BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Siklus Absorpsi Siklus absorpsi adalah siklus termodinamika yang dapat digunakan sebagai siklus refrigerasi dan digerakkan oleh energi dalam bentuk panas. Ferdinand Carre seorang berkebangsaan perancis, menemukan sistem absorbsi dan memperoleh hak paten dari pemerintah Amerika Serikat pada tahun 1859 (Yunus A.Cengel,1989). Kira-kira 100 tahun lalu setelah ditemukanya sistem refrigerasi mekanik. Penggunaan pertama sistem absorbsi di Amerika kemungkinan dilakukan oleh negara-negara konfederasi selama perang sipil setelah suplai es alam dari utara dihentikan. Kepopuleran sistem refrigerasi absorpsi ini terhadap sistem refrigerasi mekanik dalam hal penggunaan energi dan biaya telah terasa sejak pertengahan abad ini (yaitu saat terjadinya krisi energi dunia pada tahun 1970-an), hal ini sejalan dengan telah dilakukannya perbaikan perbaikan sistem absorbsi terutama oleh negara-negara asia timur jauh seperti jepang,korea,cina dan india. Salah satu keistimewaan siklus ini adalah panas yang digunakan untuk menjalankan siklus dapat berupa sumber panas yang temperaturnya kurang dari 200 o C (Yunus A.Cengel,1989). sumber panas seperti ini adalah mudah untuk didapatkan secara gratis di sekitar kita seperti, panas buang dari knalpot dan bahkan energi matahari. Mesin siklus absorbsi terdiri dari empat macam yaitu: Pembakaran dengan bahan bakar (direct-fired), dimana bahan bakar yang digunakan dapat berupa minyak bumi dan gas. Pada sistem pembakaran langsung diperlukan peralatan burner untuk pembakaran bahan bakarnya. Uap (steam-fired), tenaga yang dihasilkan berasal dari uap panas (steam) yang biasanya dihasilkan oleh stem boiler. Air panas (hot water-fired) sumber air panas. Panas buang (exaust),baik kendaraan maupun pabrik.

2 Siklus absorpsi adalah termasuk siklus termodinamika yang dapat digunakan untuk menghasilkan efek refrigerasi. Siklus ini menggunakan panas sebagai sumber energi utama untuk menghasilkan efek pendinginan. Kunci utama siklus ini adalah memanfaatkan kemampuan mengikat-melepas pasangan zat kimia antara refrijeran dan absorbent. Ada beberapa pasangan larutan dan refrijeran yang dapat digunakan pada siklus absorpsi. Pasangan yang sering digunakan adalah Amonia dengan Air dan pasangan Litium Bromida dengan Air. Pasangan ini dapat dijumpai di pasaran pada mesin-mesin pendingin siklus absorpsi (Yunus A.Cengel,1989) Pada saat ini di pasaran tersedia mesin pendingin siklus absorpsi dengan kapasitas pendingin bervariasi mulai dari 10 s/d 7000 kw. Bentuk sistem masukan panasnya bevariasi mulai dengan tenaga panas matahari sampai dengan menggunakan panas buangan atau sisa dari suatu proses. Keuntungan utama menggunakan siklus absorpsi adalah sumber energinya yang berbentuk panas. Meskipun penggunakan energi mekanik masih ada, yaitu untuk mensirkulasikan fluida kerjanya, tetapi persentasinya sangat kecil atau hanya sekitar 1% dibandingkan dengan energi panas yang digunakan. Prinsip pendinginan absorpsi, telah di kenal sejak awal tahun 1800an. Misalnya proses pendinginan absorpsi yang dilaporkan oleh john leslie pada tahun Tetapi mesin pending sistem absorbsi yang pertama direalisasikan dan dipatenkan adalah karya seorang engineer Francis, Ferdinand P.E. Carre pada tahun Mesin sistem absorbsi pertama ini bekerja secara intermittent (tidak kontiniu) dengan menggunakan pasangan amoniak dengan air, yang dapat menghasilkan es dalam jumlah kecil. Pada saat itu Carre telah melakukan pengembangan beberapa kali terhadap mesinnya dan hasil terbaik yang pernah dilaporkannya adalah dapat memproduksi es sampai 100kg/jam (pada mesin generasi ke 5).

3 Prinsip kerja Siklus absorbsi Siklus absorpsi memanfaatkan ikatan kimia antara dua zat. Zat yang dapat diserap (diikat) oleh zat lain akan disebut absorbate, sementara zat yang bertugas menyerap (mengikat) akan dinamakan absorbent. Karena zat yang diikat ini juga sekaligus bertindak sebagai fluida kerja yang melakukan pendinginan, maka absorbate akan bertugas sebagai refrijeran, atau biasa disebut fluida utama (primer), sementara fluida skunder adalah absorbent. Sifat absorbent-absorbate ini dapat dimanfaatkan menjadi mesin refrigerasi siklus absorbsi sederhana seperti yang ditampilkan pada Gambar 2.1 Komponen utama siklus absorbsi sederhana ini adalah evaporator, kondensor, generator, absorber, dan pompa. Prinsip kerja siklus ini dapat dibagi atas dua bagian siklus, yaitu siklus pertama merupakan siklus refrrigeran setelah terpisah dari absorbent, pada gambar ditunjukkan dengan titik Siklus kedua adalah siklus absorbent dimana di dalamnya juga termasuk refrijeran yang terlarut atau terikat dengan absorbent,pada gambar 2.1 ditunjukkan pada titik Prinsip kerja siklus ini akan dijelaskan berdasarkan pembagian siklus ini. (Michael J moran,1998). Gambar 2.1 Siklus absorbsi sederhana (Sumber : Shan K. Wang efrigeration and air conditioning,hal 670)

4 Gambar 2.2 Diagram p-h siklus kompresi uap dan siklus absorbsi (Sumber : Michael J Moran,Termodinamika Teknik I,hal : 156) Pada siklus pertama,setelah refrijeran menguap dari evaporator di titik 1. Uap ini akan masuk ke siklus kedua dan keluar ke titik 2 pada kondisi uap kering (super heat) dan tekanan tinggi. Setelah di titik 2, uap refrijeran masuk masuk ke kondensor dan melepas panas ke lingkungan. Proses pelepasan panas ini terjadi secara isobarik, dan akhirnya refrijeran berubah menjadi cair di titik 3. Kemudian terjadi penurunan tekanan secara adiabatik. Pada saat tekanan tekanan turun temperatur juga akan turun dan sebagian cairan akan berubah menjadi uap di titik 4. Selanjutnya refrijeran akan melakukan fungsi refrigerasi di evaporator dan akhirnya menguap, kembali ke titik 1, dan siklus akan berulang (Michael J moran,1998). Sebagai catatan siklus absorbsi akan sama dengan SKU pada siklus dari titik ,. Perbedaannya adalah bagaimana memindahkan refrijeran dari kondisi titik 1 ke kondisi titik 2. Pada SKU tugas ini dilakukan oleh kompresor dengan menggunakan energi mekanik, sementara pada siklus absorbsi tugas ini dilakukan oleh generator dan

5 absorber dengan menggunakan panas sebagai energi masukan utama dan sebagian kecil kerja melalui pompa. Pada siklus kedua, uap refrijeran yang selesai melakukan tugasnya dari siklus pertama akan masuk ke absorber. Uap ini akan diikat oleh larutan yang pekat (absorbent konsentrasi tinggi), di titik 5. Proses ikatan kimia ini akan melepas sejumlah panas ke lingkungan. Sebagai hasilnya akan dihasilkan larutan yang lebih encer di titik 6. Larutan ini kemudian akan dipompakan ke generator oleh pompa sehingga tekanannya akan naik. Sebagai catatan, untuk membuat proses ini dapat terjadi rasio tekanan pada generator atau kondensor dan absorber atau evaporator harus diatur cukup tinggi Komponen siklus absorbsi Mesin pendingin absorbsi bekerja secara siklus dimana terdapat beberapa komponen yang saling berhubungan satu sama lain diantaranya sebgai beriku : Generator Pada sikus absorbsi generator berperan untuk menaikkan tekanan serta memberikan kalor terhadap larutan ammonia-air sehingga uap ammonia terpisah dari absorbent. Generator akan menghasilkan uap ammonia bertekanan tinggi yang selanjutnya masuk ke kondensor. Absorber Absorber merupakan wadah untuk proses pelarutan uap ammonia dengan absorbent sekaligus sebagai alat penukar kalor untuk membuang panas yang dihasilkan selama proses absorbsi. Absorber memiliki dua sumber masukan yaitu uap ammonia dari evaporator dan larutan konsentrasi lemah dari generator, larutan yang dihasilkan dari absorber adalah larutan ammonia konsentrasi tinggi yang akan di pompakan ke generator.

6 Kondensor Tugas kondensor pada siklus absorbsi sama halnya pada siklus kompresi uap yaitu membuang panas ke lingkungan dengan media pendingin udara yang di alirkan oleh kipas ke sisi pipa kondensor. Pada kondensor terjadi perubahan fasa yaitu dari fasa uap menjadi fasa cair, refrigerat cair dengan tekanan tinggi selanjutnya masuk menuju katup ekspansi. Evaporator Evaporator bertugas untuk menyerap panas dari lingkungan yang akan di dinginkan,proses di evaporator merupakan kebalikan dari kondensor, pada evaporator terjadi perubahan fasa dari refrijeran dimana akibat proses penyerapan kalor dari lingkungan, refrijeran akan berubah dari cair menjadi uap dengan tekanan yang sama. Uap refrijeran ini selanjutnya masuk menuju absorber Katup ekspansi Katup ekspansi adalah komponen siklus absorbsi yang berfungsi untuk menurunkan tekanan dari refrijeran setelah keluar dari kondensor akibat dari penurunan tekan ini temperatur dari refrijeran juga akan menurun sesuai dengan penurunan tekanan Perbedaan Sistem Absorbsi dengan Sistem Kompresi Uap Siklus absorbsi hampir sama dalam beberapa hal dengan siklus kompresi uap. Siklus refrigerasi beroperasi dengan peralatan seperti kondensor,katup ekspansi/pipa kapiler, dan evaporator. Perbedaan yang mendasar hanyalah pada cara menaikkan uap tekanan rendah dari evaporator menjadi uap tekanan tinggi dan dialirkan ke kondensor. Sistem kompresi uap menggunakan kompresor untuk keperluan tersebut sedangkan pada sistem refrigerasi absorbsi menggunakan absorbergenerator untuk mengganti peran kompresor pada sistem SKU (Michael J moran,1998).

7 Prinsip sederhana sistem absorbsi yaitu: pertama-tama, absorbent akan menyerap uap tekanan rendah ke dalam absorber dimana absorbent ini merupakan pasangan biner dari refrijeran yang digunakan. Proses ini terjadinya sepenuhnya di absorber. Karena proses ini sama dengan kondensasi maka selama proses berjalan kalor akan dilepaskan. Tahap berikutnya yaitu menaikkan tekanan dari larutan amonia dengan pompa ke generator dan memanaskan larutan ammonia tersebut dengan cara pemberian kalor dengan menggunakan panas buang sehingga ammonia dan air berpisah, uap ammonia yang bertekanan tinggi tersebut akan mengalir ke kondensor. Siklus kompresi uap disebut juga sebagai siklus yang dioperasikan oleh kerja (work operated cycle) karena penaikan tekanan refrijeran dilakukan oleh kompresor yang memerlukan kerja. Sedangkan siklus absorbsi disebut sebagai siklus yang dioperasikan kalor (heat operated cycle) karena sebagian besar daya operasi berkaitan dengan pemberian kalor yang diperlukan untuk melepaskan uap (refrijeran) dari zat cair bertekanan tinggi. Sebenarnya dalam siklus absorbsi dibutuhkan juga kerja namun tersebut cukup kecil dibandingkan dengan yang diperlukan pada siklus kompresi uap (C.P Arora,1981) 2.2 Absorbent Absorbent adalah cairan yang dapat melarutkan bahan yang akan diabsorpsi pada permukaannya,baik secara fisik atau dengan reaksi kimia. Absorbent harus memenuhi beberapa persyaratan misalnya bahan itu harus: Memiliki daya larut yang besar Bersifat reaktif Memiliki tekanan uap yang tinggi Mempunyai viskositas yang rendah Stabil dan murah

8 2.3 Refrijeran Refrijeran adalah fluida yang mengalir dalam mesin pendingin (refrigerasi) atau mesin pengkondisian udara. fluida ini berfungsi untuk menyerap panas dari benda atau udara yang didinginkan dan membawa panas tersebut kemudian membuangnya ke udara melalui sebuah kondensor. Refrijeran harus memiliki tekanan penguapan yang tinggi (Shan K. Wang,1991). Berdasarkan jenis senyawanya (Shan K. Wang,1991)., refrijeran dapat dikelompokkan menjadi 7 kelompok yaitu sebagai berikut : 1. Kelompok refrijeran senyawa halocarbon. Kelompok refrijeran senyawa halocarbon diturunkan dari hidrokarbon (HC) yaitu : metana (CH 4 ) etana (C 2 H 6 ) propane (C 3 H 8 ) 2. Kelompok refrijeran senyawa organik cyclic. Kelompok refrijeran ini diturunkan dari butana. Aturan penulisan nomor refrijeran adalah sama dengan cara penulisan refrijeran halocarbon tetapi ditambahkan huruf C sebelum nomor. Contoh dari kelompok refrijeran ini adalah: R-C316 C 4 Cl 2 F 6 dichlorohexafluorocyclobutane R-C317 C 4 ClF 7 chloroheptafluorocyclobutane R-318 C 4 F 8 octafluorocyclobutane 3. Kelompok refrijeran campuran zeotropik. Kelompok refrijeran ini merupakan refrijeran campuran yang bias terdiri dari campuran refrijeran CFC, HCFC, HFC, dan HC. Refrijeran yang

9 terbentuk merupakan campuran tak bereaksi yang masih dapat dipisahkan dengan cara destilasi. 4. Kelompok refrijeran campuran Azeotropik. Kelompok refrijeran ini adalah refrijeran campuran tak bereaksi yang tidak dapat dipisahkan dengan destilasi. Refrijeran ini pada konsentrasi, tekanan dan temperatur tertentu bersifat azeotropik, yaitu mengembun dan menguap pada temperatur yang sama. 5. Kelompok refrijeran senyawa organik biasa. Kelompok refrijeran ini sebenarnya terdiri dari unsur carbon (C), Hidrogen (H) dan lainnya. Namun demikian cara penulisan nomornya tidak dapat mengikuti cara penomoran refrijeran halocarbon karena jumlah atom H nya jika ditambah dengan 1 lebih dari 10 sehingga angka kedua pada nomor refrijeran menjadi dua digit. Sebagai contoh butane (C 4 H 10 ), jika dipaksakan dituliskan sesuai dengan cara penomoran refrijeran halocarbon, maka refrijeran ini akan bernomor R-3110, sehingga akan menimbulkan kerancuan. 6. Kelompok refrijeran senyawa anorganik. Kelompok refrijeran ini diberi nomor yang dimulai dengan angka 7 dan digit selanjutnya menyatakan berat molekul dari senyawanya seperti : R-702 : hydrogen R-704 : helium R-717 : ammonia R-718 : air R-744 : oksigen Amonia Amonia adalah senyawa kimia dengan rumus NH 3. Biasanya senyawa ini didapati berupa gas dengan bau tajam yang khas (disebut bau

10 ammonia). Amonia umumnya bersifat basa namun dapat juga bertindak sebagai asam lemah Sifat ammonia dapat dilihat seperti tabel 2.1 Tabel 2.1 Tabel Sifat Amonia Sifat Amonia Massa jenis Titik lebur Titik didih Keasaman Panas Laten Penguapan (Le) Kelarutan dalam air 682 kg/m 3, cair -77,7 o C o C 9, kj/kg 89,9g/100ml pada 0 0 c (Sumber: Raymond chang,kimia dasar edisi ketiga) Amonia dapat terbentuk secara alami maupun sintetis,amonia yang berada di alam merupakan hasil dekomposisi bahan organik. Amonia biasanya digunakan sebagai obat obatan, bahan campuran pupuk urea, bahan pembuatan amonium klorida (NH4Cl) pada baterai, asam nitrat (HNO3), zat pendingin, membuat hidrazin (N2H4) sebagai bahan bakar roket, bahan dasar pembuatan bahan peledak, kertas pelastik, dan detergen dan jika dilarutkan kedalam air maka zat tersebut akan dapat menjadi pembersih alat perkakas rumah tangga. ammonia sendiri adalah senyawa kaustik dan dapat merusak kesehatan. Kontak dengan gas ammonia berkonsentrasi tinggi dapat menyebabkan kerusakan paru-paru dan bahkan kematian. Sekalipun ammonia diatur sebagai gas tak mudah terbakar, ammonia masih digolongkan sebagai bahan beracun jika terhirup.

11 2.4 Karakteristik pasangan refrijeran-absorben Terdapat beberapa kriteria yang harus dipenuhi oleh kombinasi refrijeran dengan zat penyerap untuk layak digunakan pada mesin pendingin absorbsi. Diantaranya adalah : a. Zat penyerap harus mempunyai nilai afinitas (pertalian) yang kuat dengan uap refrijeran, dan keduanya harus mempunyai daya larut yang baik pada kisaran suhu kerja yang diinginkan. b. Kedua cairan tersebut, baik masing-masing maupun hasil campurannya, harus aman, stabil, dan tidak korosif. c. Secara ideal, kemampuan penguapan zat penyerap harus lebih rendah dari refrijeran sehingga refrijeran yang meninggalkan generator tidak mengandung zat penyerap. d. Refrijeran harus mempunyai panas laten penguapan yang cukup tinggi. e. Tekanan kerja kedua zat harus cukup rendah (mendekati tekanan atmosfir) f. Pasangan refrijeran-absorben tidak boleh membentuk fase padat 2.5 Absorber Absorber terlibat dalam proses perpindahan masssa (mass transfer) maupun perpindahan panas (heat transfer) laju perpindahan massa dalam absorber sangat dipengaruhi oleh luasan bidang absorbsi (Soekimin,2008). Komponen ini sangat penting, bahwa tekanan uap dari larutan konsentrasi lemah dalam absorber lebih kecil daripada refrijeran dari evaporator. Absorber memiliki fungsi untuk memastikan percampuran antara refrijeran dan absorbent,juga melepaskan panas dari larutan selama proses absorbsi. Fungsi ini menuntun pada dicapainya tingkat efisiensi yang tinggi. Selain sebagai tempat proses pencampuran absorber juga sebagai alat penukar kalor akibat pelepasa kalor akibat proses absorbsi. Dalam siklus absorbsi absorber merupakan salah satu bagian pengganti kompresor dalam sistem kompresi uap, dikarenakan pada siklus absorbsi tidak menggunakan kompresor maka untuk mensirkulasikan refrijeran pada siklus sepenuhnya menjadi tugas pompa, agar pompa dapat mensirkulasikan feigeran maka uap ammonia yang keluar dari evaporator terlebih dahulu dilarutkan dalam suatu zat pelarut dalam hal ini air bertindak sebagai absorbent untuk melarutkan

12 amonia dan proses ini berlangsung sepenuhnya di absorber. Larutan hasil pencampuran ini selanjutnya disirkulasikan ke generator. Absorber juga berperan menjaga temperatur dari larutan yang terbentuk, untuk itu selama proses absorbsi air pendingin dialirkan untuk membuang kalor akibat proses absorbsi. 2.6 Perpindahan panas pada absorber Pada absorber terjadi beberapa berpindahan panas, diantaranya antara fluida dengan dinding pipa dan pada dinding pipa itu sendiri. Perpindahan panas adalah ilmu yang mempelajari tentang perpindahan energi dalam bentuk panas yang terjadi karena adanya perbedaan suhu diantara kedua benda atau material (Incropera,1996). Ilmu perpindahan panas melengkapi hukum pertama dan kedua termodinamika, sebagai contoh pada peristiwa pendinginan yang berlangsung pada suatu batangan baja panas yang dicelupkan kedalam air,dengan termodinamika kita dapat menentukan suhu keseimbangan akhir dari suatu batangan baja tersebut, namun termodinamika tidak akan dapat menunjukkan kepada kita berapa lama waktu yang diperlukan untuk mencapai keseimbangan itu atau berapa suhu batangan itu pada saat sebelum tercapainya keseimbangan,sebaliknya ilmu perpindahan panas dapat membantu kita untuk menentukan suhu batangan baja sebagai fungsi waktu. Jenis-jenis perpindahan panas yang terjadi pada absorber yaitu : Konduksi (hantaran) Konveksi (aliran) Perpindahan panas konduksi Pada dinding tube terjadi perpindahan panas secara konduksi dimana panas dari larutan ammonia air akan merambat melalui dinding tube. Perpindahan kalor secara konduksi adalah proses perpindahan kalor dimana kalor mengalir dari daerah yang bersuhu tinggi ke daerah yang bersuhu rendah dalam suatu medium padat atau medium-medium berlainan yang bersinggungan secara langsung. Secara umum (Cengel,1989) laju aliran kalor secara konduksi dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut :

13 qq = kkkk δδδδ δδδδ... (2.1) Keterangan : (Sumber : Cengel, Heat and mass transfer, Hal : 18) q = laju aliran kalor (watt) k = konduktifitas termal bahan (W/(m 2. 0 C) δδδδ δδδδ = Beda temperatur ( 0 C/m) A = luas permukaan perpindahan kalor (m 2 ) Tanda minus diselipkan agar memenuhi hukum ke 2 termodinamika yaitu kalor mengalir ke temperatur yang lebih rendah, arah aliran energi kalor adalah dari titik bersuhu tinggi ke titik bersuhu rendah. Sudah diketahui bahwa tidak semua bahan dapat menghantar kalor sama sempurnanya, bahan yang dapat menghantar kalor dengan baik dinamakan konduktor. Penghantar yang buruk disebut isolator. Sifat bahan yang digunakan untuk menyatakan bahwa bahan tersebut merupakan suatu isolator atau konduktor ialah koefisien konduksi termal. Apabila nilai koefisien ini tinggi, maka bahan mempunyai kemampuan mengalirkan kalor dengan cepat,untuk bahan isolator koefisien ini bernilai kecil. Gambar 2.3 Perpindahan panas secara konduksi

14 Pada umumnya, bahan yang dapat menghantar arus listrik dengan sempurna (logam) merupakan penghantar yang baik juga untuk kalor dan sebaliknya. Selanjutnya bila diandaikan sebatang besi atau sembarang jenis logam dimana salah satu ujungnya diulurkan ke dalam nyala api dapat diperhatikan bagaimana kalor akan berpindah dari ujung yang panas ke ujung yang dingin. Ketika ujung batang logam tadi menerima energi kalor dari api, energi ini akan memindahkan sebagian energi kepada molekul dan elektron yang membangun bahan tersebut. Molekul dan elektron merupakan alat pengangkut kalor di dalam bahan menurut proses perpindahan panas konduksi. Dengan demikian dalam proses pengang kutan kalor di dalam bahan, aliran elektron akan memainkan peranan penting. Persoalan yang patut diajukan pada pengamatan ini ialah mengapa jumlah energi kalor pada berbagai material berbeda. Hal ini disebabkan susunan molekul dan juga atom di dalam setiap bahan adalah berbeda. Untuk satu bahan berfasa padat molekulnya tersusun rapat, berbeda dengan satu bahan berfasa gas seperti udara dimana molekul udaranya sangat renggang sekali. Tetapi dibandingkan dengan bahan padat seperti kayu, dan besi, maka molekul besi akan lebih rapat susunan molekulnya daripada molekul kayu(frank Kreith,1991). Pada alat penukar kalor dalam hal ini absorber perpindahan konduksi terjadi pada bagian tabung/pipa,tahanan termal yang terjadi pada tabung/pipa adalah seperti pada gambar 2.4 Gambar 2.4 mode perambatan panas pada dinding tube (Sumber : Cengel, Heat and mass transfer, Hal : 166)

15 2.6.2 Perpindahan Panas Konveksi Konveksi adalah proses transfer panas dengan melibatkan perpindahan massa molekul molekul fluida dari satu tempat ke tempat lainnya. Pada permasalahan absorber perpindahan panas konveksi terdapat pada dua sisi yaitu : a) Sisi aliran amonia (Aliran Luar) Gambar 2.5 Aliran luar (Sumber : Cengel, Heat and mass transfer, Hal : 371) Pada persoalan aliran luar tersebut lapisan batas aliran berkembang secara bebas, tanpa batasan yang disebabkan oleh permukaan yang berada di dekatnya. Sehubungan dengan itu akan selalu ada daerah lapisan batas yang berada di sisi luar aliran dimana gradien kecepatan temperatur dapat di abaikan. Sebagai contoh meliputi pergerakan fluida diatas plat datar dimana laju perpindahan panasnya : qq = h. AA ss. (TT ss TT ) (2.3) (Sumber : Cengel, Heat and mass transfer, Hal : 335) Dimana : h = Koefisien perpindahan panas konveksi As = Luas permukaan perpindahan kalor Ts = Suhu pada plat T = Suhu larutan amonia q = Laju perpindahan panas

16 b) Sisi air (Aliran Dalam) Gambar 2.6 Aliran dalam (Sumber : Cengel, Heat and mass transfer, Hal : 423) Berbeda dengan aliran luar yang tanpa ada batasan luar,pada aliran dalam seperti halnya yang terjadi didalam pipa adalah sesuatu dimana fluida dibatasi oleh permukaan sehingga lapisan batas tidak dapat berkembang secara bebas seperti halnya pada luar pada, pada absorber fluida di dalam pipa adalah air pendingin. Laju perpindahan panas aliran dalam : qq = mm. CC pp. (TT oo TT ii ) (2.4) (Sumber : Cengel, Heat and mass transfer, Hal : 426) m Cp ΔT q = Laju aliran massa air = Koefisien thermal bahan = Beda temperatur = Laju perpindahan panas Beberapa alat penukar kalor terdiri dari dua pipa sepusat, yang biasanya disebut alat penukar kalor pipa ganda. Pada alat tersebut salah satu fluida mengalir didalam pipa sedangkan fluida yang lainnya mengalir

17 didalam ruang annulus. Persamaan pembentuk untuk kedua aliran adalah identik. Gambar 2.7 Alat penukar kalor pipa ganda yang terdiri dari dua pipa sepusat (Sumber : Cengel, Heat and mass transfer, Hal : 444) Dengan menganggap diameter dalam D i dan diameter luar D o, diameter hidraulik annulus adalah D h = D o D i... (2.5) (Sumber : Cengel, Heat and mass transfer, Hal : 676) Pada alat penukar kalor tabung sepusat ini terdapat dua bilangan Nusselt, yakni pada permukaan dalam pipa Nu i dan pada permukaan dalam pipa Nu o. Bilangan Nusselt untuk aliran laminar yang berkembang penuh dengan permukaan yang temperaturnya konstan dan permukaan luarnya diisolasi, dapat dilihat pada tabel berikut : Tabel 2.2 Bilangan nusselt untuk aliaran laminar DD ii NNNN ii NNNN oo DD oo

18 Jika bilangan Nusselt diketahui, koefisien perpindahan panas untuk permukaan pipa bagian dalam dan bagian luar dapat dihitung dengan menggunakan persamaan Nu i = hidh k...(2.6) Nu o = ho Dh k.....(2.7) c) Perpindahan panas secara keseluruhan Pada banyak kasus perpindahan panas yang melibatkan proses konveksi dan konduksi, dimana laju perpindahan panas total : qq = UU. AA. LLLLLLLL...(2.8) Dimana untuk mencari U (koefisien perpindahan panas keseluruhan ) adalah : 1 UU = dd oo tt h oo. dd ii + dd oo tt 2.kk. ln dd oo tt dd ii + 1 h ii (2.9) Panas dari larutan amonia di alirkan ke air pendingin yang besarnya dapat di tentukan dari persamaan : qq = h. AA ss. (ΔΔΔΔ).... (2.10) 2.7 Parameter dalam perhitungan nilai perpindahan panas Absorber Dalam berbagai kasus alat penukar kalor dibuat dengan susunan tabung bersirip (finned tube) untuk membuang kalor dari fluida panas. Namun dalam pembahasan nilai nilai parameter penting untuk perhitungan laju perpindahan panas tidak di bahas mengenai efektifitas sirip atau fin melainkan hanya membahas mengenai perpindahan panas pasa tabung atau tube-nya saja, sehingga persamaan yang dibahas adalah tentang tube dengan perhitungan menggunakan persamaan konveksi yang secara umum digunakan pada penukar kalor pipa ganda

19 (double pipe) ataupun tabung pipa (shell and tube). Biasanya salah satu fluida dalam penukar panas mengalir dalam pipa, sedang fluida yang lain mengalir dalam ruang annulus sebuah pipa yang lebih besar atau dalam ruang sebuah shell yang memuat banyak pipa, perpindahan panas berlangsung secara radial terhadap pipa,antara lain fluida di dalam pipa dengan permukaan dinding pipa di sisi dalam dimana panas berpindah secara konveksi, kemudian panas menjalar secara konduksi melalui logam dinding pipa sedangkan diluar pipa terjadi lagi konveksi. Nilai laju perpindahan panas dalam alat penukar kalor dapat dihitung berdasarkan teori perpindahan panas secara konveksi. Selain laju perpindahan panas, parameter penting yang mempengaruhi efektifitas suatu alat penukar kalor adalah nilai koefisien perpindahan panasnya. Besarnya koefisien perpindahan panas secara konveksi diperkirakan dari persamaan persamaan empiris berbeda dengan konveksi di luar pipa. Banyak buku yang memuat keterangan tentang koefisien perpindahan panas baik dalam bentuk persamaan maupun. Dalam mencari persamaan empiris itu harus diperhatikan sifat fluida,sifat aliran,jenis perpindahan panas (pemanasan atau pendinginan), letak pipa dan lain sebagainya Sifat sifat termodinamika fluida a) Temperatur rata-rata fluida TT aaaaaa = TT cccc +TT cccc... (2.11) 2 Dimana : Temperatur inlet (Tci) Temperatur outlet (Tco) b) Mencari Temperatur rata-rata udara TT uuuuuuuuuu = TT hii+tt hoo..(2.12) 2 Dimana : Temperatur inlet (Thi) Temperatur outlet (Tho)

20 2.7.2 Sifat aliran fluida Di alam ini terdapat dua jenis aliran fluida. Pertama dikenal dengan aliran laminar dimana sifatnya tenang, kecepatanya rendah, semua partikel partikelnya mempunyai ssifat aliran yang seragam. Kedua adalah aliran turbulen pada aliran ini masing masing partikelnya mempunyai arah kecepatan yang berlainan dan tidak seragam sehingga setiap partikelnya mempunyai arah kecepatan yang berlainan dan tidak seragam sehingga setiap partikelnya mempunyai kesempatan yang sama untuk menyentuh permukaan atau dinding saluran, dengan demikian kesempatan fluida menerima atau mentransfer panas pada dinding pipa menjadi lebih besar. Dalam alat penukar kalor selalu diinginkan agar alirannya turbulen sehingga kapasitas perpindahan panasnya meningkat. Aliran turbulen dapat diperoleh dengan pemasangan baffle atau dengan membuat permukaan dinding saluaran kasar. Jenis aliran turbulen atau laminar dapat ditentukan perhitungan bilangan reynold. Bilangan reynold untuk aliran dalam pipa dapat didefinisikan dengan menggunakan rumus : RR ee = ρρ.dd.vv µ...(2.13) Keterangan : ρ = massa jenis (kg/m3) V = kecepatan aliran (m/s) D = diameter pipa (m) µ = viskositas dinamik (kg/m.s) Bilangan Reynolds digunakan sebagai kriteria untuk menunjukkan sifat aliran fluida, apakah aliran termasuk aliran laminar, transisi atau turbulen. Untuk Re < 2000 biasanya termasuk jenis aliran laminar sedangkan untuk 2000 < Re <4000 adalah jenis aliran transisi dan untuk Re> 4000 adalah jenis aliran turbulen.(cengel,1989) Bilangan nusselt untuk aliran laminar biasanya ditentukan oleh bentuk penampang dari pipa nilainya dibuat dalam bentuk tabel, sedangkan bilangan nusselt untuk aliran turbulen yang sudah jadi atau berkembang penuh (fully

21 developed turbulent flow) di dalam tabung licin dapat di tuliskan dengan persamaan : NNNN = 0,023 (RRRR) 0,8 (PPPP 1 3) (2.14) Dengan ketentuan (0.7 Pr 160) Laju perpindahan kalor Absorber Pada dasarnya laju perpindahan kalor pada absorber dipengaruhi oleh adanya tiga (3) hal, yaitu: 1. Koefisien perpindahan kalor menyeluruh (U) Nilai koefisien perpindahan panas menyeluruh dapat didasarkan atas luas dalam atau luar tabung, menurut selera perancang sehingga cara menghitungnya bias dengan 2 cara yaitu: Koefisien perpindahan panas menyeluruh berdasarkan pipa dalam (Ui) 1 UU ii =..(2.17) rrrr 1 hii + AAAA llll rrrr 2. ππ. kk mmmmmmmmmmmmmmmm. LL + AAAA 1 AAAA hoo Koefisien perpindahan panas menyeluruh berdasarkan pipa dalam (Uo) 1 UU oo =...(2.18) rrrr 1 hoo + AAAA llll rrrr 2. ππ. kk mmmmmmmmmmmmmmmm. LL + AAAA 1 AAAA hii Keterangan : ri = jari-jari pipa dalam (m) ro = Jari jari pipa luar (m) Ao = Luas permukaan luar total (m 2 ) Ai = Luas permukaan dalam total (m 2 ) ho = Koefisien perpindahan kalor konveksi pada pipa bagian luar (W/m 2 K) hi = Koefisien perpindahan kalor konveksi pada pipa bagian dalam (W/m 2 K)

22 L = Panjang pipa Kmaterial = Konduktivitas panas material (W/m 0 K) 2. Luas perpindahan panas (A) Menghitung luas perpindahan panas (A) Luas permukaan perpindahan panas permukaan dalam pipa (Ai) AA ii = ππ. DD ii. LL.(2.21) Luas permukaan perpindahan panas permukaan luar pipa (Ao) AA ii = ππ. DD oo. LL.(2.22) Luas permukaan penukar kalor total dapat juga dihitung berdasarkan persamaan : Luas permukaan penukar panas (A total) qq = UU oo. AA tttttttttt. ΔΔΔΔ LLLLLLLL. (2.23) AA tttttttttt = qq UU oo. ΔΔΔΔ LLLLLLLL..(2.24) ` Keterangan : Ao = Luas permukaan total,dalam (m 2 ) Ai = Luas permukaan total,luar (m 2 ) Do = Diameter pipa bagian luar total (m) Di = Diameter pipa bagian dalam (m) L Uo = Panjang pipa (m) = Koefisien perpindahan panas menyeluruh Berdasarkan pipa luar (W/m 2 K) ΔTLMTD = Beda suhu rata-rata log

23 3. Beda suhu rata-rata log atau Logarithmic Mean Temperatur Difference (ΔLMTD) ΔΔΔΔ 1 = TT hoo TT cccc..(2.25) ΔΔΔΔ 2 = TT hoo TT cccc..(2.26) ΔΔ LLLLLLLL = ΔΔΔΔ 2 ΔΔΔΔ 1 LLLL ΔΔΔΔ 2 ΔΔΔΔ 1....(2.27) Keterangan : Tci Tco Thi Tho = Temperatur air masuk (C) = Temperatur air keluar (C) = Temperatur udara masuk (C) = Temperatur udara keluar (C) Dimana LMTD ini disebut beda suhu rata-rata log atau beda suhu pada satu ujung kalor dikurangi beda suhu pada ujung lainnya dibagi dengan logaritma alamiah daripada perbandingan kedua beda suhu pada ujung lainnya. Perhitungan LMTD akan bergantung pada arah aliran dan jenis apk yang digunakan.untuk dapat merencanakan kemampuan alat penukar kalor yang baik maka harus dapat ditentukan hal-hal yang penting antara lain : laju perpindahan panas,temperature masuk dan keluaar fluida, koefisien perpindahan panas total dan luas permukaan perpindahn panas total Absorber dengan arah fluida sejajar Dari gambar di bawah ini,maka persamaan kekekalan energi dapat di tulis : dddd = mm. CC pph. dd TTh....(2.28) dddd = mm. CC pppp. dd TTTT.. (2.29) dddd h = dddd mm h. CC pph

24 Dan dddd cc = dddd mm cc. CC pppp Karena dd( TT) = dd TTh dd TTTT Maka dd( TT) = dddd( 1 CC pp h + 1 CC pppp ). (2.30) Gambar 2.8 Distribusi temperatur pada absorber dengan aliran fluida arah sejajar (Sumber : Cengel, Heat and mass transfer, Hal : 668) Perpindahan kalor dinyatakan dengan : dddd = UU. (TT h TT cc ). ddaa ss... (2.31) Bila persamaan 2.28 di substitusikan ke persamaan 2.27 kemudian di integralkan : dd( TT) TT = UU( 1 CC h + 1 CC cc ) dddd Atau ln TT 2 TT 1 = UU. AA 1 CC h + 1 CC cc.(2.32)

25 Apabila di substitusikan dengan persamaan 2.25 dan persamaan 2.26 maka : ln TT 2 = UU. AA TT hii TT hoo TT 1 qq + TT cccc TT cccc qq UU.AA qq = ((TT hii TT cccc ) (TT hoo TT cccc )...(2.33) Dengan demikian maka laju perpindahan kalor dapat ditulis : qq = UU. AA. LLLLLLLL...(2.34) Dimana : LLLLLLLL = TT 2 TT1 ln TT 2 / TT 1 TT 2 = TT hii TT cccc TT 1 = TT hoo TT cccc Absorber dengan arah fluida berlawanan laju perpindahan panas dapat ditulis seperti laju perpindahan panas aliran parallel namun untuk, TT 1 = TT hii TT hoo TT 2 = TT hoo TT hii

26 Gambar 2.9 Distribusi temperatur pada absorber dengan aliran fluida berlawanan (Sumber : Cengel, Heat and mass transfer, Hal : 668) 2.8 Faktor Pengotoran Absorber Performansi alat penukar kalor biasanya semakin menurun dengan bertambahnya waktu pemakaian sebagai akibat terjadinya penumpukan kotoran pada permukaan alat penukar kalor. Lapisan kotoran tersebut menimbulkan hambatan tambahan pada proses perpindahan panas dan mengakibatkan penurunan laju perpindahan panas pada alat penukar kalor. Penumpukan kotoran pada alat penukar kalor disebut faktor kotoran R f yang menjadi ukuran dalam tahanan termal. (William S.Janna,200:466) Faktor pengotoran adalah nol untuk alat penukar kalor yang baru dan meningkat dengan meningkatnya lama pemakaian sehingga kotoran menempel pada permukaan alat penukar kalor. Faktor kotoran bergantung pada temperatur operasi dan kecepatan fluida, dan sebanding dengan panjang alat penukar kalor. Kotoran akan meningkat dengan meningkatnya temperatur dan menurunnya kecepatan.

27 Persamaan koefisien perpindahan menyeluruh telah diberikan sebelumnya yang berlaku untuk permukaan alat penukar kalor yang bersih. Persamaan sebelumnya perlu dimodifikasi sebagai efek dari kotoran pada permukaan dalam dan luar tabung. Untuk alat penukar kalor tabung cangkang yang tidak memiliki sirip, persamaan sebelumnya menjadi : RR = 1 0,0002 +( 1 h )..(2.35) Tabel 2.3 faktor pengotoran beberapa fluida Fluida RR rr, mm 2, ⁰CC/WW Air laut,air sungai,air mendidih,air suling Dibawah 50 o C Diatas 50 o C 0,0001 0,0002 Bahan bakar 0,0009 Uap air (bebas minyak) 0,0001 Refrijeran (cair) 0,0002 Refrijeran (gas) 0,0004 Alcohol (gas) 0,0001 Udara 0,0004 (Sumber :Willian S.Janna, Engineering heat transfer, hal : 467)