2.1 Teori Kenyamanan BAB 1I DASAR TEORI Faktor penting yang harus diperhatikan dalam menghitung dan merancang sistem pengkondisian udara adalah kenyamanan penghuni ruangan yang dikondisikan, tidak terlalu dingin dan terlalu panas. 2.1.1 Faktor-faktor yang mempengaruhi kenyamanan termal orang Faktor-faktor yang mempengaruhi kenyamanan termal orang adalah : - Temperatur udara kering. - Kelembaban udara relative. - Kecepatan aliran udara. - Radiasi permukaan yang panas. - Aktivitas orang. - Pakaian yang dipakai. 2.1.1.1 Temperatur udara kering. Temperatur udara kering sangat besar pengaruhnya terhadap besar kecilnya kalor yang dilepas melalui penguapan (evaporasi). Daerah kenyamanan termal untuk daerah tropis dapat dibagi menjadi : a. Sejuk nyaman, antara temperatur efektif 20,5ºC ~ 22,8ºC (68,9ºF ~ 73,04ºF). b. Nyaman optimal, antara temperatur efektif 22,8ºC ~ 25,8ºC (73,04ºF ~ 78,44ºF). c. Hangat nyaman, antara temperatur efektif 25,8ºC ~ 27,1ºC (78,44ºF ~ 80,78ºF). 2.1.1.2 Kelembaban udara relatif Kelembaban udara relatif dalam ruangan adalah perbandingan antara jumlah uap air yang dikandung oleh udara tersebut dibandingkan dengan jumlah kandungan uap air pada keadaan jenuh pada temperatur udara ruangan tersebut. Ihsanul Fauzi 41309110048 5 Teknik Mesin
Untuk daerah tropis, kelembaban udara tropis yang dianjurkan antara 40% ~ 50%, tetapi untuk ruangan yang jumlah orangnya padat seperti ruang pertemuan, RH % masih diperbolehkan berkisar antara 55% ~ 60%. 2.1.1.3 Kecepatan aliran udara (pergerakan udara) Untuk mempertahankan kondisi nyaman, kecepatan udara yang jatuh diatas kepala tidak boleh lebih besar dari 0,25 m/detik (49,2 fpm) dan sebaiknya lebih kecil dari 0,15 m/detik (29,5 fpm). Kecepatan udara ini dapat lebih besar dari 0,25 m/detik (49,2 fpm) tergantung dari temperatur udara kering yang dirancang. Table 2.1.1. Kecepatan udara dan kesejukan Kecepatan udara, m/detik 0,1 0,2 0,25 0,3 0,35 ( fpm ) (19,7) (39,4) (49,2) (59) (68,9) Temperatur udara kering, ºC 25 26,8 26,9 27,1 27,2 ( ºF ) (77) (80,2) (80,4) (80,9) (81) (Sumber : SNI, Tata cara perancangan sistem ventilasi dan pengkondisian udara) Gambar 2.1.1. Kebutuhan peningkatan kecepatan udara untuk mengkompensasi kenaikan temperatur udara kering (Sumber : SNI, Tata cara perancangan sistem ventilasi dan pengkondisian udara) Ihsanul Fauzi 41309110048 6 Teknik Mesin
Misalkan temperature udara kering dalam ruangan berubah dari 25ºC menjadi 22,2ºC atau naik 2,2ºC untuk mengkompensasi kenaikan temperatur ini maka kecepatan udara yang mula-mula 0,15 m/detik harus dinaikkan 0,625 m/detik. 2.1.1.4 Radiasi permukaan yang panas. Bila dinding di suatu ruangan terasa panas, maka akan mempengaruhi kenyamanan seseorang yang ada dalam ruangan tersebut. Meskipun temperatur udara sekitarnya telah sesuai dengan tingkat kenyamanannya. Usahakan temperatur radiasi sama dengan temperatur bola kering ruangan. Bila temperatur radiasi rata-rata lebih tinggi dari temperatur udara kering ruangan, maka temperatur udara ruangan harus dirancang lebih rendah dari temperatur rancangan biasanya. Temperatur operatif adalah temperatur rata-rata dari temperatur radiasi ratarata dan temperatur udara kering ruangan. Untuk kecepatan udara yang rendah (V = 0,1 m/detik = 20 fpm), besarnya temperatur operatif adalah :... ( 2.1.1 ) = temperatur operatif = temperatur radiasi = temperatur ruangan 2.1.1.5 Aktivitas orang. Aktivitas yang berbeda dalam suatu bangunan yang dikondisikan memerlukan perancangan yang berbeda pula, karena kalor yang dihasilkan oleh aktivitas yang berbeda juga berbeda besarnya. Ihsanul Fauzi 41309110048 7 Teknik Mesin
Tabel 2.1.2. Penambahan kalor berdasarkan aktivitas penghuni ruangan (Sumber : SNI, Tata cara perancangan sistem ventilasi dan pengkondisian udara) Catatan : - Nilai dalam tabel didasarkan pada temperatur udara kering 75ºF (23,9ºC). untuk 80ºF (26,7ºC) temperatur udara kering, total panas atau kalor tetap sama, tetapi nilai kalor sensibel harus diturunkan mendekati 20% dan nilai kalor laten menyesuaikan menyesuaikan naik. - Penambahan kalor diatas didasarkan pada prosentase normal pria, untuk wanita dewasa 85% dari pria dewasa dan untuk anak-anak 75% dari pria dewasa. - Penambahan total kalor untuk pekerjaan yang menerus, restoran, termasuk 60 Btu/jam makanan per orang (30 Btu/jam sensibel dan 30 Btu/jam laten). - Untuk bowling, satu orang bermain bowling dan lainnya duduk (400 Btu/jam) atau berdiri atau berjalan perlahan (550 Btu/jam). 2.1.1.6 Pakaian yang dipakai. Besarnya kalor yang dilepas oleh tubuh dipengaruhi oleh jenis pakaian yang sedang dipakai pada saat itu, terutama mengenai besar kecilnya isolasi thermal Ihsanul Fauzi 41309110048 8 Teknik Mesin
dari bahan pakaian dan ketebalannya. Isolasi thermal dari bahan pakaian dinyatakan dinyatakan dalam clo, dimana : 1 clo = 0,155 m².k/watt Tabel 2.1.3. Isolasi thermal untuk beberapa jenis baju (Sumber : SNI : Tata cara perancangan sistem ventilasi dan pengkondisian udara) 2.1.2 Zona kenyamanan ruangan Untuk memperoleh daerah zona nyaman untuk orang-orang yang beraktivitas ringan dapat dilihat digrafik berikut : Ihsanul Fauzi 41309110048 9 Teknik Mesin
Gambar 2.1.2. daerah zona nyaman untuk aktivitas ringan (Sumber : SNI, Tata cara perancangan sistem ventilasi dan pengkondisian udara) Gambar diatas mempunyai batasan ketidak puasan 10% dengan batasan koordinat sebagai berikut : a. Musim panas Temperatur operatif berkisar antara 22,5ºC ~ 26ºC (72,5ºF ~ 78,8ºF) pada RH 60% dan berkisar antara 23,5ºC ~ 27ºC (73,4ºF ~ 80,6ºF) pada 20 ºC (68ºF) dew point dan dibatasi oleh temperatur efektif 23ºC (73,4ºF) dan 26ºC (78,8ºF). b. Musim dingin Temperatur operatif berkisar antara 20ºC ~ 23,5ºC (68ºF ~ 74,3ºF) pada RH 60% dan berkisar antara 20,5ºC ~ 24,5ºC (68,9ºF ~ 76ºF) pada 20 ºC (68ºF) dew point dan dibatasi oleh temperatur efektif 20ºC (68ºF) dan 23,5ºC (73,4ºF). Zona kenyamanan thermal untuk orang Indonesia dirancang 25ºC (77ºF) ± 1ºC (2ºF) dan RH 55% ± 10%. Ihsanul Fauzi 41309110048 10 Teknik Mesin
2.2 Ventilasi Dalam merencanakan sistem pengkondisian udara selain mendinginkan ruangan kita juga harus memperhatikan sistem ventilasi ruangan. Ventilasi ruangan merupakan proses pemasukan udara segar kedalam bangunan gedung sesuai kebutuhan. Pemasangan ventilasi bertujuan untuk : a. Menghilangkan kalor yang berlebihan. b. Membantu mendapatkan kenyamanan thermal. c. Menghilangkan uap air yang timbul sewaktu memasak, mandi dan sebagainya. d. Menghilangkan gas-gas yang ditimbulkan oleh keringat dan gas (CO 2 ) yang ditimbulkan oleh pernafasan dan proses pembakaran. Secara umum ventilasi dibagi menjadi 2 macam yaitu : 1. Ventilasi alami 2. Ventilasi mekanik 2.2.1 Ventilasi alami Ventilasi alami terjadi karena adanya perbedaan tekanan diluar suatu bangunan yang disebabkan oleh angin dan adanya perbedaan temperatur, sehingga terdapat gas-gas panas yang naik didalam saluran ventilasi. Ventilasi tidak boleh kurang dari 5% terhadap luas lantai ruangan yang membutuhkan ventilasi. Penempatan inlet ventilasi sebaiknya langsung menghadap arah angin, sedang outlet ditempatkan pada daerah yang bertekanan rendah. Dalam perancangan sistem ventilasi alami perlu dilakukan hal-hal sebagai berikut : - Tentukan kebutuhan ventilasi udara yang diperlukan sesuai kebutuhan. - Tentukan pula jenis ventilasi, apakah menggunakan gaya angin atau gaya thermal. Faktor-faktor yang mempengaruhi laju ventilasi yang disebabkan gaya angin termasuk : - Kecepatan rata-rata. - Arah angin yang kuat. Ihsanul Fauzi 41309110048 11 Teknik Mesin
- Variasi kecepatan dan arah angin musiman dan harian. - Hambatan setempat seperti bangunan yang berdekatan, bukit, pohon dan semak belukar. 2.2.2 Ventilasi mekanis Ventilasi mekanis digunakan apabila ventilasi alami tidak memenuhi persyaratan atau tidak memadai dalam suatu bangunan gedung. Dalam merancang sistem ventilasi mekanis perlu diperhatikan hal-hal berikut : - Kapasitas fan yang digunakan. - Kebutuhan udara ventilasi yang diperlukan oleh ruangan. - Sistem distribusi udara, baik menggunakan ducting atau fan yang dipasang pada dinding dan atap. Persyaratan teknis dari ventilasi mekanis adalah : a. Penempatan fan harus memungkinkan pelepasan udara secara maksimal dan juga memungkinkan masuknya udara segar dan sebaliknya. b. Sistem ventilasi mekanis digunakan jika ventilasi alami tidak memenuhi syarat. c. Sistem ventilasi mekanis bekerja terus menerus selama ruangan tersebut dihuni. d. Ruang parkir tertutup harus dilengkapi dengan ventilasi mekanis. e. Gas buang pada ruang parkir bawah tanah (basement) yang terdiri lebih dari satu lantai tidak boleh mengganggu udara bersih pada lantai lainnya. f. Besarnya pertukaran udara harus sesuai dengan ketentuan yang berlaku. Tabel 2.1.4. kebutuhan ventilasi mekanis Catu udara segar minimum Tipe ruang Pertukaran (udara/jam) m 3 /jam per orang (cfm per orang) Kantor 6 18 (10) Restoran / kantin 6 18(10) Toko, pasar swalayan 6 18(10) Pabrik, bengkel 6 18(10) Kelas, bioskop 8 Ihsanul Fauzi 41309110048 12 Teknik Mesin
Lobi, koridor, tangga 4 Kamar mandi, peturasan 10 Dapur 20 Tempat parkir 6 (Sumber : SNI, Tata cara perancangan sistem ventilasi dan pengkondisian udara) 2.3 Dasar-dasar Psikometrik Psikometrik adalah pengetahuan termodinamika yang membahas sifat-sifat udara dan pengaruhnya terhadap bahan-bahan dan kenyamanan manusia. Psikometrik membahas sifat-sifat campuran udara dengan uap air. Kandungan uap air dalam udara harus dikurangi atau ditambah untuk mendapatkan kondisi yang nyaman. Gambar 2.3.1. psychrometric chart (Sumber : ASHSRAE Inc) 2.3.1 Definisi istilah dan plotting pada diagram Diagram psikometrik menampilkan secara grafikal sifat-sifat termodinamika udara antara lain suhu, enthalpy, kelembaban, kandungan air dan volume specifik. Berikut istilah-istilah dalam diagram psikometrik. Ihsanul Fauzi 41309110048 13 Teknik Mesin
1. Dry bulb temperature (DB) DB temperatur (temperatur bola kering) adalah suhu yang terbaca pada termometer sensor kering dan terbuka, biasanya pengukuran menggunakan slink psikometer pada sensor kering, namun penunjukan dari temperatur ini tidak tepat karena adanya pengaruh radiasi panas. Temperatur bola kering merupakan ukuran panas sensible. Suhu DB diplotkan sebagai garis vertikal yang berawal dari garis sumbu mendatar yang terletak dibagian bawah diagram. 2. Wet bult temperature (WB) WB temperatur (temperatur bola basah) adalah suhu yang terbaca pada termometer sensor basah, biasanya pengukuran menggunakan slink psikometer pada sensor basah. Temperatur bola basah merupakan ukuran panas total (enthalpy). Suhu WB diplotkan sebagai garis miring ke bawah yang berawal dari garis saturasi yang terletak disamping kanan diagram. 3. Dew point temperatute (DP) DP temperatur (temperatur titik embun) adalah temperatur air pada keadaan dimana tekanan uapnya sama dengan tekanan uap air dari udara. Jadi pada temperatur tersebut uap air dalam udara mulai mengembun dan hal tersebut terjadi apabila udara lembab didinginkan. Pada tekanan yang berbeda titik embun uap air akan berbeda, semakin besar tekanannya maka titik embunnya semakin besar. Suhu titik embun ditandai sebagai titik sepanjang garis saturasi dan diplotkan sebagai garis pertemuan antara DB dan WB kemudian di tarik garis ke kiri. Pada saat udara mengalami saturasi (jenuh) maka suhu bola kering sama dengan suhu bola basah, demikian juga suhu titik embunnya. Suhu titik embun merupakan ukuran dari panas laten (kandungan uap air dalam udara). 4. Relative Humidity (% RH) Kelembaban relatif didefinisikan sebagai perbandingan fraksi molekul uap air di dalam udara basah terhadap fraksi molekul uap air jenuh pada suhu dan tekanan yang sama, atau perbandingan antara tekanan persial uap air yang ada di dalam udara dengan tekanan jenuh uap air yang ada pada temperatur yang Ihsanul Fauzi 41309110048 14 Teknik Mesin
sama. Kelembaban relatif dapat dikatakan sebagai kemampuan udara untuk menerima kandungan uap air, jadi semakin besar RH semakin kecil kemampuan udara tersebut untuk menyerap uap air. RH diplotkan sebagai garis miring ke atas yang terletak disamping kanan diagram. Kelembaban ini dapat dirumuskan : Pw RH x100%... ( 2.3.1 ) Pws dimana : Pw Pws = Tekanan parsial uap air = Tekanan jenuh uap air 5. Specific humidity / rasio kelembaban (W) Kelembaban spesifik (w) adalah jumlah kandungan uap air di udara dalam setiap kilogram udara kering atau perbandingan antara massa uap air dengan massa udara kering yang ada didalam atmosfir. Kelembaban specifik diukur dalam satuan grains per pound udara kering (7000 grains = 1 pound). W diplotkan pada garis sumbu vertical yang ada dibagian samping kanan diagram. Kelembaban spesifik dapat dirumuskan : Mw w.... ( 2.3.2 ) Ma W Mw Ma 6. Enthalphy (h) = Kelembaban spesifik = Massa uap air = Massa udara kering Entalphy merupakan energi kalor yang dimiliki oleh suatu zat pada temperatur tertentu, atau jumlah energi kalor yang diperlukan untuk memanaskan 1 kg udara kering dan x kg air (dalam fasa cair) dari 0 o C sampai mencapai t o C dan menguapkannya menjadi uap air (fasa gas). Enthalphy adalah jumlah panas total dari campuran udara dan uap di atas titik nol. Ihsanul Fauzi 41309110048 15 Teknik Mesin
Dinyantakan dalam satuan BTU per pound udara. Harga enthalphy dapat diperoleh sepanjang skala di atas garis saturasi. 7. Volume spesifik. Volume spesifik merupakan volume udara campuran dengan satuan meterkubik per kilogram udara kering. 2.3.2 Cara membaca diagram Misalkan suatu ruangan mempunyai data sebagaiberikut : - Suhu bola kering : 100 o F (37.78 o C) - Suhu bola basah : 81 o F (27.22 o C) Gambar 2.3.2. Diagram psikometrik (Sumber : ASHSRAE Inc) Dari suhu bola kering dan suhu bola basah maka di dapat data sebagai berikut : NO DB WB DP H (Btu/pound W Rh (%) v (ºF) (ºF) (ºF) udara (lb/lb) 1 100 81 75 44.6 0.0186 45 14.5 Ihsanul Fauzi 41309110048 16 Teknik Mesin
2.3.3 Proses Pengkondisian Udara Untuk memplotkan sistem pengkondisian udara pada diagram psikometrik dapat dipergunakan langka-langkah sebagai berikut : Gambar 2.3.3. Kurva Psychrometric untuk pengkondisian udara ruangan (Sumber : SNI, Tata cara perancangan sistem ventilasi dan pengkondisian udara) - Udara luar (2) dicampur dengan udara balik dari ruang (1) dan masuk ke koil pendingin (3). Udara mengalir melalui pendingin (3-4) dan dipasok keruangan (4). Udara yang dipasok ke ruangan bergerak sepanjang garis (4-1) mengambil beban ruangan. Siklus akan berulang sesuai di atas. - Secara normal udara yang dipasok keruangan oleh sistem pengkondisian udara, dikembalikan ke koil pendingin. Jadi pencampuran dengan udara luar adalah untuk ventilasi. Campuran kemudian mengalir melalui koil pendingin dimana kalor dan pengembunan ditambahkan atau dipindahkan, sesuai yang dipersyaratkan untuk menjaga kondisi yang diinginkan. 2.3.4 Persamaan dalam psikometrik a. ( 2.3.1 ) Ihsanul Fauzi 41309110048 17 Teknik Mesin
b.... ( 2.3.2 ) c...... ( 2.3.3 ) d...... ( 2.3.4 ) e. HL = LV x m x ΔW.....( 2.3.5 ) f. HT = m x Δh...( 2.3.6 ) g.....( 2.3.7 ) h. W =...( 2.3.8 ) W = Spesific Humidity (lb.h2o/lb.da or Gr.H2O/lb.DA) WACTUAL= Actual Spesific Humidity (lb.h2o/ lb.da or Gr.H2O/lb.DA) WSAT = Saturation Spesific Humidity at the Dry Bulb Temperatur WSAT WB = Saturation Spesific Humidity at the Wet Bulb Temperatur PW P PSAT = Partial Pressure of Water Vapor (lb/sq.ft) = Total Absolute Pressure of Air/Water Vapor Mixture (lb/sq.ft) = Saturation Partial Pressure of Water Vapor at the Dry Bulb Temperatur (lb/sq.ft) RH = Relative Humidity (%) HS HL HT m cp TDB TWB ΔT ΔW = Sensible Heat (Btu/Hr) = Latent Heat (Btu/Hr) = Total Heat (Btu/Hr) = Mass Flow Rate (lb.da/hr or lb.h2o/hr) = Spesific Heat (Air : 0.24 Btu/lb.DA, Water : 1.0 Btu/lb.H2O) = Dry Bulb Temperatur (ºF) = Wet Bulb Temperatur (ºF) = Temperatur Difference (ºF) = Spesific Humidity Difference (lb.h2o/lb.da or Gr.H2O/lb.DA) Ihsanul Fauzi 41309110048 18 Teknik Mesin
Δh = Enthalpy Difference (Btu/lb.DA) LV = Latent Heat of Vaporization (Btu/lb.H2O) i. Temperatur udara campuran.( 2.3.9 )....( 2.3.10 ) TMA = Mixed Air Temperatur (ºF) TROOM = Room Design Temperatur (ºF) TRA TOA = Return Air Temperatur (ºF) = Outside Air Temperatur (ºF) CFMSA = Supply Air (CFM) CFMRA = Return Air (CFM) CFMOA = Outside Air (CFM) (Sumber : HVAC Equation, data and rules of thumb Handbook) 2.4 Sistem Pengkondisian Udara Macam-macam sistem pengkondisian udara meliputi : a. Sistem ekspansi langsung (direct expansion / DX) b. Sistem ekspansi tak langsung (indirect expansion), meliputi : - Sistem udara penuh - Sistem air penuh - Sistem air udara 2.4.1 Sistem ekspansi langsung (direct expansion / DX) Pada sistem ini udara ruang yang akan dikondisikan langsung didinginkan oleh refrigerant yang dialirkan melalui koil pendingin dalam sistem pengkondisian udara. Udara ruang disirkulasikan dengan cara dihembuskan oleh blower melintasi koil pendingin. Sistem ini digunakan untuk beban pendingin ruangan yang tidak terlalu besar. Ihsanul Fauzi 41309110048 19 Teknik Mesin
Ada 4 macam alat pengkondisian udara yang termasuk dalam sistem ini, antara lain : - Jenis lantai (floor standing) - Jenis atap (roof type) - Jenis jendela (AC window) - Jenis paket (package air conditioner) Gambar 2.4.1. Sistem ekspansi langsung (Sumber : SNI, Tata cara perancangan sistem ventilasi dan pengkondisian udara) Gambar 2.4.2. Sistem paket (Sumber : Sistem Mekanikal Gedung) 2.4.2 Sistem ekspansi tak langsung (indirect expansion) Pada sistem ini udara yang akan dikondisikan didinginkan oleh air sejuk (Chilled water) yang dihasilkan oleh mesin chiller. Udara ruang yang akan Ihsanul Fauzi 41309110048 20 Teknik Mesin
didinginkan disirkulasikan dengan diserempetkan atau dihembuskan oleh blower melalui koil-koil pendingin yang berisi air sejuk. 2.4.2.1 Sistem udara penuh Pada sistem ini campuran udara luar dan udara ruangan didinginkan dan dikurangi kadar uapnya di AHU, kemudian udara dialirkan kembali keruangan melalui saluran udara (ducting). Sistem udara penuh dibagi menjadi 2 sistem, yaitu sistem saluran tunggal dan sistem dua saluran. - Sistem saluran tunggal Gambar 2.4.3. Sistem udara penuh saluran tunggal (Sumber : ASHSRAE Inc) Sistem saluran tunggal ini paling banyak digunakan, campuran udara luar dan udara ruang didinginkan dan dikurangi kadar uapnya di AHU kemudian dialirkan kembali keruangan melalui saluran udara (ducting). Dalam sistem saluran tunggal yang dikondisikan adalah temperatur udara melalui saluran-saluran udara. Laju aliran air dingin, air panas dan uap diatur dan dikondisikan sedemikian rupa sehingga temperatur udara dapat berubah-ubah. Sistem ini dinamakan constan volume variable temperature. Sistem saluran tunggal yang lain yaitu sistem pemanasan ulang, dimana udara segar yang mengalir melalui saluran utama dapat dipertahankan konstan pada temperatur rendah. Kemudian udara tersebut Ihsanul Fauzi 41309110048 21 Teknik Mesin
dialirkan melalui alat pemanas (reheater) yang dipasang pada masingmasing cabang. Pemanas tersebut memanaskan udara dan diatur sehingga dapat diperoleh suhu ruang yang diinginkan. Sistem saluran tunggal yang yang bekerja dengan volume variable di namakan sistem variable volume (VAV). Pada sistem ini volume udara yang mengalir ke cabang saluran udara diatur oleh unit volume variable damper. Volume udara diatur menurut beban kalor ruangan, jadi volume aliran udara akan turun jika beban ruangan turun dan sebaliknya. Dalam sitem volume variable ini, putaran blower AHU dapat diatur sesuai kebutuhan, sehingga memungkinkan penghematan daya listrik yang diperlukan untuk menggerakkan blower. - Sistem dua saluran Gambar 2.4.4. Sistem udara penuh dua saluran (Sumber : ASHSRAE Inc) Sistem dua saluran dapat menutupi kekurangan sistem saluran tunggal. Sistem ini banyak dipakai dalam gedung-gedung besar dan bertingkat. Dalam hal ini udara dingin dan panas dihasilkan secara terpisah oleh mesin penyegar udara. Udara dingin dan panas dialirkan melalui saluran yang berbeda, kemudian dicampur sedemikian rupa sehingga diperoleh tingkat keadaan yang sesuai beban kalor dari ruangan yang dikondisikan. Sistem dua saluran dapat menghasilkan pengaturan udara yang lebih teliti, tetapi lebih banyak memerlukan energi kalor dan biaya awal yang tinggi. Sistem dua saluran ada 2 macam yaitu sistem volume konstan dan sistem volume variabel. Ihsanul Fauzi 41309110048 22 Teknik Mesin
2.4.2.2 Sistem air penuh Pada sistem ini, air sejuk (chilled water) dialirkan melalui unit fan koil di setiap ruangan untuk pengkondisian udara. Sedangkan udara ventilasi dialirkan melalui celah-celah pintu, jendela atau dimasukkan keruangan melalui saluran khusus. Gambar 2.4.5. Sistem air penuh (Sumber : SNI, Tata cara perancangan sistem ventilasi dan pengkondisian udara) Gambar 2.4.6. Unit fan koil dengan pemasukan udara dari luar ruangan (Sumber : SNI, Tata cara perancangan sistem ventilasi dan pengkondisian udara) 2.4.2.3 Sistem air udara Dalam sistem air udara, unit fan koil atau unit induksi dipasang dalam ruangan yang akan dikondisikan. Air dingin dialirkan kedalam unit tersebut Ihsanul Fauzi 41309110048 23 Teknik Mesin
kemudian udara ruangan disirkulasikan dengan cara dihembuskan oleh blower melintasi koil pendingin. Untuk ventilasi, udara luar yang telah didinginkan dan dikeringkan oleh AHU dialirkan keruangan yang akan dikondisikan. Udara luar yang telah didinginkan ini disebut udara primer yang akan mengatasi kalor laten pada ruangan, sedangkan kalor sensible ruangan diatasi oleh unit ruangan (unit sekunder). Gambar 2.4.7. Sistem air udara (Sumber : SNI, Tata cara perancangan sistem ventilasi dan pengkondisian udara) Gambar 2.4.8. Sistem air udara dengan unit induksi (Sumber : SNI, Tata cara perancangan sistem ventilasi dan pengkondisian udara) Ihsanul Fauzi 41309110048 24 Teknik Mesin
2.5 Sistem pengkondisian udara sentral Sistem pengkondisian udara sentral banyak digunakan pada gedunggedung besar dan bertingkat. Udara ruangan didinginkan dalam ruang AHU atau unit FCU, kemudian disalurkan ke ruangan-ruangan melalui saluran udara (ducting). Pada sistem ini letak ruang AHU dan FCU, mesin Chiller serta menara pendingin (cooling tower) terpisah dengan ruangan-ruangan yang akan dikondisikan. Gambar 2.5.1. Perpindahan panas pada sistem pengkondisian udara (Sumber : ASHRAE Inc) 2.5.1 Komponen sistem pengkondisian udara sentral Komponen utama sistem pengkondisian udara sentral adalah mesin chiller, menara pendingin (cooling tower) dan terminal unit (AHU dan FCU). Pompa diperlukan sebagai pendorong fluida kerja yang bersirkulasi pada sistem ini. Komponen-komponen tambahan diperlukan agar sistem pengkondisian udara ini bekerja lebih baik diantaranya adalah thermostat, pressurestat, humiditystat, thermometer, pressure gauge, flow switch serta peralatanperalatan kontrol lainnya. Ihsanul Fauzi 41309110048 25 Teknik Mesin
Gambar 2.5.2. flow switch (Sumber : Honeywell Inc) Gambar 2.5.3. Pressure gauge (Sumber : Winters Instruments) Gambar 2.5.4. Thermostat (Sumber : Honeywell Inc) 2.5.1.1 Menara pendingin (Cooling Tower) Menara pendingin (cooling tower) berfungsi mendinginkan air dari kondensor chiller. Berdasarkan arah laju udara dan laju airnya, menara Ihsanul Fauzi 41309110048 26 Teknik Mesin
pendingin di bagi menjadi 2 macam yaitu cross flow (XF) dan counter flow (CF). Sedangkan berdasarkan penempatan fannya cooling tower terdiri dari : - Forced draft ( FD ) horizontal dan vertical. - Induced draft ( ID ) Gambar 2.5.5. konfigurasi cross flow (Sumber : KUKEN Inc) Gambar 2.5.6. konfigurasi counter flow (Sumber : KUKEN Inc) Ihsanul Fauzi 41309110048 27 Teknik Mesin
Gambar 2.5.7. Jenis cooling tower berdasarkan penempatan fan (Sumber : KUKEN Inc) Gambar 2.5.8. Cross flow cooling tower (Sumber : KUKEN Inc) Ihsanul Fauzi 41309110048 28 Teknik Mesin
Komponen-komponen cooling tower antara lain : - Casing - Struktur (Frame work) - Fill - Louver - Upper basin - Lower basin - Fan dan motor Inlet water pipe Outlet water pipe Gambar 2.5.9. Komponen-komponen menara pendingin (Sumber : KUKEN Inc) Ihsanul Fauzi 41309110048 29 Teknik Mesin
2.5.1.2 Mesin Chiller Chiller berfungsi untuk memproduksi air sejuk yang didistribusikan oleh pompa ke AHU dan FCU. Komponen utama chiller yaitu kompresor, kondensor, katub expansi dan evaporator. Berdasarkan media pendingin refrigerant yang dipakai, chiller di bagi menjadi dua macam yaitu chiller berpendingin udara (Air Cooled Chiller) dan chiller bependingin air (Water Cooled Chiller). Chiller berpendingin air menggunakan air sebagai media pendingin refrigerant. Tipe ini digunakan untuk kapasitas yang lebih besar. Chiller berpendingin air (Water Cooled Chiller) menggunakan menara pendingin (cooling tower) untuk mendinginkan refrigerant. Keuntungan sistem ini adalah : - Umur relative lebih lama dibandingkan tipe berpendingin air. - Memiliki efisiensi yang tinggi sehingga menghemat daya listrik yang dipakai. Sedangkan kelemahan dari sistem ini yaitu biaya desain, pemasangan dan perawatannya lebih mahal. Temperature air yang bersirkulasi dalam chiller pada umumnya adalah : - Air keluar dari kondensor pada suhu 35º C ~ 38º C (95º F ~ 100º F) - Air masuk ke kondensor pada suhu 30º C ~ 32º C (86º F ~ 90º F) - Air keluar dari evaporator pada suhu 5º C ~ 7º C (41º F ~ 45º F) - Air masuk ke evaporator pada suhu 10º C ~ 12º C (50º F ~ 54º F) Besarnya laju aliran (water flow rate) dalam dan evaporator dapat ditentukan dengan rumus sebagai berikut : (2.2.1.1) (2.2.1.2) Ihsanul Fauzi 41309110048 30 Teknik Mesin
GPM = laju aliran air (Gallons per minute) T = beda temperature ( ºF ), umumnya diambil ± 10 ºF TONS = beban pendingin ( Tons Refrigerant / TR) = laju aliran air dalam evaporator (GPM) = laju aliran air dalam kondensor (GPM) (Sumber : HVAC Equation, data and rules of thumb Handbook) Water Cooled Chiller (Sumber : McQuay Inc) Gambar 2.5.10. Water Cooled Chiller (Sumber : York Inc) Chiller berpendingin udara menggunakan udara sebagai media pendingin refrigerant. Tipe ini digunakan untuk beban pendingin yang relative rendah (dibawah 500 ton). Keuntungan dari chiller berpendingin udara (Air Cooled Chiller) adalah : Ihsanul Fauzi 41309110048 31 Teknik Mesin
- Biaya desain dan pemasangan lebih murah karena tidak menggunakan menara pendingin (cooling tower). - Harga lebih murah dan perawatan lebih mudah. Gambar 2.5.11. Air Cooled Chiller (Sumber : Trane Inc) 2.5.1.3 Terminal unit Terminal unit dipasang pada sistem pengkondisian udara yang memiliki banyak ruangan dengan fungsi yang berbeda-beda. Pemasangan terminal unit dipilih karena faktor ekonomis. Bila salah satu ruangan yang dikondisikan tidak memerlukan pendinginan, maka hanya terminal unit yang tidak terpakai dimatikan sehingga kerja chiller berkurang dan menghemat daya listrik. Yang termasuk dalam terminal unit antara lain : - AHU (air handling unit) - FCU (fan coil unit) - Unit ventilasi - VAV boxes (variable air voloume) - Unit Induksi AHU merupakan terminal unit yang digunakan untuk mendinginkan atau memanaskan udara ruangan. Unit ini menggunakan air sebagai media penukar kalor dan dipakai pada beban pendinginan yang besar. Air dingin dihasilkan oleh mesin chiller sedangkan air panas di hasilkan oleh boiler. Ihsanul Fauzi 41309110048 32 Teknik Mesin
Unit ini ada 2 macam yaitu : unit pendingin dan pemanas (cooling and heating) dan unit unit pendingin saja (cooling only). Komponen-komponen AHU meliputi casing, koil pendingin, filter udara dan fan blower. Pada AHU udara ruangan dihisap melalui saluran udara (ducting) yang dicampur dengan udara luar (fresh air) kemudian didinginkan dan dikurangi kadar uapnya di AHU, selanjutnya udara dialirkan kembali keruangan. Gambar 2.5.12. Vertikal AHU (Sumber : McQuay Inc) Gambar 2.5.13. Komponen AHU, 1. Motor, 2. Centrifugal blower, 3.bak drain, 4. Frame, 5. Vibration isolator, 6. Casing wall, 7. Koil pendingin dan filter (Sumber : McQuay Inc) FCU ditempatkan langsung di dalam ruangan yang didinginkan. Prinsip kerja FCU sama dengan AHU akan tetapi kapasitas FCU lebih kecil dari Ihsanul Fauzi 41309110048 33 Teknik Mesin
AHU. Komponen FCU terdiri dari casing, koil pendingin, fan blower dan filter udara. Gambar 2.5.14. FCU (Sumber : McQuay Inc) Unit induksi dipasang dalam ruangan yang akan dikondisikan. Air dingin dialirkan ke dalam unit tersebut dan udara luar yang telah didinginkan dan dikeringkan oleh AHU dimasukkan ke dalam kotak udara primer kemudian dialirkan melalui nosel sehingga udara masuk dengan kecepatan tinggi ke dalam ruang pencampur. Dengan pengaruh induksi dari pancaran udara tersebut, udara ruangan (udara sekunder) terisap dan masuk melalui koil udara sekunder sehingga didinginkan. Udara primer dan sekunder dicampur kemudian dialirkan ke dalam ruangan yang akan didinginkan. Udara luar yang telah didinginkan ini disebut udara primer yang akan mengatasi kalor laten pada ruangan, sedangkan kalor sensible ruangan diatasi oleh unit ruangan (unit sekunder). VAV (variable air volume) berfungsi mengatur debit udara yang masuk keruangan yang akan didinginkan. VAV diatur oleh thermostat yang mengindikasikan suhu ruangan yang didinginkan. Jika suhu ruangan tinggi maka VAV akan membuka yang berarti debit udara semakin banyak dan sebaliknya. Ihsanul Fauzi 41309110048 34 Teknik Mesin
2.6 Komponen-komponen Sistem Pengkondisian Udara 2.6.1 Komponen utama Komponen-komponen utama dari sistem pengkondisian udara adalah : - Kompresor - Kondensor - Katub expansi - Evaporator - Refrigerant 2.6.1.1 Kompresor Kompresor berfungsi menjadikan tekanan pada uap refrigerant dari evaporator, sehingga tekanannya naik dan mudah mencair. Selama proses kompresi tekanan dan temperatur refrigerant naik yang kemudian ditekan ke kondensor. Gambar 2.6.1. Kompresor (Sumber : Sistem Mekanikal Gedung) Secara garis besar kompresor ada 2 macam yaitu : 1. Positive displacement a. Reciprocating - Single acting - Double acting Ihsanul Fauzi 41309110048 35 Teknik Mesin
b. Rotary - Scroll - Lobe - Rotary vane / slide vane - Helical scew - Liquid ring 2. Dynamic compressor a. Centrifugal b. Axial Gambar 2.6.2. Scew compressor (sumber : Carrier, HANDBOOK OF AIR CONDITIONING SYSTEM DESIGN) Gambar 2.6.3. Double acting ammonia compressor and steam engine (courtesy of vilter manufacturing corporation) Ihsanul Fauzi 41309110048 36 Teknik Mesin
Gambar 2.6.4. Kompresor Reciprocating ( Sumber : Kompresor dan sistem udara tekan) Gambar 2.6.5. Centrifugal Compressor ( Sumber : Kompresor dan sistem udara tekan) Menurut peletakan motornya, kompresor dibagi menjadi 3 macam yaitu : - Kompresor hermatik - Kompresor semi hermatik - Kompresor open type 2.6.1.2 Kondensor Kondensor berfungsi sebagai pemindah kalor dari refrigerant ke lingkungan untuk mencairkan uap refrigerant yang bertekanan dan bertemperatur tinggi dari kompresor. Disini kalor dilepaskan ke lingkungan. Ihsanul Fauzi 41309110048 37 Teknik Mesin
Gambar 2.6.6. Kondensor ( Sumber : Sistem Mekanikal Gedung) Berdasarkan media pendinginnya kondensor dibagi menjadi 3 macam, yaitu : 1. Kondenser berpendingin air (Water Cooled Condenser). 2. Kondenser berpendingin udara (Air Cooled Condenser). 3. Kondenser berpendingin udara dan air (Air and Water Cooled Condenser). Gambar 2.6.7. Kondensor berpendingin udara ( Sumber : Sistem Mekanikal Gedung) Gambar 2.6.8. Kondensor berpendingin air ( Sumber : Sistem Mekanikal Gedung) Ihsanul Fauzi 41309110048 38 Teknik Mesin
2.6.1.3 Katub ekspansi Gambar 2.6.9. Katub ekspansi ( Sumber : Sistem Mekanikal Gedung) Katub ekspansi berfungsi untuk menurunkan tekanan dan temperatur cairan refrigerant sampai tekanan dan temperaturnya rendah, sehingga cairan mudah menguap. Ada beberapa jenis katub ekspansi, antara lain : 1. Automatic Expantion Valve. 2. Thermostatic Expantion Valve. 3. Katup Apung Sisi Tekanan Tinggi. 4. Katup Apung Sisi Tekanan Rendah. 5. Manual Expantion Valve. 6. Pipa Kapiler. 7. Thermoelectric Expantion Valve. 8. Electronic Expantion Valve. Dari banyak jenis katup ekspansi tersebut yang paling banyak digunakan untuk sistem pendingin komersial adalah pipa kapiler karena beban yang didinginkan relatif konstan dan mempunyai harga yang relatif murah. 2.6.1.4 Evaporator Evaporator adalah penukar kalor yang memegang peranan penting didalam siklus refrigerasi, yaitu mendinginkan media sekitarnya. Evaporator berfungsi menyerap panas dari udara yang dikondisikan dan disalurkan ke refrigerant, sehingga refrigerant cair menjadi uap. Uap refrigerant yang bertekanan Ihsanul Fauzi 41309110048 39 Teknik Mesin
rendah dikumpulkan dalam penampung uap kemudian dihisap oleh kompresor. Berdasarkan bentuk dan permukaan koilnya, evaporator dibagi menjadi 3 macam yaitu : 1. Evaporator pipa telanjang (bare tube evaporator) 2. Evaporator pelat (plate surface evaporator) 3. Evaporator bersirip (finned evaporator) Dilihat dari cara kerjanya secara ekspansi langsung, evaporator dibagi menjadi 2 macam, yaitu : 1. Flooded Evaporator. 2. Dry Expntion Evaporator. Dilihat dari konstruksinya evaporator dibagi menjadi : 1. Shell and Tube Evaporator. 2. Shell and Coil Evaporator. Dalam proses pendinginan, pada umumnya temperatur permukaan bidang evaporator lebih rendah dari pada titik embun dari udara masuk. Apabila udara ruangan menyentuh permukaan koil pendingin, uap air dalam udara akan mengembun sehingga koil menjadi basah. Pada umumnya temperatur bola kering (Tdb) udara keluar evaporator adalah 15 O C 17 O C (59 O F 63 O F) dan temperatur bola basah (Twb) 13 O C 15 O C (55 O F 59 O F) untuk evaporator dengan penguapan 2 O C 7 O C (36 O F 46 O F), kecepatan udara sekitar 2 m/s sebagai kondisi standard dan menggunakan koil dengan 3 atau 4 baris. Ihsanul Fauzi 41309110048 40 Teknik Mesin
Gambar 2.6.10. Shell and tube evaporator ( Sumber : Sistem Mekanikal Gedung) 2.6.1.5 Refrigerant Refrigeran merupakan suatu media pendingin yang dapat berfungsi untuk menyerap kalor dari lingkungan atau untuk melepaskan kalor ke lingkungan. Sifat-sifat fisik termodinamika refrigerant yang digunakan dalam sistem refrigerasi perlu diperhaatikan agar sistem dapat bekerja dengan aman dan ekonomis, adapun sifat refrigerant yang baik adalah : 1. Tekanan penguapannya harus cukup tinggi, untuk menghindari kemungkinan terjadinya vakum pada evaporator dan turunnya efisiensi volumetrik karena naiknya perbandingan kompresi. 2. Tekanan pengembunan yang rendah sehingga perbandingan kompresinya rendah dan penurunan prestasi kompresor dapat dihindari. 3. Kalor laten penguapan harus tinggi agar panas yang diserap oleh evaporator lebih besar jumlahnya, sehingga untuk kapasitas yang sama, jumlah refrigerant yang dibutuhkan semakin sedikit. 4. Koefisien prestasi harus tinggi, ini merupakan parameter yang penting untuk menentukan biaya operasi. Ihsanul Fauzi 41309110048 41 Teknik Mesin
5. Konduktifitas thermal yang tinggi untuk menentukan karakteristik perpindahan panas. 6. Viskositas yang rendah dalam fasa cair atau gas. Dengan turunnya tahanan aliran refrigerant dalam pipa kerugian tekanannya akan berkurang. 7. Konstanta dielektrik yang kecil, tahanan listrik yang besar serta tidak menyebabkan korosi pada material isolasi listrik. 8. Refrigerant hendaknya stabil dan tidak bereaksi dengan material yang digunakan sehingga tidak menyebabkan korosi. 9. Refrigerant tidak boleh beracun dan berbau. 10. Refrigerant tidak boleh mudah terbakar dan meledak. 11. Dapat bercampur dengan minyak pelumas tetapi tidak merusak dan mempengaruhinya. 12. Harganya murah dan mudah dideteksi jika terjadi kebocoran. 2.6.2 Komponen tambahan Untuk meningkatkan kinerja dari mesin pendingin diperlukan beberapa komponen tambahan, antara lain : 1. Filter Drier. 2. Thermostat. 3. Heat Exchanger. 4. Liquid Receiver. 5. Sight glass 6. Pressurestat 2.6.2.1 Filter Drier Filter drier berfungsi untuk menyaring kotoran dan menyerap uap air yang terkandung di dalam sistem. Saringan di dalam komponen ini berupa anyaman kawat yang halus, sedangkan bahan penyerapnya dari zat kimia desikan (Silica Gel). Selain dapat menyerap uap air zat kimia ini dapat pula menyerap asam, hasil uraian minyak pelumas dll. Pada alat pendingin udara sebaiknya dilengkapi filter drier ini karena jika tidak dapat menyebabkan : Ihsanul Fauzi 41309110048 42 Teknik Mesin
- Membekunya uap air dalam sistem sehingga sistem dapat tersumbat. - Terbentuknya asam yang disebabkan bereaksinya uap air dengan bahan pendingin dan minyak pelumas kompresor. Terbentuknya asam ini dapat menimbulkan korosi pada komponen sistem. - Rusaknya kompresor dan tersumbatnya pipa kapiler karena terbentuknya endapan oleh air dan asam yang terkandung dalam sistem sehinggga merusak minyak pelumas kompresor. 2.6.2.2 Thermostat Thermostat berfungsi untuk mempertahankan temperatur di dalam media yang didinginkan agar tetap konstan dengan menjalankan dan menghentikan kompresor secara otomatis. Pada thermostat ini dilengkapi dengan bulb yang berfungsi sebagai sensor perubahan temperatur, jika temperatur yang diinginkan telah tercapai maka bulb terisi dengan fluida tersebut mengirimkan sinyal untuk memutuskan arus listrik sehingga kompresor berhenti bekerja. 2.6.2.3 Heat Exchanger Berfungsi sebagai penukar kalor untuk mendinginkan minyak pelumas dari kompresor. 2.6.2.4 Liquid Receiver Fungsi liquid receiver adalah untuk menampung refrigerant yang berasal dari kondensor dan memastikan bahwa refrigerant yang memasuki katup ekspansi benar-benar berfasa cair. 2.6.2.5 Sight Glass Sight Glass berfungsi untuk mengetahui jumlah refrigerant yang mengalir di dalam sistem. Jika kita melihat adanya gelembung udara pada sight glass maka dapat dipastikan bahwa sistem mengalami kekurangan refrigerant. Disamping itu sight glass juga berfungsi sebagai indikator adanya uap air di dalam sistem yang berubah warna apabila ada kandungan uap air. Warna normal sight glass pada umumnya adalah biru atau hijau, dan jika terdapat Ihsanul Fauzi 41309110048 43 Teknik Mesin
kandungan uap air maka warna biru akan berubah menjadi pink (merah muda), sedangkan warna hijau akan berubah menjadi kuning. 2.6.2.6 Pressurestat Pressurestat merupakan saklar pemutus arus listrik yang bekerja berdasarkan tekanan sistem dengan membuka titik kontaknya. Alat ini berfungsi untuk melindungi sistem refrigerasi dari tekanan yang terlalu tinggi atau terlalu rendah. Setelah tekanan dalam sistem sudah tidak berbahaya lagi maka kontak saklar pemutus akan menutup kembali dan sistem kembali bekerja. Jenis-jenis pressurestat adalah : 1. Low Pressurestat / LP (Saklar pemutus tekanan rendah). 2. High Pressurestat / HP(Saklar pemutus tekanan tinggi). 3. High-Low Pressurestat / HLP (Saklar pemutus tekanan tinggi dan rendah). 2.6.3 Sistem refrigeransi Secara umum sistem refrigerasi dibagi menjadi 2 macam, yaitu : 1. Sistem refrigerasi mekanik, yaitu menggunakan mesin-mesin penggerak dan alat-alat mekanik lainnya. 2. Sistem refrigerasi non mekanik, yaitu tidak menggunakan mesin-mesin penggerak dan alat mekanik lainnya. Yang termasuk dalam sistem refrigersi mekanik yaitu : a. Sistem kompresi uap (vapour compression refrigeration sistem). b. Refrigerasi siklus udara. c. Refrigerasi temperature ultra rendah (cryogenic) d. Refrigerasi siklus sterling. Sedangkan yang termasuk dalam sistem refrigerasi non mekanik yaitu : a. Refrigerasi absorbsi (vapour absorbtion refrigeration sistem). b. Refrigerasi thermoelektrik. c. Refrigerasi steam jet. Ihsanul Fauzi 41309110048 44 Teknik Mesin
d. Refrigerasi magnetik. e. Heat pipe. f. Thermoakustik. Dalam hal ini penulis tidak membahas semua sistem refrigersi, penulis hanya membahas sistem kompresi uap dan sistem absorbsi. Kedua sistem ini paling banyak digunakan dalam sistem pengkondisian udara. 2.6.3.1 Sistem kompresi uap (vapour compression refrigeration sistem) Sistem kompresi uap adalah sistem yang terdiri dari kompresor, kondensor, katub ekspansi dan evaporator. Gambar berikut menunjukkan skematik sederhana dari sistem kompresi uap. Gambar 2.6.11. Skematik sistem kompresi uap (Sumber : ASHSRAE Inc) Ihsanul Fauzi 41309110048 45 Teknik Mesin
P 4 3 1 2 Gambar 2.6.12. Diagram PH Sistem Kompresi Uap (Sumber : ASHSRAE Inc) Proses yang terjadi dalam sistem kompresi uap adalah : - Proses evaporasi - Proses kompresi - Proses kondensasi - Proses ekspansi 1. Proses evaporasi (1-2) Dalam tahap ini terjadi proses pertukaran kalor pada evaporator, kalor dari udara ruang yang dikondisikan diserap oleh refrigerant cair dalam evaporator. Sehingga refrigerant cair yang bertekanan dan bersuhu rendah dari katub ekspansi berubah fase menjadi uap. Besar kalor yang diserap oleh refrigerant adalah : Qc = mº ( h 2 h 1 )...( 2.6.1 ) H Qc = Banyaknya kalor yang diserap di evaporator per satuan waktu (kj/s). mº = Laju aliran massa refrigerant (kg/s). h 2 h 1 = Efek refrigerasi (kj/kg). Ihsanul Fauzi 41309110048 46 Teknik Mesin
2. Proses Kompresi (2 3) Tahap ini terjadi di kompresor dimana refrigerant yang berfasa uap dengan temperatur dan tekanan rendah dikompresi sehingga temperatur dan tekanannya menjadi tinggi dan mudah mencair, besar kapasitas pemanasan dapat ditulis dengan persamaan : Qw = mº ( h 3 h 2 )... ( 2.6.2 ) Qw = Kapasitas pemanasan ( kj/s). mº = Laju aliran massa refrigerant ( kg/s). h 3 h 2 = Kerja kompresi (kj/kg). 3. Proses Kondensasi (3-4) Tahap ini terjadi di dalam kondensor, dimana panas dari refrigerant yang berfasa uap dari kompresor dibuang ke lingkungan sehingga refrigerant tersebut mengalami kondensasi. Pada tahap ini terjadi perubahan fasa dari fasa uap superheat menjadi fasa cair jenuh, pada fasa cair jenuh ini tekanan dan temperaturnya masih tinggi. Besarnya kalor yang dilepaskan di kondensor adalah : qc = h 3 h 4.... ( 2.6.3 ) qc = Kalor yang dilepas di kondensor (kj/kg) h 3 = Entalpi refrigerant yang keluar dari kompresor (kj/kg) h 4 = Entalpi refrigerant cair jenuh (kj/kg) Ihsanul Fauzi 41309110048 47 Teknik Mesin
4. Proses Ekspansi (4 1) Tahap ini terjadi di katup ekspansi dimana refrigerant diturunkan tekanannya yang diikuti dengan turunnya temperatur sehingga mudah untuk diuapkan di dalam evaporator. 2.6.3.2 Sistem absorbsi uap (vapour absorbtion refrigeration sistem) Refrigerasi sistem absorbsi menggunakan kalor (head operated cycle) sebagai daya penggerak operasinya, sehingga disebut sistem refrigerasi non mekanik. Kalor diperlukan untuk melepaskan uap refrigerant dari zat cair bertekanan tinggi. Sistem absorbsi jg menggunakan sistem mekanik, yaitu pompa sebagai penggerak larutan absorben, namun sangat kecil bila dibandingkan dengan sistem kompresi uap. Fluida kerja yang dipakai pada sitem absorbsi yaitu : 1. Air/NH3 dimana air sebagai absorben dan ammonia sebagai refrigerant. 2. LiBr/Air, LiBr sebagai absorben dan air sebagai refrigerant. Ihsanul Fauzi 41309110048 48 Teknik Mesin
Gambar 2.6.13. Skematik sistem absorbsi ( Sumber : Sistem Mekanikal Gedung) Pada gambar diatas, absorber adalah perpindahan panas dari absorber, generator adalah panas yang dibutuhkan oleh generator, kondensor adalah panas yang dilepas oleh kondensor, evaporator adalah panas yang diserap evaporator dari lingkungan sekitar sedangkan pompa adalah kerja yang dilakukan oleh pompa. Seperti pada sistem kompresi uap, efek pendinginan pada sistem absorbsi terjadi pada evaporator. Sedangkan kompresor pada sistem kompresi uap diganti dengan 3 komponen yaitu absorber, generator dan pompa. - Absorber berfungsi untuk menyerap uap refrigerant ke dalam absorben sehingga keduanya bercampur menjadi satu larutan. Karena reaksi dalam absorber adalah eksotermik (mengeluarkan panas), maka perlu dilakukan pembuangan panas dari absorber. Tanpa proses pembuangan panas kelarutan (solubility) uap refrigerant ke dalam absorben menjadi rendah. - Pompa berfungsi mengalirkan larutan campuran dari absorber ke generator (tekanan rendah ke tinggi). - Generator berfungsi untuk memanaskan larutan, sehingga terjadi pemisahan antara absorben dan refrigerant. Selanjutnya refrigerant yang telah menjadi uap memasuki kondensor. Proses selanjutnya sama dengan proses kompresi uap yaitu kondensasi, ekspansi dan evaporasi. Ihsanul Fauzi 41309110048 49 Teknik Mesin
Beberapa keuntungan dari sistem absorbsi adalah : - Tidak menggunakan refrigerant yang merusak ozon dan menimbulkan pemanasan global. - Sistem ini biasanya menggunakan panas buangan, sehingga sangat cocok dikombinasikan dengan pembangkit listrik dan panas thermal sehingga dapat dilakukan penghematan energy. Dalam aplikasinya performa (COP) siklus absorbsi lebih rendah bila dibannding sistem kompresi uap. Nilai COP (coefficient of performent) sistem absorbsi lebih rendah dibanding dengan sistem kompresi uap dikarenakan definisi COP keduanya berbeda. COP kompresi uap adalah perbandingan antara laju (daya) refrigerasi dengan daya kerja kompresor. Sedangkan COP absorbsi adalah perbandingan antara laju refrigerasi dengan laju penambahan kalor pada generator. Syarat fluida kerja (campuran antara refrigerant dan absorben) untuk sistem absorbsi antara lain : 1. Refrigerant dan absorbennya harus bersifat non korosif, ramah lingungan dan murah. 2. Refrigerant harus memiliki panas penguapan yang tinggi dan konsentrasi yang tinggi dalam absorben, supaya dapat menekan laju sirkulasi larutan antara absorben dan generator per satuan kapasitas pendingin. 3. Perbedaan titik didih antara refrigerant dan absorben harus cukup tinggi. 4. Memiliki sifat transport seperti viskositas, konduktivitas thermal dan koefisien difusi yang baik sehingga dapat menghasilkan perpindahan panas yang baik. 2.7 Beban Pendingin Beban kalor gedung secara umum ada 2 yaitu kalor sensibel dan kalor laten. Beban kalor sensibel dan kalor laten berasal dari beban pendingin luar (external cooling load) dan beban pendingin dalam (internal cooling load). Ihsanul Fauzi 41309110048 50 Teknik Mesin
- Kalor sensibel adalah kalor yang berhubungan dengan perubahan temperatur di udara. Penambahan kalor sensibel (sensible heat gain) adalah kalor sensibel yang secara langsung masuk dan ditambahkan ke dalam ruangan yang dikondisikan melalui konduksi, konveksi dan radiasi. - Kalor laten adalah kalor yang berhubungan dengan perubahan fase dari air. Penambahan kalor laten (latent heat gain) terjadi apabila ada penambahan uap air pada ruangan yang dikondisikan, misalnya karena penghuni ruangan atau peralatan yang menghasilkan uap. Beban pendinginan ruangan adalah laju aliran kalor yang harus diambil dari dalam ruangan untuk mempertahankan temperatur dan kelembaban udara relatif ruangan pada kondisi yang diinginkan. Gambar 2.7.1. Contoh beban pendingin ruangan (Sumber : SNI, Tata cara perancangan sistem ventilasi dan pengkondisian udara) Beban pendingin ruangan dibagi dalam 2 bagian : a. Beban pendinginan luar (external cooling load) Beban ini terjadi akibat penambahan panas karena sumber kalor dari luar yang masuk melalui selubung bangunan (building envelope), kerangka Ihsanul Fauzi 41309110048 51 Teknik Mesin
bangunan (building shell) dan dinding partisi. Sumber kalor luar yang termasuk beban ini adalah : - Penambahan kalor radiasi matahari melalui benda transparan seperti kaca. - Penambahan kalor konduksi matahari melalui dinding luar dan atap. - Penambahan kalor konduksi matahari melalui benda transparan seperti kaca. - Penambahan kalor melalui partisi, langit-langit dan lantai - Infiltrasi udara luar yang masuk ke dalam ruangan yang dikondisikan. - Ventilasi udara luar yang masuk ke dalam ruangan yang dikondisikan. b. Beban pendinginan dalam (internal cooling load) Beban pendingin ini terjadi karena dilepaskannya kalor sensibel maupun kalor laten dari sumber yang ada di dalam ruangan yang dikondisikan. Sumber kalor yang termasuk beban pendingin ini adalah : - Penambahan kalor karena adanya orang di dalam ruangan yang dikondisikan. - Penambahan kalor karena adanya pencahayaan buatan di dalam ruangan yang dikondisikan. - Penambahan kalor karena adanya motor-motor listrik di dalam ruangan yang dikondisikan. - Penambahan kalor karena adanya peralatan-peralatan listrik atau pemanas di dalam ruangan yang dikondisikan. Beban koil pendingin adalah beban pendingin ruangan ditambah beban pendingin dari sistem pengkondisian udara yang digunakan. Koil pendingin selain harus mampu melayani beban pendinginan ruangan, juga harus mampu melayani penambahan kalor dan kebocoran ducting, beban pendingin dari motor listrik penggerak fan AHU bila motor berada di dalam ruangan yang dikondisikan. Penambahan beban kalor pada pipa air sejuk, pompa air sejuk dan tangki ekspansi berkisar antara 5 % sampai 10% dari beban koil pendingin. Ihsanul Fauzi 41309110048 52 Teknik Mesin
Metode perhitungan beban pendingin ada 3 macam, yaitu : 1. Metode Perbedaan Temperatur Ekuivalen Total (TETD/TA) Metode ini dikenalkan oleh ASHRAE pada tahun 1967 dan oleh Carrier pada tahun 1965 dengan metode ETD tanpa TA. TETD = Total Equivalent Temperature Difference (perbedaan temperatur ekuivalen total) TA = Time Average ( waktu rata-rata) Prosedurnya menempuh 2 langkah yaitu : a. Penambahan kalor b. Beban pendinginan 2. Metode Fungsi Transfer (TFM Method) Metode TFM (Transfer Function Method) diperkenalkan ASHRAE pada tahun 1972. Prosedur perhitungan ini sangat dekat dengan konsep keseimbangan kalor. Prosedurnya menempuh 2 langkah yaitu : a. Menetapkan penambahan kalor dari semua sumber. b. Menetapkan konversi dari penambahan kalor menjadi beban pendinginan. 3. Metode CLTD/SCL/CLF Metode ini dikembangkan oleh ASHRAE pada tahun 1977. Prosedur perhitungannya menempuh satu langkah yaitu menggunakan metode perbedaan temperatur beban pendinginan (CLTD : Cooling Load Temperature Difference), faktor beban pendinginan karena matahari ( SCL : Solar Cooling Load Factor) dan beban pendinginan internal (CLF : Internal Cooling Load Factor). 2.7.1 Metode Perbedaan Temperatur Ekuivalen Total (TETD/TA) a) Penambahan kalor dari luar ruangan. 1)...(2.7.1) = temperatur udara matahari...(2.7.2) = temperatur udara kering pada jam tertentu Ihsanul Fauzi 41309110048 53 Teknik Mesin
α = absorbtansi permukaan untuk radiasi matahari = faktor warna permukaan = 0.15 untuk warna terang = 0.30 untuk warna gelap = beban kejadian matahari total = 1.15 (SHGF) = factor radiasi gelombang panjang = -7ºF untuk permukaan horizontal = 0ºF untuk vertikal = temperatur udara matahari rata-rata 24 jam = temperatur udara kering rata-rata 24 jam = penambahan kalor matahari harian total 2) Atap dan dinding luar q = U.A. (TETD)....(2.7.3).(2.7.4) U = koefisien perpindahan kalor rancangan untuk atap atau untuk dinding luar. A = Luas permukaan atap atau dinding luar, dihitung dari gambar bangunan. TETD = perbedaan temperatur ekuivalen total dari atap atau dinding luar. = temperatur udara kering dalam ruangan. λ = factor pengurangan. = temperatur udara matahari pada waktu tertinggal ºjam. 3) Kaca Konveksi : q = U.A ( ).....(2.7.5) Matahari : q = A.(SC).(SHGF).. (2.7.6) U SC = koefisien perpindahan kalor rancangan untuk kaca. = koefisien peneduh. Ihsanul Fauzi 41309110048 54 Teknik Mesin
SHGF = factor penambahan kalor matahari, sesuai orientasi, asimut,jam dan bulan. = temperatur bola kering udara luar pada jam tertentu. 4) Partisi, langit-langit dan lantai q = U.A ( )... (2.7.7) = temperatur di dalam ruangan yang bersebelahan. = temperatur di dalam ruangan yang direncanakan. b) Penambahan kalor dari dalam ruangan yang dikondisikan. 1) Orang = N.(penambahan kalor sensibel) (2.7.8) = N.(penambahan kalor laten). (2.7.9) N = jumlah orang yang berada dalam ruangan. 2) Pencahayaan...(2.7.10) W = watt dari listrik untuk pencahayaan atau armature lampu. = faktor penggunaan pencahayaan. = faktor toleransi khusus. 3) Daya (tenaga)..... (2.7.11) P = daya listrik. EF = faktor efisiensi. 4) Peralatan lain......(2.7.12)... (2.7.13).. (2.7.14) Ihsanul Fauzi 41309110048 55 Teknik Mesin
= penambahan kalor sensible dan laten peralatan. = faktor pemakaian, faktor radiasi, faktor cerobong asap. c) Udara ventilasi dan inviltrasi.....(2.7.15)...(2.7.16) Q = aliran udara ventilasi atau infiltrasi, liter/detik. = temperatur udara diluar dan dalam ruangan, C. = kandungan uap air diluar dan dalam ruangan (kg. uap air/kg. udara kering). d) Beban pendinginan 1) Sensible...(2.7.17)...(2.7.17)...(2.7.17).... (2.7.17) θ = beban pendinginan sensible, watt. = sebagian kecil konveksi penambahan kalor sensibel jam tertentu untuk elemen beban n, Watt. = penambahan kalor sensible jam untuk elemen beban 1, n. = sebagian kecil radiasi penambahan kalor sensible jam untuk elemen beban 1, n. = sebagian kecil radiasi rata-rata penambahan kalor sensible jam untuk n elemen beban, watt. = jumlah jam diatas sebagian kecil radiasi rata-rata penambahan panas sensible. Ihsanul Fauzi 41309110048 56 Teknik Mesin
= jam tertentu, 1 sampai 24, dimana beban pendinginan di hitung. γ = satu dari jam perhitungan, dari sampai, untuk sebagian kecil radiasi dari penambahan kalor sensibel yang akan dirata-ratakan untuk setiap n elemen beban. = penambahan kalor sensibel konveksi jam tertentu untuk unsur beban β yang tidak mempunyai komponen radiasi, Watt. 2) Laten (2.7.18) = beban pendingin laten, Watt. = Penambahan kalor laten jam tertentu untuk elemen beban, Watt. 2.7.2 Metode Fungsi Transfer (TFM Method) a) Penambahan kalor dari luar ruangan yang dikondisikan 1)....(2.7.19).....(2.7.20) = temperatur udara matahari = temperatur udara kering pada jam tertentu α = absorbtansi permukaan untuk radiasi matahari = faktor warna permukaan = 0.026 untuk warna terang = 0.052 untuk warna gelap = beban kejadian matahari total = 1.15 (SHGF) = factor radiasi gelombang panjang = -7ºF untuk permukaan horizontal = 0ºF untuk vertikal = temperatur udara matahari rata-rata 24 jam Ihsanul Fauzi 41309110048 57 Teknik Mesin
= temperatur udara kering rata-rata 24 jam = penambahan kalor matahari harian total 2) Atap dan dinding luar (2.7.21) B, c dan d = koefisien fungsi transfer konduksi atap atau dinding luar. = koefisien perpindahan kalor konstruksi atap atau dinding luar. = koefisien perpindahan kalor rancangan konstruksi atap atau dinding luar. Penyesuaian b dan c dengan perbandingan /. = jam di mana perhitungan dibuat. = interval waktu (1 jam). n e A = jumlah jam di mana b dan d nilainya cukup berarti. = elemen yang dianalisa, atap atau dinding. = luas elemen yang dianalisa. 3) Kaca Konveksi : q = U.A ( )....(2.7.22) Matahari : q = A.(SC).(SHGF)..... (2.7.23) U = koefisien perpindahan kalor rancangan untuk kaca. SC = koefisien peneduh. SHGF = factor penambahan kalor matahari, sesuai orientasi, asimut,jam dan bulan. = temperatur bola kering udara luar pada jam tertentu. Ihsanul Fauzi 41309110048 58 Teknik Mesin
4) Partisi, langit-langit dan lantai q = U.A ( )..... (2.7.24) = temperatur di dalam ruangan yang bersebelahan. = temperatur di dalam ruangan yang direncanakan. b) Penambahan kalor dari dalam ruangan yang dikondisikan 1) Orang = N.(penambahan kalor sensibel). (2.7.25) = N.(penambahan kalor laten).. (2.7.26) N = jumlah orang yang berada dalam ruangan. 2) Pencahayaan...(2.7.27) W = watt dari listrik untuk pencahayaan atau armature lampu. = faktor penggunaan pencahayaan. = faktor toleransi khusus. 3) Daya (tenaga)..... (2.7.28) P = daya listrik. = faktor efisiensi. 4) Peralatan lain......(2.7.29)... (2.7.30).. (2.7.31) = penambahan kalor sensible dan laten peralatan. = faktor pemakaian, faktor radiasi, faktor cerobong asap. Ihsanul Fauzi 41309110048 59 Teknik Mesin
c) Udara ventilasi dan infiltrasi....(2.7.32)...(2.7.33).....(2.7.34) Q = aliran udara ventilasi atau infiltrasi, liter/detik. = temperatur udara diluar dan dalam ruangan, C. = kandungan uap air diluar dan dalam ruangan (kg. uap air/kg. udara kering). = entalpi udara di luar dan di dalam ruangan, kj/jg (udara kering). d) Beban pendingin 1) Sensible..(2.7.35)...(2.7.36)...... (2.7.37) = beban pendinginan sensibel dari elemen penambah kalor yang mempunyai komponen konveksi dan radiasi. V, W = koefisien fungsi transfer ruangan. = setiap i elemen penambah kalor yang mempunyai elemen komponen radiasi. = interval waktu (1 jam) = beban pendinginan sensibel dari elemen penambah kalor yang hanya mempunyai komponen konveksi. = setiap i elemen penambah kalor yang hanya mempunyai komponen konveksi. 2) Laten. (2.7.38) Ihsanul Fauzi 41309110048 60 Teknik Mesin
= setiap n elemen penambah kalor laten. 2.7.3 Metode CLTD/SCL/CLF a) Penambahan kalor dari luar ruangan yang dikondisikan 1) Beban radiasi matahari melalui kaca......(2.7.39) A = luas permukaan kaca luar. SC = koefisien peneduh. SCL = faktor beban pendinginan matahari dengan tanpa peneduh dalam, atau dengan peneduh dalam. 2) Konduksi matahari melalui kaca, atap dan dinding.....(2.7.40) U A = koefisien perpindahan kalor rancangan untuk atap, dinding atau untuk kaca. = luas permukaan atap, dinding luar atau kaca luar dihitung dari gambar bangunan. (CLTD) = perbedaan temperatur beban pendinginan atap, dinding atau kaca. 3) Beban pendinginan dari partisi, langit-langit dan lantai q = U.A ( )....... (2.7.40) U = koefisien perpindahan kalor rancangan untuk partisi, langit-langit atau lantai. A = luas permukaan partisi, langit-langit atau lantai dihitung dari gambar bangunan. = temperatur di dalam ruangan yang bersebelahan. = temperatur di dalam ruangan yang direncanakan. Ihsanul Fauzi 41309110048 61 Teknik Mesin
b) Beban pendinginan dalam 1) Orang = N.(penambahan kalor sensibel). (CLF). (2.7.41) N = jumlah orang yang berada dalam ruangan. CLF = faktor beban pendinginan sesuai jam penghunian. Catatan : CLF = 1.0 dengan kepadatan tinggi atau 24 jam penghunian atau jika pendinginan dimatikan pada malam hari atau selama libur. 2) Pencahayaan...(2.7.42) W = watt dari listrik untuk pencahayaan atau armature lampu. = faktor penggunaan pencahayaan. = faktor toleransi khusus. CLF = faktor beban pendinginan sesuai jam penghunian. Catatan : CLF = 1.0 dengan kepadatan tinggi atau 24 jam penghunian atau jika pendinginan dimatikan pada malam hari atau selama libur. 3) Daya (tenaga)....... (2.7.43) P = daya listrik. = faktor efisiensi. CLF = faktor beban pendinginan sesuai jam penghunian. Catatan : CLF = 1.0 dengan kepadatan tinggi atau 24 jam penghunian atau jika pendinginan dimatikan pada malam hari atau selama libur. Ihsanul Fauzi 41309110048 62 Teknik Mesin
4) Peralatan lain..........(2.7.44)... (2.7.45).. (2.7.46) = penambahan kalor sensible dan laten peralatan. = faktor pemakaian, faktor radiasi, faktor kerugian pembakaran. CLF = faktor beban pendinginan sesuai jam penghunian. Catatan : CLF = 1.0 dengan kepadatan tinggi atau 24 jam penghunian atau jika pendinginan dimatikan pada malam hari atau selama libur. Set beban laten = 0 jika peralatan menggunakan tudung pembuangan. c) Udara ventilasi dan infiltrasi....(2.7.47)...(2.7.48).....(2.7.49) Q = aliran udara ventilasi atau infiltrasi, liter/detik. = temperatur udara diluar dan dalam ruangan, C. = kandungan uap air diluar dan dalam ruangan (kg. uap air/kg. udara kering). = entalpi udara di luar dan di dalam ruangan, kj/jg (udara kering). Ihsanul Fauzi 41309110048 63 Teknik Mesin
2.8 Perencanaan Saluran Udara Ada beberapa metode yang dapat digunakan untuk menentukan dimensi saluran udara. Dalam satu sistem penyegaran udara, kita dapat menggunakan salah satu dari metode itu, atau gabungan dari beberapa metode yang ada. Metode metode itu adalah : Metode Gesekan (Friction) sama. Prinsip dasarnya yaitu menggunakan harga head loss yang sama untuk setiap section saluran udara. Mulai dari ducting utama sampai ducting cabang harga head loss nya sama. Metode ini dapat digunakan untuk menentukan dimensi ducting supply dan return, serta saluran udara untuk exhaust dan udara segar. Metode Static Regain. Metode ini biasanya digunakan untuk menentukan dimensi saluran udara supply. Metode ini lebih komplek dibanding metode equal friction. Prinsip dasarnya yaitu menurunkan kecepatan untuk menaikkan tekanan statik sehingga cukup untuk mengatasi losses akibat gesekan section berikutnya. Metode T (T-Method). Pada metode ini selain menentukan dimensi saluran udara, dapat diketahui juga biaya awal, biaya operasi, pemakaian energi, jam operasi dan lain-lain. Metode ini sebaiknya menggunakan hitungan komputer, prosedur manualnya dapat dilihat pada ASHRAE Handbook Fundamental. Metode Penurunan Kecepatan. Prinsip dasarnya yaitu menurunkan kecepatan pada setiap section ducting. Metode Tekanan Total Metode ini adalah pengembangan dari metode static regain. Desainer menentukan sendiri actual friction dan dynamic losses nya pada tiap-tiap section saluran udara. Metode kecepatan sama Prinsipnya yaitu mempertahankan kecepatan udara selalu sama pada setiap section saluran udara. Residential system design Ihsanul Fauzi 41309110048 64 Teknik Mesin
Prosedur manual metode ini dapat dilihat di SMACNA Instalation standards for residential Heating and Air Conditioning System. Persamaan umum yang digunakan untuk menentukan saluran udara yaitu : Q = V x A ( 2.8.1) Q = air flow rate (cfm) V = kecepatan (fpm) A = luas sektion (ft²) Untuk gedung komersial kecepatan udara supply normalnya antara 1200 fpm sampai 2200 fpm. Sedangkan kecepatan udara return antara 1500 sampai 1800 fpm. Tabel 2.8.1. Kecepatan maksimum udara Kecepatan udara maksimum (fpm) Jenis bangunan Saluran utama Saluran cabang Supply Return Supply Return Rumah tinggal 1000 800 600 600 Apartemen, hotel, rumah sakit 1500 1300 1200 1000 Kantor kecil, ruang director, perpustakaan 2000 1500 1600 1200 Teater, auditorium 1300 1100 1000 800 Kantor besar, restoran besar, 2000 1500 1600 1200 supermarket Toko, kafetaria 2000 1500 1600 1200 Industri 3000 1800 2200 1500 (Sumber : Carrier handbook) Penurunan dimensi saluran udara dari saluran utama keseluruhan cabang berdasarkan metode gesekan (equal friction) dapat dilihat pada tabel dibawah. Jika jumlah udara yang mengalir turun menjadi 60% cfm, maka luas saluran udaranya turun 67,5% area. Jika jumlah udara turun menjadi 40%, maka luasannya turun menjadi 48%. Ihsanul Fauzi 41309110048 65 Teknik Mesin
Tabel 2.8.2. Persen penurunan area ducting pada metode equal friction (Sumber : Carrier handbook) Untuk menghitung friction loss pada rectangular duct perlu diketahui ekuivalen diameternya. Kemudian dilihat pada grafik friction loss, berapa besar friction loss nya. Ekuivalen diameter dapat dihitung dengan persamaan :....(2.8.2) D = ekuivalen diameter a b = lebar saluran udara = tinggi saluran udara Dalam menentukan lebar dan tinggi saluran udara perlu diperhatikan aspek perbandingannya. Semakin besar rasio perbandingannya, maka semakin besar biaya yang diperlukan. Ihsanul Fauzi 41309110048 66 Teknik Mesin
Tabel 2.8.3. Contoh rasio perbandingan dimensi saluran udara (Sumber : SMACNA) Sedangkan untuk menghitung pressure loss dan fitting seperti elbow, percabangan dan lain-lain menggunakan persamaan :...(2.8.3) = total pressure loss_in.wg (pa) = fitting loss coefficient = velocity pressure_in.wg (pa) Nilai C dapat dilihat pada tabel fitting loss coefficient SMACNA_HVAC System Duct Design Chapter 14 lampiran B. Nilai tekanan kecepatan dapat dihitung dengan persamaan :... (2.8.4) = velocity pressure (in.wg) V = kecepatan (fpm) atau dengan persamaan :.....(2.8.5) = velocity pressure (pa) V = kecepatan (m/s) Ihsanul Fauzi 41309110048 67 Teknik Mesin
Tekanan udara total pada saluran merupakan penjumlahan dari total static pressure dan velocity pressure.......(2.8.6) = total pressure (in.wg) = static pressure (in.wg) = velocity pressure (in.wg) SP = L x (friction rate) x (correction factor)..(2.8.7) L = panjang ducting lurus Faktor koreksi untuk friction rate tergantung pada material saluran udara. Nilainya dapat dilihat pada SMACNA_HVAC System Duct Design Chapter 14 tabel 14.1 dan 14.2. 2.9 Sistem Pemipaan Sistem pemipaan pada pengkondisian udara ada 2 yaitu sistem pemipaan terbuka dan sistem pemipaan tertutup. Sistem terbuka digunakan untuk sirkulasi air pendingin dari chiller ke cooling tower. Sedangkan sistem tertutup digunakan untuk mensirkulasikan air sejuk dari chiller ke unit AHU dan FCU. Pada sistem tertutup air yang bersirkulasi tidak berhubungan dengan udara luar karena air yang bersirkulasi berada di dalam pipa. Pada umumnya sistem tertutup menggunakan tangki ekspansi yang berhubungan dengan udara luar. Pemipaan sistem tertutup dibagi menjadi beberapa jenis yaitu : Ihsanul Fauzi 41309110048 68 Teknik Mesin
a. Two pipe direct return Gambar 2.9.1. Two pipe direct return (sumber : Carrier, HANDBOOK OF AIR CONDITIONING SYSTEM DESIGN) Gambar 2.9.2. Pola tekanan air pada two pipe direct return (sumber : Carrier, HANDBOOK OF AIR CONDITIONING SYSTEM DESIGN) b. Two pipe reverse return Pada sistem ini tekanan air yang masuk ke masing-masing unit hampir sama jadi tidak perlu pemasangan balancing valve, namun pipa yang dipakai menjadi lebih panjang. Gambar 2.9.3. Two pipe reverse return (sumber : Carrier, HANDBOOK OF AIR CONDITIONING SYSTEM DESIGN) Ihsanul Fauzi 41309110048 69 Teknik Mesin
Gambar 2.9.4. Pola tekanan air pada two pipe reverse return (sumber : Carrier, HANDBOOK OF AIR CONDITIONING SYSTEM DESIGN) c. Loop piping system Gambar 2.9.5. Loop piping system (sumber : Carrier, HANDBOOK OF AIR CONDITIONING SYSTEM DESIGN) Gambar 2.9.6. Pola tekanan air pada loop piping system (sumber : Carrier, HANDBOOK OF AIR CONDITIONING SYSTEM DESIGN) Ihsanul Fauzi 41309110048 70 Teknik Mesin
2.9.1. Tangki ekspansi Tangki ekspansi sering digunakan pada sistem pemipaan tertutup. Tangki ini berfungsi sebagai tempat pemuaian air yang mengalami perubahan temperatur dan volume. Ada 3 jenis tangki ekspansi yaitu : - Tangki ekspansi sistem tertutup. - Tangki ekspansi sistem terbuka. - Tangki ekspansi sistem diafragma. Volume tangki ekspansi dapat dihitung dengan persamaan : a. Tangki ekspansi sistem tertutup. V T = V S... (2.9.1) b. Tangki ekspansi sistem terbuka.... (2.9.2) c. Tangki ekspansi sistem diafragma. V T = V S.... (2.9.3) = volume tangki ekspansi (Gallons) = volume air di sistem pemipaan (Gallons) ΔT = (ºF) = temperatur air terendah dalam sistem pemipaan = temperatur air tertinggi dalam sistem pemipaan = tekanan atmosfir (14.7 Psia) = tekanan minimum sistem (Psia) = tekanan operasi / tekanan operasi maksimum (Psia) = SpV of H 2 O at T 1 (Ft 3 /Lb.H 2 O) 1989 ASHRAE Fundamental, Chapter 2, tabel 25, Properties of Air and Water. V2 = SpV of H 2 O at T 2 (Ft 3 /Lb.H 2 O) 1989 ASHRAE Fundamental, Chapter 2, tabel 26, Properties of Air and Water. Ihsanul Fauzi 41309110048 71 Teknik Mesin
α = Linear coefficient of expansion α STEEL = 6.5 x 10-6 α COPPER = 9.5 x 10-6 Estimasi volume air pada sistem yaitu 12 Gal./Ton atau 35 Gal./BHP Estimasi tekanan minimum pada sistem yaitu : P 1 = (Tinggi sistem) + (5 ~ 10 Psi) 2.9.2. Menentukan dimensi pipa Untuk menentukan dimensi pipa yang akan dipakai, hal-hal yang perlu diperhatikan yaitu debit fluida, kecepatan fluida serta kerugian gesek pipa. Kecepatan aliran dan gaya gesek yang terlalu tinggi akan mengakibatkan getaran yang besar serta daya yang dibutuhkan pompa juga semakin besar. Untuk sistem pengkondisian udara, ASHRAE menetapkan kerugian gesek pipa tidak lebih dari 4 feet air / 100 feet panjang ekuivalen pipa. Kecepatan aliran minimum 1.5 feet/s dan kecepatan aliran maksimum 10 feet/s. Diameter pipa dapat ditentukan dengan formula : Q = 449 x A x V Dari persamaan diatas diturunkan hingga di dapat nilai D adalah : D =.... (2.9.4) Q = debit air (GPM) A = luasan pipa (ft 2 ) V = kecepatan (fps) D = diameter pipa (inchi) 2.9.3. Penurunan tekanan / kerugian gesek (head losis) 2.9.3.1. Penurunan tekanan pada pipa lurus Penurunan tekanan pada pipa dipengaruhi oleh kekasaran permukaan pipa serta sifat alirannya. Sifat aliran dapat ditentukan dengan bilangan Reynold. Ihsanul Fauzi 41309110048 72 Teknik Mesin
Re = (2.9.5) Re : Bilangan Reynold v μ : kecepatan air : viskositas kinematik air Syarat aliran bersifat turbulen dan laminar adalah : - Re < 2300, aliran bersifat laminar - Re 2300~4000, adalah daerah transisi dimana aliran bisa bersifat laminar atau turbulen tergantung kondisi pipa. - Re > 4000, aliran bersifat turbulen Untuk aliran turbulen, kerugian gesek pada pipa dapat dihitung dengan formula Darcy Weisbach, yaitu :......(2.9.6) ( Formula Darcy )...(2.9.7) dimana H f = kerugian gesek dalam pipa (feet) f = koefisien gesek pipa L = panjang pipa (feet) V = kecepatan aliran (ft/s) D = diameter pipa (feet) g = percepatan grafitasi (ft/s 2 ) 2.9.3.2. Penurunan tekanan pada reduser Penurunan tekanan pada reduser dapat dihitung dengan persamaan :....(2.9.8) Dimana Hc = kerugian tekanan pada reducer Cc = koefisien penyempitan air Ihsanul Fauzi 41309110048 73 Teknik Mesin
Nilai Cc ditentukan dari perbandingan luasan pipa. Dimana D 2 <D 1. (2.9.9) Tabel 2.9.1. Standar penyempian Cc untuk air (Weisbach) A 2 /A 1 Cc 0,1 0,624 0,2 0,632 0,3 0,643 0,4 0,659 0,5 0,681 0,6 0,712 0,7 0,755 0,8 0,813 0,9 0,892 1 1,00 (Sumber : Sistem Perpipaan, Raswari) 2.9.3.3 Kerugian gesekan pada elbow, sambungan/percabangan dan valve (He) Tahanan gesek atau rugi-rugi pada katub dan alat penyambungan pipa dapat dihitung dengan salah satu metode berikut : 1. Koefisien tahanan (resistance coefficients). 2. Koefisien aliran (flow coefficients). 3. Panjang ekuivalen (equivalent lengths). Dalam perancangan ini metode yang akan kita gunakan adalah metode koefisien tahanan. Sedangkan untuk metode lain dapat dilihat pada buku ASHRAE Fundamental 2001 bab 35. Metode koefisien tahanan (He) digunakan persamaan :...(2.9.10) K = faktor kerugian tekan untuk elbow, fitting dan valve. Gunakan harga K tinggi untuk alat sambung yang menggunakan ulir dan harga K rendah untuk alat yang menggunakan sambungan las dan flange. Ihsanul Fauzi 41309110048 74 Teknik Mesin
Tabel 2.9.2. Harga tahanan K Valve atau Fitting Nilai K Y Globe valve : ½ 2 4.5 3.0 2 10 3.0 2.0 Convensional Globe valve : ½ 2 10.0 6.5 2 12 6.5 4.5 Angle valve : ½ 2 3.5 3.0 2 8 3.0 2.0 Swing Check valve : ½ 4 3.5 2.0 4 16 2.0 2.5 Butterfly valve : Full bore inlet 0.4 Reduced bore inlet 0.8 Ball valve 2.0 0.5 Gate valve : 1 4 0.3 0.21 4 24 0.21 0.15 Close return bends 0.43 2.2 Standar Tee : Flow through run 0.38 0.55 Flow through side outlet 1.35 1.75 Elbows : 90 º square 0.75 1.5 90 º short 0.40 0.9 90 º medium 0.25 0.8 90 º long 0.20 0.6 45 º medium 0.15 0.42 Ihsanul Fauzi 41309110048 75 Teknik Mesin
Tank Nozzle ; Bell mouth inlet 0.04 0.05 Square edged inlet 0.45 0.6 Inward projecting pipe 0.60 1.0 (Borda entrance) (Sumber : Sistem Perpipaan, Raswari) 2.9.4 Isolasi pipa Isolasi pada pipa air dingin bertujuan untuk mencegah adanya perpindahan panas dari udara sekitar ke fluida dalam pipa dan sebaliknya. Selain itu isolasi digunakan untuk mencegah terjadinya kondensasi pada permukaan pipa dan mencegah erosi. Ketebalan minimum isolasi untuk bahan yang memiliki resistansi thermal antara 28 m 2.K.W hingga 31 m 2.K.W per meter tebal isolasi pada temperatur rata-rata 24ºC. Tabel 2.9.3. Tebal isolasi minimum untuk pipa air dingin Sistem pemipaan Tempereatur Fluida ºC Tebal isolasi minimum untuk ukuran pipa Jenis Jelajah Hingga 50 mm Kurang dari 25 mm Antara 31~50 mm Diatas 200 mm Air dingin 4.5~13 ºC 12 mm 12 mm 20 mm 25 mm (chilled water) Refrigerant Dibawah 4.5 ºC 25 mm 25 mm 38 mm 38 mm (Sumber : SNI, Tata cara perancangan sistem ventilasi dan pengkondisian udara) Keterangan : a. Bila pipa di lingkungan ambient perlu ditambah isolasi tebal 12 mm. b. Tebal isolasi perlu ditambah bila ada kemungkinan kondensasi permukaan. Untuk material isolasi yang memiliki resistansi thermal kurang dari 28 m 2.K.W per meter, tebal isolasi minimum dihitung dengan persamaan : Ihsanul Fauzi 41309110048 76 Teknik Mesin
....(2.9.10) Untuk material isolasi yang memiliki resistansi thermal lebih besar dari 32 m 2.K.W per meter, tebal isolasi minimum dihitung dengan persamaan :...(2.9.11) 2.10 Pompa Dalam sistem pengkondisian udara sentral, pompa digunakan untuk mensirkulasikan air sejuk dari chiller ke AHU/FCU dan air dari chiller ke cooling tower atau menara pendingin. Pompa yang digunakan untuk mensirkulasikan air dari chiller ke AHU/FCU disebut Chilled Water Pump (CHWP), sedangkan pompa yang digunakan untuk mensirkulasikan air dari chiller ke cooling tower disebut Condenser Water Pump (CWP). Ada beberapa sistem pompa distribusi yang dipergunakan dalam sistem air sejuk (Chilled Water System) yaitu : a. Variable volume constan speed. Dalam sistem ini air sejuk yang bersirkulasi berubah menurut beban pendingin yang dibutuhkan. Gambar 2.10.1. Konfigurasi sistem volume variable dengan 2 pipa reverse return (sumber : Grundfos Inc) Ihsanul Fauzi 41309110048 77 Teknik Mesin
b. Variable volume variable speed. Pada sistem ini kecepatan putaran pompa diatur oleh Variable Speed Driver (VSD). Volume air yang bersirkulasi dan putaran pompa diatur menurut beban pendingin yang diperlukan serta daya listrik juga bervariasi sesuai beban pendingin. Gambar 2.10.2. Konfigurasi sistem Variable volume variable speed (sumber : Grundfos Inc) c. Constan volume distribution. Pada sistem ini volume air yang didistribusikan selalu konstan meskipun beban pendingin berkurang, jadi daya listrik yang dibutuhkan juga konstan. Gambar 2.10.3. Konfigurasi sistem distribusi konstan (sumber : Grundfos Inc) Ihsanul Fauzi 41309110048 78 Teknik Mesin
d. Primary-Secendary-Tersiery pump system. Gambar 2.10.4. konfigurasi sistem dengan pompa tersier (sumber : Grundfos Inc) 2.10.1 Jenis-jenis pompa Secara garis besar pompa pada umumnya dibagi menjadi 2 macam, yaitu : a. Hidrodinamik (non-positif displacement pump). Yang termasuk dalam pompa hidrodinamik adalah : - Pompa centrifugal (impeller). - Pompa axial (Propeller). - Pompa turbin - Pompa jet. b. Hidrostatik (positif displacement pump). Yang termasuk dalam pompa Hidrostatik adalah : - Pompa rotary. - Pompa reciprocating. Ihsanul Fauzi 41309110048 79 Teknik Mesin
Gambar 2.10.5. Jenis-jenis pompa (Sumber : Sistem Mekanikal Gedung) Gambar 2.10.6. Centrifugal End Suction Pump (sumber : Carrier, HANDBOOK OF AIR CONDITIONING SYSTEM DESIGN) Gambar 2.10.7. Horizontal Split Case pump (sumber : HANDBOOK OF AIR CONDITIONING AND REFRIGERATION) Ihsanul Fauzi 41309110048 80 Teknik Mesin