BAB II DASAR TEORI 2.1 Pengering Udara Pengering udara adalah suatu alat yang berfungsi untuk menghilangkan kandungan air pada udara terkompresi (compressed air). Sistem ini menjadi satu kesatuan proses dengan kompresor. Udara yang dikeringkan oleh alat pengering udara adalah udara dari keluaran kompresor udara. Udara kering yaitu udara yang kandungan uap airnya rendah, dimana kandungan RH (Relative Humidity) < 40%. Adapun komposisi dari udara kering adalah seperti pada tabel 2.1 dan kandungan uap air di udara berdasarkan temperatur pada tabel 2.2 Tabel 2.1 Komposisi Udara Kering Parameter Persentase N 2 0 2 Ar CO 2 Volume Berat % 78,09 75,53 20,95 23,14 0,93 1,28 0,03 0,03 Tabel 2.2 Kandungan uap air jenuh di udara berdasarkan temperatur per g/m 3 Temperatur -10 0 5 10 15 20 30 50 70 90 g/m³ 2.1 4.9 7 9.5 13 17 30 83 198 424 Jenis pengering udara ada dua macam yaitu sebagai berikut : 1. Pengering udara dengan sistem refrigerasi 2. Pengering udara dengan sistem penyerapan 2.2 Dasar-Dasar Psikrometrik Psikrometrik merupakan suatu bahasan yang membahas mengenai sifat-sifat pencampuran udara dengan uap air, ini mempunyai arti sangat penting dalam pengkondisian udara, karena kandungan udara di atmosfir tidak benar-benar kering. Kandungan uap air yang terdapat dalam udara atmosfir untuk proses tertentu harus dibuang dan untuk proses yang lain malah ditambahkan. Laporan Tugas Akhir Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 4
Gambar 2.1 Karta Psikrometrik (sumber : Hermawan, Windy Mitrakusuma. Bahan Ajar Dasar Refrigerasi. Bandung. 2009) Sebagai contoh adalah menentukan sifat-sifat dari campuran udara dan uap air. Adapun sifat-sifat tersebut anatara lain: temperatur bola kering (Tdb), temperatur bola basah (Twb), dew point, kelembaban relatif (RH), rasio kelembaban (w), entalpi (h), volume spesifik (v). Untuk memahami proses-proses yang terjadi pada karta psikometrik perlu adanya pemahaman tentang hukum Dalton dan sifat-sifat yang ada dalam karta psikometrik, antara lain : 1. Temperatur bola kering Temperatur bola kering merupakan temperatur yang terbaca pada termometer sensor kering dan terbuka. 2. Temperatur bola basah Temperatur bola basah merupakan temperatur yang terbaca pada termometer dengan sensor yang dibalut dengan kain basah. Untuk mengukur temperatur ini diperlukan aliran udara sekurangnya adalah 5 m/s. Temperatur bola basah sering disebut dengan temperatur jenuh adiabatik. Laporan Tugas Akhir Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 5
3. Titik embun 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. 4. Kelembaban relatif 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 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. Kelembaban ini dapat dirumuskan : dimana : Pw Pws = Tekanan parsial uap air = Tekanan jenuh uap air Pw RH x100%.. ( 2. 1 ) Pws (Stoecker, W.F and jones, J.W. 1989. Refrigerasi dan Pengkondisian Udara, edisi ke- 2.Alih bahasa Ir.Supratman Hara.Jakarta : Erlangga) 5. Kelembaban spesifik (rasio kelembaban) Kelembaban spesifik (w) adalah berat atau massa air yang terkandung didalam setiap kilogram udara kering, atau perbandingan antara massa uap air dengan massa udara kering yang ada didalam atmosfir. Kelembaban spesifik dapat dirumuskan : Dimana : w Mw = Kelembaban spesifik Mw w. ( 2.2 ) Ma = Massa uap air (kg uap air/kg udara kering) Laporan Tugas Akhir Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 6
Ma = Massa udara kering (kg udara kering/atm) (Stoecker, W.F and jones, J.W. 1989. Refrigerasi dan Pengkondisian Udara, edisi ke- 2.Alih bahasa Ir.Supratman Hara.Jakarta : Erlangga ) 6. Entalpi Entalpi 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). 7. Volume spesifik Volume spesifik merupakan volume udara campuran dengan satuan meterkubik per kilogram udara kering. 2.3 Proses Udara pada Psikrometrik Proses udara yang terjadi dalam karta psikometrik adalah sebagai berikut : Gambar 2.2 Garis-garis proses udara pada karta psikrometrik (sumber:http://www.globalspec.com/reference/64950/203279/chapter-3-air-conditioningprocesses) 1. Proses pemanasan sensibel (Sensible Heating) 2. Proses pendinginan sensibel (Sensible Cooling) 3. Proses pelembaban (Humidifikasi) 4. Proses penurunan kelembaban (Dehumidifikasi) 5. Proses pemanasan dan pelembaban (Heating dan humidifikasi) 6. Proses pemanasan dan penurunan kelembaban (Heating dan dehumidifikasi) Laporan Tugas Akhir Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 7
7. Proses pendinginan dan pelembaban (Cooling dan humidifikasi) 8. Proses pendinginan dan penurunan kelembaban (Cooling dan dehumidifikasi) ( G Pita, Edward. 1981. Air Conditioning Principles and Systems. USA. John Wily and Sons. Inc.) 2.3.1 Proses pemanasan sensibel (Sensible Heating) Proses pemanasan adalah proses penambahan kalor sensibel ke udara sehingga temperatur udara naik. Proses ini hanya disebabkan oleh perubahan temperatur bola kering udara tanpa perubahan rasio kelembaban. Garis proses pada karta psikometrik adalah garis horisontal ke arah kanan. Pada proses ini rasio kelembaban tidak berubah, sedangkan harga Tdb, Twb, entalpi naik dan kelembaban relatif (RH) mengalami penurunan. w Tdb 1 Tdb 2 Gambar 2.3 Pemanasan Sensibel 2.3.2 Proses pendinginan sensibel (Sensible Cooling) Proses pendinginan adalah proses pengambilan kalor sensibel dari udara sehingga temperatur udara tersebut mengalami penurunan. Proses ini hanya disebabkan oleh perubahan temperatur bola kering udara tanpa perubahan rasio kelembaban. Garis proses pada karta psikometrik adalah garis horisontal ke arah kiri. Pada proses ini rasio kelembaban (w) tidak berubah, sedangkan harga Tdb, Twb, entalpi (h) turun dan kelembaban relatif (RH) mengalami kenaikan. Laporan Tugas Akhir Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 8
w Tdb 2 Tdb 1 Gambar 2.4 Pendinginan Sensibel 2.3.3 Proses pelembaban (Humidifikasi) Proses pelembaban adalah proses penambahan kandungan uap air ke udara sehingga terjadi kenaikan entalpi dan ratio kelembaban. Pada proses ini terjadi perubahan kalor laten tanpa disertai perubahan kalor sensibel. Garis proses pada karta psikometrik adalah garis vertikal ke arah atas. Pada proses ini rasio kelembaban (w) dan entalpi (h) mengalami kenaikan. w 2 w 1 Tdb Gambar 2.5 Pelembaban 2.3.4 Proses penurunan kelembaban (Dehumidifikasi) Proses penurunan kelembaban adalah proses pengurangan kandungan uap air ke udara sehingga terjadi penurunan entalpi dan ratio kelembaban. Pada proses ini terjadi perubahan kalor laten tanpa disertai perubahan kalor sensibel. Garis proses pada karta psikometrik adalah garis vertikal ke arah bawah. Pada proses ini rasio kelembaban (w) dan entalpi (h) mengalami penurunan. Laporan Tugas Akhir Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 9
w 1 w 2 Tdb Gambar 2.6 Penurunan Kelembaban 2.3.5 Proses pemanasan dan pelembaban (Heating dan humidifikasi) Pada proses ini udara dipanaskan disertai dengan penambahan uap air, yaitu dengan mengalirkan udara melewati ruangan semburan air atau uap yang temperaturnya lebih tinggi dari temperatur udara, sehingga didapatkan peningkatan kalor sensibel dan kalor laten secara bersamaan. Pada proses ini terjadi kenaikan rasio kelembaban (w), entalpi (h), Tdb, Twb dan kelembaban relatif (RH). Garis proses pada karta psikometrik adalah garis kearah kanan atas. w 2 w 1 Tdb 1 Tdb 2 Gambar 2.7 Pemanasan dan Pelembaban 2.3.6 Proses pemanasan dan penurunan kelembaban (Heating dan dehumidifikasi) Pada proses ini udara mengalami pendinginan dahulu sampai temperaturnya dibawah titik embun udara, pada temperatur ini udara mengalami pengembunan sehingga kandungan uap air akan berkurang, kemudian udara dilewatkan melalui koil pemanas sehingga temperatur Laporan Tugas Akhir Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 10
udara akan meningkat. Proses ini terjadi pada alat pengering udara (dehumidifier). Pada proses ini terjadi penurunan rasio kelembaban (w), entalpi (h), Twb dan kelembaban relatif, sedangakan terjadi peningkatan Tdb. Garis proses pada karta psikometrik adalah garis kearah kanan bawah. w 1 w 2 Tdb 1 Tdb 2 Gambar 2.8 Pemanasan dan Penurunan Kelembaban 2.3.7 Proses pendinginan dan pelembaban (Cooling dan humidifikasi) Proses ini dilakukan dengan melewatkan udara pada ruangan semburan air yang temperaturnya lebih rendah dari temperatur udara, tetapi lebih tinggi dari titik embun udara sehingga temperatur udara akan turun dan rasio kelembaban akan naik. Dalam kata lain dapat disebut proses evaporative cooling. w 2 w 1 Tdb 2 Tdb 1 Gambar 2.9 Pendinginan dan Pelembaban Laporan Tugas Akhir Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 11
2.3.8 Proses pendinginan dan penurunan kelembaban (Cooling dan dehumidifikasi) Proses ini dilakukan dengan cara melewatkan udara pada koil pendingin atau ruangan semburan air dimana temperaturnya lebih rendah dari temperatur udara sehingga terjadi penurunan kalor laten dan kalor sensibel. w 1 w 2 Tdb 2 Tdb 1 Gambar 2.10 Pendinginan dan Penurunan Kelembaban 2.4 Pengering Udara dengan Menggunakan Sistem Refrigerasi Untuk mendapatkan kualitas udara di sistem udara terkompresi supaya lebih baik, maka dianjurkan untuk memasang air dryer di dalam sistem pemipaannya. Salah satu jenis pengering udara yang banyak di gunakan adalah jenis refrigeran, jenis ini banyak digunakan diantara satu jenis yang lainnya. Pada prinsipnya kinerja pengering udara dengan menggunakan sistem refrigerasi ini adalah dengan menurunkan temperatur udara yang keluar dari kompresor udara, sehingga temperaturnya bisa lebih mendekati dengan temperatur udara luar. Jika temperatur udara dalam sistem kompresor angin ini lebih tinggi dari udara luar, maka akan terjadi kondensasi dalam sistem ini, sehingga akan ada kandungan air dalam udara yang dihasilkan. Pengering udara dengan menggunakan sistem refrigerasi di pasang dalam sistem pemipaan setelah tangki udara dan pre filter. Disarankan memasang pre filter dan after filter. Pre filter digunakan untuk menyaring kotoran dan partikel-partikel yang Laporan Tugas Akhir Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 12
terbawa masuk ke sistem oleh kompresor udara. Sedangkan after filter digunakan untuk menyaring uap air dan oli yang masih terkandung setelah melewati pengering udara dengan menggunakan sistem refrigerasi. Pre filter dan after filter dilengkapi dengan drain, fungsi untuk membuang air, kotoran dan partikel-partikel yang telah disaring oleh pre filter, sedangkan drain lain dipasang di after filter untuk membuang uap air dan oli yang telah diserap. Ada beberapa jenis refrigeran yang digunakan pada pengering udara dengan menggunakan sistem refrigerasi, diantaranya : R22, R134a, R404a dan R407c. Pada saat ini disarankan menggunakan refrigeran yang non CFC karena dianggap ramah lingkungan. Akan tetapi pada prinsip kerjanya masingmasing refrigeran ini sama saja, yang membedakan adalah titik rendah temperatur yang di hasilkan juga sinkronisasi dengan sistem refrigeran kompresornya. 2.5 Cara Kerja Pengering Udara dengan Menggunakan Sistem Refrigerasi Pada dasarnya sistem pengering udara dengan menggunakan sistem refrigerasi menggunakan sistem refrigerasi kompresi uap. Pengering udara dengan menggunakan sistem refrigerasi ini digunakan untuk menghilangkan uap air dari compressed air. Gambar 2.11 Siklus pengering udara dengan menggunakan sistem refrigerasi (sumber : http://www.motioncontrol.co.za/news.aspx?pklnewsid=31107) Laporan Tugas Akhir Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 13
Prinsip kerja sistem ini mula-mula refrigeran uap dengan temperatur dan tekanan rendah masuk ke suction kompresor. Di kompresor refrigeran di kompresi, sehingga berubah menjadi refrigeran bertekanan dan bertemperatur tinggi. Setelah itu refrigeran masuk ke kondensor, di kondensor terjadi pelepasan kalor, karena temperatur refrigeran lebih tinggi dari pada lingkungan. Di kondensor tekanan dan temperatur refrigeran tetap tinggi, tetapi fasa refrigeran berubah dari uap menjadi cair karena melepas kalor ke lingkungan. Dari kondensor refrigeran dialirkan ke filter dryer. Di filter dryer refrigeran disaring dari kotoran yang masuk dan disini juga terjadi penyerapan uap air. Setelah itu refrigeran masuk ke alat ekspansi, di bagian ini refrigeran di ekspansi sehingga tekanannya berangsur-angsur turun dan temperaturnya juga turun. Setelah itu refrigeran masuk ke ke evaporator yang berfungsi sebagai heat exchanger. Di heat exchanger ini terjadi pertukaran kalor dari sistem dengan wet air kompresor udara. Setelah itu refrigeran masuk kembali ke kompresor. Sistem ini dipasang hot gas bypass valve di bagian discharge dengan saluran masukan evaporator. Hot gas bypass valve berfungsi untuk menjaga supaya temperatur dan tekanan refrigeran yang masuk ke evaporator tidak terlalu rendah, dan menjaga supaya temperatur dan tekanan refrigeran yang mengalir ke evaporator tidak terlalu rendah (freezing). Disisi lain sistem pengeringan udara terjadi di sistem ini. Pertama udara yang masih mengandung uap air dengan temperatur tinggi masuk dari inlet wet air ke heat exchanger. Di heat exchanger terjadi pertukaran kalor dari sistem kompresor udara dengan temperatur lebih tinggi dengan refrigeran dingin di sisi lain. Setelah melewati heat exchanger temperatur udara berangsur-angsur turun. Kemudian udara tadi dilewatkan ke moisture separator. Disini terjadi pemisahan antara udara dan uap air. Air dibuang ke water drain out, sedangkan udara yang tidak mengandung uap air lagi disirkulasi dan masuk ke high efficiency coalescing filter. Disini uap air dan oli yang masih terkandung diserap. Oli yang masih terkandung di buang ke oil drain out, sedangkan udara yang bebas dari uap air masuk kembali lagi ke heat exchanger. Disini kembali terjadi pertukaran kalor dari sisi udara yang memiliki temperatur Laporan Tugas Akhir Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 14
lebih tinggi dengan udara keluaran high efficiency coalescing filter supaya udara kering tersebut tidak terlalu dingin temperaturnya. 2.6 Aplikasi Pengering Udara dengan Menggunakan Sistem Refrigerasi Aplikasi dari sistem pengering udara dengan menggunakan sistem refrigerasi banyak digunakan pada industri-industri atau produksi-produksi sebagai berikut : 1. Industri Makanan dan Minuman 2. Industri Tekstil 3. Produksi Otomotif Penggunaan sistem pengering udara dengan menggunakan sistem refrigerasi di industri-industri maupun produksi tergantung dari aplikasi yang digunakan. Udara yang dihasilkan pada udara terkompresi harus sepenuhnya kering, tidak boleh mengandung uap air, oli dan partikel-partikel karena akan mengakibatkan karat, kerak yang dapat mengganggu kinerja dari peralatan sistem kompresi. Disamping itu juga supaya tidak mengkontaminasi alat-alat produksi yang akan digunakan. Laporan Tugas Akhir Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 15