( terutama dalam fasa gas ) yang cukup kecil. Refrigeran

dengan kalor laten penguapan yang besar dan volume spesifik gas yang

kecil ( berat jenis yang besar ) akan memungkinkan penggunaan kompresor

dengan volume langkah torak yang lebih kecil. Dengan demikian untuk

kapasitas refrigerasi yang sama ukuran unit refrigerasi yang bersangkutan

menjadi lebih kecil. Namun, untuk unit pendingin air sentrifugal yang kecil

lebih dikehendaki refrigeran dengan volume spesifik yang agak besar.

5. Koefisien prestasi harus tinggi. Dari segi karakteristik thermodinamika dari

refrigeran, koefisien prestasi merupakan parameter yang terpenting untuk

menentukan biaya operasi.

6. Konduktivitas termal yang tinggi. Konduktivitas termal sangat penting

untuk menentukan karakteristik perpindahan kalor.

7. Viskositas yang rendah dalam fasa cair maupun fasa gas. Dengan turunnya

tahanan aliran refrigeran dalam pipa, kerugian tekanannya akan berkurang.

8. Konstanta dielektrika dari refrigeran yang kecil, tahanan listrik yang besar,

serta tidak menyebabkan korosi pada material isolator listrik. Sifat-sifat



tersebut dibawah ini sangat penting, terutama untuk refrigeran yang akan

dipergunakan pada kompresor hermetik.

9. Refrigeran hendaknya stabil dan tidak bereaksi dengan material yang

dipakai, jadi juga tidak menyebabkan korosi.

10. Refrigeran tidak boleh beracun dan berbau merangsang.

11. Refrigeran tidak boleh mudah terbakar dan mudah meledak.

12. Murah. Ekonomis

Sebaiknya refrigeran menguap pada tekanan sedikit lebih tinggi dari pada

tekanan atmosfir. Dengan demikian dapat dicegah terjadinya kebocoran udara

luar masuk sistem refrigeran karena kemungkinan adanya vakum pada seksi

masuk kompresor (pada tekanan rendah). Selain itu dapat dicegah turunnya

efisiensi volumetrik karena naiknya perbandingan kompresi, yang dapat

disebabkan karena berkurangnya tekanan dibagian tekanan rendah. Itulah

sebabnya mengapa titik didih refrigeran merupakan salah satu faktor yang

sangat penting. Boleh dikatakan bahwa refrigeran yang memiliki titik didih

rendah biasannya dipakai untuk keperluan operasi pendinginan temperatur

rendah (refrigerasi), sedangkan refrigeran yang memiliki titik didih tinggi

digunakan untuk keperluan pendinginan temperatur tinggi (pendinginan udara).

Jadi titik didih refrigeran merupakan indikator yang menyatakan apakah

refrigeran dapat menguap pada temperatur rendah yang diinginkan, tetapi pada

tekanan yang tidak terlalu rendah. Dari segi termodinamika R12, R22, R500,

R502, ammonia dan sebagainya dapat dipakai untuk daerah temperatur yang

luas, dari keperluan pendinginan udara sampai ke refrigerasi.



D. Faktor Prestasi

Faktor prestasi adalah perbandingan antara kalora yang dilepaskan dengan

kalora yang diperlukan. Daerah dipanaskan lanjut akan berada di sebelah kanan

garis uap jenuh pada daerah pemanasan lanjut. Gas tekanan tetap pertama kali

akan sedikit turun ke arah kanan dan kemudian tegak lurus garis spesifik

konstan akan miring ke atas ke arah kanan garis volume spesifik yang lebih

tinggi akan ditentukan pada tekanan jenuh tersebut. Prestasi pompa kalor

dinyatakan dengan faktor prestasi bila induk prestasi didefinisikan sebagai

jumlah komoditi yang diinginkan dibagi dengan jumlah pengeluaran faktor

prestasi :

Sebenarnya semua sistem refrigerant adalah pompa kalor, karena sistem

tersebut menyerap energi kalor pada tingkat suhu yang rendah dan

membuangnya setingkat suhu yang tinggi akan tetapi diantara pemakaian

sistem refrigerator telah dikembangkan suatu sistem yang memanfaatkan kalor

yang dilepaskan di kondensor untuk pemanasan. Jadi tidak dibuang ke

atmosfer. Ada kegunaan tertentu dimana pompa kalor melakukan pendinginan

sekaligus pemanasan dalam waktu yang bersamaan ini adalah sesuatu keadaan

yang menguntungkan.



E. Diagram P-H dan T-S untuk Heat pump

1. Diagram P-H

Gambar 2. Diagram P-HSumber : http://refrigerasi dari sistem pengkondisian udara.blogspot.com

Daur kompressi uap standar pada diagram suhu-entropi pada gambar di atas.

Proses-proses yang yang membentuk daur kompressi uap standar adalah :

a. Proses 1-2 :Kompressi Adiabatik dan reversible, dari uap jenuh menuju

tekanan kondensor.

b. Proses 2-3 : Pelepasan kalor reversible pada tekanan konstan,

menyebabkan penurunan panas lanjut (desuperheating) dan

pengembunan refrigran.

c. Proses 3-4 : Ekspansi tidak reversible pada enthalpi konstan, dari cairan

jenuh menuju tekanan evaporator.

d. Proses 4-1 : Penambahan kalor reversible pada tekanan tetap, yang

menyebabkan penguapan menuju uap jenuh.



2. Diagram T-S

Gambar 3. Diagram T-SSumber : http://refrigerasi dari sistem pengkondisian udara.blogspot.com

Dengan bantuan diagram enthalpi-tekanan, besaran yang penting dalam

daur kompressi uap dapat diketahui. Besaran-besaran ini adalah kerja

kompressi, laju pengeluaran kalor, dampak refrigrasi, koefisien prestasi

(COP), laju aliran massa untuk setiap kilowatt refrigrasi, dan daya

perkilowatt refrigrasi.

Kerja kompressi merupakan perubahan enthalpi pada proses 1-2 pada

gambar diatas atau h1-h2. hubungan ini diturunkan dari persamaan aliran

energi yang mantap (steady flow of energi).

h1 + q = h2 + w

Dengan perubahan energi kinetik dan energi potensial diabaikan, karena

dalam kompressi adiabatik perpindahan kalor q nilainya nol, kerja w sama

dengan h1-h2. Perbedaan enthlpi merupakan besaran negatif, yang

menunjukkan bahwa kerja diberikan pada sistem. Walaupun kompressor



tersebut dari jenis torak, dimana alirannya terputus-putus, tidak mantap,

tetapi proses 1-2 masih menyatakan kerja kompressor.

Pelepasan kalor dalam kilojoule per kilogram adalah perpindahan kalor

dari refrigran pada proses 2-3, yaitu h3-h2. Pengetahuan ini juga berasal dari

persamaan aliran energi yang mantap, dimana energi kinetik, energi

potensial, dan kerja dikeluarkan. Harga h3-h2 negatif menunjukkan bahwa

kalor dikeluarkan dari refrigran.

Dampak refrigrasi dalam kilojoule per kilogram adalah kalor yang

dipindahkan dari proses 4-1, atau h1-h4. Besarnya harga bagian ini sangt

penting diketahui karena proses ini merupakan tujuan utama dari seluruh

sistem.

F. Jenis jenis Heat Pump

1. Pompa kalor paket (package heat pump) dengan daur reversible.

Pompa kalor jenis ini selama berlangsung proses pemanasan, katup akan

mengatur sendiri sehingga gas buang bertekanan tinggi dari kompressor

pertama mengalir ke penukar kalor didalam arus udara yang dikondisikan.

Pada proses pengembunannya refrigran tersebut melepaskan kalor

memanaskan udara, kemudian refrigran mengalir ke bagian alat ekspansi

dan uap air diarahkan ke jalur isap kompressor. Jenis ini mencakup unit-unit

rumah tinggal dan komersil, berukuran kecil yang mampu memanaskan

ruangan pada musim dingin dam mendinginkannya di musim panas.



Gambar 4. Pompa kalor paket (package heat pump)Sumber : http://lyricsdigger.info/s/heat%20pump%20package

2. Pompa kalor dengan kondensor bundel ganda (double bundle condensor)

Selama masa dingin, bangunan-bangunan membutuhkan kalor untuk sona-

sona bagian yang terletak di bagian pinggir, sedangkan sona bagian dalam

tidak dipengaruhi oleh kondisi luar, dan selalu membutuhkan pendinginan.

Satu jenis pompa kalor yang bersumber dari dalam ( internal source heat

pump) yang memompa kalor yang mempunyai kondensor yang berbundel

ganda atau double bundle condensor. Dimana menara pendinginan

mendinginkan air untuk salah satu bundel dan air pemanas untuk coil. Sona

luar mengalir untuk bundel yang lain.

Gambar 5. Pompa kalor dengan kondensor bundel gandaSumber : http://www.made-in-china.com/products-search/ /Shell_And_Tube.html



3. Pompa kalor tidak terpusat (desentriliset heat pump)

Sistem dapat memompa kalor dari sona-sona pembangunan yang

membutuhkan pendinginan ke sona lain yang membutuhkan penghangatan.

Unit-unit pompa kalor ini tersedia dalam bentuk yang disesuaikan dengan

ruang plafon, ruang-ruang dengan peralatan yang kecil atau sebagai konsole

ruangan.

Gambar 6. Pompa kalor tidak terpusat (Disentriliset heat pump)Sumber : http://industri.iklanmax.com/water-cooled-chiller-brine-chiller-chiller-2.html

4. Pompa kalor industri

Penggunaan pompa kalor saat ini diarahkan pada pemanasan dan

pendinginan bangunan. Salah satu contoh penggunaan pompa kalor industri

adalah sebuah konsentrator sari buah. Sari buah atau juice yang harus dibuat

konsentrat pada suhu rendah untuk melindungi cita rasanya. Memasuki alat

penguap air yang bekerja dibawah tekanan atmosfer. Kalor untuk penguapan

didapat dengan pengembunan refrigran.



Contoh lainnya adalah sebuah pompa kalor yang memompa kalor ke

pendidih ulang atau boiler sebuah destilasi. Kondensor harus didinginkan

pada suhu rendah dan reboiler menerima kalor pada suhu tinggi.

Gambar 7. Pompa kalor industrySumber : http://industri.iklanmax.com/water-cooled-chiller-brine-chiller-chiller-2.html

G. Bagian Bagian Utama Heat Pump

1. Kompresor

Gambar 8. Kompresor Sumber : http://industri.iklanmax.com/water-cooled-chiller-brine/chiller-2.html

Kompresor adalah jantung dari sistem tata udara, Kompresor berguna

untuk menghisap uap refrigeran dari ruang penampung uap. Ketika di dalam

penampung uap, tekanannya diusahakan agar tetap rendah, supaya

refrigeran senantiasa berada dalam keadaan uap dan bersuhu rendah. Lalu



ketika di dalam kompresor, tekanan refrigeran dinaikkan sehingga

memudahkan pencairannya kembali. Energi yang diperlukan untuk

kompresi diberikan oleh motor listrik yang menggerakkan kompresor.

Jumlah refrigeran yang bersirkulasi dalam siklus refrigerasi tergantung pada

jumlah uap yang dihisap masuk ke dalam kompresor .

Dua jenis utama dari kompresor :

a. Kompresor positif, dimana gas di hisap masuk kedalam silinder dan

dikompresikan sehingga terjadi kenaikan tekanan.

b. Kompresor non positif, dimana gas yang dihisap masuk dipercepat

alirannya oleh sebuah impeler yang kemudian mengubah energi kinetik

untuk menaikkan tekanan.

2. Kondensor

Gambar 9. Kondensor

Sumber : http://industri.iklanmax.com/water-cooled-chiller-brine/chiller-2.html

Kondensor berguna untuk pengembunan dan pencairan kembali uap

refrigeran. Uap refrigeran yang bertekanan dan bersuhu tinggi pada akhir

kompresi dapat dengan mudah dicairkan dengan mendinginkannya dengan

air pendingan (dengan udara pendingin pada sistem dengan pendinginan

udara) yang ada pada suhu normal. Dengan kata lain, uap refrigeran



menyerahkan panasnya (kalor laten pengembunan) kepada air dingin di

dalam kondensor, sehingga mengembun dan menjadi cair. Jadi karena air

pendingin menyerap panas dari refrigeran, maka ia akan menjadi panas pada

waktu keluar dari kondensor. Selama refrigeran mengalami perubahan

dari fasa uap ke fasa cair, dimana terdapat campuran refrigeran dalam fasa

uap dan cair, tekanan (tekanan pengembunan) dan suhunya (suhu

pengembunan) konstan. Kalor yang dikeluarkan dari dalam kondensor

adalah jumlah kalor yang diperoleh dari udara yang mengalir melalui

evaporator. Uap refrigeran menjadi cair sempurna didalam kondensor,

kemudian dialirkan kedalam melalui pipa kapiler /katup ekspansi.

3. Evaporator

Gambar 10. Evaporator Sumber : http://www.diytrade.com/china/4/products/2715158/A_C_Evaporator.html

Tekanan cairan refrigeran yang diturunkan pada katup ekspansi,

didistribusikan secara merata kedalam pipa Evaporator oleh distributor

refrigeran , pada saat itu refrigeran akan menguap dan menyerap kalor dari

udara ruangan yang dialirkan melalui permukaan luar dari pipa evaporator.

Cairan refrigeran diuapkan secara berangsur-angsur karena menerima kalor

sebanyak kalor laten penguapan, selama proses penguapan itu, di dalam pipa



akan terdapat campuran refrigeran dalam fasa cair dan gas. Suhu penguapan

dan tekanan penguapan dalam keadaan konstan pada saat itu terjadi.

Evaporator adalah penukar kalor yang memegang peranan paling penting di

dalam siklus refrigerasi, yaitu mendinginkanmedia sekitarnya.

Evaporator ini berfungsi untuk menguapkan gas/uap refrigerant yang

bertemperatur dan bertekanan rendah. Bila udara melewati evaporator

menjadi dingin sampai temperatur tekanan dibawah pengembunan, uap air

akan mengembun dan menempel pada sirip evaporator dalam bentuk

tekanan air. Bila pada saat ini temperatur sirip sampai dibawah 0° C, tetesan

air akan berubah menjadi es.

Bentuk dan konstruksi evaporator tidak berbeda dari kondensor , tapi

fungsi kedua – duanya berlainan.Pada kondensor panas zat pendingin harus

dikeluarkan, agar terjadi perubahan bentuk zat pendingin dari gas ke cair .

4. Katup Ekspansi

Gambar 11. Katup Ekspansi Sumber : http://rieztiecute.blogspot.com/

Untuk menurunkan tekanan dari refrigeran cair (yang bertekanan tinggi)

yang dicairkan di dalam kondensor, agar dapat mudah menguap, maka

dipergunakan alat yang dinamakan katup ekspansi atau pipa kapilar. Katup

ekspansi ini dirancang untuk suatu penurunan tekanan tertentu. Katup



ekspansi yang biasa dipergunakan adalah katup ekspansi termostatik yang

dapat mengatur laju aliran refrigeran , yaitu agar derajat super panas uap

refrigeran di dalam evaporator dapat diusahakan konstan. Dalam penyegar

udara yang kecil, dipergunakan pipa kapiler sebagai pengganti katup

ekspansi.

Cairan refrigeran mengalir ke dalam evaporator, tekanannya turun dan

menerima kalor penguapan dari udara, sehingga menguap secara

berangsurangsur. Selanjutnya, proses siklus tersebut di atas terjadi secara

berulang-ulang.

Jenis katup ekspansi yang paling popular untuk sistem refrigasi adalah

katup berkendali lanjut panas, yang biasa disebut dengan katup ekspansi

termostatik. Katup ekspansi termostatik mengatur laju aliran refrigeran cair

yang besarnya sebanding dengan laju penguapan di dalam evaporator.

Katup ekspansi mengatur supaya evaporator dapat selalu bekerja

sehinga diperoleh efisiensi siklus refrigerasi yang maksimal. Apabila beban

pendinginan turun, atau apabila katup expansi membuka lebih lebar, maka

refrigeran didalam evaporator tidak menguap sempurna, sehingga refrigeran

yang terisap masuk ke dalam kompresor mengandung cairan. Apabila hal

tersebut terjadi dalam waktu cukup lama, sebagian uap akan mencair

kembali, dan katup kompresor akan mengalami kerusakan.



H. Jenis Jenis Perpindahan Kalor dan Arah Aliran Perpindahan Panas

Bila dua benda atau lebih terjadi kontak termal maka akan terjadi aliran

kalor dari benda yang bertemperatur lebih tinggi ke benda yang bertemperatur

lebih rendah, hingga tercapainya kesetimbangan termal.

Proses perpindahan panas ini berlangsung dalam 3 mekanisme, yaitu :

konduksi, konveksi dan radiasi.

1. Konduksi

Konduksi adalah proses perpindahan kalor melalui zat tertentu yang

berfungsi sebagai penghantar, tanpa diikuti perpindahan zat tersebut. Dalam

konduksi, kalor dipindahkan dari satu sistem ke sistem yang lain melalui

rambatan kalor di dalam sebuah penghantar atau konduktor dari satu ujung

ke ujung lain yang suhunya berbeda. Jadi, dalam proses perpindahan kalor

melalui konduksi perlu adanya medium penghantar atau konduktor kalor.

Konduksi dapat terjadi akibat adanya perbedaan suhu di antara ujung yang

satu dengan ujung lain dari suatu konduktor. Arah hantaran kalor (konduksi)

dari tempat bersuhu tinggi ke tempat bersuhu rendah.

Proses perpindahan kalor secara konduksi bila dilihat secara atomik

merupakan pertukaran energi kinetik antar molekul (atom), dimana partikel

yang energinya rendah dapat meningkat dengan menumbuk partikel dengan

energi yang lebih tinggi.

Sebelum dipanaskan atom dan elektron dari logam bergetar pada posisi

setimbang. Pada ujung logam mulai dipanaskan, pada bagian ini atom dan

elektron bergetar dengan amplitudi yang makin membesar. Selanjutnya



bertumbukan dengan atom dan elektron disekitarnya dan memindahkan

sebagian energinya. Kejadian ini berlanjut hingga pada atom dan elektron di

ujung logam yang satunya. Konduksi terjadi melalui getaran dan gerakan

elektron beban.

Gambar 12. Perpindahan Panas KonduksiSumber : http://rieztiecute/perpindahan panas.blogspot.com/

Bila T2 dan T1 dipertahankan terus besarnya, maka kesetimbangan

termal tidak akan pernah tercapai, dan dalam keadaan mantap/tunak (stedy

state), kalor yang mengalir persatuan waktu sebanding dengan luas

penampang A, sebanding dengan perbedaan temperatur T dan berbanding

terbalik dengan lebar bidang x

Q/t = H A T/x

q = - k A (T1 - T2 ) / L

Untuk penampang berupa bidang datar : k adalah kondutivitas termal



Gambar 13. Perpindahan Panas Konduksi Pada Bidang Datar Sumber : http://rieztiecute/perpindahan panas.blogspot.com/

Konduktivitas termal untuk beberapa bahan :

Gambar 14. Konduktivitas termalSumber : http://rieztiecute/perpindahan panas.blogspot.com/

Untuk susunan beberapa bahan dengan ketebalan L1, L2,, ... dan

konduktivitas masing-masing k 1, k 2,, ... adalah :

q = A (T1 - T2 )

(L1/k 1)



Gambar 15. Perpindahan Panas Konduksi Pada Bahan TebalSumber : http://rieztiecute/perpindahan panas.blogspot.com

2. Konveksi

Perpindahan kalor secara konveksi terjadi akibat adanya aliran partikel-

partikel medium penghantar panas. Sehingga kalor dipindahkan melalui

aliran partikel-partikel medium. Sebagai contoh, panas yang dipindahkan

dari dasar panci tempat memasak air ke permukaan air di atasnya

dipindahkan secara konveksi. Terjadinya aliran partikel-partikel medium

akibat adanya perbedaan massa jenis medium di tempat yang bersuhu tinggi

dengan massa jenis medium di tempat bersuhu rendah. Tempat yang

menerima kalor volumenya akan bertambah dan menyebabkan kerapatan

massa atau massa jenisnya berkurang, sedangkan di tempat yang belum

menerima kalor volumenya belum bertambah, sehingga kerapatannya tetap.

Akibatnya, partikel-partikel dari medium yang bermassa jenis rendah akan

cendrung berpindah ke tempat yang lebih tinggi dan partikel medium yang

bermassa jenis besar akan cendrung mendesak ke bawah. Hasilnya adalah

terjadinya aliran partikel-partikel medium dari tempat yang bersuhu tinggi

ke tempat yang bersuhu rendah. Pada saat bersamaan, kalor dibawa

(dipindahkan) dari tempat bersuhu tinggi ke tempat bersuhu rendah. Arah



aliran konveksi adalah dari medium yang bermassa jenis kecil (bersuhu

tinggi) ke medium yang bermassa jenis besar (bersuhu rendah).

Gambar 16. Perpindahan Panas KonveksiSumber : http://rieztiecute/perpindahan panas.blogspot.com

Apabila kalor berpindah dengan cara gerakan partikel yang telah dipanaskan

dikatakan perpindahan kalor secara konveksi. Bila perpindahannya

dikarenakan perbedaan kerapatan disebut konveksi alami (natural

convection) dan bila didorong, misal dengan fan atau pompa disebut

konveksi paksa (forced convection).

Besarnya konveksi tergantung pada :

a. Luas permukaan benda yang bersinggungan dengan fluida (A).

b. Perbedaan suhu antara permukaan benda dengan fluida (T).

Persamaan umum konveksi :

q = h*A* (T2 – T1)

Keterangan :

q = Laju perpindahan panas konveksi (W)

A = Luas penampang (m2)

h = koefisien perpindahan kalor konveksi (W/m0C)

(T2 – T1) = Perubahan suhu (0C)



3. Radiasi

Radiasi adalah proses perpindahan kalor tanpa melibatkan medium,

meskipun radiasi juga dapat terjadi jika ada medium. Kalor yang

dipancarkan ke segala arah di dalam ruang tanpa perlu adanya penghantar.

Sebagai contoh, kalor yang dipancarkan sinar matahari sampai ke bumi

secara radiasi di dalam ruang hampa, sampai akhirnya masuk lapisan

atmosfer bumi paling luar (atas) dan terus turun sampai pada kita setelah

menjalar di dalam udara. Meskipun sinar matahari menjalar di dalam udara,

tetapi sinar matahari (kalor) itu tidak merambat melalui udara. Dengan kata

lain, udara tidak menghantarkan kalor dari sinar matahari ke bumi.

Gambar 17. Perpindahan Panas RadiasiSumber : http://rieztiecute/perpindahan panas.blogspot.com

Persamaan umum radiasi :

q = e A s (Ts4 - Tsur

4)

Keterangan :

q = laju perpindahan kalor

e = emisivitas termal

A = luas permukaan

s = Konstanta Steven-Boltzman

(Ts4 - Tsur4) = Beda temperatur



Arah aliran Perpindahan Panas

1. Counter current flow (aliran berlawanan arah)

Penukar panas jenis ini, kedua fluida ( panas dan dingin ) masuk penukar

panas dengan arah berlawanan, mengalir dengan arah berlawanan dan keluar

pada sisi yang berlawanan . Temperatur fluida dingin yang keluar penukar

panas (Tcb ) lebih tinggi dibandingkan temperatur fluida panas yang keluar

penukar panas ( Thb ), sehingga dianggap lebih baik dari alat penukar panas

aliran searah (Co- Current ).

Gambar 18. Aliran berlawanan arahSumber : http://ismantoalpha.blogspot.com/2009/12/kondensor.html

2. Paralel flow/co current flow (aliran searah)

Pertukaran panas jenis ini, kedua fluida ( dingin dan panas ) masuk pada sisi

penukar panas yang sama, mengalir dengan arah yang sama, dan keluar

pada sisi yang sama pula. Karakter penukar panas jenis ini, temperatur

fluida dingin yang keluar dari alat penukar panas ( Tcb ) tidak dapat

melebihi temperatur fluida panas yang keluar dari alat penukar panas (Thb),

sehingga diperlukan media pendingin atau media pemanas yang banyak.



Gambar 19. Aliran parallelSumber : http://ismantoalpha.blogspot.com/2009/12/kondensor.html

3. Cross flow (aliran silang)

a. Aliran fluida panas dalam pipa yang terpisah tidak ada pencampuran dari

aliran fluida..

b. Aliran fluida dingin adalah campuran selama melalui penukar kalor.

c. Temperatur dari fluida campuran ini akan unifrom (sama rata), selama

melintasi setiap bagian yang akan bervariasi harga dalam arah aliran,

misalnya unit pendingin dari sestem refrigerant.

Gambar 20. Aliran silangSumber : http://ismantoalpha.blogspot.com/2009_12_04_archive.html

4. Cross counter flow (aliran silang berlawanan)

Jenis adalah aliran yang arahnya silang dan berlawanan.



I. Gambar Instalasi

Gambar 21. Perpindahan Panas Konduksi Pada Bahan TebalSumber : http://rieztiecute/perpindahan panas.blogspot.com

Keterangan :

T1 = Temperatur Udara Masuk

T2 = Temperatur Udara Keluar

T3 = Temperatur Air sebelum eveporator dari imer SIO

T4 = Temperatur Air sesudah eveporator ke flow meter

T5 = Temperatur Refrigerant sesudah compressor

T6 = Temperatur Refrigerant sebelum compressor

T7 = Temperatur Refrigerant sesudah evaporator

T8 = Temperatur Refrigerant sebelum evaporator

T9 = Temperatur Refrigerant masuk kondensor

T10 = Temperatur Refrigerant keluar kondensor



Gambar 22. Heat PumpSumber : Laboratorium mesin mesin fluida

Keterangan :

1. Kondensor, sebagai alat pengembunan refrigeran

2. Pipa refrigerant, untuk mensikluskan refrigerant dalam system pengujian

3. Meja, untuk tempat alat uji

4. Bagan siklus pengkondisian, mengetahui posisi temperature yang diukur

5. Wattermeter, indikator daya compressor dan fun

6. Termokopel, mengukur temperature diberbagai tempat dalam system

7. Tuning indikator, mengarahkan pembacaan temperatur pada setiap titik

8. Flowmeter, mengukur debit aliran air dalam sistem

9. Saklar pengatur beserta lampu-lampu indicator

10. manometer, mengukur beda tekanan dlam pipa

11. katup pengatur debit aliran, untuk mengatur besar debit aliran

12. exhaust pipe, saluran buang system

13. Reservoir, sebagai tempat penampungan air yang akan disirkulasikan

Documents

Teori Dasar Heat Pump