BAB II LANDASAN TEORI

Transkripsi

1 BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Pengertian Umum Mesin pendingin atau kondensor adalah suatu alat yang digunakan untuk memindahkan panas dari dalam ruangan ke luar ruangan. Adapun sistem mesin pendingin yang paling banyak digunakan adalah sistem kompresi uap. Prinsip kerja mesin pendingin adalah jika motor penggerak berputar maka temperatur maupun tekanan refrigeran akan naik. Hal ini disebabkan molekulmolekul dari refrigeran bergerak lebih cepat akibat proses kompresi. Gas dari refrigeran akan merambat pada pipa pipa kondenser dan media pendinginan. Sistem yang menghasilkan proses refrigerasi adalah refrigerator (atau pompa panas), dan siklusnya disebut siklus refrigerasi. Siklus refrigerasi yang banyak digunakan adalah siklus kompresi uap sederhana, dimana refrigeran diuapkan, dan dikodensasikan dengan jalan mengkompresi uap tersebut dengan menggunakan kondensor. Universitas Mercu Buana 6

2 2.2 Siklus Ideal Rankine Siklus ideal yang mendasari siklus kerja dari suatu pembangkit daya uap adalah siklus Rankine. Siklus Rankine berbeda dengan siklus-siklus udara ditinjau dari fluida kerjanya yang mengalami perubahan fase selama siklus pada saat evaporasi dan kondensasi. Perbedaan lainnya secara termodinamika siklus uap dibandingkan dengan siklus gas adalah bahwa perpindahan kalor pada siklus uap dapat terjadi secara isotermal. Proses perpindahan kalor yang sama dengan proses perpindahan kalor pada siklus Carnot dapat dicapai pada daerah uap basah dimana perubahan entalpi fluida kerja akan menghasilkan penguapan atau kondensasi, tetapi tidak pada perubahan temperatur. Temperatur hanya diatur oleh tekanan uap fluida. Kerja pompa pada siklus Rankine untuk menaikkan tekanan fluida kerja dalam fase cair akan jauh lebih kecil dibandingkan dengan pemampatan untuk campuran uap dalam tekanan yang sama pada siklus Carnot. Siklus Rankine ideal dapat digambarkan dalam diagram T-S dan H-S seperti pada gambar dibawah ini. Gambar 2.1 Siklus Rankine Sederhana Sumber : (Yunus A. Cengel dan Michael A. Boles, 1994) Universitas Mercu Buana 7

3 Siklus Rankine ideal terdiri dari 4 tahapan proses : 1 2 Kompresi isentropik dengan pompa. 2 3 Penambahan panas dalam boiler secara isobar 3 4 Ekspansi isentropik pada turbin. 4 1 Pelepasan panas pada kondenser secara isobar dan isotermal Air masuk pompa pada kondisi 1 sebagai cairan jenuh (saturated liquid) dan dikompresi sampai tekanan operasi boiler. Temperatur air akan meningkat selama kompresi isentropik karena menurunnya volume spesifik air. Air memasuki boiler sebagai cairan terkompresi (compressed liquid) pada kondisi 2 dan akan menjadi uap superheated pada kondisi 3. Dimana panas diberikan oleh boiler ke air pada tekanan yang tetap. Boiler dan seluruh bagian yang menghasilkan steam ini disebut sebagai steam generator. Uap superheated pada kondisi 3 kemudian akan memasuki turbin untuk diekspansi secara isentropik dan akan menghasilkan kerja untuk memutar shaft yang terhubung dengan generator listrik sehingga dapat dihasilkan listrik. Tekanan dan temperatur dari steam akan turun selama proses ini menuju keadaan 4 dimana steam akan masuk kondenser dan biasanya sudah berupa uap jenuh. Steam ini akan dicairkan pada tekanan konstan didalam kondenser dan akan meninggalkan kondenser sebagai cairan jenuh yang akan masuk reciever untuk melengkapi siklus ini. 2.3 Plat Heat Exchanger (Kondenser) Didalam sistem kompresi uap (vapor compression), kondenser adalah suatu komponen (part) yang berfungsi untuk merubah fase refrigeran dari gas bertekanan tinggi menjadi cairan bertekanan tinggi. Pada kondenser terjadi proses Universitas Mercu Buana 8

4 kondensasi. Refrigeran yang telah berubah menjadi cair tersebut kemudian dialirkan ke evaporator.. Gambar 2.2 Plat Heat Exchanger ( Kondenser) (Foto diakses tanggal 5 Desember 2013) Agar proses perubahan wujud yang diinginkan dapat terjadi, maka Kalor(panas) yang ada dalam gas refrigeran yang bertekanan tinggi harus dibuang keluar dari sistem. Yang berasal dari Kalor yang diserap oleh alat pendingin ketika fluida masuk kedalam kondensor. Gas refrigeran yang bertekanan tinggi dikompresikan sehingga menjadi gas refrigeran bertekanan rendah dimana temperatur kondensasinya lebih rendah dari temperatur media pendingin kondenser. Media pendingin yang umum digunakan biasanya air, udara, atau kombinasi keduanya. Temperatur kondensasi yang lebih tinggi dari media pendingin maka akan Universitas Mercu Buana 9

5 mudah terjadi proses perpindahan kalor dari refrigeran ke media pendingin. Seperti diketahui secara umum kalor akan mengalir dari substansi yang bertemperatur lebih tinggi ke substansi yang bertemperatur lebih rendah. Proses perpindahan kalor di Kondenser terjadi dalam 2 tahapan, yaitu: 1. Penurunan nilai superheat sampai mencapai temperatur kondensasi. Pada proses ini terjadi perpindahan kalor sensible. 2. Perubahan wujud dari refrigeran berbentuk gas menjadi cair. Pada proses ini terjadi perpindahan kalor latent. Kondenser berpendingin air (Water Cooled Condenser), pada sistem refrigerasi berkapasitas sedang dan besar biasanya menggunakan air sebagai media pendingin kondenser. Hal ini dikarenakan air memiliki kemampuan memindahkan kalor yang lebih baik dari pada udara, sehingga dengan menggunakan air sebagai pendinginnya. Kondenser berpendingin air berdasarkan cara kerjanya diklasifikasikan menjadi 2 (dua) bagian, yaitu : 1. Sistem air buang (Waste Water System) Air dingin masuk kekondenser kemudian keluar dan langsung dibuang. Cara ini diperbolehkan untuk sistem yang berkapasitas kecil atau apabila terdapat sumber air yang banyak. Hal yang harus diperhatikan adalah ketentuan undang-undang yang berlaku dimana sistem ini bekerja (boleh/tidaknya memakai air dengan kapasitas besar). Universitas Mercu Buana 10

6 2. Sistem air sirkulasi Dalam sistem air ini yang keluar dari kondenser didinginkan kembali di menara pendingin (Cooling Tower) kemudian disirkulasikan kembali ke kondenser. Pada bagian kondenser diusahakan adanya media pendinginan yang baik, sebab dengan adanya pendinginan yang baik pada bagian kondenser akan membantu memperlancar terjadinya proses kondensasi. Temperatur dan tekanan gas refrigeran akan naik sampai keseimbangan dicapai. Uap refrigeran yang bertekanan dan bertemperatur tinggi pada akhir kompresi dengan mudah dicairkan dengan menggunakan fluida pendingin seperti udara atau air. Dengan kata lain, uap refrigeran melepaskan kalor laten pengembunan kepada fluida pendingin sehingga refrigeran tadi mengembun dan menjadi cair. 2.4 Entalpi Entalpi adalah energi yang dikandung oleh suatu bahan sesuai dengan temperatur dan massa bahan tersebut. Setiap proses refrigerasi yang diamati adalah perubahan entalpinya. Perubahan entalpi adalah jumlah kalor yang yang diberikan atau diambil dalam tiap satuan massa melalui proses tekanan konstan. Harga entalpi biasanya sudah disajikan dalam bentuk tabel atau grafik dengan variabel tekanan dan temperatu,. Adapun persamaannya adalah: (2.1) Universitas Mercu Buana 11

7 dimana: h = entalpi jenis, (kj/kg) p = tekanan, (kpa) v = volume spesifik, (m3/kg) u = energi dalam, (kj/kg) 2.5 Temperatur Temperatur suatu bahan menyatakan keadaan termalnya dan kemampuan untuk bertukar energi dengan bahan lain. Semakin tinggi perbedaan temperatur bahan terhadap benda lain maka kemampuan untuk bertukar energi lebih besar 2.6 Entropi Entropi adalah ukuran tingkat ketidakteraturan molekular suatu zat. Hubungan perubahan entropi dengan perubahan kalor yang terjadi dalam proses, secara matematis dapat ditulis sebagai berikut : (2.2) dimana: ds = perubahan entropi, (kj/kg.k) äq = perpindahan kalor, (kj/kg) T = temperatur mutlak, (K) Universitas Mercu Buana 12

8 2.7 Tekanan Tekanan adalah gaya normal yang diberikan oleh suatu fluida persatuan luas benda yang terkena gaya tersebut. Tekanan absolut adalah tekanan di atas nol atmosfir, sedangkan ukuran gauge diukur di atas tekanan atmosfer suatu tempat. Satuan tekanan yang biasa dipakai : N/m2, Psi. 2.8 Panas Buang Kondensor Panas refrigeran yang dibuang kondenser disebut panas buang kondenser, besarnya adalah : Q kond = (2.3) dimana: Q kond m h2 h3 ref = panas buang kondenser, (kj/kg) = massa refrigeran, (kg/s) = entalpi pada awal desuperheating, (kj/kg) = entalpi pada akhir kondensasi, (kj/kg) 2.9 Laju aliran masa dan volume air Untuk mensirkulasi air dalam kondensor digunakan pompa. Laju aliran masa dan volume air dapat dihitung dengan rumus Universitas Mercu Buana 13

9 2.9.1 Laju aliran massa air : (2.4) dimana: m air Cp Q T air kond out = Laju aliran massa air, (kg/s) = Panas jenis air, (Kj/kg o C) = panas buang kondenser, (kj/kg) = temperatur air keluar ( o C) Tin = temperatur air masuk ( o C) Laju aliran volume air (2.5) dimana : V air = laju aliran volume air, (m 3 /s) m air = Laju aliran massa air, (kg/s) 2.10 Temperatur Air Keluar Dari Kondensor Temperatur air keluar dari kondensor dapat di hitung dengan rumus : (2.6) Universitas Mercu Buana 14

10 Dimana : T wo T Q m wi kond air = Temperatur air keluar, ( o C) = Temperatur air masuk, ( o C) = panas buang kondenser, (kj/kg) = Laju aliran massa air, (kg/s) Cp = Panas jenis, (Kj/kg o C) 2.11 Perpindahan Panas Perpindahan panas adalah proses bertukarnya energi dari suatu benda ke benda lain yang mempunyai perbedaan temperatur. Cara perpindahan panas dapat dibedakan menjadi 3 (tiga) cara, yaitu: konduksi, konveksi, dan radiasi Perpindahan Panas Konduksi Perpindahan panas konduksi yaitu perpindahan panas melalui perantara molekul-molekul yang diam pada suatu benda. Perpindahan panas yang terjadi dirumuskan oleh Fourier dengan persamaan sebagai berikut: (2.6) Tanda minus menunjukan konsekuensi dari kenyataan bahwa panas mengalir ke arah temperatur yang rendah, dimana: k = konduktifitas termal bahan, (W/m 2. o C) A = luas panampang, (m ) ÄT = perbedaan temperatur yang terjadi, ( o C) 2 Universitas Mercu Buana 15

11 L = tebal bahan, (m) Proses perpindahan panas konduksi untuk pelat datar yang terdiri dari lebih dari bahan dapat di lihat dari gambar 2.3. Gambar 2.3 Perpindahan panas konduksi pada pelat datar Jika gradien temperatur pada ketiga bahan adalah seperti terlihat pada gambar maka perpindahan panas dapat dituliskan sebagai berikut: (2.7) Proses perpindahan kalor konduksi pada tube silindris yang dilalui oleh fluida panas, maka kalor yang dikandung fluida akan dipindahkan keluar menurut arah radial sepanjang pipa, hal ini dapat dilihat dari gambar 2.4 Universitas Mercu Buana 16

12 Gambar 2.4 Perpindahan kalor konduksi pada tube Maka perpindahan kalor konduksi pada tube silindris dapat ditulis sebagai berikut: (2.8) Perpindahan Panas Konveksi Perpindahan panas konveksi atau aliran adalah pengangkutan ka1or oleh gerak dari zat yang dipanaskan. Jika benda bertemperatur tinggi berada pada lingkungan fluida yang bertemperatur rendah maka akan terjadi proses perpindahan panas secara konveksi dari benda ke lingkungan. Hal ini terjadi karena gerakan partikel-partikel fluida. Pepindahan panas konveksi diklasifikasikan menjadi dua yaitu konveksi bebas dan konveksi paksa. Universitas Mercu Buana 17

13 Gambar 2.5 Perpindahan Panas Secara Konveksi Laju perpindahan panas dengan cara konveksi antara suatu permukaan dengan suatu fluida dapat dihitung dengan persamaan sebagai barikut: (2.9) dimana: Q = Laju perpindahan panas, (watt) h = koefisien perpindahan panas konveksi, (W/m 2 o C) A = luas panampang, (m2) Ts = temperatur permukaan, ( o C) Tf = temperatur lingkungan, ( o C) Untuk menentukan nilai koefisien perpindahan panas konveksi agak sedikit rumit, karena harga koefisien perpindahan panas konveksi dalam sebuah Universitas Mercu Buana 18

14 sistem tergantung pada geometri permukaan dan sifat-sifat termal fluida (konduktivitas termal, kalor spesifik, densitas). Sehingga koefisien perpindahan panas konveksi dapat ditentukan dengan persamaan sebagai berikut: (2.10) Dimana: hc = koefisian perpindahan panas konveksi di dalam tabung, (W/m K) Nu = bilangan Nusselt k = koefisien perpindahan panas konduksi, (W/m K) di = diameter tube, (m) Dalam prakteknya, bilangan Nusselt merupakan ukuran untuk menentukan koefisien perpindahan panas konveksi dapat lebih mudah, karena jika bilangan Nusselt diketahui maka koefisien perpindahan panas konveksi dapat dengan mudah dihitung setelah mendapatkan hasil dari bilangan Reynolds, maka bilangan Nusselt dapat dihitung dengan tipe aliran sebagai berikut: a. Aliran Turbulen (2.11). dimana : Nud = Bilangan Nusselt. Universitas Mercu Buana 19

15 Red = Bilangan Reynolds. Pr = Bilangan Prandt. n = 0,3 untuk pendinginan dan 0,4 untuk pemanasan b. Aliran Laminer didalam Tube Persamaan di atas berlaku apabila: (2.12) (2.13). Dimana: Nud = bilangan Nusselt Red = bilangan Reynolds Pr = bilangan Prandtl d = diameter tube, (m) L = panjang tube, (m) Universitas Mercu Buana 20