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 bertemperatur rendah 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 han ya pada proses kerjanya. kerjan ya. 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
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 jat uh 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
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
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
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. Unitunit 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-H Sumber : 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-S Sumber : 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 h 3-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 h 1-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 sonasona 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 ganda Sumber : 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 industry Sumber : 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 Konduksi Sumber : 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 (T 1 - 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 termal Sumber : http://rieztiecute/perpindahan panas.blogspot.com/
Untuk susunan beberapa bahan dengan ketebalan L 1, L2,, ... dan konduktivitas masing-masing k 1, k 2,, ... adalah : q =
A (T1 - T2 ) (L1/k 1)
Gambar 15. Perpindahan Panas Konduksi Pada Bahan Tebal Sumber : 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 Konveksi Sumber : 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 (m 2) h = koefisien perpindahan kalor konveksi (W/m 0C) (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 Radiasi Sumber : http://rieztiecute/perpindahan panas.blogspot.com
Persamaan umum radiasi : q = e A s (T s4 - 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 arah Sumber : 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 parallel Sumber : 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 silang Sumber : 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 Tebal Sumber : 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 Pump Sumber : 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
