BAB II LANDASAN TEORI

Transkripsi

1 BAB II LANDASAN TEORI Perencanaan pengkondisian udara dalam suatu gedung diperlukan suatu perhitungan beban kalor dan kebutuhan ventilasi udara, perhitungan kalor ini tidak lepas dari prinsip perpindahan panas yang meliputi 3 hal yaitu konduksi, konveksi dan radiasi. Disamping itu perlu juga pemilihan sistem, pemilihan unit dan penempatan unit yang tepat. 2.1 Refrigerasi dan Pengkondisian Udara Refrigerasi dan pengkondisian udara merupakan suatu proses yang saling berkaitan satu sama lain, akan tetapi masing-masing mempunyai ruang lingkup yang berbeda-beda. Refrigerasi merupakan proses penurunan temperatur dan menjaga agar temperatur ruang atau bahan yang ada di ruangan tetap berada dibawah temperatur sekelilingnya. Dengan kata lain ruang lingkup teknik refrigerasi adalah pada proses pendinginan. Bidang penerapannya banyak dijumpai pada industri pengawetan makanan (cold storage), industri bahan kimia dan lain-lain. Sedangkan teknik pengkondisian udara tidak hanya mendinginkan udara, tetapi penekanannya pada kenyamanan pengguna atau pemakai (Comfort Air Conditioning). Menurut definisi pengkondisian udara adalah pengaturan simultan terhadap temperatur, kelembaban, aliran dan kebersihan udara di dalam suatu ruangan. Pengkondisian udara juga mencakup usaha pemanasan atau penghangatan ruangan. Penerapan pengkondisian udara banyak dijumpai pada pusat perbelanjaan, rumah tinggal, perhotelan, dan perkantoran. 5

2 2.2. Definisi dari Penyegaran Udara Penyegaran udara adalah suatu proses mendinginkan udara sehingga dapat mencapai temperatur dan kelembaban yang sesuai dengan persyaratan kondisi udara dari suatu ruangan tertentu yang dapat mengatur aliran udara dan kebersihannya. Sistem penyegaran udara pada umumnya di bedakan menjadi 2 (dua) jenis golongan, yaitu : a. Penyegaran udara untuk kenyamanan Yaitu penyegaran yang fungsi utamanya mengatur suhu dalam ruangan yang memberikan kenyamanan bagi penghuni atau pemakainya dalam melakukan aktifitas tertentu. b. Penyegaran udara untuk industri Yaitu penyegaran udara dari ruangan yang di fungsikan untuk menontrol suhu suatau perangkat yang ada di dalamnya. Biasanya peralatan peralatam terebut tidak kuat akan suhu yang terlalu tinggi Kriteria kenyamanan Tubuh manusia adalah penghasil panas yang diperoleh dari proses metabolisme tubuh, tubuh manusia juga harus mengeluarkan panas sebagai akibat dari kerja yang dilakukannya. Jika panas tersebut tidak dapat keluar dari tubuh manusia, misalnya karena temperatur dan kondisi udara sekelilingnya tidak memungkinkan hal tersebut terjadi dengan baik, maka ia akan merasakan suatu keadaan yang tidak menyenangkan. Tubuh manusia memiliki kemampuan untuk 6

3 menyesuaikan diri dengan lingkungannya. Dalam lingkungan yang dingin saluran darah akan mengerut untuk mengurangi kerugian panas yang diakibatkan oleh radiasi dari kulit. Oleh karena itu permukaan kulit akan menjadi lebih ringan. Sebaliknya, dalam lingkungan yang panas saluran darah akan mengembang sehingga radiasi dari kulit akan bertambah besar. Selanjutnya dalam lingkungan yang lebih panas, tubuh akan berkeringat dan proses penguapan keringat akan mendinginkan kulit. Faktor-faktor yang mempengaruhi kenyamanan manusia dalam menjalankan aktifitasnya antara lain : - Temperatur udara kering - Kelembaban udara - Pergerakan udara (kecepatan udara) - Aktifitas orang - Pasokan udara segar - Pasokan udara bersih - Tingkat kebisingan - Tingkat pencahayaan yang mencukupi - Sarana dan peralatan yang memadai dalam melakukan aktifitas Faktor yang mempengaruhi kenyamanan termal Temperatur udara kering. Temperatur udara kering sangat besar pengaruhnya terhadap besar kecilnya kalor yang dilepas melalui penguapan (evaporasi) dan melalui konveksi. Daerah kenyamanan termal untuk daerah tropis dapat dibagi menjadi beberapa 7

4 bagian, antara lain : 1. Sejuk nyaman, antara temperatur efektif 20,5ºC ~ 22,8ºC 2. Nyaman optimal, antara temperatur efektif 22,8ºC ~ 25,8ºC 3. Hangat nyaman, antara temperatur efektif 25,8ºC ~ 27,1ºC Evaporasi (penguapan) dari tubuh manusia akan berlangsung cepat bila kelembaban relatif udara adalah rendah dan menyebabkan tubuh dapat mengatasi kehilangan panas dibawah temperatur sangat tinggi dari bola kering jika kelembaban relatif sekitar 40%. Disisi lain temperatur bola kering sangat rendah (sekitar 18ºC atau 64,4ºF) kondisi ini tidak akan nyaman bila kelembaban relatifnya diatas 65 %. Dibawah ini adalah grafik yang menunjukkan zona nyaman untuk manusia. Gambar 2.1 Grafik zona nyaman manusia. Air Conditioning Clinic (Juli 2000). Cooling Load. North American Group The Trane Company. 8

5 Sesuai dengan gambar 2.1 maka dapat diketahui bahwa tubuh manusia akan merasa nyaman apabila berada pada kondisi temperatur 70ºF DB (21.2ºC) sampai dengan temperatur 80ºF DB (26,7ºC) dan kelembaban relatif udara sekitar 30% - 60% RH Kelembaban udara relatif dalam ruangan. Kelembaban udara relatif dalam ruangan adalah perbandingan antara jumlah uap air yang dikandung oleh udara tersebut dibandingkan dengan jumlah kandungan uap air pada keadaan jenuh pada temperatur udara ruangan tersebut. Untuk daerah tropis kelembaban udara relatif yang dianjurkan antara 40% ~ 50%, tetapi untuk ruangan yang jumlah orangnya padat seperti ruang pertemuan, kelembaban udara relatif masih diperbolehkan berkisar antara 55% ~ 60% Pergerakan udara (Kecepatan udara) Untuk mempertahankan kondisi nyaman, kecepatan udara yang jatuh diatas kepala tidak boleh besar dari 0,25 m/detik (49,21 fpm) dan sebaiknya lebih kecil dari 0,15 m/detik (29,52 fpm). Kecepatan udara ini dapat lebih besar dari 0,25 m/detik tergantung dari temperatur udara kering rancangan (Tabel 2.3.3). Tabel 2.1 Kecepatan udara dan kesejukan Kecepaan udara, m/detik Temperatur udara kering, C

6 Kebutuhan peningkatan kecepatan udara untuk mengkompensasi kenaikan temperatur udara kering agar tingkat kenyamanannya tetap terpelihara ditunjukkan dalam gambar dibawah ini. Gambar 2.2 : Kebutuhan peningkatan kecepatan udara untuk mengkompensasi kenaikan temperatur udara kering Keterangan : Misalnya temperatur udara kering dalam ruangan berubah dari 25 C menjadi 27,2 C atau naik 2,2 C untuk mengkompensasi kenaikan temperatur ini maka kecepatan udara yang mula-mula hanya 0,15 m/detik harus dinaikkan menjadi 0,625 m/detik. 10

7 2.3.4 Radiasi permukaan yang panas. Apabila didalam suatu ruangan dinding-dinding sekitarnya panas, akan mempengaruhi kenyamanan seseorang didalam ruangan tersebut misalnya dekat dapur ataupun oven. Usahakan temperatur radiasi rata-rata sama dengan temperatur udara kering ruangan. Apabila temperatur radiasi rata-rata lebih tinggi dari temperatur udara kering ruangan, maka temperatur udara ruangan rancangan dibuat lebih rendah dari temperatur rancangan biasanya Aktivitas orang. Untuk perhitungan sistem pengkondisian udara, orang lebih tertarik terhadap besarnya kalor yang dihasilkan dari seseorang pada suatu aktifitas tertentu. Besarnya kalor total yang dihasilkan untuk suatu aktivitas yang dilakukan oleh seorang pria dewasa. Untuk wanita dewasa dapat diambil 85% dari kalor yang dihasilkan pria dewasa dan anak-anak diambil 75% dari kalor yang dihasilkan pria dewasa akan ditunjukkan oleh tabel dibawah ini. 11

8 Tabel 2.2. Laju Pertambahan Kalor dari Penghuni dalam Ruang yang dikondisikan. Keterangan : - Nilai dalam tabel didasarkan pada temperatur udara kering 75 F (23,88 C). Untuk 80 F (26,66 C) temperatur udara kering, total panas tetap sama, tetapi nilai kalor sensibel harus diturunkan mendekati 20% dan nilai kalor laten menyesuaikan naik Pasokan udara segar (Fresh air) berdasarkan jenis hunian Untuk mengambil perolehan kalor yang terjadi di dalam ruangan, diperlukan laju aliran udara dengan jumlah tertentu untuk menjaga supaya 12

9 temperatur udara di dalam ruangan tidak bertambah melewati harga yang diinginkan. Jumlah laju aliran udara yang perlu disediakan oleh sistem ventilasi mengikuti persyaratan pada tabel 2.2 Tabel 2.3. Kebutuhan laju udara ventilasi 13

10 2.4. Sistem Kompresi Uap Daur kompresi uap merupakan daur yang banyak digunakan dalam refrigerasi. Pada daur ini uap ditekan, dan kemudian diembunkan menjadi cairan, kemudian tekanannya diturunkan agar cairan tersebut dapat menguap kembali. Sistem kompresi uap sederhana terlihat pada gambar dibawah ini : Gambar 2.3. Sistem refrigerasi siklus kompresi uap (Stoecker, 1992 : 187) 14

11 Gambar 2.2. Siklus refrigerasi termasuk perubahan tekanannya Siklus refrigerasi kompresi uap memiliki dua keuntungan. Pertama, sejumlah besar energi panas diperlukan untuk merubah cairan menjadi uap, dan oleh karena itu banyak panas yang dapat dibuang dari ruang yang disejukkan. Kedua, sifat-sifat isothermal penguapan membolehkan pengambilan panas tanpa menaikan suhu fluida kerja ke suhu berapapun didinginkan. Hal ini berarti bahwa laju perpindahan panas menjadi tinggi, sebab semakin dekat suhu fluida kerja mendekati suhu sekitarnya akan semakin rendah laju perpindahan panasnya. Siklus refrigerasi ditunjukkan dalam Gambar 2.3 dan 2.4 serta dapat dibagi menjadi tahapan-tahapan sebagai berikut : 1 2 Cairan refrigeran dalam evaporator menyerap kalor dari sekitarnya, biasanya udara, air atau cairan proses lain. Selama proses ini cairan 15

12 merubah bentuknya dari cair menjadi gas, dan pada keluaran evaporator gas ini diberi pemanasan berlebih/ superheated gas. Besarnya kalor yang diserap adalah beda entalpi antara titik 1 dan titik 2 ini biasa disebut dengan efek pendinginan. 2 3 Uap yang diberi panas berlebih masuk menuju kompresor dimana tekanannya dinaikkan. Suhu juga akan meningkat, sebab bagian energi yang menuju proses kompresi dipindahkan ke refrigeran. 3 4 Superheated gas bertekanan tinggi lewat dari kompresor menuju kondenser. Bagian awal proses refrigerasi (3-3a) menurunkan panas superheated gas sebelum gas ini dikembalikan menjadi bentuk cairan (3a-3b). Refrigerasi untuk proses ini biasanya dicapai dengan menggunakan udara atau air. Penurunan suhu lebih lanjut terjadi pada pekerjaan pipa dan penerima cairan (3b-4), sehingga cairan refrigeran didinginkan ketingkat lebih rendah ketika cairan ini menuju alat ekspansi. 4 1 Cairan yang sudah didinginkan dan bertekanan tinggi melintas melalui peralatan ekspansi, yang mana akan mengurangi tekanan dan mengendalikan aliran menuju evaporator Komponen-komponen utama siklus kompresi uap Pada sistem refrigrasi mekanik kompresi uap terdapat rangkaian dari empat komponen utama, yaitu : kompresor, kondenser, evaporator dan katup ekspansi. Masing-masing komponen mempunyai ciri dan fungsi sendiri-sendiri yang berbeda, tetapi secara terintegrasi dan dioperasikan bersama-sama akan 16

13 dapat memindahkan energi termal. Dampak dari pengoperasian sebuah sistem refrigerasi pada sebuah obyek adalah bila terambil sebagian energi yang terkandung di dalamnya, suhu obyek tersebut akan menurun. Sebaliknya, karena operasi sistem refrigerasi itu kemudian sejumlah energi termal terpindahkan ke lingkungan, maka lingkungan tersebut dapat menjadi lebih hangat. Berikut ini adalah uraian ringkas tentang komponen-komponen utama sebuah sistem refrigerasi mekanik Kompresor Kompresor adalah komponen yang merupakan jantung dari sistem refrigerasi. Kompresor bekerja menghisap uap refrigeran dari evaporator dan mendorongnya dengan cara kompresi agar mengalir masuk ke kondenser. Karena kompresor mengalirkan refrigeran sementara piranti ekspansi membatasi alirannya, maka di antara kedua komponen itu terbangkitkan perbedaan tekanan, yaitu: di kondenser tekanan refrigeran menjadi tinggi (high pressure HP), sedangkan di evaporator tekanan refrigeran menjadi rendah (low pressure LP) Kondenser Kondenser adalah komponen di mana terjadi proses perubahan fasa refrigeran, dari fasa uap menjadi fasa cair. Dari proses kondensasi (pengembunan) yang terjadi di dalamnya itulah maka komponen ini mendapatkan namanya. Proses kondensasi akan berlangsung apabila refrigeran dapat melepaskan kalor yang dikandungnya. Kalor tersebut dilepaskan dan dibuang ke lingkungan. Agar 17

14 kalor dapat lepas ke lingkungan, maka suhu kondensasi (Tkd) harus lebih tinggi dari suhu lingkungan (Tling). Karena refrigeran adalah zat yang sangat mudah menguap, maka agar dapat dikondensasikan haruslah dibuat bertekanan tinggi. Maka, kondenser adalah bagian di mana refrigeran bertekanan tinggi (Pkd = high pressure HP) Evaporator Evaporator adalah komponen di mana cairan refrigeran yang masuk ke dalamnya akan menguap. Proses penguapan (evaporation) itu terjadi karena cairan refrigeran menyerap kalor, yaitu yang merupakan beban refrigerasi sistem. Terdapat dua jenis evaporator yaitu: Evaporator ekspansi langsung Pada evaporator ini terdapat bagian, yaitu di bagian keluarannya, yang dirancang selalu terjaga kering, artinya di bagian itu refrigeran yang berfasa cair telah habis menguap sebelum terhisap keluar ke saluran masuk kompresor. Evaporator genangan Pada evaporator jenis ini seluruh permukaan bagian dalam evaporator selalu dibanjiri, atau bersentuhan, dengan refrigeran yang berbentuk cair. Terdapat sebuah tandon (reservoir, low pressure receiver), di mana cairan refrigeran terkumpul, dan dari bagian atas tandon tersebut uap refrigeran yang terbentuk dalam evaporator tersebut dihisap masuk ke kompresor. 18

15 2.5.4 Katup ekspansi Katup ekspansi ini berfungsi seperti sebuah gerbang yang mengatur banyaknya refrigeran cair yang boleh mengalir dari kondenser ke evaporator. Oleh sebab itu piranti ini sering juga dinamakan refrigerant flow controller. Dalam berbagai buku teks Termodinamika, proses yang berlangsung dalam piranti ini biasanya disebut throttling process. Besarnya laju aliran refrigeran merupakan salah satu faktor yang menentukan besarnya kapasitas refrigerasi. Untuk sistem refrigerasi yang kecil, maka laju aliran refrigeran yang diperlukan juga kecil saja. Sebaliknya unit atau sistem refrigerasi yang besar akan mempunyai laju aliran refrigeran yang besar pula. Terdapat beberapa jenis katup ekspansi. Di bawah ini diterangkan beberapa di antaranya. a. Pipa kapiler Berupa pipa kecil dari tembaga dengan lubang berdiameter sekitar 1 mm, dengan panjang yang disesuaikan dengan keperluannya hingga beberapa meter. Pada berbagai unit refrigerasi yang menggunakannya pipa ini biasanya diuntai agar terlindung dari kerusakan dan ringkas penempatannya. Lubang saluran yang sempit dan panjangnya pipa kapiler ini merupakan hambatan bagi aliran refrigeran yang melintasinya; hambatan itulah yang membatasi besarnya aliran itu. Pipa kapiler ini menghasilkan aliran yang konstan. 19

16 b. Katup ekspansi termostatik yaitu pengatur aliran yang berupa katup, yang dioperasikan untuk mengatur bukaannya secara termostatik, yaitu mempunyai sensor suhu yang dilekatkan pada bagian keluaran evaporator. 20