BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Tinjauan Umum Penggunaan Groundcooling Pengkondisian udara dengan memanfaatkan efek dingin tanah atau lebih dikenal dengan istilah groundcooling, pada saaat ini sudah banyak diteliti dan diterapkan di beberapa negara. Namun cikal bakal dari prinsip kerja siklus pendinginan dengan memanfaatkan efek dingin tanah ini sudah ada sejak zaman prasejarah, yang tanpa disadari sudah diterapkan oleh manusia-manusia gua yang hidup pada zaman itu. Telah banyak riset yang dilakukan untuk mengembangkan ide ini di berbagai belahan dunia. Temperatur tanah yang cenderung konstan sepanjang tahun memiliki potensi yang besar untuk menjadi media pengkondisian udara, baik sebagai pendingin pada musim panas maupun penghangat pada musim dingin. Metode yang digunakan pun semakin bervariasi guna memperoleh efisiensi dan COP terbaik, seperti earth-air heat exchanger (EAHE), ground air collector, dan metode lainnya. Mengutip dari beberapa jurnal internasional, antara lain seperti yang dilakukan oleh M. K. Ghosal, dkk [2004] yang menguji efektifitas dari ground cooling EAHE yang diterapkan pada sebuah greenhouse, New Delhi, India. Diperoleh bahwa dengan sistem ini dapat menaikkan temperatur udara C lebih tinggi dari temperatur udara luar selama musim dingin dan menurunkan udara greenhouse C lebih rendah dari temperatur udara luar selama musim panas. F. Al Ajmi, dkk [2005] mengetahui bahwa groundcooling dapat menurunkan temperatur udara ruangan sebesar 2,8 0 C selama pertengahan juli (musim panas). Penelitian yang dilakukan berlokasi di Kuwait selama 5 bulan dan mengklaim dapat menghemat daya pemakaian beban pendingin sebuah rumah moderat sebesar 30% atau sekitar 1700 W. Mustafa Inalli, dkk [2004] melakukan pengujian di Turki selama Juni hingga September pada tahun 2003 dan memperoleh COP sebesar 2,01 untuk sistem EAHE yang ditanam di tanah dengan kedalaman 2 m. Pengujian ini dilakukan dengan sebuah ruangan uji berkapasitas beban pendingin 3,1 kw.

2 Senada dengan M. K. Ghosal, dkk [2004], G. N. Tiwari, dkk [2006] New Delhi, India mengklaim bahwa groud cooling EAHE dapat menyimpan potensi energi penghangatan di kota New Delhi rata-rata 11,55 MJ dan energi pendinginan rata-rata 18,87 MJ pada Januari hingga Juni. Selain itu, di negara tetangga kita Malaysia, G. Reinmann, dkk [2007] telah melakukan riset dan mendapatkan kesimpulan bahwa groundcooling teknologi cooltek pada rumah, hampir secara kontinu dapat mengalirkan udara bertemperatur 27,2 0 C ke dalam rumah. Temperatur yang diperoleh ini cukup nyaman bagi orang-orang yang hidup di daerah khatulistiwa dengan iklim tropis yang panas. Temperatur yang nyaman bagi manusia itu sendiri cukup relatif, seperti riset yang diadakan oleh Tri Harso Karyono [2000] di Indonesia diketahui bahwa suku bangsa yang ada di Indonesia memiliki perbedaan pada tingkat temperatur yang dirasa nyaman untuk seseorang. Hal tersebut dapat dilihat pada tabel berikut ini dapat dilihat pada tabel berikut ini : Tabel 2.1 Temperatur Netral Untuk Berbagai Etnis di Indonesia (Tri Harso Karyono, 2000) Neutral Temperatur Ethnic Group Ta ( 0 C) To ( 0 C) Teq ( 0 C) 1 Aceh (n=6) 24,3 24,3 23,4 2 Tapanuli (n=23) 25,9 26,2 24,6 3 Minang (n= 27) 26,9 27,4 25,7 4 Other Sumatera (n=16) 26,6 27,0 25,7 5 Betawi (n=23) 27,0 27,3 25,9 6 Sundanse (n=86) 26,4 26,6 25,0 7 Javanese (n=232) 26,4 26,7 25,2 8 Other Indonesian (n=62) 26,9 27,4 26,2 Walaupun angkanya cukup bervariasi namun dapat dilihat bahwa temperatur operasi yang nyaman bagi orang Indonesia berkisar dari C. Apabila kita dapat memanfaatkan efek groundcooling ini sebagai salah satu media pengkondisian udara, khususnya pendingin ruangan, tentu akan sangat

3 menguntungkan. Karena, selain teknologi ini ramah lingkungan sehingga ikut mengatasi efek pemanasan global yang menjadi momok saat ini, juga dapat menghemat energi dan bersifat ekonomis dari segi keuangan. Namun pada skripsi ini, teknologi groundcooling tersebut tidak akan langsung diteruskan pada proses fabrikasi. Hal ini disebabkan karakteristik tanah yang ada di daerah Medan memiliki perbedaan dengan karakteristik tanah yang menjadi objek pada jurnaljurnal tersebut. 2.2 Pengkondisian Udara/Refrijerasi Sejarah Pengkondisian Udara dan Perkembangannya Sekitar abad ke-15, seorang ilmuan berkebangsaan Italia Leonardo de Vinci, merancang sistem ventilasi udara pada sejumlah ruangan untuk para istri sahabatnya. Pada saat itu, sistem ventilasi tersebut menggunakan kipas yang digerakkan oleh tenaga air. Hal ini mungkin merupakan cikal bakal teknik pendinginan/pengkondisian udara pada suatu ruangan tertutup secara otomatis. Perkembangan selanjutnya lainnya, tercatat terjadi di India. Rancangan sistem pengkondisian udara tersebut diberi nama punka. Punka merupakan kipas raksasa yang dipasang di langit-langit suatu ruangan yang digerakkan dengan tarikan tali secara manual. Setelah itu, rancangan punka mulai berkembang dengan berbagai macam inovasi dan model. Hingga pada era globalisasi dan perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi yang sangat pesat, tentunya sudah banyak ditemukan sistem pendinginan berteknologi tinggi yang memang sangat diperlukan untuk membantu manusia Pengertian Pengkondisian Udara Pada kenyataannya memang konsep dasar tentang pengkondisian udara mungkin tidak dimengerti bahkan tidak terpikirkan oleh berjuta-juta orang yang menikmati hasil berupa kenyamanan yang dihasilkan oleh teknik pengkondisian udara. Namun, hal itu dapat dimaklumi dan diterima sebagai bagian dari kehidupan orang-orang yang bukan memilih engineer menjadi profesinya. Pada hakikatnya, pengkondisian udara bukan hanya berfungsi untuk mendinginkan, tetapi lebih dari itu teknik pengkondisian udara juga menuntut udara yang dihasilkan tidak hanya dingin tetapi juga nyaman. Pengkondisian udara nyaman

4 (comfortable air conditioning) adalah proses perlakuan terhadap udara untuk mengatur suhu, kelembaban, kebersihan, dan pendistribusiannya dengan teratur hingga mencapai kondisi nyaman, penghuni yang berada di dalam ruangan. Pengkondisian udara ini memungkinkan kita untuk merubah kondisi udara di dalam ruangan tertutup. Karena manusia zaman modern menghabiskan sebagian waktunya di dalam ruangan tertutup, maka pengkondisian udara menjadi suatu hal yang penting dan dapat menghasilkan sesuatu yang menguntungkan bagi manusia itu sendiri, dibandingkan dengan kondisi udara di luar ruangan Aplikasi Pengkondisian Udara Beberapa fakta menunjukkan bahwa penemuan teknik dasar pendinginan/ pengkondisian udara yang inovatif merupakan momen-momen penting pada kurun waktu abad ke-15 hingga 20. Manusia mampu bekerja lebih giat, berekreasi lebih lama, serta dapat melakukan aktifitas dengan nyaman di dalam ruangan dengan adanya pengkondisian udara. Beberapa contoh berikut merupakan aplikasi pengkondisian udara yang digunakan hingga saat ini : Di pusat-pusat pangkalan militer, proses pengoperasian peluru kendali dapat dilaksanakan secara kontinu karena dengan mempertahankan proses pada temperatur yang sesuai. Tanpa adanya pengkondisian udara, sensor mekanik di pusat pangkalan militer akan mengalami gangguan pada suatu waktu tertentu karena temperatur yang semakin tinggi. Kapal selam bertenaga atom dapat tetap dapat beroperasi pada kedalaman yang tinggi berkat pengkondisian udara. Obat-obat modern, contohnya vaksin Salk dapat disimpan pada kondisi atmosfer yang akurat. Eksplorasi manusia di luar angkasa akan menjadi lebih aman dengan adanya pengkondisian udara. Industri percetakan membutuhkan pengkondisian udara untuk mengatur kelembaban ruangannya. Dalam proses pengolahannya, kertas dilewatkan melalui beberapa mesin yang berbeda, sehingga dibutuhkan kondisi udara dengan temperatur tertentu agar kondisi kertasnya dapat terjaga dan terhindar dari penggulungan kertas atau tinta yang tidak mengering.

5 Pengkondisian udara di rumah tinggal, pusat-pusat perbelanjaan, perkantoran, bahkan kendaraan pada umumnya juga sudah menggunakan pengkondisian udara untuk menciptakan suasana nyaman di dalamnya. Pengkondisian udara pada ruang penyimpanan (storage box) untuk menjaga buah, sayur, daging, susu, dan produk-produk lainny dapat terjaga kualitasnya sebelum didistribusikan ke konsumen. Penekanan yang sangat penting disini menunjukkan bahwa setiap produk yang dihasilkan, penemuan proses baru, eksplorasi ke ruang angkasa, sudah pasti sangat memerlukan pengkondisian udara Siklus-siklus yang Digunakan Pada Teknik Pengkondisian Udara Pada sub bab sebelumnya telah dipaparkan bagaimana tubuh manusia dapat mempertahankan suhunya saat temperatur udara, kandungan uap air relatif dan laju udara mengalami perubahan. Karena fakta menunjukka bahwa dalam setahun, relatif hanya beberapa hari saja kondisi ideal terjadi (ke-3 faktor di atas terpenuhi). Oleh karena itu manusia harus berusaha untuk mengaturnya agar dicapai kondisi nyaman secara merata. Hal tersebut dapat diperoleh dengan ketentuan : o Jika kondisi panas tak nyaman terjadi, sedikit pakaian yang dipakai o Jika kondisi dingin tak nyaman terjadi, lebih banyak pakaian yang dipakai Pengalaman menunjukkan bahwa jika hal itu terjadi pada saat berbeda, kebanyakan orang tidak puas. Walaupun para ilmuan dan juga praktisi belum mendapatkan cara praktis untuk mempertahankan kondisi nyaman di luar ruangan, namun hasil baiknya mereka telah berhasil memecahkan problema untuk pengkondisian di dalam ruangan. Bagaimana hal itu dapat dilakukan, bagaimana udara di dalam ruangan dapat dikondisikan dan bagaimana udara itu dapat didistribusikan ke dalam ruangan pada saat dibutuhkan, itulah yang dilakukan oleh manusia saat ini Siklus Refrijerasi

6 Refrigerasi merupakan suatu proses penarikan kalor dari suatu benda/ruangan ke lingkungan sehingga temperatur benda/ruangan tersebut lebih rendah dari temperatur lingkungannya. Sesuai dengan konsep kekekalan energi, panas tidak dapat dimusnahkan tetapi dapat dipindahkan.sehingga refrigerasi selalu berhubungan dengan proses-proses aliran panas dan perpindahan panas. Pada dasarnya sistem refrigerasi dapat dibagi menjadi dua, yaitu: 1. Sistem Refrigerasi Mekanis Sistem refrigerasi ini menggunakan mesin-mesin penggerak atau dan alat mekanik lain dalam menjalankan siklusnya. Yang termasuk dalam sistem refrigerasi mekanik di antaranya adalah: a. Siklus Kompresi Uap (SKU) b. Refrigerasi siklus udara c. Kriogenik/refrigerasi temperatur ultra rendah d. Siklus sterling 2. Sistem Refrigerasi Non Mekanis Berbeda dengan sistem refrigerasi mekanik, sistem ini tidak memerlukan mesin-mesin penggerak seperti kompresor dalam menjalankan siklusnya. Yang termasuk dalam sistem refrigerasi non mekanik di antaranya: a. Refrigerasi termoelektrik b. Refrigerasi siklus absorbsi c. Refrigerasi steam jet d. Refrigerasi magnetik Siklus Udara Siklus udara ini sedikit berbeda dengan siklus-siklus refrigerasi pada umumnya karena aliran udara yang digunakan dapat terbuka. Udara di dalam ruangan dapat menjadi terlalu dingin, terlalu panas, terlalu lembab (basah), terlalu kering, terlalu deras alirannya dan terlalu lambat alirannya. Kondisi itu dapat dirubah dengan suatu pengkondisian/perlakuan. Udara dingin dipanaskan, udara panas didinginkan, uap air ditambahkan ke udara kering, uap air diambil dari

7 udara lembab dan kipas digunakan untuk membuat laju udara yang memadai. Setiap pengkondisian/perlakuan udara itu dilakukan pada pengkondisian udara menurut keperluannya. Sebuah kipas, seperti ditunjukan pada gambar, memaksa udara masuk ke dalam saluran yang dihubungkan dengan sebuah ruangan. Ujung saluran (duck) yang langsung berhubungan dengan ruangan disebut terminal atau lubang saluran. Saluran itu membawa udara langsung masuk ke ruangan melewati terminal. Udara masuk ke dalam ruangan, baik udara panas maupun udara dingin diperlukan di sini. Partikel debu dari dalam ruangan akan bergabung dengan aliran udara masuk dan akan terbawa mengalir terus. Udara kemudian mengalir dari ruangan melalui lubang saluran kedua (bisa disebut lubang saluran balik/return outlet), di sini partikel debu dibuang melalui saluran. Setelah udara dibersihkan, udara itu akan dipanaskan atau didinginkan bergantung dari kondisi udara dalam ruangan. Jika diperlukan udara dingin berarti udara dilewatkan ke permukaan sebuah koil pendingin, jika diperlukan udara hangat maka udara itu dilewatkan ke sebuah permukaan koil pemanas. Akhirnya udara itu mengalir balik ke kipas dan siklus aliran udara jadi sempurna adanya. Gambar siklus udara dapat kita lihat pada gambar 2.6 berikut ini : Gambar 2.1 Siklus Udara (Stoecker, W. F dan J. W. Jones, 1992)

8 Siklus Udara Terbuka Dengan Memanfaatkan Efek Dingin Tanah Siklus udara terbuka sedikit berbeda dengan siklus udara yang dijelaskan sebelumnya di mana tidak diperlukan terminal balik (return duct/return outlet). Udara yang disuplai akan keluar lewat jendela, kusen, pintu dan ventilasi secara alami sehingga udara yang mengandung banyak oksigen baru akan terus mengalir dan berganti. Sirkulasi udara kaya dan miskin oksigen ini akan berlangsung secara terus menerus selama siklus terbuka ini berlangsung. Siklus terbuka ini diyakini lebih baik dari segi kesehatan daripada siklus tertutup di mana udara yang disirkulasikan adalah udara yang sama. Selain itu koil pendingin yang biasa digunakan pada siklus udara biasa diganti dengan sebuah reservoir bersirip di dalam tanah. Efek dingin yang diperoleh di bawah permukaan tanah ini didapatkan secara gratis dan relatif konstan sehingga lebih unggul secara ekonomis. Selain itu efek pendinginan bawah tanah ini tidak menggunakan refrigeran sehingga juga lebih unggul dalam hal melestarikan lingkungan. Adapun prediksi skema dari siklus pendingin dengan memanfaatkan efek dingin tanah yang akan direncanakan dapt dilihat pada gambar 2.7 berikut ini Gambar 2.2 Prediksi Skema Siklus Pendingin dengan Memanfaatkan Efek Dingin Tanah

9 2.3 Kenyamanan Udara Untuk Manusia Fakta mengatakan bahwa temperatur normal tubuh manusia ialah 98,6 o F (37 o C). Pada kondisi-kondisi tertentu, temperatur ini disebut temperatur bawah permukaan (subsurface) atau temperatur jaringan dalam (deep tissue), berlawanan dengan temperatur kulit atau permukaan kulit. Pentingnya pemahaman tentang bagaimana tubuh manusia mempertahankan temperatur ini nantinya akan sangat membantu kita untuk mengerti bagaimana proses pengkondisian udara yang nyama itu sendiri agar membantu badan tetap merasa nyaman. Pengeluaran panas badan secara konstan berlangsung melalui tiga proses alamiah yang biasanya terjadi secara simultan. Ketiga proses itu adalah : konveksi, konduksi dan evaporasi. Proses tersebut dapat kita lihat pada gambar 2.3 di bawah ini : Gambar 2.3 Perpindahan Panas pada Tubuh Manusia (Stoecker, W. F dan J. W. Jones, 1992) a. Konveksi Proses perpindahan panas secara konveksi didasari atas dua fenomena: 1. Panas mengalir dari permukaan yang panas ke permukaan yang dingin. Sebagai contoh, panas mengalir dari badan ke udara sekelilingnya yang bertemperatur lebih rendah dari temperatur kulit badan.

10 2. Panas akan membumbung naik. Hal ini dapat dilihat dari asap yang berasal dari rokok yang menyala. Bila dua fenomena ini diterapkan pada proses pengeluaran panas tubuh manusia, akan memungkinkan hal berikut terjadi : Badan menyerahkan panasnya ke udara dingin di sekeliling badan. Udara disekeliling menjadi hangat adan akan bergerak ke atas. Ketika udara hangat bergerak ke atas, tempatnya digantikan udara dingin, maka terjadilah aliran konveksi. Proses konveksi pada tubuh manusia dapat dilihat pada gambar 2.4 berikut ini : Gambar 2.4 Proses Konveksi pada Tubuh Manusia (Stoecker, W. F dan J. W. Jones, 1992) b. Radiasi Radiasi merupakan proses di mana panas berpindah dari sumbernya ke benda lain dengan cara penyinaran. Prinsip ini didasari fenomena bahwa panas berpindah dari permukaan yang panas ke permukaan yang dingin. Radiasi terjadi tidak bergantung seperti konveksi, dan tidak memerlukan udara yang bergerak untuk melengkapi terjadinya perpindahan panas dan tidak dipengerahui oleh temperatur udara walau dipengaruhi oleh temperatur sekeliling. Tubuh akan segera merasakan efek sinar radiasi matahari bila bergerak dari tempat teduh ke tempat panas. Tubuh juga akan segera merasa panas bila berdekatan dengan api, karena bagian tubuh yang terdekat dengan api akan jadi lebih hangat sedangkan

11 bagian tubuh lainnya tetap dingin. Proses radiasi pada tubuh manusia dapat dilihat pada gambar 2.5 di bawah ini: Gambar 2.5 Proses Radiasi pada Tubuh Manusia (Stoecker, W. F dan J. W. Jones, 1992) c. Evaporasi Evaporasi adalah proses di mana tetes air menjadi uap air. Ketika tetes air dari permukaan yang panas menguap, ia mengambil panas dan karenanya permukaan itu jadi dingin. Proses ini berlangsung konstan pada permukaan tubuh kita. Tetes air keluar melalui pori-pori tubuh di permukaan kulit, ketika tetes air menguap, panas diambilnya. Keringat yang nampak sebagai tetesan air di tubuh menunjukkan bahwa tubuh itu sedang menghasilkan panas yang lebih banyak dibanding jumlah panas yang dapat dikeluarkan secara konveksi, radiasi dan evaporasi secara normal. Proses evaporasi pada tubuh manusia dapat dilihat pada gambar 2.6 di berikut ini : Gambar 2.6 Proses Evaporasi pada Tubuh Manusia (Stoecker, W. F dan J. W. Jones, 1992)

12 2.4 Psikometrik Psikometrik adalah salah satu sub-bidang engineering yang khusus mempelajari sifat-sifat thermofisik campuran udara dan uap air. Dalam hal ini, campuran udara dan uap air untuk selanjutnya akan disebut udara. Pada psikometrik, udara hanya dibedakan atas udara kering dan uap air. Meskipun udara kering masih dapat dibedakan lagi menjadi komponen gas yang terdiri dari nitrogen, oksigen, karbon dioksida, dan yang lainnya, tetapi pada psikometrik semuanya diperlakukan sebagai satu unit sebagai udara kering. Demikian juga, jika di dalam udara yang sedang dibahas terdapat kandungan gas lain atau kontaminan, pada analisis psikometrik, efek kandungan ini terhadap sifat-sifat termodinamik dapat diabaikan. Tujuan utama mempelajari psikometrik ialah, dengan mengetahui sifat-sifat termodinamik udara kita dapat menghitung besarnya energi yang diperlukan untuk mengkondisikan udara (air conditioning). Ada dua cara yang dapat digunakan untuk mendapatkan sifat-sifat termodinamik udara, yaitu dengan menggunakan persamaan-persamaan dan dengan menggunakan grafik yang menggambarkan sifat-sifat termodinamik udara, yang biasa disebut Psychrometric chart. Dengan menggunakan grafik ini, proses-proses seperti pendinginan udara, dehumidification, dan perlakuan udara pengering dapat dijelaskan dengan lebih mudah. Parameter-parameter dan istilah yang digunakan untuk menggambarkan sifat-sifat termodinamik udara antara lain: humidty ratio, relative humidity, dry-bulb dan wet-bulb temperature, dew-point temperature, sensibel and latent heat, density, moist volume, dan entalpi. Parameter untuk perhitungan sifat sifat termodinamik udara antara lain a. humidity ratio (rasio humiditas) Karena udara adalah gabungan udara kering dan uap air yang terkandung pada udara, maka humidity ratio adalah perbandingan massa uap air (m w ) dan massa udara (m a ), yang dirumuskan :

13 w = m a m w (1) Satuan dari parameter ini adalah kg uap air/kg udara atau gram uap air/kg udara. Dengan menggunakan persamaan gas ideal dan hukum Dalton, yang merumuskan hubungan antara kandungan gas dengan tekanan parsial gas, maka rasio humiditas dapat juga dinyatakan dengan: w = 0, P w P atm P w (2) Dimana P w adalah tekanan parsial uap air dan P atm adalah tekanan atmosfer. Persamaan (2) menunjukkan bahwa hanya dengan mengetahui tekanan parsial uap air pada temperatur tertentu, kita dapat menentukan kandungan uap air pada udara. b. relative humidity (RH) Relative Humadity merupakan perbandingan fraksi mol uap air pada udara dengan fraksi mol uap air saat jika udara tersbut mengalami saturasi. Berdasarkan defenisi ini, persamaan yang digunakan untuk menghitung RH adalah: RH = mol uap mol uap,saturasi (3) Sebagai catatatan, pada saat saturasi fraksi mol uap air yang terkandung di dalam udara adalah fraksi mol maksimum. Setelah itu uap air akan mulai mengembun, atau berubah fasa menjadi cair. Berdasarkan fakta ini, pada saat terjadi saturasi, nilai relative humidity adalah 100%. Jadi harus diingat saat terjadi saturasi RH = 100%. Dengan menguraikan defenisi fraksi mol dan persaman gas ideal, RH dapat juga didefenisikan sebagai: RH = P w P ws (4) Pws adalah tekanan uap saat terjadi saturasi dan merupakan fungsi dari

14 temperatur. Persamaan yang diusulkan ASHRAE dapat digunakan untuk menghitung Pws (Pa) : ln( p ws ) = C 1 T + C 2 + C 3 T + C 4 T 2 + C 5 T 3 + C 6 ln T (5) Dimana T adalah temperatur mutlak dalam K. Konstanta C 1 sampai dengan C 6 adalah sebagai berikut : C 1 = -5, x 10 3 C 2 = 1, C 3 = -4, x 10-2 C 4 = 4, x 10-5 C 5 = -1, x 10-8 C 6 = 6, c. Temperatur bola kering dan temperatur bola basah (Dry bulb and wet bulb temperature) Temperatur bola kering (dry bulb temperture) adalah temperatur udara yang ditunjukkan oleh alat ukur atau termometer. Dengan kata lain, jika saat ini anda memegang termometer diminta mengukur berapa temperatur udara, maka yang ditunjuk oleh alat ukur itulah temperatur bola kering. Penyebutan bola kering ini hanyalah untuk keperluan analisis pada psikometrik, pada prakteknya dalam kehidupan sehari-hari istilah bola kering hampir tidak pernah disebutkan. Tempertur bola basah, T, (wet bulb temperatur) adalah suatu parameter yang sulit untuk didefenisikan. Parameter ini adalah parameter fiktif yang digunakan untuk mendefinisikan sifat udara. Untuk mendefinisian T wb akan digunakan illustrasi berikut: Misalkan pada suatu ruangan yang tertutup rapat atau adiabatik, terdapat air dan udara yang mempunyai temperatur bola kering T db. Setelah beberapa lama, air

15 akan menguap sebagian dan bercampur dengan udara, udara mengalami humidifikasi, dan terjadilah kondisi setimbang atau jenuh. Karena ruangan tersebut bersifat adiabatik, sementara proses penguapan air dari cair menjadi fasa uap pasti menyerap energi berupa panas, maka panas ini pasti berasal dari udara di ruang tersebut. udara udara T db T wb W o awal W akhir air air Gambar 2.7 Perubahan temperatur menjadi temperatur bola basah (Himsar Ambarita, 2010) Oleh karena itu, temperatur awal udara akan turun akibat naiknya kandungan uap airnya. Temperatur inilah yang didefenisikan menjadi temperatur bola basah. Berdasarkan kesetimbangan energi, T wb dapat dihitung dengan persamaan: T wb = T db (w w 0 )h fg C pa (5) h fg adalah panas penguapan air pada temperatur bola basah, nilainya dapat dilihat pada Tabel 1 di lampiran. Sementara C pa adalah panas jenis udara. Sebagai catatan, semua parameter yang ada di sebelah kanan masih merupakan fungsi dari T wb. Oleh karena itu, persamaan ini terlihat sangat

16 sederhana, tetapi sangat sulit diselesaikan. Penyelesaian persamaan ini adalah dengan try and error atau dengan menggunakan metode numerik. d. Panas jenis udara pada tekanan constan (C p ) Panas jenis udara atau gas ada dua, yaitu : panas jenis pada volume konstan dan panas jenis pada tekanan konstan. Pada psikometrik, hanya panas jenis pada tekanan konstan yang digunakan. Panas jenis udara pada tekanan konstan adalah penjumlahan panas jenis udara kering dan panas jenis uap air yang dikandung udara tersebut. C p = C da + c ps (6) Dimana C da adalah panas jenis udara kering dan c ps adalah panas jenis uap air. e. Volume spesifik udara, moist volume (v), dan rapat massa (density) v adalah volume udara yang mempunyai massa tepat 1 kg, atau dapat dirumuskan v = V m ( m3. Dengan mengingat defenisi bahwa udara adalah kg ) campuran udara kering dengan uap air, dan dengan menggunakan persamaan gas ideal, maka v dapat dirumuskan menjadi: v = RT (1+ 1,6078 w p = 287,055T(1+ 1,6078 w p (7) Dimana T adalah suhu udara dalam K dan p tekanan dalam Pa. Sementara density adalah kebalikan dari v. ρ = M V = 1 V (8)

17 f. Temperatur Dew-point (Dew-point temperature) Temperatur Dew-point adalah temperatur udara saat terjadi kondensasi. Misalkan udara yang mempunyai temperatur awal T dan rasio kelembaban w diturunkan suhunya secara perlahan-lahan. Temperatur udara pada saat mulai terbentuk embun, disebut temperatur dew point. Hubungan antara temperatur udara dan temperatur dew-point dirumuskan sebagai berikut: T d = 4030 ( T+235 ) 4030 ( T+235 ) ln(rh) 235 (9) Dengan catatan semua temperatur dalam satuan Celcius. g. Entalpi udara Entalpi udara adalah kandungan energi total yang dimiliki oleh udara. Di dalam termodinamika, entalpi suatu materi harus dihitung dengan menggunakan nilai acuan (referensi). Dengan menggunakan acuan saat udara pada 0 C, entalpi udara dalam (kj/kg) dihitung dengan persamaan: h a = 1, 006T + w( , 805T) (10) Dimana T adalah temperatur dalam 0 C. Sebagai catatan, bagian pertama dari persamaan (10) adalah entalpi dari udara kering dan bagian kedua adalah entalpi uap air yang dikandung udara saat itu. h. Panas sensible Panas sensibel adalah energi yang diberikan atau diterima suatu materi yang membuat temperaturnya berubah. Sementara panas laten adalah panas yang diberikan atau diterima suatu materi yang membuat fasanya berubah. Contoh, jika kita memanaskan air pada tekanan atmosfer mulai dari 0 sampai C, maka

18 panas yang diterima air itu adalah panas sensibel. Jika setelah C, air tersebut masih kita panasi, maka suhunya tetap C (tidak naik), tetapi fasanya akan berubah menjadi uap. Panas yang diterima air saat itu disebut panas laten. Untuk materi yang homogen proses pelepasan atau penerimaan panas sensibel dan panas laten dapat dibedakan dengan jelas. Panas sensibel saat suhunya berubah dan fasanya tetap, tetapi panas laten saat fasanya berubah dan suhunya tetap. Pada udara, bagian udara kering hanya akan memiliki panas sensibel, karena tidak akan terjadi perubahan fasa. Bagian uap air akan memiliki panas sensibel untuk mengubah temperaturnya dan sekaligus panas laten karena perubahan fasa. Persamaan entalpi pada persamaan (10) dapat diubah bentuknya menjadi : h a = (1, , 805 w )T w (11) Dua bagian pertama pada persamaan ini adalah panas sensibel dan bagian terakhir adalah panas laten. i. Grafik Psikometrik (pshycometric chart) Ada tujuh sifat/atau kelompok sifat termodinamik atau termofisik udara yang ditampilkan pada grafik psikometrik, yaitu: (1) entalpi (2) RH (3) T wb (4) tekanan atmosfer (5) tekanan dan temperaratur saturasi (6) density dan volume spesifik

19 (7) humiditity ratio, p w, dan T d Sebagai catatan garis entalpi dan garis T w pada grafik psikometri mempunyai kemiringan yang hampir sama dan sulit dibedakan. Oleh karena itu, kedua garis ini akan kelihatan berimpit. Kelompok sifat tersebut dapat kita lihat pada grafik psikometrik berikut ini : Gambar 2.8 Grafik Psikometrik (Himsar Ambarita, 2010) 2.5 Teori Computational Fluid Dynamics (CFD) Aliran fluida adalah suatu hal yang menarik untuk diteliti, diselidiki, dan dianalisis. Oleh karena itu, diperlukan suatu alat yang mampu menganalisis atau memprediksi dengan cepat dan akurat. Maka berkembanglah suatu ilmu yang dinamakan Computational Fluid Dynamic (CFD), dalam bahasa Indonesia disebut Komputasi Aliran Fluida Dinamik.

20 Pemodelan dengan metode komputasi pada dasarnya menggunakan persamaan dasar dinamika fluida, momentum, dan energi. Persamaan-persamaan ini merupakan pernyataan matematis untuk tiga prinsip dasar Fisika : 1. Hukum Kekekalan Massa (The conservation of mass) 2. Hukum Kekekalan Momentum (The Conservation of Momentum) sebagai interpretasi dari hukum kedua Newton (Newton s Second Law of Motion) 3. Hukum Kekekalan Energi (The Conservation of Energy) 1. Hukum Kekekalan Massa Konsep dasarnya ialah laju kenaikan massa dalam volume kontrol sama dengan laju net aliran massa fluida ke dalam elemen batas. Dapat ditulis dalam bentuk persamaan berikut ini : (12) Hukum Kekealan Massa 3 dimensi dapat ditulis dalam bentuk persamaan berikut ini : (13) Hukum Kekekalan Massa pada sebuah elemen fluida 3 dimensi dapat kita lihat pada gambar di bawah ini : Gambar 2.9 Hukum Kekekalan Massa pada Sebuah Elemen Fluida 3 Dimensi (Himsar Ambarita, 2010)

21 2. Hukum Kekekalan Momentum Hukum kekekalan momentum merupakan interpretasi dari hukum ke-2 Newton (arah sumbu-x) yaitu : (14) Gambar 2.10 Hukum Kekekalan Momentum Arah Sumbu-x pada Sebuah Elemen Fluida 3 Dimensi (Himsar Ambarita, 2010) Secara umum Hukum Kekekalan Momentum arah sumbu-x 3 dimensi dapat ditulis dengan persamaan sebagai berikut : (15) Dengan cara dan bentuk yang sama persamaan kekekalan momentum 3 dimensi arah sumbu-y dan arah sumbu-z dapat ditulis dengan persamaan sebagai berikut : (16)

22 (17) 3. Hukum Kekekalan Energi Hukum ini merupakan aplikasi dari hukum ketiga termodinamika, yaitu laju perubahan energi dalam suatu elemen adalah sama dengan jumlah net fluks panas yang masuk ke dalam elemen dan kerja yang dikenakan pada elemen tersebut. Pernyataan ini dapat ditulis dalam bentuk persamaan : (18) Gambar 2.11 Kerja yang Dikenakan pada Sebuah Elemen Arah Sumbu-x (Himsar Ambarita)

23 Gambar 2.12 Fluks Panas yang melintasi permukaan sebuah elemen (Himsar Ambarita, 2010) Secara umum kerja yang dikenakan arah sumbu-x, sumbu-y dan sumbu-z dapat ditulis dengan persamaan sebagai berikut ini : (19.i) (19.ii) (19.ii)

24 Fluks Panas yang melintasi permukaan sebuah elemen dapat ditulis dalam bentuk persamaan : (20) Dengan mensubstitusi persamaan (19) dan (20) ke dalam persamaan (18), akan diperoleh sebuah persamaan (21) untuk hukum kekekalan energi di mana i, j, k=1,2,3 yang menunjukkan arah sumbu -x, -y, dan z. (21) Di mana Φ adalah fungsi dissipasi dengan bentuk sebagai berikut : (22) Penggunaan CFD CFD dalam aplikasinya dipergunakan antara lain bagi : 1. Arsitek untuk mendesain ruang atau lingkungan yang aman dan nyaman. 2. Desainer kendaraan untuk meningkatkan karakter aerodinamikanya. 3. Analis kimia untuk memaksimalkan hasil dari reaksi kimia dalam peralatan mereka. 4. Engineer petrokimia untuk strategi optimal dari oil recovery. 5. Ahli biomekanik untuk mencari rahasia dari gerakan burung sampai dengan ikan lumba-lumba. 6. Pelatih atau analis sport, misalnya untuk mencari rahasia tendangan melengkung pada sepakbola.

25 7. Dokter atau ahli bedah untuk mengobati penyakit arterial (computational hemodynamics). 8. Metereologis untuk meramalkan cuaca dan memperingatkan akan terjadinya bencana alam. 9. Organisasi militer untuk mengembangkan senjata dan mengestimasi seberapa besar kerusakan yang diakibatkannya. 10. Analisis failure untuk mencari sumber-sumber kegagalan misalnya pada suatu sistem pembakaran atau aliran uap panas. 11. Ahli safety untuk mengurangi resiko kesehatan akibat radiasi dan zat berbahaya lainnya Metode Diskritisasi Pada CFD Pada dasarnya, FLUENT hanya menghitung pada titik-titik simpul mesh geometri, sehingga pada bagian di antara titik simpul tersebut harus dilakukan interpolasi untuk mendapatkan nilai kontinyu pada sluruh domain. Terdapat beberapa skema interpolasi yang sering digunakan yaitu : - First-order upwind scheme Skema interpolasi yang paing ringan dan cepat mencapai konvergen, tetapi ketelitiannya hanya orde satu. Ketika skema ini dipilih, nilai bidang dalah sama dengan nilai pusat sell dalam sell upstream. Skema ini memungkinkan digunakan pada penyelesaian berbasis tekanan dan rapatan (density) - Second-order upwind scheme Menggunakan persamaan yang lebih teliti sampai orde 2, sangat baik digunaan pada mesh tri/tet dimana arah aliran tidak sejajar dengan mesh. Karena metode interpolasi yang digunakan lebih rumit, maka lebih lambat mencapai konvergen. Ketika skema ini dipilih, nilai bidang dikomputasi mengikuti bentuk : (23)

26 Dimana, dan adalah nilai pusat sell dan gradient dalam sell upstream, dan adalah vektor perpindahan dari pusat luasan sell upstream ke bidang pusat luasan. - Quadratic Upwind Interpolation (QUICK) scheme Diaplikasikan untuk mesh quad/hex dan hybrid, tetapi jangan digunakan untuk elemen mesh tri, dengan alian fluida yang berputar/swirl. Ketelitiannya mencapai orde 3 pada ukuran mesh yang seragam. Untuk bidang pada Gambar, jika aliran dari kiri ke kanan, seperti itu nilai dapat ditulis sebagai berikut : (24) Gambar 2.13 Volume kontrol 1 dimensi (Fluent Inc, 2006) Manfaat CFD Terdapat tiga hal yang menjadi alasan kuat menggunakan CFD, yakni : 1. Insight-Pemahaman mendalam Ketika melakukan desain pada sebuah sistem atau alat yang sulit untuk dibuat prototype-nya atau sulit untuk dilakukan pengujian, analisis CFD memungkinkan untuk merangkak, merayap, dan menyelinap masuk secara virtual ke dalam alat/sistem yang akan dirancang tersebut. 2. Foresight-Prediksi menyeluruh CFD adalah alat untuk memperidiksi apa yang akan terjadi pada alat/sistem, dan CFD dapat mengubah-ubah kondisi batas (variasi kondisi batas).

27 3. Efficiency-Efisiensi waktu dan biaya Foresight yang diperoleh dari CFD sangat membantu untuk mendesain lebih cepat dan hemat uang. Analisis/simulasi CFD akan memperpendek waktu riset dan desain sehingga juga akan mempercepat produk untuk sampai pasaran Proses Simulasi CFD Pada umumnya terdapat tiga tahapan yang harus dilakukan ketika melakukan simulasi CFD, yaitu sebagai berikut : 1. Preprocessing Hal ini merupakan langkah pertama dalam membangun dan menganalisis sebuah model CFD. Teknisnya adalah membuat membuat model dalam paket CAD (Computer Aided Design), membuat mesh yang sesuai, kemudian menerapkan kondisi batas dan sifat-sifat fluidanya. 2. Solving Solvers (program inti pencari solusi) CFD menghitung kondisi-kondisi yangditerapkan pada saat preprocessing. 3. Postprocessing Hal ini adalah langkah terakhir dalam analisis CFD. Hal yang dilakukan pada langkah ini adalah mengorganisasi dan menginterpretasi data hasil simulasi CFD yang bisa berupa gambar, kurva, dan animasi. Beberapa prosedur yang digunakan pada semua pendekatan program CFD, yaitu sebagai berikut : 1. Pembuatan geometri dari model/problem. 2. Bidang atau volume yang di isi fluida dibagi menjadi sel-sel kecil (meshing). 3. Pendefinisian model fisiknya, misalnya : persamaan-persamaan gerak + entalpi + konversi species (zat-zat yang kita definisikan, biasanya berupa komponen dari suatu reaktan). 4. Pendefinisian kondisi-kondisi batas, termasuk di dalamnya sifat-sifat dan perilaku dari batas-batas model/problem. Untuk kasus transient, kondisi awal juga didefinisikan.

28 5. Persamaan-persamaan matematika yang membangun CFD diselesaikan secara iterative, bisa dalam kondisi tunak (steady state) atau transient. 6. Analisis dan visualisasi dari solusi CFD Langkah Penyelesaian Masalah Pada CFD Setelah merencanakan analisis CFD pada model, maka langkah-langkah umum penyelesaian analisis CFD sebagai berikut : 1. Membuat geometri dan mesh pada model. 2. Memilih solver yang tepat untuk model tersebut (2D atau 3D). 3. Mengimpor mesh model (grid). 4. Melakukan pemeriksaan pada mesh model. 5. Memilih formulasi solver. 6. Memilih persamaan dasar yang akan dipakai dalam analisis, misalnya : laminar, turbulen, reaksi kimia, perpindahan kalor dan lain-lain. 7. Menentukan sifat material yang akan dipakai. 8. Menentukan kondisi batas. 9. Mengatur parameter kontrol solusi. 10. Initialize the flow field. 11. Melakukan perhitungan/iterasi. 12. Memeriksa hasil iterasi. 13. Menyimpan hasil iterasi. 14. Jika perlu, memperhalus grid kemudian dilakukan iterasi ulang untuk mendapatkan hasil yang lebih baik. Secara umum, diagram alir penyelesaian masalah pada CFD ialah sebagai berikut :

29 Gambar 2.14 Diagram Alir Penyelesaian Masalah pada CFD (Fluent Inc, 2006)