Laporan Tugas Akhir 2012 BAB II DASAR TEORI

Transkripsi

1 BAB II DASAR TEORI 2.1 Sistem Tata Udara [sumber : 5. Sistem tata udara adalah proses untuk mengatur kondisi suatu ruangan sesuai dengan keinginan sehingga dapat memberikan rasa nyaman bagi para penggunanya. Sistem tata udara pada umumnya dibagi menjadi dua golongan utama, yaitu : a. Penyegaran udara untuk kenyamanan Menyegarkan udara ruangan untuk memberikan kenyamanan kerja bagi orang yang melakukan kegiatan tertentu. b. Penyegaran udara untuk industri Menyegarkan udara ruangan karena diperlukan oleh proses, bahan, peralatan atau barang yang ada di dalamnya. Jika seseorang berada di dalam suatu ruangan tertutup untuk jangka waktu yang lama, maka pada suatu ketika ia akan merasa kurang nyaman, begitu juga jika kita berada pada ruang terbuka pada siang hari dengan sinar matahari mengenai tubuh kita akan merasa kurang nyaman. Hal ini diakibatkan dua hal utama yakni temperatur dan kelembaban udara tersebut tidak sesuai dengan yang dibutuhkan untuk tubuh. Perkantoran Penyegaran udara gedung kantor diperlukan untuk memberikan kenyamanan lingkungan kerja bagi para karyawan. Dalam banyak hal penyegaran udara itu juga diadakan untuk melindungi peralatan kantor, sebaiknya terdapat pengatur suhu dan kelembaban atau penyegar udara untuk setiap kelompok ruangan dengan kegiatan yang sama. Hotel Hotel terdiri dari ruang tamu, ruangan umum seperti ruang duduk, ruang makan dan sebagainya. Sistem penyegaran Ruang tamu sebaiknya dilengkapi dengan pengatur suhu dan kelembaban, dengan demikian suhu dan kelembabannya dapat disesuaikan dengan keperluan, seperti umur, jenis kelamin dari tamu dan sebagainya. Industri Sistem penyegaran udara untuk keperluan industri dibagi menjadi dua golongan, yaitu penyegaran udara untuk kenyamanan, untuk memberikan kenyamanan lingkungan kerja bagi karyawan; dan penyegaran udara industri untuk mengatur suhu dan kelembababan dari Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 11

2 udara yang dipergunakan dalam proses produksi, penyimpanan, lingkungan kerja mesin, dan sebagainya. Rumah Sakit Rumah sakit berbeda dari jenis bangunan lainnya, kondisi lingkungan harus dijaga supaya tetap bersih untuk mencegah penyebaran dan berkembangnya bakteri patogenik. Oleh karena itu ruangan yang tersedia hendaknya dibagi menjadi beberapa daerah, sedemikian rupa sehingga tidak terjadinya pencampuran udara yang mengandung kuman penyakit. 2.2 Sistem Tata Udara Mobil Sistem tata udara pada mobil digunakan untuk memberikan kenyamanan pada penumpangnya, juga sangat diperlukan karena sewaktu-waktu temperatur ruangan mobil akan meningkat tergantung pada kapasitas penumpang ataupun faktor radiasi yang masuk ke ruangan mobil. Selain itu, panas dapat juga timbul dari panas mesin mobil dan dari lingkungan sekitar seperti kepadatan jalan. Untuk menjaga ruangan mobil agar tetap nyaman maka diperlukan suatu pengkondisi udara yaitu AC (Air Conditioner). Berikut adalah salah satu komponen AC mobil yang terpasang pada Isuzu Elf ditunjukkan pada Gambar 2.1. Gambar 2.1 Evaporator yang terpasang pada Isuzu Elf Proses pengkondisian udara pada AC mobil meliputi proses pendinginan dengan pengurangan kandungan uap air dan proses pemanasan dengan penambahan uap air. Tetapi untuk daerah tropis, AC mobil yang digunakan hanya untuk keperluan pendinginan dan pengurangan kandungan uap air. Dibandingkan dengan gedung, interior mobil relatif kecil. Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 12

3 Walau begitu, bila mobil bergerak dengan kecepatan tinggi di hari yang panas, ia harus dapat memberikan efek pendinginan yang cukup untuk mempertahankan suhu interior pada kondisi yang nyaman. Demikian juga bila mobil bergerak lambat di jalanan yang ramai, AC mobil juga harus dapat memberikan kenyamanan bagi penumpangnya. Inilah bagian yang paling krusial yang harus dipertimbangkan pada aplikasi AC mobil. Saat ini, mobil yang dilengkapi dengan AC sudah bukan menjadi barang langka karena tidak hanya digunakan pada mobil-mobil mewah tetapi juga digunakan pada mobilmobil yang sederhana. AC mobil menggunakan sistem refrigerasi yang digerakkan oleh mesin mobil atau engine, untuk mendapatkan kenyamanan interior, dengan mengatur suhu dan mengurangi kelembabannya Dengan demikian banyak orang yang membutuhkan kenyamanan dalam mobil dengan adanya AC tersebut karena fungsi AC yang terpenting adalah : 1. Dapat mengatur dan menyesuaikan suhu di dalam ruangan 2. Dapat menjaga dan mengatur kelembaban udara 3. Dapat menyaring dan membersihkan udara Agar diperoleh kenyamanan yang sesuai maka beban yang ada dalam ruangan kendaraan tersebut haruslah dihitung. Perhitungan beban pendinginan adalah proses yang sangat penting dalam melakukan suatu perancangan sistem tata udara pada suatu ruangan. Pada perhitungan beban pendinginan terdapat pembagian beban secara umum, yaitu beban eksternal yang terdiri dari beban melalui dinding, atap, lantai dan kaca, kemudian beban internal yang terdiri dari beban manusia, peralatan/mesin, serta penerangan di ruangan kendaraan tersebut. Selain beban eksternal dan internal, terdapat beban penting lainnya, yaitu beban ventilasi dan beban infiltrasi. 2.3 Beban Pendinginan Beban Eksternal Beban eksternal adalah bagian beban ruangan yang timbul akibat adanya pengaruh eksternal terhadap ruangan yang dikondisikan. Beban eksternal umumnya berupa beban sensibel yang berasal dari luar ruangan, beban pendinginan sumber eksternal terdiri atas beban kalor yang ditimbulkan oleh dinding, atap, kaca, dan lantai. Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 13

4 a. Beban kalor yang ditimbulkan oleh dinding Q dinding = U x A x CLTD corr (2.1) CLTD corr = (CLTD + LM) x k + (78 T r ) + (T o 85) (2.2) Keterangan: Q dinding U A CLTD LM k = Besarnya kalor dinding radiasi matahari (Btu/hr) = Koefisien perpindahan kalor untuk dinding (Btu/hr.ft². F) = Luas dinding yang terkena radiasi matahari (ft²) = Cooling Load Temperature Difference ( F) = Latitude Month = Koefisien warna dinding CLTD corr = Cooling Load Temperature Difference Corrected ( F) T r T o = Temperatur rancangan ( F) = Temperatur udara luar ( F) b. Beban kalor melalui atap Q atap = U x A x CLTD corr (2.3) CLTD corr = (CLTD + LM) x k + (78 T r ) + (T o 85) (2.4) Keterangan: Q atap U A = Besarnya kalor yang diterima atap akibat radiasi matahari (Btu/hr) = Koefisien perpindahan kalor untuk atap (Btu/hr.ft². F) = Luas atap yang terkena radiasi matahari (ft²) CLTD = Cooling Load Temperature Difference ( F) LM = Latitude Month k = Koefisien warna dinding CLTD corr = Cooling Load Temperature Difference Corrected ( F) T r T o = Temperatur rancangan ( F) = Temperatur udara luar ( F) Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 14

5 c. Beban kalor melalui lantai Q lantai = U x A x TD (2.5) Keterangan: Q lantai = Besarnya kalor yang diterima lantai (Btu/hr) U = Koefisien perpindahan kalor untuk lantai (Btu/hr.ft². F) A = Luas lantai (ft²) TD = Beda temperatur antara temperatur luar dan dalam ruangan ( F) d. Beban kalor melalui kaca Q kaca = U x A x CLTD corr (2.6) CLTD corr = (CLTD + LM) x k + (78 T r ) + (T o 85) (2.7) Keterangan: Q kaca U A CLTD LM k = Besarnya kalor yang diterima kaca (Btu/hr) = Koefisien perpindahan kalor untuk kaca (Btu/hr.ft². F) = Luas kaca yang terkena radiasi matahari (ft²) = Cooling Load Temperature Difference ( F) = Latitude Month = Koefisien warna dinding CLTD corr = Cooling Load Temperature Difference Corrected ( F) T r T o = Temperatur rancangan ( F) = Temperatur udara luar ( F) e. Beban kalor melalui kaca secara radiasi Q kr = A x SHGF x CLF x SC (2.8) Keterangan: Q kr A = Besarnya kalor yang diterima kaca akibat radiasi matahari (Btu/hr) = Luas kaca yang terkena radiasi matahari (ft²) SHGF = Maximum Solar Heat Gain Factor sun (Btu/hr.ft². F) CLF = Cooling Load Factor SC = Shading Coefficient Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 15

6 2.3.2 Beban Internal Beban internal adalah beban yang berasal dari dalam ruangan, beban pendinginan sumber internal terdiri atas beban kalor yang ditimbulkan oleh manusia, peralatan/mesin, dan penerangan. Diantara komponen beban internal tersebut, lampu adalah komponen yang menghasilkan beban sensibel murni. Orang dapat menghasilkan beban sensibel dan laten. Peralatan ruangan dan mesin dapat menghasilkan beban sensibel saja atau sensibel dan laten, tergantung dari jenis alat dan mesinnya. a. Beban kalor oleh manusia secara sensibel Tubuh manusia menghasilkan kalor melalui proses metabolisme, melepaskannya ke ruangan dengan cara radiasi dari kulit atau pakaian dan secara konveksi dan evaporasi ersifat laten, lainnya bersifat sensibel. Beban kalor oleh manusia dapat dihitung dengan : Q ms = CLF x n x SHG (2.9) Keterangan : Q ms = Besarnya kalor yang dihasilkan oleh manusia (Btu/hr) n = jumlah orang CLF = Cooling Load Factor SHG = Sensible Heat Gain b. Beban kalor oleh manusia secara laten Q ml = n x LHG (2.10) Keterangan Q ml = Besarnya kalor yang dihasilkan oleh manusia (Btu/hr) n = jumlah orang LHG = Laten Heat Gain c. Beban kalor yang ditimbulkan oleh peralatan Q pl = n x A x CLF (2.11) Keterangan : Q pl n A = Besarnya kalor yang dihasilkan oleh peralatan (Btu/hr) = jumlah peralatan = Heat Gain from Typical Electric Motors (Btu/hr) CLF = Cooling Load FactorBeban kalor yang ditimbulkan oleh peralatan Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 16

7 d. Beban kalor yang dihasilkan dari penerangan Energi listrik yang dicatukan ke lampu akan menghasilkan cahaya dan panas. Sebagian energi ini akan mengalir secara konveksi ke dalam ruangan dan akan menimbulkan beban sensibel. Beban kalor yang dihasilkan dari penerangan dapat dihitung dengan : Q lampu = 3.14 x n x P x CLF (2.12) Keterangan : Q lampu = Besarnya kalor yang dihasilkan oleh penerangan/lampu (Btu/hr) n = Jumlah lampu P = Daya total dari lampu (Watt) CLF = Cooling Load Factor Beban Ventilasi dan Infiltrasi a. Beban Ventilasi Beban ventilasi adalah beban yang disebabkan oleh masuknya udara luar ke dalam ruangan dengan disengaja untuk mempertahankan kesegaran udara ruangan dan menjaga agar ruangan tak berbau. Beban ventilasi dihitung dengan: Q s = 1.10 x (CFM x jml.orang) x T (2.13) Q l = 4840 x (CFM x jml.orang) x W (2.14) Keterangan : Q s Q l = Kalor Sensibel yang dihasilkan (Btu/hr) = Kalor Laten yang dihasilkan (Btu/hr) T = Perbedaan Temperatur Luar dengan Ruangan ( 0 F) W = Perbedaan rasio kelembaban udara luar dengan ruangan (lb/lb) CFM = Debit udara yang dibutuhkan untuk setiap orang b. Beban Infiltrasi Beban infiltrasi adalah beban yang disebabkan oleh masuknya udara luar ke dalam ruangan tanpa disengaja melalui celah-celah atau bukaan-bukaan yang ada pada dinding jendela, pintu, dan lain-lain Beban infiltrasi didapat dengan : Q s = 1.10 x CFM x T (2.15) Q l = 4840 x CFM x W (2.16) Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 17

8 Keterangan : Q s Q l W = Kalor Sensibel yang dihasilkan (Btu/hr) = Kalor Laten yang dihasilkan (Btu/hr) = Perbedaan rasio kelembaban udara luar dengan ruangan (lb/lb) CFM = Debit udara yang dibutuhkan untuk setiap orang Perhitungan Beban Total Beban total yang didapatkan terdiri atas beban kalor sensibel ruangan (RSHG), beban laten ruangan (RLHG), beban sensibel dan laten ventilasi, beban sensibel dan laten infiltrasi, serta beban tambahan dari sistem pada setiap jam operasi. Beban sensibel ruangan terdiri dari : RSHG = Kalor dinding + kalor atap + kalor kaca + kalor sensibel penghuni + kalor penerangan + kalor sensibel peralatan + kalor sensibel infiltrasi (2.17) OASH = Kalor sensibel ventilasi (2.18) TSH = RSHG + OASH (2.19) Beban laten ruangan terdiri dari : RLHG = Kalor laten orang + kalor laten peralatan + kalor laten infiltrasi (2.20) OALH = Kalor laten ventilasi (2.21) TLH = RLHG + OALH (2.22) Beban total ruangan : GTH = TSH + TLH (2.23) 2.4 Komponen Utama Sistem AC Mobil Komponen utama sistem refrigerasi pada AC mobil hampir sama dengan sistem refrigerasi kompresi uap pada umumnya, yaitu terdiri dari kompresor, kondensor, evaporator, katup ekspansi dan magnetic clutch. Gambar 2.2 menunjukkan sistem refrigerasi AC mobil pada umumnya. Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 18

9 Gambar 2.2 Sistem Refrigerasi AC Mobil (sumber : Kompresor Kompresor merupakan komponen paling penting dalam sistem refrigerasi kompresi uap. Fungsi kompresor tersebut adalah untuk menekan refrigeran sehingga terjadi kenaikan tekanan di kondensor dan untuk mensirkulasikan refrigeran dalam sistem. Tenaga penggerak kompresor untuk mensirkulasikan refrigeran refrigeran berasal dari tenaga mesin. Kompresor dapat berputar seirama dengan putaran mesin lewat perantara belt, pulley dan magnetic clutch. Kompresor yang sering digunakan untuk mesin mobil adalah tipe swash plate seperti ditunjukkan pada Gambar 2.3. Gambar 2.3 Kompresor Tipe Swash Plate (sumber : Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 19

10 Pada kompresor jenis swash plate, gerakan piston diatur oleh swash plate pada jarak tertentu dengan 6 atau 10 jumlah silinder. Ketika salah satu pada sisi piston melakukan langkah tekan, maka sisi yang lainnya melakukan langkah hisap Kopling Magnet (Magnetic Clutch) Kopling magnet digunakan untuk menghubungkan dan memutuskan hubungan kompresor ke mesin. Komponen dari kopling magnet adalah : Stator, berupa gulungan magnet yang dipasang pada housing kompresor Rotor, yang menghubungkan crank shaft mesin dengan perantara v-belt Pressure plate, yang dipasang secara fixed pada crank shaft kompresor Gambar 2.4 merupakan contoh magnetic clutch yang biasa digunakan pada mobil Isuzu Elf. Gambar 2.4 Magnetic Clutch Isuzu Elf (sumber : Pada saat mesin beroperasi, puli berputar karena dihubungkan ke crank shaft menggunakan belt, tetapi kompresor tidak bekerja sebelum magnetic clutch diberi arus listrik. Ketika sistem AC on, amplifier memberi arus ke koil stator. Selanjutnya medan elektromagnet yang terbentuk menarik pressure plate dan menekan permukaan gesek pada puli. Hal ini menyebabkan pressure plate berputar mengikuti putaran puli lalu memutar kompresor. Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 20

11 2.4.3 Kondensor Fungsi dari kondensor adalah melepaskan kalor dari refrigeran sehingga refrigeran berubah fasa dari uap menjadi cair. Kalor yang dilepas di kondensor berasal dari kalor yang diserap di evaporator dan kalor akibat kompresi. Sejumlah besar panas dilepaskan ke udara bebas melalui kondensor. Hal ini akan mempengaruhi efek pendinginan di evaporator. Untuk itu kondensor dipasang di bagian depan untuk mendapatkan pendinginan oleh radiator dan udara yang lewat saat kendaraan bergerak. Fungsi dari kondensor mirip dengan radiator yang mendinginkan air pada mesin mobil. Kondensor yang digunakan pada Isuzu Elf ditunjukkan pada Gambar 2.5. Gambar 2.5 Kondensor pada AC Mobil Evaporator Evaporator merupakan tempat perpindahan kalor antara refrigeran dan ruang atau bahan yang akan didinginkan. Di evaporator, terjadi proses evaporasi yakni refrigeran mengalami perubahan fasa dari cair menjadi uap. Panas udara di sekitar kabin di serap oleh evaporator saat melewati sirip-sirip pipanya sehingga saat keluar udara berubah menjadi dingin. Tipe-tipe evaporator yang digunakan di dalam sistem tata udara kendaraan ada 3 macam, yaitu : Tipe plate fin Tipe serpentine fin Tipe drawn cup Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 21

12 Gambar 2.6 menunjukkan evaporator jenis plate fin type yang digunakan pada mobil Isuzu Elf. Gambar 2.6 Evaporator pada AC Mobil Katup Ekspansi Komponen ini berfungsi mengatur laju aliran refrigeran yang masuk ke evaporator dari liquid line sehingga sesuai dengan laju penguapan refrigeran di evaporator dan juga untuk menurunkan tekanan dan temperatur refrigeran sehingga menimbulkan efek dingin pada evaporator sebelum di hembuskan ke ruang kabin. Gambar 2.7 merupakan contoh katup ekspansi pada mobil. Gambar 2.7 Katup Ekspansi pada AC Mobil (sumber : Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 22

13 Katup ekspansi yang banyak dipakai untuk AC mobil adalah katup ekspansi termostatik dengan penyama tekanan dalam (external equalizer). Tekanan dari tabung sensor termal menekan bagian atas diafragma dan berusaha membuka lubang katup. Dari bagian bawah diafragma menekan pegas pengatur superheat dari tekanan refrigeran dari bagian masuk evaporator yang berusaha menutup lubang katup ekspansi. Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 23