LEMBAR PENGESAHAN PEMBIMBING PERANCANGAN PERPINDAHAN KALOR PADA SISTEM PENDINGIN ABSORBSI BERTENAGA MATAHARI

Transkripsi

1 LEMBAR PENGESAHAN PEMBIMBING PERANCANGAN PERPINDAHAN KALOR PADA SISTEM PENDINGIN ABSORBSI BERTENAGA MATAHARI Diajukan untuk memnuhi salah satu persyaratan dalam merahi gelar Sarjana Teknik (Strata 1) pada jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri Tugas ini telah diperiksa dan disetujui oleh Jakarta, April 2007 Dosen Pembimbing Ir. Yuriadi Kusuma, Msc

2 LEMBAR PENGESAHAN PEMBIMBING PERANCANGAN PERPINDAHAN KALOR PADA SISTEM PENDINGIN ABSORBSI BERTENAGA MATAHARI Diajukan untuk memnuhi salah satu persyaratan dalam merahi gelar Sarjana Teknik (Strata 1) pada jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri Tugas ini telah diperiksa dan disetujui oleh Jakarta, April 2007 Kordinator Tugas Akhir Ir. Ariosuko. DH.M.T

3 LEMBAR PENGESAHAN Saya yang bertada tangan di bawah ini : Nama : HENDRA GUNAWAN Nim : Jurusan Fakultas Perguruan Tinggi : TEKNIK MESIN : TEKNOLOGI INDUSTRI : UNIVERSITAS MERCU BUANA Menyatakan dengan sesungguhnyabahwa tugas akhir ini adalah hasil karya saya sendiri dan tidak menyadur dari karya orang lain, kecuali kutipan-kutipan yang diambil dari berbagai buku referensi yang di sebutkan dalam daftar pustaka atau referensi lain. Jakarta, April 2007 Hormat Saya ( HENDRA GUNAWAN )

4 KATA PENGANTAR Puji syukur dan terima kasih saya panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan karunia serta bimbingan-nya sehingga Tugas Akhir yang berjudul Perancangan Perpindahan Kalor Pada Sistem Pendingin ABSORBSI Bertenaga Matahari dapat diselesaikan dengan baik. Disertai dengan doa keluarga kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan Laporan Tugas Akhir dengan sebaikbaiknya. Tugas Akhir diajukan sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan program studi S-1 pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri Universitas Mercu Buana Jakarta. Dalam penyusunan laporan Tugas Akhir ini penulis mengucapkan terima kasih atas bimbingan dan bantuan langsung maupun tidak langsung, Kepada : 1. Orang tua, adik-adik saya yang selalu memberikan dorongan dan semangat serta Doa selama saya melakukan penulisan Tugas Akhir. 2. Bapak dan Ibu Aris Munadi yang selalu memberikan semangat dan Doanya kepada saya untuk menyelesaikan Tugas Akhir ini. 3. Silvia Risti W.F yang selalu mendampingi saya dan Doa-nya untuk menyelesaikan Tugas Akhir ini. 4. Bapak Ir. Yuriadi Kusuma Msc selaku Dosen pembimbing utama yang telah menjadi inspirator dalam pembuatan alat ini dan banyak membantu dalam terwujudnya Tugas Akhir ini. 5. Bapak Ir Ariosuko DH, MT, selaku Dosen koordinator Tugas Akhir 6. Bapak Nanang Ruhayat, selaku koordinator Lab. 7. Bapak Firman dan Bapak Sumantri selaku staf Labotarium Proses Produksi yang telah membantu dalam perancangan Tugas Akhir ini.

5 8. Seluruh rekan-rekan Mahasiswa Mesin angkatan 2000 yang telah membantu saya ( Fernando ST, Claus Yoga ST, Hary Emardi, Juwan Lucky ST ) dan semua yang tidak saya bisa sebutkan satu-persatu untuk menyelesaikan Tugas Akhir ini. 9. Kawan-kawan di lab P.P yang tidak bisa saya sebutkan satu-persatu makasih banyak telah membantu saya untuk menyelesaikan Tugas Akhir ini. 10. Bapak Muksin mekanik AC yang telah membantu saya dalam proses pengelasan makasih banyak. 11. Seluruh pihak terkait yang tidak bisa saya sebutkan satu-persatu yang telah membantu dan menyelesaikan selama penelitian berlangsung sampai terselesaikan Tugas Akhir ini. Penulis menyadari bahwa laporan ini masih jauh dari sempurna untuk itu, diharapkan saran dan kritik yang bisa membuat penulisan Tugas Akhir ini lebih sempurna lagi. Penulis berharap Laporan Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi saya pribadi dan pembaca lainnya. Semoga TUHAN YESUS KRISTUS memberkati kita semua, Amin Jakarta, April 2007 Penyusun ( HENDRA GUNAWAN ) ( )

6 ABSTRAK Matahari sebagai penghasil tenaga surya atau kalor di bumi ini memiliki potensi terbesar untuk dimanfaatkan. Indonesia yang terletak di garis khatulistiwa adalah negara yang sangat berpotensi untuk memanfaatkan dan mengembangkan tenaga surya mengingat bahwa lokasi tersebut memiliki keuntungan mendapatkan penyinaran sepanjang tahun. Untuk mengumpulkan tenaga surya tersebut diperlukan alat yang bernama Solar Collector. Solar cellector adalah alat yang bekerja untuk menyerap energi surya ke dalam penampung yang akan menyimpannya. Solar collector juga menggunakan sirkulasi cairan untuk memindahkan panas yang diterima ke alat yang menyimpannya. Dalam Solar Collector tersebut akan terjadi proses penyerapan ( ABSORSI ) sinar matahari yang menghasilkan energi panas yang nantinya akan diubah menjadi energi yang akan berfungsi pada sistem pendingin. Dengan menggunakan prinsip perpindahan panas dengan memanfaatkan panas air sehingga dapat pemanasan ditempat absorber.dengan konstruksi dinding pipa luar berdiameter 7,62 cm dengan debit air masuk sebesar 2 lt / menit dengan pajang pipa 35 cm, dengan suhu air masuk sebesar 82 c sehingga dapat memanaskan ABSORSI yang di butuhkan sebesar 80 c, di dapat koefisien perpindahan kalor yang terjadi sebesar 247,56 W/m C, di dapat perpindahan kalor yang terjadi pada aliran air adalah 215,6 Watt, di dapat basar koefisien panas air dengan Amoniak sebesar 879,12 W/m 2 C.

7 DAFTAR ISI Lembar Pengesahan... i Lembar Pernyataan... iii Abstrak... iv Kata Pengantar...v Daftar Isi... ix Daftar Gambar... xiii Daftar Tabel... xiv Daftar grafik...xv Nomen klatur... xvi BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Tujuan Penulisan Pokok Permasalahan Metode Penulisan Sistematika Penulisan...3 BAB II LANDASAN TEORI 2.1. Sejarah Perkembangan Pendingin Perkembangan Terkini Teknologi Pendingin Pengertian Proses Absorbsi Pengertian Pengkondisian Udara Masalah Kontemporer. 14

8 2.6. Perbaikan Dan Karakteristik Komponen Pendingin Sistem Absorbsi Siklus Absorbsi Prinsip Perpindahan Panas BAB III PERPINDAHAN KALOR 3.1. Konduksi Sistem Radial Silinder Koefisien Perpindahan Kalor Menyeluruh..39 BAB IV.PERHITUNGAN PERANCANGAN 4.1. Data Perancangan Kecepatan Air Koefisien Perpindahan Kalor Perpindahan Pada Absorber BAB V KESIMPULAN 5.1. Kesimpulan Saran

9 TUGAS AKHIR PERANCANGAN PERPINDAHAN KALOR PADA SISTEM PENDINGIN ABSORBSI BERTENAGA MATAHARI Diajukan untuk memenuhi salah satu syarat untuk meraih Gelar Sarjana ( strata 1 ) Disusun Oleh : Nama : Hendra Gunawan Nim : JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI UNIVERSITAS MERCU BUANA JAKARTA 2007

10 DAFTAR TABEL Tabel Keterangan Hal 4.1 Tabel karakteristik Sifat Air Nilai Kira Kira Koefisien Perpindahan. 47

11 DAFTAR GAMBAR Gambar Keterangan Hal Gambar 2.1 Skema Mesin Refrigrasi Siklus Kompresi Uap 18 Gambar 2.2 Gambar Tekanan Enthalpi 19 Gambar 2.3 Gambar Kondensor 24 Gambar 2.4 Gambar Siklus Absorbsi Dasar 27 Gambar 3.1 Perpindahan Kalor Satu Dimensi Melalui Dinding Komposit 36 Gambar 3.2 Aliran Kalor Melalui Silinder Bolong 38 Gambar 3.3 Perpindahan Kalor Melalui Dinding Datar 39 Gambar 3.4 Analogi Tahanan Untuk Silinder Bolong Dengan Kondisi Konveksi 40

12 Nomen Klatur Symbol Keterangan Satuan A : Luas Penampang 2 m d : Diameter Pipa mm l : Panjang Pipa M k : Konduktifitas Thermal W/ m 0 C 2 h : Kefisien Perpindahan Kalor W/ m 0 C ρ : Massa Jenis kg / Pr : Angka Pradl - 3 m q : Debit Air 3 m / s Q : Kalor Watt Re : Reynold - T : Suhu 0 c v : Kecepatan Aliran m / s V : Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh W / μ : Viskositas kg / m.s Δ x : Tebal Dinding m 2 m 0 c

13 1 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar belakang Kebutuhan sumber energi yang semakin meningkat mendorong kita untuk mencari dan memanfaatkan sumber-sumber yang telah ada seperti minyak bumi, batu bara dan gas alam. Namun keberadaan sumber-sumber energi di bumi suatu saat akan habis dan tidak dapat diperbaharui lagi. Hal ini mendorong kita untuk mencari alternatif lain yang dapat menjadi energi pengganti agar kita lebih hemat dalam penggunaanya salah satu alternatif tersebut adalah pemakaian energi surya. Matahari sebagai penghasil tenaga panas atau kalor dibumi ini memiliki potensi terbesar untuk dimanfaatkan. Indonesia yang terletak digaris khatulistiwa adalah negara yang sangat berpotensi untuk memanfaatkan dan mengembangkan tenaga surya mengingat bahwa lokasi tersebut memiliki keuntungan mendapat penyinaran sepanjang tahun

14 2 Energi surya yang diterima oleh bumi adalah radiasi dari gelombang sinar infrared matahari ke sinar ultraviolet. Enrgi ini tergantung dari cuaca berikut lokasi dan keadaan permukaan itu sendiri. Secara keseluruhan rata-rata energi surya yang jatuh kebumi sekitar 1000Kwh/meter 2. Hal ini memungkinkan kita untuk menggunakan energi tersebut sekitar 25%-33% dari energi yang dipancarkan. Indonesia yang termasuk salah satu negara tropis memiliki udara yang sangat hangat, dengan kondisi tersebut saat ini banyak dikembangkan sistim pendingin ruangan yang dikenal dengan Air Conditioner (AC). Alat ini telah banyak dipasarkan dalam berbagai tipe dan merk. Salah satu inovasi yang saat ini sedang diuji kembangkan adalah pembuatan system pendingin bertenaga surya. Untuk mengumpulkan energi surya, diperlukan alat bernama alat Solar Collector. Solar collector adalah salah satu alat yang bekerja untuk menyerap energi surya kedalam penampungan yang menyimpannya. Solar collector juga menggunakan sirkulasi cairan untuk memindahkan panas yang diterima ke alat yang menyimpannya. Dalam solar collector tersebut akan terjadi proses penyerapan (Absorbsi) sinar matahari yang mengahasilkan energi panas yang nantinya akan diubah menjadi energi yang akan berfungsi pada system pendingin.

15 3 1.2 Tujuan Penulisan Tujuan penulisan ini adalah untuk mengetahui besarnya dalam menmanfaatkan energi yang diperoleh dari radiasi matahari melalui sistim absorbsi atau penyerapan yang akan digunakan pada mesin pendingin dengan sistem absorbsi 1.3 Pokok Permasalahan Pokok permasalahan yang akan dibahas pada laporan tugas akhir ini adalah bagaimana perancangan perpindahan kalor secara absorbsi bertenaga matahari pada absorber pada mesin pendingin. 1.4 Metode Penulisan Tugas akhir ini disusun melalui tahap atau proses perancangan, analisa dan pengujian. Metode yang digunakan sebagai berikut : a. interview dengan berbagai pihak yang terkait b. observasi lapangan pada tahap perancangan c. studi pustaka dari buku dan internet 1.5 Sistematika Penulisan Penyusunan tugas akhir ini bertujuan untuk memudahkan dalam penulisan. Adapun sistematika penulisan tersebut diuraikan sebagai berikut :

16 4 BAB I PENDAHULUAN Berisi latar belakangan penulisan, tujuan penulisan, pokok permasalahan, metode penulisan dan sistematika penulisan BAB II TEORI DASAR Teori dasar meliputi berbagai teori dari komponen-komponen dan prinsip kerja mesin pendingin system absorbsi menggunakan energi surya. BAB III PERANCANGAN MESIN PENDINGIN SISTEM ABSORBSI DENGAN MENGGUNAKAN ENERGI SURYA Berisi tentang data-data yang diperlukan dalam perancangan mesin pendingin system absorbsi dengan menggunakan energi surya BAB IV PERHITUNGAN MESIN PENDINGIN SISTEM ABSORBSI DENGAN MENGGUNAKAN ENERGI SURYA Berisi tentang perhitungan dari data-data perancangan yang terkumpul BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Berisi tentang kesimpulan dan saran dari mesin pendingin system absorbsi dengan menggunakan energi surya

17 5 BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Sejarah Perkembangan Mesin Pendingin Carniard de la tour ( Perancis ) tahun 1823 melakukan penelitian tentang tingkat keadaan kritis dari gas eter. Humprey dan assistennya M. Faraday ( Inggris ) tahun 1824, merupakan orang pertama yang berhasil menemukan cara mencairkan gas ammonia. Prinsip dasar siklus refrigerasi dikembangkan oleh N.L.S. Carnot ( Perancis ) pada tahun 1824 teori thermodinamika di publikasikan. Instalasi pendinginan yang pertama dipatenkan tahun 1897 oleh seorang berkebangsaan Amerika, yaitu Joseph Mc. Creaty. Pada waktu itu, instalasi tersebut dinamai mesin pencuci udara ( Air Washer ).

18 6 Air washer yaitu suatu system pendingin yang menggunakan air. Dr. Willis Haviland Carrier ( Amerika Serikat, 1906 ) dapat dianggap sebagai orang pertama yang berhasil membuat alat pengatur temperatur dan kelembaban udara, yaitu pada waktu ia berhasil menyegarkan udara dari sebuah percetakan dengan menggunakan system pencuci udara. Dalam hal tersebut ia mendinginkan dan menjenuhkan udara sampai mencapai titik embunnya. Teori thermodinamika yang dihasilkannya dikemukakan pada suatu pertemuan dari The American Society of Mechanical Engineers pada tahun Setelah perang dunia kedua, instalasi penyegaran udara hanya dipergunakan untuk keperluan industri, setelah itu penggunaannya diperluas untuk memenuhi kebutuhan dan kenyamanan, serta kesegaran udara di hotel, kantor, tempat pertemuan, gedung bioskop, rumah, kendaraan dan sebagainya. 2.2 Perkembangan Terkini Teknologi Pendingin Siklus refrigerasi merupakan sebuah mekanisme berupa siklus yang mengambil energi (termal) dari daerah bertemperatur rendah dan dibuang ke daerah bertemperatur tinggi. Siklus ini berlawanan dengan proses spontan yang terjadi sehari-hari, maka diperlukan masukan energi untuk menjalankan siklus refrigerasi. Teknologi refrigerasi sangat erat terkait dengan kehidupan dunia modern; bukan hanya pada sisi peningkatan kualitas dan kenyamanan hidup, namun juga menyentuh hal-hal esensial

19 7 penunjang kehidupan manusia. Teknologi refrigerasi dibutuhkan untuk meminimalkan, bahkan bisa meniadakan, pertumbuhan mikroorganisme perusak bahan-bahan tertentu; maka teknologi ini dibutuhkan keberadaannya di bidang penyimpanan dan transportasi bahan makanan. Mesin refrigerasi saat ini dengan mudah kita jumpai di berbagai swalayan yang menjual bahan kebutuhan sehari-hari. Truk berpendingin sudah menjadi kebutuhan umum guna mentransportasikan bahan makanan melalui jarak yang cukup jauh. Selain meminimalkan atau meniadakan pertumbuhan mikroorganisme, pendinginan yang dihasilkan oleh teknologi refrigerasi juga diperlukan untuk mencegah terjadinya reaksi kimiawi/biologis yang bisa merusak kondisi suatu zat. Maka teknologi ini juga menjadi tuntutan di bidang kedokteran (penyimpanan vaksin, obatobatan, hingga cadangan darah). Dukungan mesin refrigerasi terhadap kemajuan iptek jelas terlihat dari keberadaan mesin ini di berbagai instalasi penting berbagai bidang; biologi, kimia, kedokteran, dsb. Teknologi refrigerasi bukan hanya monopoli perusahaan besar ataupun institusi ilmiah, mesin ini, dalam bentuk lemari pendingin (refrigerator) dan pengkondisi udara (AC) umum dijumpai di tengah-tengah masyarakat. Bukan sekedar gaya hidup, karena mesin refrigerasi berfungsi untuk meningkatkan kualitas hidup manusia.

20 8 Pengkondisian udara merupakan salah satu aplikasi penting teknologi refrigerasi. Teknologi ini bisa menghasilkan dua hal esensial yang diperlukan dalam pengkondisan udara; yakni pendinginan (cooling) dan pemanasan (heating). Pengkondisian udara adalah usaha untuk mengatur temperatur dan kelembaban udara agar menghasilkan kenyamanan termal (thermal comfort) bagi manusia. Pengkondisian udara lengkap meliputi pemanasan (heating), pendinginan (cooling), pengaturan kelembaban (humidifying dan dehumidifying), dan pertukaran udara (ventilating). Sedangkan pengkondisian udara skala kecil umumnya dilakukan tanpa mengikutsertakan pengaturan kelembaban. Pengkondisian udara saat ini telah menjadi standard bangunan, publik ataupun privat dalam berbagai skala, di berbagai penjuru dunia. Untuk daerah yang mengalami empat musim, terjadi perubahan fungsi pengkondisian udara dari pemanasan (heating) pada saat musim dingin menjadi pendinginan (cooling) pada saat musim panas. Sedangkan pada daerah khatulistiwa seperti Indonesia, pada umumnya fungsi pengkondisian udara adalah pada mode pendinginan saja. Mesin pengkondisian udara yang bekerja sebagai pendingin biasanya disebut sebagai AC (Air Conditioning), sedangkan pada saat bekerja sebagai pemanas disebut sebagai pompa kalor (heat pump). Kedua fungsi tersebut bisa menyatu dalam satu mesin (mesin refrigerasi), bisa juga terpisah menjadi dua bagian; tergantung pada mekanisme yang digunakan.

21 9 2.3 Pengertian Proses Absorbsi Absorbsi merupakan proses penyerapan uap atau gas oleh suatu cairan ( liquid ) sehingga terbentuk larutan. Daya larut gas atau uap dipengaruhi oleh temperature system, hal ini dikemukakan oleh Van t Holfs yang menyatakan bahwa jika temperature system pada keadaan setimbang dinaikkan maka akan terjadi penyerapan panas dan daya larut gas akan berkurang. Begitu juga Le-Chatelier menyatakan bahwa pada prinsipnya daya larut gas dalam cairan ( liquid ) akan berkurang jika temperature dinaikkan. Jika pada system terjadi penurunan temperature dengan membuang kalor, maka daya larut gas akan bertambah besar. Daya larut gas menyatakan konsentrasi yang dihasilkan dari melarutkan gas dalam cairan sehingga berbentuk larutan. Pada temperature yang tetap, daya larut gas akan bertambah besar jika tekanannya dinaikkan. System absorbsi gas dapat dibedakan menurut jumlah jenis gas yang diserap, yaitu : System dua komponen ( two-component sistem ), dimana hanya terdiri dari satu jenis gas dan satu cairan sebagai absorbennya. System komponen banyak ( multi-component sistem ), merupakan campuran dari beberapa gas yang di absorbsi oleh suatu cairan sehingga terbentuk larutan.

22 10 Dalam system absorbsi gas, yang perlu diperhatikan adalah pelarutnya. Secara umum pelarut disarankan mempunyai sifat-sifat sebagai berikut: Gas Solubility, pelarut harus mempunyai daya larut terhadap gas yang tinggi, dimana mempunyai laju aliran absorbsi yang besar dengan kebutuhan pelarut yang kecil. Volatility, pada saat larutan diuapkan, pelarut tidak mudah menguap atau sesedikit mungkin ikut menguap. Corrosiveness, pelarut tidak bersifat korosif terhadap bahan yang dipakai sehingga tidak perlu biaya perawatan. Harga, mempunyai viskositas yang rendah. Viscosity, mempunyai viskositas yang rendah. Hal-hal lain misalnya tidak mengandung racun, tidak mudah terbakar dan mempunyai titik beku yang rendah. Proses absorbsi pada refrigerant absorbsi adalah merupakan proses pencampuran dari dua aliran fluida, yang disertai dengan perpindahan kalor pada system.

23 Pengertian Pengkondisian Udara Pengkondisian udara adalah suatu untuk mengatur/mendinginkan udara sehingga dicapai temperature dan tingkat kelembaban yang di harapkan pada suatu area yang dijadikan objek pendinginan. 1. Suhu udara ( temperatur ) Suhu adalah derajat panas atau dingin dari udara yang diukur dengan termometer. Udara harus didinginkan atau dipanaskan untuk membuat suhu didalam ruangan menjadi sejuk. Perubahan suhu udara terhadap badan kita tertentu telah kita ketahui pengaruhnya. Pada suhu udara yang panas, dengan mendinginkan suhu udaranya saja, belum tentu dapat menyebabkan badan kita menjadi sejuk, kalau kelembaban udara masih tinggi. Pada kelembaban udara yang rendah, suhu udara ( o C ) pada umumnya telah cukup membuat badan kita merasa sejuk dan nyaman. Tetapi pada kelembaban udara yang tinggi, suhu ( o C ) pun kita masih merasakan tidak sejuk. Perbedaan suhu di dalam dan diluar sebaiknya jangan melebihi ( 8,4-11 o C ). Ini telah diselidiki pengaruhnya terhadap kesehatan kita dari perubahan suhu yang dapat kita alami.

24 12 2. Kelembaban ( humidity ) Untuk mendapatkan udara yang sejuk dan nyaman di dalam ruangan, kita harus mengatur kelembaban udara dengan mengambil uap air dari udara ( de-humadification ), atau menambahkan uap air pada udara ( humadification ) yang mengalir didalam ruangan. Jumlah uap air didalam udara dinyatakan dalam % dalam Relative Humidity ( RH ) atau Absolute Humidity. Udara pada suhu yang tinggi dapat mengandung uap air lebih banyak daripada udara pada suhu rendah, maka dari itu pada suhu udara yang dingin kelembabannya rendah. Jumlah kelembaban di udara dapat mempengaruhi tingkat penguapan dari badan kita, udara kering dapat mempercepat penguapan, sehingga mendinginkan permukaannya yang menguap, dan badan kita merasa dingin. Udara lembab menghalangi penguapan dari badan kita, sehingga kita merasa panas meskipun pada suhu udara yang sama. 3. Aliran udara ( air motion ) Diperlukan untuk mengalirkan undara dengan kecepatan tertentu yang merata ke bagian semua ruangan. Pada ruangan yang udaranya tidak dapat mengalir, maka sedikit sekali perubahan yang dapat diatur dari suhu dan kelembabannya. Kita tidak dapat mengatur suhu dan kelembaban dalam ruangan tanpa udara yang mengalir. Udara dalam ruangan harus dapat bergerak dan mengalir dalam

25 13 jumlah yang cukup, agar dapat diatur dan dibagi merata kesemua bagian ruangan. Yang paling baik untuk mengalirkan udara adalah dengan memakai fan motor yang cukup, agar dapat mencukupi beberapa pergantian udara ( air change ) tiap jam yang diperlukan bagi ruangan yang diatur udaranya. Pergantian sirkulasi udara ( air recirculation ) tiap jam biasanya 6-12 kali dari ruangan yang diatur udaranya. 4. Membersihkan udara ( air cleaning ) Untuk mengambil debu, kuman dan lain-lain kotoran dari udara. Udara yang mengalir disaring, kotoran nya diambil, sehingga yang keluar dari saringan adalah udara yang bersih dan dingin. 5. Ventilasi dari udara luar ( fresh air ventilation ) Untuk menambah udara segar dan zat asam dari udara luar ke dalam ruangan dan membuat tekanan didalam ruangan menjadi meningkat. 6. Mengeluarkan udara kotor ( exhaust ) Untuk mengeluarkan asap rokok, bau yang tak enak, sisa pernafasan, dan lain-lain dari dalam ruangan.

26 Masalah Kontemporer Yang Mempengaruhi Perkembangan Mesin Pengkondisian Udara Dewasa ini banyak diserukan pentingnya penghematan energi di berbagai penjuru dunia. Hal tersebut dipicu oleh kekhawatiran semakin menipisnya cadangan minyak dunia, sementara pada saat yang sama, manusia belum mampu menemukan bahan bakar pengganti yang memiliki kemampuan dan ketersediaan yang setara dengan minyak bumi. Di sisi lain, permintaan minyak dunia terus meningkat sebesar 1-2% pertahun (Kerr dan Service, 2005). Kombinasi faktor-faktor tersebut menyebabkan ketidakstabilan harga minyak bumi. Selain itu, penggunaan bahan bakar minyak (BBM) mengakibatkan akibat buruk lain bagi bumi, yakni efek rumah kaca (greenhouse) yang disebabkan oleh peningkatan jumlah karbon dioksida (CO 2 ) di atmosfer. Kebutuhan energi pada mesin refrigerasi / pengkondisian udara terhadap pasokan listrik nasional cukup signifikan. Di Shanghai, Saito (2002) mengemukakan bahwa pada beban puncak di musim panas, pengkondisian udara mengkonsumsi 1/3 suplai listrik. Suzuki dkk (2005) memperkirakan bahwa beban listrik untuk mesin pengkondisian udara mengkonsumsi tidak kurang dari 1/5 suplai listrik di Jepang. Untuk belahan Amerika Utara, Todesco (2005) menyatakan bahwa kebuhan listrik untuk mesin pengkondisian udara pada beban puncak mencapai GW bandingkan dengan kemampuan PT PLN yang sekitar 39.5 GW (Seymour dkk (2002). Sedangkan di Indonesia, Suwono (2005)

27 15 menyebut sekitar 60% konsumsi listrik hotel di Jakarta digunakan untuk memasok energi mesin pengkondisian udara. Oleh karena itu, usaha penghematan energi yang dilakukan terhadap mesin pengkondisian udara akan berdampak signifikan terhadap usaha penghematan energi dunia. Hipotesis yang disampaikan oleh Molina dan Rowland (1974) mengenai dampak buruk chlorofluoromethane (CFC) terhadap lapisan ozon mencetuskan babak baru dalam dunia pengkondisian udara. Verifikasi yang dilakukan berbagai penelitian yang dibiayai beberapa perusahaan penghasil refrigerant (bahan yang digunakan dalam mesin refrigerasi/mesin pendingin) pada akhir 1970-an menghasilkan temuan yang mendukung hipotesis Molina dan Rowland. Diperkirakan terjadi perusakan lapisan ozon sekitar 3% per-dekade. Lapisan ozon yang terdapat di daerah stratosphere berfungsi untuk menghalangi masuknya sinar ultraviolet-b ke permukaan bumi (Calm, 2002). Sinar ultraviolet-b ini ditengarai akan menyebabkan masalah kesehatan bagi manusia dan gangguan pada tumbuhan di permukaan bumi. Setelah sebuah ekspedisi dari Inggris ke daerah Antartika mengindikasikan adanya kerusakan parah pada lapisan ozon (Farman dkk., 1985), dunia segera mengambil langkah serius untuk mencegah bertambah parahnya kerusakan lapisan ozon. Protokol Montreal tahun 1987 mengatur penggunaan dan penghapusan berbagai zat yang ditengarai menyebabkan kerusakan lapisan ozon; refrigerant CFC termasuk salah satu diantaranya. Protokol Montreal dan berbagai amandemennya mengamanatkan penghapusan CFCs di negara

28 16 maju pada tahun 1996, sedangkan untuk negara berkembang pada tahun 2010 (United Nations for Environment Programme, 2000). Pada lapisan stratosphere secara alamiah terjadi proses pembentukan dan penghancuran molekul ozon (O3) oleh sinar ultraviolet. Keberadaan atom chlorine (Cl) menyebabkan kesetimbangan reaksi tersebut terganggu. Kerusakan lapisan ozon akibat chlorine (Cl) dijelaskan melalui reaksi kimia berantai berikut: O 3 + UV O - + O 2 Cl + O 3 ClO + O 2 ClO + O - Cl + O 2 Cl + O 3 ClO + O 2 ClO + O - Cl + O 2 Mayoritas ilmuwan dunia meyakini bahwa pemanasan global yang terjadi belakangan ini diakibatkan oleh gas-gas rumah kaca yang dihasilkan oleh aktivitas manusia (Oreskes, 2002). Selain berkontribusi pada produksi CO 2 melalui system pembangkit energi untuk suplai listrik mesin refrigerasi, teknologi refrigerasi juga berkontribusi langsung pada pemanasan global melalui kebocoran dan buangan refrigeran (yang bersifat gas rumah kaca) ke lingkungan. Terkait dengan hal ini, Protokol Kyoto tahun 1997 tentang perubahan iklim bumi telah mengatur penggunaan refrigerant yang termasuk dalam gas rumah kaca, yakni HFCs (Hidro Fluoro Carbons). Gas-gas yang memiliki potensi efek rumah kaca dikategorikan dalam zat GWP (Global Warming Potential), sedangkan zat perusak lapisan ozon disebut sebagai ODS (Ozon Depleting Substance).

29 17 Dengan demikian, terdapat tiga hal yang mempengaruhi perkembangan mesin refrigerasi saat ini, yakni : (1) Penghematan energi (2) Tuntutan refrigerant non-ods (3) Tuntutan refrigerant non-gwp. Perlu diketahui bahwa efek GWP dan ODS pada zat refrigerant hanya terjadi bila zat tersebut terlepas ke atmosfer yang disebabkan kebocoran pada mesin refrigerasi ataupun penggantian dan recycling refrigerant. Di luar sistem refrigerasi, CFC juga digunakan dalam berbagai aplikasi lain seperti zat pendorong (propellant), aerosol, zat pengembang, dll. Guna menjawab tiga kebutuhan terkait dengan perkembangan teknologi refrigerasi di atas, ilmuwan dan teknolog melakukan berbagai inovasi yang pada umumnya terkategorikan dalam tiga hal : (1) Perbaikan prestasi dan karakteristik mesin refrigerasi yang telah eksis (2) Penelitian guna menghasilkan refrigerant non-ods dan non-gwp (3) Pencarian teknologi refrigerasi alternative.

30 Perbaikan Prestasi dan Karakteristik Mesin Refrigerasi / Pengkondisian Udara Saat ini mesin refrigerasi yang paling banyak digunakan di dunia adalah dari jenis siklus kompresi uap. Sistem lain, seperti sistem magnetokalorik, absorbsi, adsorpsi, dan efek Siebeck hingga saat ini masih terbatas penggunaannya. Mesin refrigerasi siklus kompresi uap memiliki fleksibilitas penggunaan, yakni bisa berfungsi sebagai mesin pendingin (AC) ataupun pompa kalor (heat pump) dengan mengubah arah aliran refrigerannya. Mesin refrigerasi jenis ini juga berukuran cukup kompak, sehingga tidak memerlukan ruang yang besar. Di bawah ini akan dijelaskan prinsip kerja mesin refrigerasi siklus kompresi uap. Mesin refrigerasi kompresi uap terdiri atas empat komponen utama, yakni kompresor, kondensor, katup ekspansi, dan evaporator. Kondensor dan evaporator sesungguhnya merupakan penukar kalor (heat exchanger) yang berfungsi mempertukarkan kalor diantara dua fluida, yakni antara refrigerant dengan fluida luar (bisa berupa air ataupun udara). Skema mesin refrigerasi ini dapat dilihat pada Gambar 2.1 di bawah ini.

31 19 Gambar 2.1 Skema mesin refrigerasi siklus kompresi uap Sedangkan diagram tekanan - entalpi yang menjelaskan proses pada mesin refrigerasi siklus kompresi uap bisa dilihat pada Gambar 2.2 Gambar 2.2 Diagram tekanan entalpi pada proses refrigerasi siklus kompresi uap Pada proses 1-2, kompresor menaikkan tekanan uap refrigerant. Kenaikan tekanan ini diikuti dengan kenaikan temperatur uap refrigerant. Pada tingkat keadaan (TK) 2, uap refrigerant berada pada kondisi uap super-panas. Pada proses 2-3, uap refrigerant memasuki kondensor dan mendapatkan pendinginan dari kondensor. Pendinginan ini terjadi akibat pertukaran panas antara uap refrigerant dengan fluida luar (misalnya udara lingkungan ataupun air pendingin). Refrigerant keluar dari kondensor pada TK 3 dalam kondisi cair jenuh, atau bisa juga pada kondisi cair sub-dingin. Refrigerant kemudian memasuki katup ekspansi. Katup ekspansi ini pada prinsipnya berupa penyempitan daerah aliran yang berakibat pada penurunan tekanan fluida secara drastis. Idealnya, refrigerant melalui

32 20 katup ekspansi (proses 3-4) secara iso-entalpi (isentalpi). Pada TK 4, refrigerant berada dalam kondisi campuran cair dan uap. Karena refrigerant berada pada tekanan jenuhnya (tekanan penguapan), maka dia akan mengalami penguapan; hukum alam menyatakan bahwa penguapan membutuhkan energi, terjadilah penyerapan energi termal dari luar evaporator yang menyebabkan efek pendinginan oleh mesin refrigerasi. Pada mesin refrigerasi siklus kompresi uap, fungsi kondensor dan evaporator bisa dibalik dengan mengubah arah aliran refrigerant. Dengan demikian, mesin ini bisa berfungsi sebagai pendingin di musim panas dan pemanas di musim dingin. Pada saat berfungsi sebagai mesin pendingin, umumnya mesin ini disebut sebagai mesin AC (Air Conditioning) dan saat berfungsi sebagai mesin pemanas, mesin ini disebut sebagai heat pump (pompa kalor).

33 Komponen Pendingin Sistem Absorbsi Suatu system pendingin terdiri dari beberapa unit utama antara lain : 1. Burner 2. Absorber 3. Kondensor 4. Evaporator 1.Burner / solar kolektor Burner / solar kolektor adalah alat yang dapat menghasilkan panas yang tinggi untuk membakar amoniak didalam pipa absorbsi. Dalam hal ini kami menggunakan solar kolektor sebagai sumber panas / burner. 2.Absorber Absorber adalah satu satu kontak langsung refrigerant dan uap absorber oleh konsentrat proses terjadinya panas dan cooling coil adalah di absorber dan hilang campuran panas ini ( pendingin air menuju kondensor ) 3.Kondensor Kondensor adalah suatu alat untuk merubah bahan pendingin dari bentuk gas menjadi cair. Bahan pendingin dari kompresor dengan suhu dan tekanan tinggi, panasnya keluar dari rusuk-rusuk kondensor ke udara. Sebagai akibatnya kehilangan panas, bahan pendingin gas mula-mula didinginkan menjadi gas jenuh, kemudian

34 22 mengembun berubah menjadi cair. Pada system yang sedang berjalan, semua bagian dari pipa-pipa kondensor akan terasa panas yang merata. Menurut pendinginannya, kondensor dibagi menjadi tiga macam : a. Kondensor dengan pendinginan udara ( Air Cooled ) b.kondensor dengan pendinginan air ( Water Cooled ) c. Kondensor dengan pendinginan campuran udara dan air ( Evaporative condenser ) Pada automotive air conditioning yang dipakai adalah kondensor dengan pendinginan udara saja. Aliran pada kondensor dapat terjadi karena aliran udara secara natural atau oleh udara yang ditiup oleh fan motor dengan daun kipas atau roda blower. Factor yang menentukan kapasitas kondensor antara lain : a. Luas permukaan yang didinginkan b.jumlah udara permenit yang dipakai untuk mendinginkan c. Perbedaan suhu bahan pendingin dengan udara luar Kondensor dengan pendingin udara biasanya dibuat dari pipapipa tembaga, disusun berbaris ke bawah, paling sedikit terdiri dari 2 baris pipa yang dihubungkan seri atau pararel. Pipa tersebut diberi sirip-sirip atau rusuk-rusuk dari almunium. Pipa dan rusuk-rusuk aluminium dihubungkan secara mekanis dengan ditekan sampai terjadi hubungan 100% dan menyerupai satu kesatuan. Pipa-pipa

35 23 tembaga dapat disusun menjadi 2, 3 atau 4 baris tergantung dari tempat dan keperluannya. Selain itu, kondensor perlu sering-sering dibersihkan agar permukaannya tidak buntu karena kotoran atau debu yang dapat mengurangi kapasitas kerjanya. Rusuk-rusuk bengkok dapat diluruskan dengan sisir dari plastic yang mempunyai ukuran rusuk yang sama. Penempatan kondensor harus pada suatu tempat yang cukup luas, agar aliran udara ke dan dari kondensor tidak terhalang. 4.Evaporator Evaporator adalah suatu alat dimana bahan pendingin menguap dari cair menjadi gas. Melalui perpindahan panas dari dindingdindingnya, mengambil panas dari ruangan disekitarnya ke dalam system, panas tersebut lalu dibawa ke kompresor dan dikeluarkan lagi oleh evaporator. Evaporator sering juga disebut cooling coil, boiler dan lain-lain, tergantung dari bentuknya. Karena keperluan dari evaporator yang sangat berbeda-beda, maka evaporator juga dapat dibagi dalam beberapa golongan dari : konstruksinya, cara kerjanya, aliran bahan pendingin, macam pengontrolan, bahan pendingin dan pemakaiannya. Dari pemakaiannya evaporator dapat dibagi menjadi 2 : a. Ekspansi langsung ( direct expansion ) b. Ekspansi tidak langsung ( indirect expansion )

36 24 Evaporator dari cara kerjanya dapat dibagi 2 : a. Evaporator kering ( dry or direct evaporator ), hanya terdiri dari pipa-pipa saja b.evaporator banjir ( flooded evaporator ), terdiri dari tabung dan pipa Dari konstruksinya evaporator dapat dibagi menjadi beberapa tipe : a. Pipa dengan rusuk-rusuk ( finned ) b.pipa saja ( bare tube ) c. Permukaan pelat ( plate surface ) d.tabung dengan pipa ( shell and tube ) Gambar 2.3. A Pipa dengan rusuk-rusuk. B Pipa saja C Permukaan Pelat Jenis evaporator yang digunakan pada alat simulasi kami adalah evaporator tipe pipa dengan rusuk-rusuk ( finned ). Evaporator dengan pipa dan rusuk-rusuk, terdiri dari lilitan pipa yang diberi

37 25 lembaran-lembaran logam aluminium atau rusuk-rusuk. Sambungan antara permukaan pipa dengan rusuk-rusuk harus dibuat serapat mungkin, di las atau ditekan sampai seolah-olah menjadi satu kesatuan. Rusuk-rusuk tersebut memang tidak langsung berhubungan dengan bahan pendingin, tetapi memperluas seluruh permukaan evaporator sehingga mempertinggi efisiensinya. 2.8 Siklus Absorbsi Pada system pendingin absorbsi, penggunaan kompresor dapat digantikan dengan absorber dan generator. Pada dasarnya sistem ini beroperasi sama seperti sikluk kompresi biasa, tetapi dengan adanya tambahan pendingin sekunder. Di dalam ruangan penyerapan ( absorbing chamber ) uap pendingin yang berasal dari evaporator akan diserap oleh refrigerant sekunder tersebut ( absorbent ), karena konsentrasi yang tinggi ( strong absorbent ). Strong absorbent kemudian dialirkan kedalam generator. Generator diberikan panas sehingga refrigerant menguap kemudian dialirkan ke dalam kondensor. Bahan yang tersisa disebut weak absorbent, karena konsentrasi refrigerant di dalamnya kecil. Weak absorbent selannjutnya masuk lagi ke dalam absorber sedangkan uap yang masuk ke kondensor kemudian di alirkan ke dalam evaporator lagi dengan terlebih dahulu melewati alat ekspansi. Pada alat ekspansi refrigerant cair yang berasal dari kondensor yang bertekanan dan bersuhu tinggi diekspansikan sehingga menjadi tekanan dan suhu yang rendah.

38 26 Dengan suhu yang rendah refrigerant akan menyerap kalor disekeliling evaporator untuk melakukan proses penguapan, sehingga udara di sekelilingnya akan bertambah dingin ( suhu turun ). Selanjutnya uap refrigerant akan diserap lagi oleh absorbent didalam ruangan absorber, dan siklus ini akan berulang kembali. Daur absorbsi hampir sama dengan kompresi uap. Sebuah daur refrigrasi beroperasi dengan kondensor, katup ekspansi, dan evaporator. Jika uap tekanan rendah dari evaporator dapat ditranformasikan menjadi uap tekanan tinggi dan dialirkan ke kondensor, System kompresi uap menggunakan kompresor untuk keperluan tersebut. Pertama-tama system absorbsi menyerap uap tekanan rendah ke dalam suatu zat cair penyerap ( absorbing liquid ) yang cocok. Yang terkandung didalam proses absorbsi yaitu konversi ( perubahan ) dari uap menjadi cair, karena proses ini sama dengan kondensasi, maka selama proses berjalan, kalor dilepakan. Tahap berikutnya yaitu menaikkan tekanan zat cair dengan pompa, dan yang terakhir membebaskan uap dari zat cair penyerap dengan pemberian kalor. Daur kompresi uap disebut sebagai daur yang diperasikan oleh kerja ( work-operated cycle ) karena naiknya tekanan refrigeran dilakukan oleh kompresor yang memerlukan kerja. Sedangkan daur absorbsi disebut juga sebagai daur yang dioperasikan oleh kalor ( heat-operated cycle ) karena sebagian besar biaya operasi berkaitan dengan pemberian kalor yang diperlukan untuk melepaskan uap ( refrigeran ) dari zat cair bertekanan tinggi. Sebenarnya dalam daur absorbsi dibutuhkan juga kerja untuk

39 27 menggerakkan pompa, tetapi jumlah kerja tersebut cukup kecil dibandingkan dengan yang diperlukan pada daur kompresi uap. Gambar 2.4 Siklus Absorbsi Dasar Daur absorbsi dalam gambar ditunjukkan dari dasar absorbsi, kondensor dan evaporator seperti pada gambar, dan kerja kompresi yang dilakukan oleh system, berapa pada paroh-kiri diagram. Uap tekanan rendah dari evaporator diserap oleh larutan cair ( liquid solution ) dalam absorber. Jika proses absorbsi ini dilakukan secara adiabatic, suhu larutan naik dan akhirnya absorbsi uap akan berhenti. Untuk mengekalkan proses absorbsi, absorber didinginkan oleh udara atau air yang kemudian melepas kalor ini keudara bebas. Pompa penerima zat cair tekanan rendah dari absorber meninggikan tekanan zat cair dan mengirimkan zat cair ke generator, dalam generator kalor dari suatu sumber suhu tinggi mendorong lepas uap yang telah diserap oleh larutan. Larutan cairan dikembalikan ke

40 28 absorber melalui katup trotel yang maksudnya adalah untuk memberikan penurunan tekanan guna menjaga beda tekanan antara generator dan absorber. Pola aliran kalor pada daur absorbsi yaitu kalor suhu tinggi masuk ke generator sedangkan kalor rendah dari bahan yang hendak didinginkan masuk ke dalam evaporator. Pelepasan kalor dari daur terjadi pada absorber dan kondensor pada suhu-suhu tertentu sehingga kalor dapat dibuang ke atmosfir. 1. Sifat-sifat Suhu Tekanan Konsentrasi Larutan NH 4 OH NH 4 OH adalah kristal garam padat, dengan adanya uap air menyebabkan ia mengabsorbsi uap tersebut menjadi larutan cair. Larutan cair menimbulkan tekanan uap air yang merupakan fungsi suhu dan konstrasi larutan. Jika dua buah bejana dihubungkan, satu bejana berisi larutan NH 4 OH dan bejana lainnya murni, maka tiap cairan akan menimbulkan tekanan uap air. Pada keadaan seimbang, tekanan-tekanan uap air yang ditimbulkan oleh dua cairan tersebut sama. Contoh dari suatu keadaan seimbang jika suhu air murni 40 o C, tekanan uapnya 7,38 kpa. Tekanan uap yang sama besarnya akan ditimbulkan pula oleh larutan NH 4 OH pada suhu 80 o C dan konsentrasi x = 59 % dari massa NH 3. Banyak kombinasi lain antara suhu dan konsentrasi yang juga memberikan tekanan uap 7, 38 kpa.

41 29 Konsentrasi adalah absis grafik dan tekanan uap air bias sebagai ordinat sebagaimana ditunjukkan pada skala vertical sebelah kanan. Untuk mudahnya suhu jenuh air murni yang sesuai dengan tekanantekanan uap ini dinyatakan sebagai ordinat pada sebelah kiri. Grafik dipakai untuk kondisi-kondisi jenuh dimana larutan berada dalam keseimbangan dengan uap air. Tekanan, suhu, dan konsentrasi yang dipilih, jika suhu air murni 40 o C, tekanan uap yang ditimbulkan 7,38 kpa, yang dapat ditentukan dari skala vertical sisi sebelah kiri. Larutan NH 3 sebesar 7,38 kpa. Jika larutan mempunyai konsentrasi x sebesar 54 % dan suhu 70 o C, tekanan uap airnya juga 7,38 kpa. 2. Entalpi Larutan NH 3 Guna melakukan perhitungan-perhitungan termal pada daur refrigran absorbsi, harus ada data entalpi fluida-fluida kerja pada seluruh titik daur kritis dalam daur. Alir dalam bentuk cair atau uap mengalir masuk dan keluar kondensor dan evaporator, sehingga entalpi-entalpi pada titik-titik ini dapat ditentukan dari table sifat air. Dalam generator dan absorber terdapat larutan-larutan NH 4 OH, dimana entalpi merupakan fungsi dari suhu dan konsentrasi larutan. Gambar 17-8 menunjukkan data entalpi untuk larutan NH 4 OH. Data tersebut dapat dipergunakan untuk larutan-larutan jenuh dan bawah dingin dan didasarkan pada harga entalpi air cair pada 0 o dan entalpi nol NH 3 padat pada suhu 25 o C. Karena entalpi nol air

42 30 dalam larutan sama seperti pada table-tabel konvensional sifat-sifat air. Harga-harga entalpi yang diberikan pada rujukan 4 didasarkan atas bidang data yang berbeda pada padatan NH 3, tetapi hasilnya pada prinsipnya adalah sama. 2.9 Prinsip Perpindahan Panas Perpindahan panas dapat didefinisikan sebagai berpindahnya energi dari suatu daerah ke daerah lainnya sebagai akibat dari beda suhu antara daerah-daerah tersebut. Selain itu perpindahan panas terdiri dari beberapa proses, yaitu proses dalam keadaan stedi dan tak stedi. Proses stedi adalah bila laju aliran panas dalam suatu system tidak berubah dengan waktu, yaitu bila laju itu konstan, maka suhu dititik manapun tidak berubah. Dengan kondisi stedi, kecepatan masuk panas pada titik manapun harus tetap sama dengan kecepatan keluar, dan jika terdapat atau terjadi perubahan energi dalam contohnya adalah pendinginan bola lampu listrik dengan udara sekitar, atau perpindahan panas dari fluida yang panas ke fluida yang dingin didalam penukar panas. Sedangkan yang dimaksud dengan proses tak stedi bila suhu diberbagai titik dari system tersebut berubah dengan waktu. Karena perubahan suhu menunjukkan perubahan energi dalam, kita berkesimpulan bahwa penyimpanan energi bagian yang tidak terpisahkan dari aliran proses tak stedi.

43 31 Kepustakaan perpindahan panas pada umumnya mengenal tiga cara perpindahan panas yang berbeda : konduksi ( conduction, juga dikenal dengan istilah hantaran ), radiasi ( radiation ) dan konveksi ( convection ). Konduksi adalah proses dimana panas mengalir dari daerah yang bersuhu tinggi ke daerah yang bersuhu rendah didalam suatu medium ( padat, cair, gas ) atau antara medium-medium yang berlainan yang bersinggungan secara langsung. Dalam aliran perpindahan panas secara konduksi, perpindahan energi terjadi karena hubungan molekul yang cukup besar. Menurut teori kinetic, suhu elemen zat sebanding dengan energi kinetic rata-rata molekul yang membentuk elemen itu. Energi yang dimiliki oleh suatu elemen zat yang disebabkan oleh kecepatan dan posisi relative molekul-molekulnya disebut energi dalam. Jadi, semakin cepat molekulmolekul bergerak, semakin tinggi suhu maupun energi dalam elemen zat tersebut. Radiasi adalah proses dimana panas mengalir dari benda yang bertemperatur tinggi ke benda yang bertemperatur rendah tanpa melalui zat perantara, kalor juga dapat berpindah melalui daerah-daerah hampa. Panas radiasi dipancarkan oleh suatu benda dalam bentuk kumpulan energi yang terbatas atau kuanta. Gerakan panas radiasi didalam ruangan mirip perambatan cahaya dan dapat diuraikan dengan teori gelombang. Bila gelombang radiasi menjumpai benda yang lain, maka energi nya diserap didekat permukaan benda tersebut. Perpindahan panas secara radiasi semakin penting dalam meningkatkan suhu suatu benda.

44 32 Konveksi adalah proses perpindahan energi dengan kerja gabungan dari kunduksi panas, penyimpanan energi dan gerakkan mencampur perpindahan panas dengan cara konveksi dari suatu permukaan yang suhunya diatas suhu fluida sekitarnya berlangsung dalam beberapa tahap. Pertama, panas akan mengalir secara konduksi dari permukaan partikelpartikel fluida yang terbatas. Energi berpindah dengan cara demikian akan menaikkan suhu dan energi dalam partikel-partikel fluida. Kemungkinan partikel-partikel fluida tersebut akan bergerak ke daerah yang bersuhu lebih rendah didalam fluida dimana mereka akan bercampir, dan memindahkan sebagian energinya kepada partikel-partikel lainnya. Perpindahan pada konveksi diklasifikasikan dalam konveksi bebas dan konveksi paksa menurut cara pergerakkan alirannya. Maka bila gerakkan mencampur berlangsung semata-mata sebagai akibat dari perbedaan kerapatan yang disebabkan oleh gradient suhu disebut dengan konveksi bebas. Dan bila gerakan mencampur disebabkan oleh suatu alat dari luar, seperti pompa, kipas, maka prosesnya disebut konveksi paksa.

45 33 BAB III PERPINDAHAN KALOR Perpindahan panas dapat didefinisikan sebagai berpindahnya energi dari suatu daerah ke daerah lainnya sebagai akibat dari beda suhu antara daerahdaerah tersebut. Selain itu perpindahan panas terdiri dari beberapa proses, yaitu proses dalam keadaan stedi dan tak stedi. Proses stedi adalah bila laju aliran panas dalam suatu system tidak berubah dengan waktu, yaitu bila laju itu konstan, maka suhu dititik manapun tidak berubah. Dengan kondisi stedi, kecepatan masuk panas pada titik manapun harus tetap sama dengan kecepatan keluar, dan jika terdapat atau terjadi perubahan energi dalam contohnya adalah pendinginan bola lampu listrik dengan udara sekitar, atau perpindahan panas dari fluida yang panas ke fluida yang dingin didalam penukar panas. Sedangkan yang dimaksud dengan proses tak stedi bila suhu diberbagai titik dari system tersebut

46 34 berubah dengan waktu. Karena perubahan suhu menunjukkan perubahan energi dalam, kita berkesimpulan bahwa penyimpanan energi bagian yang tidak terpisahkan dari aliran proses tak stedi. Kepustakaan perpindahan panas pada umumnya mengenal tiga cara perpindahan panas yang berbeda : konduksi ( conduction, juga dikenal dengan istilah hantaran ), radiasi ( radiation ) dan konveksi ( convection ). Konduksi adalah proses dimana panas mengalir dari daerah yang bersuhu tinggi ke daerah yang bersuhu rendah didalam suatu medium ( padat, cair, gas ) atau antara medium-medium yang berlainan yang bersinggungan secara langsung. Dalam aliran perpindahan panas secara konduksi, perpindahan energi terjadi karena hubungan molekul yang cukup besar. Menurut teori kinetic, suhu elemen zat sebanding dengan energi kinetic rata-rata molekul yang membentuk elemen itu. Energi yang dimiliki oleh suatu elemen zat yang disebabkan oleh kecepatan dan posisi relative molekul-molekulnya disebut energi dalam. Jadi, semakin cepat molekul-molekul bergerak, semakin tinggi suhu maupun energi dalam elemen zat tersebut.

47 35 Radiasi adalah proses dimana panas mengalir dari benda yang bertemperatur tinggi ke benda yang bertemperatur rendah tanpa melalui zat perantara, kalor juga dapat berpindah melalui daerah-daerah hampa. Panas radiasi dipancarkan oleh suatu benda dalam bentuk kumpulan energi yang terbatas atau kuanta. Gerakan panas radiasi didalam ruangan mirip perambatan cahaya dan dapat diuraikan dengan teori gelombang. Bila gelombang radiasi menjumpai benda yang lain, maka energi nya diserap didekat permukaan benda tersebut. Perpindahan panas secara radiasi semakin penting dalam meningkatkan suhu suatu benda. Konveksi adalah proses perpindahan energi dengan kerja gabungan dari kunduksi panas, penyimpanan energi dan gerakkan mencampur perpindahan panas dengan cara konveksi dari suatu permukaan yang suhunya diatas suhu fluida sekitarnya berlangsung dalam beberapa tahap. Pertama, panas akan mengalir secara konduksi dari permukaan partikel-partikel fluida yang terbatas. Energi berpindah dengan cara demikian akan menaikkan suhu dan energi dalam partikel-partikel fluida. Kemungkinan partikel-partikel fluida tersebut akan bergerak ke daerah yang bersuhu lebih rendah didalam fluida dimana mereka akan bercampir, dan memindahkan sebagian energinya kepada partikel-partikel lainnya.

48 36 Perpindahan pada konveksi diklasifikasikan dalam konveksi bebas dan konveksi paksa menurut cara pergerakkan alirannya. Maka bila gerakkan mencampur berlangsung semata-mata sebagai akibat dari perbedaan kerapatan yang disebabkan oleh gradient suhu disebut dengan konveksi bebas. Dan bila gerakan mencampur disebabkan oleh suatu alat dari luar, seperti pompa, kipas, maka prosesnya disebut konveksi paksa. 3.1 Konduksi Perhatikan suatu dinding datar, dimana kkita akaan menerapkan hokum Fourier jika persamaan ini diintergrasikan, maka akan didapatkan ka q = ( T ) 2 T1 3.1 Δx bilamana konduktifitas termal dianggap tetap, Tebal dinding adalah Δx, sedang Td dan T adalah suhu muka dinding. jika konduktivitas ermal berubah menurut hubungan linear dengan suhu. Jika dalam system itu terdapat lebih dari satu macam bahan, seperti dalam hal dinding lapis rangkap pada gambar, analisa akan menjadi sebagai berikut

49 37 Gambar 3.1 Perpindahan kalor satu demensi melalui dinding komposit dan analoginya Jika gradient suhu pada ketiga bahan adalaj seperti digambar itu, aliran kalor menjadi q = k A T2 T A Δx A 1 = k B T3 T2 A Δx B = k C T4 T3 A Δx C 3.2 Jika persamaan itu diselesaikan dengan serentak, akan didapat persamaan sebagai berikut: T T q = 3.3 Δx / k A + Δx / k A + Δx k A A A B B C / c beda potensial termal aliran kalor = tahanan termal

50 38 Analogi listrik dapat pula digunakan untuk memecahkan soal-soal yanh lebih rumit baik yang menyangkut tahahan termal dakam susunan seri maupun parallel. ΔTmenyeluruh q = 3.4 ΣR th 3.2 Sistem Radial-Silender Perhatikan suatu silender dengan jari-jari dalam r i, jari-jari luar r o, dan panjang L, seperti pada gambar 3.2 Silender ini mengalami beda suhu T 1 -T o ; dan kita nyatkan berapakah aliran kalor yang terjadi? Untuk silender yang panjang sangant besar dibandingkan dengan diameternya, dapat kita andaikan bahwa kalor berlanglung menurut radial, sehingga koordiantnya ruang yang kira perlukan untuk mementukan system hanyalah r, Luas bidang aliran kalor dalam system silender ini adalah : A r = 2 πrl Gambar 3.2 Aliran kalor melalui silender bolong dan analogi listrinya

51 39 Sehingga hokum Fourier adalah : dt q = 2πkrL 3.5 dr Sehingga menjadi 2 kl( T1 T0 ) q = π 3.6 ln( r r ) o 1 dan tahanan termalnya dalam hal ini adalah : R th ln( ro / r1 ) = 3.7 2πkL 3.3 Koefesien Perpindahan Kalor Menyeluruh Perrhatikan pada gambar 3.3, dimana satu sisi terdapat fluida panas A, dan pada sisi lainnya fluida B yang lebih dingin. Perpindahan kalor dinyatakan oleh : ka q = ha( TA T1 ) = ( T1 T2 ) = h2 A( T2 TB ) 3.8 Δx Gambar 3.3 Perpindahan kalor menyeluruh melalui dinding datar

52 40 Perhatikan nilai 1/hA digunakan disini untuk menunjukan tahanan konveksi. Aliran kalor menyeluruh sebagai hasil gabungan proses konduksi dan konveksi bisa dinyatakan dengan koefesien perpindahan kalor menyeluruh U, yang dirumuskan dalam hubungan q = UAΔ 3.9 T menyeluruh dimana A ialah luas bidang aliran kalor. Sesuai dengan Persamaan koefesien perpindahan kalor menyeluruh ialah : U = 1 1/ h h Δx / k + 1/ 2 Untuk silender bolong yang terkena lingkungan konveksi I permukaan bagian dalam dan luarnya, analogi tahanan listrinya ialah seperti Gambar 2.11, dimana disini pun T A dan T B ialah suhu kedua Fluida. Perhatiakan bahawa dalam hal ini luas bidang konveksi tidak sama untuk kedua fluida. Luas bidang ini tergantung dari diameter dalam tabung dan tebal dinding. Dalam hal ini, perpindahan kalor menyeluruh dinyatakan dengan persamaan : q = 1 h A 1 1 T T ln( r0 / r1 ) πkL h 0 A o 3.11

53 41 Gambar 3.4 Analogi tahanan untuk silender bolong dengan kondisi konveksi Sesuai dengan jaringan termal sebagaimana ditunjukan pada gambar 3.4 besaran A 1 dan A o merupakan luas permukaan dalam da luar tabung dalam. Koefesien perpindahan-kalor menyeluruh dapat didasarkan atas bidang dalam atau luar tabung. Jadi U 1 = 1 h 1 + T2 T1 A1 ln( r0 / r1 ) 1A1 + 2πkL h 0 A o 3.12 U 1 = 1A h A 1 o 1 + T2 T1 A1 ln( r0 / r1 ) 1 + 2πkL h

54 42 BAB IV PERHITUNGAN PERANCANGAN 4.1 Data Perancangan Pada bab ini, perhitungkan perancangan meliputi ruang pembakaraan pada sisitem absorsi dengan media pemanas adalah air yang berasal solar kolektor dengan data-data sebagai berikut ini Data-data yang diperlukan perancangan : Suhu Air masuk T 1 : 82 o C Suhu Air keluar T 2 : 75 0 C Suhu absorber T a : 80 Diameter pipa : 3 inci = 0,0762 m Debit air masuk : 2 lt/ jmnt = m/s Panjang pipa : 35 cm = 0,35 m

55 43 Berdasarkan data-data diatas kita dapatkan sebuah kareteristik air pada suhu 82 o C yang didapat dari table 4.1 Table 4.1 Tabel kareteristik sifat-sifat air Sehingga data yang didapat adalah Massa jenis ρ :970,2 kg/m 3 Vikositas μ : 3, kg/m.s Konduktivitas k : 0,673 W/m 0 C Angka Pradlt :2,16

56 44 Kecepatan Air Air merupakan media pemanas dan berupa aliran maka diperlukan perhitungan dengan benar. Untuk pertama kali diperlukan adalah kecepatan aliran dari sebuah aliran air ditabung dengan menggunkan adalah Q = A.v Dimana Q : debit air A : Luas penampang tabung V : kecepatan air D : diameter tabung sehingga v = A Q 4.1 v = Q π 2 4 d v = 5 3,3.10 π 0, v = 0,023 m/s

57 45 Selanjutnya untuk mengetahui jenis aliran di tabung maka diperliukan bilangan reynold, adalah: ρ.v. d Re = μ 4.2 Dimana Re V D μ :bilangan Reynold : kecepatan aliran : diameter pipa : vikositas aliran ρ.v. d Re = μ 970,2.0,.023.0,0762 Re = 4 3,47.10 Re = 4900, Kofesien perpindahan kalor Berdasrkan perhitungan di atas sehingga didapat sebuag aliran dengan jenis turbulen sehingga kita gunakan persamaan dengan yang menghitunf koefesien perpindahan-kalor Nu d = h. d k = Re 0,8.Pr 0,4 4.3 =0, ,8 2,16 0,4 = 28,03

58 46 sehingga koefesien perpindahan-kalor menjadi: h = k. Nu 4.4 d 0,673 = 28, = 247,56 W/m 2. o C Perpindahan kalor yang terjadi pada aliran air adalah Qtb = h.π.d.l (T 1 -T 2 ) 4.5 Dimana : h d l : koefesien pepindahan panas : diameter pipa : panjang pipa Qtb = h.π.d.l (T 1 -T 2 ) = 28,03.π.0.35(82-75) = 215,63 Watt

59 Perpindahan pada absorber Untuk mengetahui besarnya koefesien diabsober dimana pipa absorber mengalirkan amomiak maka diperlukan Untuk besarnya koefesien perpindaha panas pada amoniak dapat diambil dari table dibawah ini : Tabel 4.2 Nilai kira-kira Koefesien Perpindahan Sehingga dapat kita ambi dengan sebesar h : 850 W/m 2. o C