BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Definisi Kondensor Kondensor adalah suatu alat untuk terjadinya kondensasi refrigeran uap dari kompresor dengan suhu tinggi dan tekanan tinggi. Kondensor sebagai alat penukar kalor berguna untuk membuang kalor dan mengubah wujud refrigeran dari uap menjadi cair. Faktor-faktor yang mempengaruhi kapasitas kondensor adalah : 1. Luas muka perpindahan panasnya meliputi diameter pipa kondensor, panjang pipa kondensor dan karakteristik pipa kondensor 2. Aliran udara pendinginnya secara konveksi natural atau aliran paksa oleh fan 3. Perbedaan suhu antara refrigeran dengan udara luar 4. Sifat dan karakteristik refrigeran di dalam sistem [1] Kondensor ditempatkan di luar ruangan yang sedang didinginkan, agar dapat melepas keluar kepada zat yang mendinginkannya. Tekanan refrigeran yang meninggalkan kondensor harus cukup tinggi untuk mengatasi gesekan pada pipa dan tahanan dari alat ekspasi, sebaliknya jika tekanan di dalam kondensor sangat rendah dapat menyebabkan refrigeran tidak mampu mengalir melalui alat ekspansi. [1]

2 2.2 Klasifikasi Ekspansi yaitu: Menurut zat yang mendinginkannya, kondensor dapat dibagi menjadi tiga jenis 1. Kondensor berpendingin udara (Air Cooled Condenser) Air Cooled Condenser adalah kondensor yang menggunakan udara sebagai cooling mediumnya, biasanya digunakan pada sistem berskala rendah dan sedang dengan kapasitas hingga 20 ton refrigerasi. Air Cooled Condenser merupakan peralatan AC (Air Conditioner) standard untuk keperluan rumah tinggal (residental) atau digunakan di suatu lokasi di mana pengadaan air bersih susah diperoleh atau mahal. Untuk melayani kebutuhan kapasitas yang lebih besar biasanya digunakan multiple air colled condenser. Udara sebagai pendingin kondensor dapat mengalir secara alamiah atau dialiri paksa oleh fan. Kulkas pada umumnya menggunakan kondensor berpendingin udara secara alamiah (konveksi natural) yang umum disebut sebagai kondensor statis. Fan dapat meniupkan udara kearah kondensor dalam jumlah yang lebih besar, sehingga dapat memperbesar kapasitas pelepasan panas oleh kondensor. Refrigeran dari kompresor pada suhu dan tekanan tinggi dialirkan ke bagian paling atas kondensor. Di dalam kondensor, refrigeran melepas kalor embunnya sehingga mengembun, wujudnya berubah dari uap menjadi cair. Refrigeran dengan tekanan tinggi ini dialirkan dari bagian bawah kondensor ke saringan dan alat ekspansi. Pelepasan panas ini dapat dirasakan yaitu muka kondensor menjadi hangat.

3 Kondensor berpendingin udara bentuknya sederhana, tidak memerlukan perawatan khusus. Ini adalah keuntungan dari kondensor berpendingin udara. Sistem refrigerasi yang berkapasitas kurang dari 1 kw umumnya menggunakan kondensor jenis ini. [1] Gambar 2.1 Kondensor berpendingin udara 2. Kondensor berpendingin air (Water Cooled Condenser) Kondensor jenis ini digunakan pada system yang berskala besar untuk keperluan komersil di lokasi yang mudah memperoleh air bersih. Kondensor jenis ini menjadi pilihan yang ekonomis bila terdapat suplai air bersih mudah dan murah. Pada umumnya kondensor seperti ini berbentuk tabung yang di dalamnya berisi pipa (tubes) tempat mengalirnya air pendingin. Uap refrigeran berada di luar pipa tetapi di dalam tabung (shell). Kondensor seperti ini disebut shell and tube water cooled

4 condenser. Air yang menjadi panas, akibat kalor yang dilepas oleh refrigeran yang mengembun, kemudian air yang telah menjadi panas ini didinginkan di dalam alat yang disebut menara pendingin (cooling tower). Setelah keluar dari cooling tower, air menjadi dingin kembali dan disalurkan dengan pompa kembali ke kondensor. Dengan cara inilah pendingin disirkulasikan. Kondensor jenis ini biasanya digunakan pada sistem berkapasitas besar. [1] Gambar 2.2 Kondensor berpendingin air 3. Kondensor berpendingin campuran udara dan air (Evaporative Condenser) Kondensor jenis ini merupakan kombinasi dari kondensor berpendingin udara dan kondensor berpendingin air. Koil kondensor ini diletakkan berdekatan dengan media pendinginnya yang berupa udara tekan dan air yang disemprotkan melalui suatu lubang nozzle. Kondensor jenis ini disebut juga evaporative condenser. Kondensornya sendiri berbentuk seperti kondensor dengan pendingin air, namun diletakkan di dalam menara pendingin. Percikan air dari atas menara akan membasahi muka kondensor jadi kalor

5 dari refrigeran yang mengembun diterima oleh air dan kemudian diberi pada aliran udara yang mengalir dari bagian bawah ke bagian atas menara. Sebagai akibatnya air yang telah menjadi panas tersebut diatas, didinginkan oleh aliran udara, sehingga pada saat air mencapai bagian bawah menara, air ini sudah menjadi dingin kembali. Selanjutnya air dingin ini dipompakan ke bagian atas menara demikian seterusnya. Dalam Negara yang bemusim empat, pada musim dingin sering kali tidak dibutuhkan percikan air dari atas menara, karena udara sudah cukup dingin dan mampu secara langsung menerima beban kondensor. Dalam keadaan seperti ini, dikatakan bahwa evaporative condenser dioperasikan secara kering. Dengan cara ini maka evaporative condenser dioperasikan secara kering. Maka evaporative condenser ini akan berfungsi seperti kondensor berpendingin udara. [1] Gambar 2.3 Kondensor berpendingin campuran udara dan air

6 Pada sistem refrigerasi siklus adsorpsi ini akan digunakan kondensor yang menggunakan jenis Air Cooled Condenser, dimana media pendingin yang digunakan udara yang nantinya udara itu akan digerakkan menggunakan angin, sehingga efek pendinginannya akan lebih efektif. Alasan mengapa digunakan kondensor tipe tersebut adalah mudah proses pembuatannya tidak terlalu rumit, tempatnya yang memang hanya memungkinkan untuk tipe kondensor jenis ini. 2.3 Prinsip Kerja Kondensor Uap refrigeran yang keluar dari generator akan memasuki kondensor. Uap yang bersuhu tinggi ini sebelum masuk ke evaporator terlebih dahulu didinginkan di kondensor. Panas uap dari refrigeran secara konveksi akan mengalir ke pipa kondensor. Panas akan mengalir ke sirip-sirip kondensor sehingga panas tersebut dibuang ke udara bebas melalui sirip dengan cara konveksi alamiah. Sehingga untuk memperluas daya konveksi maka luas sirip dirancang semaksimal mungkin. Suhu uap refrigeran didalam kondensor ini akan turun tetapi tekanannya tetap tidak berubah. Bila penurunan suhu gas mencapai titik pengembunannya maka akan terjadi proses pengembunan (kondensasi), dalam hal ini terjadi perubahan wujud gas menjadi liquid yang tekanan dan suhunya masih cukup tinggi (tekanan kondensing). Proses pendinginan dikondensasikan tersebut menghasilkan refrigeran berbentuk cairan (liquid). Proses kondensasi yang terjadi selama proses percobaan tidak stabil karena menggunakan pendingin udara yang kecepatan udaranya tidak konstan. Jika semakin tinggi kecepatan udara maka pembuangan panas ke udara semakin efektif. [1]

7 2.4 Adsorpsi Adsorpsi adalah suatu proses yang terjadi ketika suatu fluida (cairan maupun gas) terikat kepada suatu padatan dan akhirnya membentuk suatu film (lapisan tipis) pada permukaan padatan tersebut. Berbeda dengan absorpsi, dimana fluida terserap oleh fuida lainnya dengan membentuk suatu larutan. Sistem pendingin adsorpsi dapat menggunakan panas tingkat rendah dan menggunakan refrigeran dengan nol ODP dan GWP. Keuntungan dari adsorpsi adalah sebagai berikut : 1. Sistem pendingin adsorpsi dapat didukung oleh sumber dengan kisaran temperatur yang luas. Suhu 50 0 C sudah dapat digunakan sebagai sumber panas untuk sistem adsorpsi, tetapi dalam sistem absorpsi sumber harus setidaknya pada 70 o C, bahkan jika dua tahap siklus diadsorpsi. Sumber panas mendekati suhu 500 o C dapat digunakan secara langsung dalam adsorpsi tanpa menghasilkan masalah korosi, sedangkan dalam sistem absorpsi, korosi akan mulai terjadi pada suhu di atas 200 o C. [2] 2. Sistem pendingin adsorpsi cocok untuk kondisi dengan getaran yang kuat, seperti di perahu nelayan dan lokomotif, tapi pada sistem absorpsi karena bahan penyerapnya (absorben) dalam bentuk cairan mengalami masalah karena absorben dapat mengalir dari generator ke evaporator atau dari absorber ke kondensor. Ketika absorben berpindah, refrigeran menjadi tercemar dan sistem tidak dapat bekerja secara normal. [2]

8 3. Sistem adsorpsi jauh lebih sederhana dibandingkan dengan sistem absorpsi. Sebagai contoh, dalam sistem adsorpsi NH3-H2O, peralatan dephlegmate harus digabungkan ke dalam sistem karena titik didih air mirip dengan amonia. [2] Walaupun adsorpsi biasanya dikaitkan dengan perpindahan dari suatu gas atau cairan ke suatu permukaan padatan, perpindahan dari suatu gas ke suatu permukaan cairan juga terjadi. Substansi yang terkonsentrasi pada permukaan didefinisikan sebagai adsorbat dan material pada mana adsorbat terakumulasi didefinisikan sebagai adsorben. [3] Pada dasarnya adsorben dibagi menjadi tiga yaitu : 1. Adsorben yang mengadsorpsi secara fisik (karbon aktif, silika gel dan zeolit) [2] 2. Adsorben yang mengadsorpsi secara kimia (calcium chloride, metal hydrides dan complex salts ) [2] 3. Adsorben yang mengadsorpsi secara kimia dan fisik (composite adsorbent) [2] 1. Adsorben yang mengadsorpsi secara fisik (karbon aktif, silika gel dan zeolit) Pada adsorpsi jenis ini, adsorpsi terjadi tanpa adanya reaksi antara molekulmolekul adsorbat dengan permukaan adsorben. Molekul-molekul adsorbat terikat secara lemah karena adanya gaya van der Waals. Adsorpsi ini relatif berlangsung cepat dan bersifat reversibel (reversible). Karena dapat berlangsung di bawah temperatur kritis adsorbat yang relatif rendah, maka panas adsorpsi yang dilepaskan juga rendah. Adsorbat yang terikat secara lemah pada permukaan adsorben, dapat bergerak dari suatu bagian permukaan ke bagian permukaan lain. Peristiwa adsorpsi

9 fisika menyebabkan molekul-molekul gas yang teradsorpsi mengalami kondensasi. Besarnya panas yang dilepaskan dalam proses adsorpsi fisika adalah kalor kondensasinya. [3] Proses adsorpsi fisik terjadi tanpa memerlukan energi aktivasi, sehingga proses tersebut membentuk lapisan jamak (multilayers) pada permukaan adsorben. Ikatan yang terbentuk dalam adsorpsi fisika dapat diputuskan dengan mudah, yaitu dengan cara degassing atau pemanasan pada temperatur C selama 2-3 jam. [3] Gambar 2.4 Siklus refrigerasi adsorpsi (Clapeyron diagram) [2] Keterangan Gambar : Dalam adsorber 1-2, panas masuk (pemanasan isosteric); 2-3, panas masuk (pemanasan isobarik dan desorpsi); 3-4, panas keluar (pendinginan isosteric) 3-4-1, panas keluar (pendinginan dan isobarik adsorpsi). Dalam evaporator - kondensor 2-3 panas keluar (kondensasi isobarik); , efek pendinginan (isosteric refrigerant pendingin diri dan isobarik penguapan).

10 2. Adsorben yang mengadsorpsi secara kimia (calcium chloride, metal hydrides dan complex salts ) Untuk adsorpsi kimia antara adsorben dan refrigeran, kekuatan pasang kerja adsorpsi kimia umumnya meliputi fungsi kompleksasi, koordinasi, hidrogenasi dan oksidasi. Siklus adsorpsi kimia mencakup empat proses dibagi menjadi dua fase dekomposisi, kondensasi, evaporasi dan sintesis yang ditunjukkan dalam Gambar 2.3 Gambar 2.5 Adsorpsi kimia titik 1, dekomposisi (Desorpsi); titik 2 kondensasi; titik 3 penguapan; butir 4, sintesis (Adsorpsi) [2]

11 3. Adsorben yang mengadsorpsi secara kimia dan fisik (composite adsorbent) Pasangan kerja utama adsorpsi komposit adalah silika gel / klorida / air. Adsorben komposit dengan silika gel biasanya dihasilkan aditif klorida. pasangan kerja Klorida/ air, misalnya CaCl2/H2O, bukan merupakan adsorpsi padat karena CaCl2 mencair setelah menyerap sejumlah air, tetapi kuantitas adsorpsi tertinggi CaCl2/H2O sekitar enam kali nilai yang didapat dengan silika gel. [2] Menurut Aristov et al, karakteristik adsorpsi dari adsorben komposit silika gel dapat dimodifikasi dengan: a. mengubah struktur pori silika gel b. mengubah jenis garam c. mengubah proporsi antara garam dan silika gel [2] 2.5 Pemanasan dan pendinginan Dua sistem A dan B yang berbeda suhunya, bila dihubungkan satu sama lain akan terjadi perubahan suhu sampai suhu keduanya sama besar (setimbang). Perubahan suhu itu terjadi karena aliran panas atau perpindahan dari A ke B atau sebaliknya. Dari percobaan dan penelitian Count Rumford ( ) serta Sir Janes Prascolt Youle ( ) muncul suatu pendapat bahwa aliran panas itu tidak lain adalah suatu perpindahan energi :.(1)[4] dengan : = panas yang diserap atau dikeluarkan (W)

12 m = massa benda (kg) c = panas jenis (kj/kg 0 C) = selisih temperatur ( 0 C) Pada peristiwa melebur atau meleleh, panas yang diserap atau dikeluarkan oleh benda yang mengalami perubahan fase tersebut. Demikian juga pada peristiwa mendidih, mengembun dan sublimasi. Banyaknya panas persatuan massa benda pada waktu terjadi perubahan fase disebut panas laten (L). [4].(2)[4] dengan : Q = panas yang diserap atau dikeluarkan pada waktu perubahan fase (kj) m = massa benda (kg) L = panas laten (kj/kg) berikut: Perhitungan panas yang dilepas air persatuan massa dapat dirumuskan sebagai.(3)[4] dengan : Z = panas yang dilepas air per satuan massa (kj/kg) Cp w = panas jenis air (kj/kg.k) Cp es = panas jenis es (kj/kg.k) L = panas laten yang harus diilepas (kj/kg)

13 t 3 = temperatur akhir rata-rata es (K) 2.6 Perpindahan Kalor Perpindahan panas merupakan perpindahan energi dari suatu daerah ke daerah lain yang terjadi karena perbedaan suhu. Panas ini akan mengalir dari tempat yang mempunyai temperatur tinggi ke tempat yang mempunyai temperatur rendah hingga tercapai temperatur yang sama. Perpindahan panas secara garis besar dapat dibagi menjadi 3 bagian : a. Konduksi b. Konveksi c. Radiasi Konduksi Konduksi adalah proses perpindahan panas yang mengalir melalui suatu bahan padat dari daerah yang bersuhu lebih tinggi ke daerah yang bersuhu lebih rendah di dalam suatu medium (padat, cair atau gas). Peristiwa ini menyangkut pertukaran energi pada tingat molekuler. Pegamatan gejala fisika dan serentetan pemikiran telah menghasilkan laju aliran kalor untuk konduksi. Kepadatan aliran (flux) energi perpindahan kalor secara konduksi disebuah batangan padat, sebanding dengan beda suhu dan luas penampang serta berbanding terbalik dengan panjangnya. Pengamatan dibuktikan dengan serentetan percobaan sederhana. Fourter telah memberikan sebuah model matematika untuk proses ini. Dalam hal satu dimensi, model matematikanya yaitu :

14 .(4)[4] dengan : Q = laju aliran energi (W) A = luas penampang (m 2 ) t = beda suhu (K) L = panjang (m) k = daya hantar (konduktivitas) termal (W/mK) Daya hantar termal merupakan suatu karakteristik dari bahan dan perbandingan K/l disebut hantaran (konduktivitas) yang ditentukan oleh struktur molekul bahan. Semakin rapat dan tersusun rapinya molekul-molekul yang umumnya terdapat pada logam akan memindahkan energi yang semakin cepat dibandingkan dengan susunan yang acak dan jarang yang pada umumnya terdapat terdapat pada bahan bukan logam. [4] Persamaan untuk laju perpindahan kalor konduksi secara umum dinyatakan dengan bentuk persamaan diferensial di bawah ini :.(5)[4] Konveksi Perpindahan kalor konveksi bergantung pada konduksi antara permukaan benda padat dengan fluida terdekat yang bergerak. Persamaan laju perpindahan panas

15 secara konveksi telah diajukan oleh Newton pada tahun 1701 yang berasal dari pengamatan fisika. [4].(6)[4] dengan : h c = koefisien konveksi (W/m 2 K) t s = suhu permukaan ( 0 C) t f = suhu fluida ( 0 C) Beberapa parameter yang telah diuji dan mengenal bentuk korelasi yang banyak digunakan untuk menentukan koefisien konveksi (h c ) z yaitu : a. Bilangan Reynold (R e ) Bilangan Reynold digunakan sebagai kriteria untuk menunjukkan aliran fluida itu laminer dan turbulen. Untuk bilangan Re<2300 dikatakan aliran laminar; Re>2300 dikatakan aliran turbulen. [4].(7)[4] dengan : = rapat massa (kg/m 3 ) v = kecepatan aliran fluida (m/s) D = diameter aliran fluida (m) µ = viskositas fluida (Pa.det) b. Bilangan Prandtl (Pr)

16 Bilangan Prandtl adalah bilangan tanpa dimensi yang merupakan fungsi dari sifat-sifat fluida. Bilangan Prandtl didefinisikan sebagai perbandingan viskositas kinematik terhadap difusitas thermal fluida yaitu :.(8)[4] dengan : Cp = panas spesifik fluida (J/kg.K) µ = viskositas fluida (Pa.det) k = konduktivitas thermal (W/m 2 K) c. Bilangan Nusselt (Nu).(9)[4] dengan : h c = koefisien konveksi (W/m 2 K) D = diameter efektif aliran fluida (m) k = konduktifitas thermal fluida (W/mK) Banyak rumusan yang telah dikembangkan untuk susunan aliran tertentu sehingga hubungan antara bilangan Nusselt, Reynolds dan Prandtl dapat dirumuskan : Nu = C (Re n ) (Pr m ).(10)[4] Radiasi Perpindahan energi secara radiasi berlangsung akibat foton-foton dipancarkan dengan arah, fase dan frekuensi yang serampangan dari suatu permukaan ke permukaan

17 lain. Pada saat mencapai permukaan lain, foton yang diradiasikan juga diserap, dipantulkan atau diteruskan (ditransmisikan) melalui permukaan tersebut. [4] Energi yang diradiasikan dari suatu permukaan ditentukan dalam bentuk daya pancar (emissive power) yang secara termodinamika dapat dibuktikan bahwa daya pancar tersebut sebanding dengan pangkat empat dari temperatur absolutnya. Untuk radiator ideal, biasanya berupa benda hitam (black body). Daya pancar : Eb = σ. T 4.(11) [4] dimana : Eb = daya pancar benda hitam (W/m 2 ) σ = tetapan Stefan-Boltzmann = x 10-8 W/m 2 K 4 T = suhu absolute (K)