BAB II DASAR TEORI 2.1 Pengertian Sistem Heat pump Heat pump adalah pengkondisi udara paket atau unit paket dengan katup pengubah arah (reversing valve) atau pengatur ubahan lainnya. Heat pump memiliki semua komponen utama dari pengkondisi udara atau unit paket : kipas, penyaring, kompresor, evaporator, kondensor, pipa kapiler dan pengontrol. Alat yang digunakan untuk mengubah dari proses pendinginan ke proses pemanasan atau sebaliknya sering kali menggunakan katup pengubah arah (reversing valve) saat refrigeran mengalir menuju kondensor kemudian berubah menuju evaporator. Pada musim panas, penyerapan panas atau efek refrigerasi dimanfaatkan untuk proses pendinginan sedangkan pada musim dingin, pembuangan kalor dimanfaatkan untuk proses pemanasan. ( Wang, 2001 ) 2.2 Sistem Tata Udara Pengkondisian udara adalah suatu proses mendinginkan udara sehingga dapat mencapai temperatur dan kelembaban yang sesuai dengan yang diperisyaratkan terhadap kondisi udara dari ruangan tertentu. ( Arismunandar, 1995) Pada umumnya sistem pengkondisian udara dibagi menjadi dua golongan utama, yaitu : 1. Pengkondisian udara untuk kenyamanan Mengkondisikan udara di dalam ruangan untuk memberikan kenyamanan bagi orang yang ada di dalamnya. 2. Pengkondisian udara untuk industri Mengkondisikan udara di dalam ruangan karena diperlukan untuk suatu proses, bahan baku, peralatan atau barang-barang yang ada di dalamnya. 4
Tujuan dari pengkondisian udara ini untuk mencapai temperatur dan kelembaban yang diinginkan dan menjaganya serta mengatur laju aliran udara dan kebersihan udaranya. Karena itu dibutuhkan sistem pengkondisian udara yang sesuai dengan kebutuhan seperti pendinginan atau pemanasan. 2.2.1 Jenis - Jenis Sistem Tata Udara Sistem pengkondisian udara ( Air Conditioner ) terbagi menjadi beberapa jenis, diantaranya : 1. AC Sentral Sistem ini terdiri dari motor listrik dan kipas udara, koil pendingin, pelembab udara dan filter, semuanya berada dalam satu tempat. Jenis ini dinamai unit pengolah udara ( air handling unit ). Gambar 2.1. AC Sentral ( sumber : http://metalindoengineering.com ) 5
2. AC Window AC jenis ini memiliki evaporator dan kondensor dalam satu unit seperti pada Gambar 2.2. Evaporator berada di dalam ruangan sedangkan kondensor berada di luar ruangan. Gambar 2.2. AC Window ( sumber : http://mitragunateknik.blogspot.com ) Gambar 2.3. Pemasangan AC Window 3. AC Split Jenis ini memiliki evaporator dan kondensor yang terpisah. Evaporator terpasang pada dinding dalam ruangan dan kondensor berada di bagian luar ruangan tanpa harus melubangi dinding sebesar unit AC nya. 6
Gambar 2.4. AC Split ( sumber : http://www.climatecontrolsandspares.co.uk ) 4. AC Ceiling AC jenis ini hampir sama dengan jenis AC Split akan tetapi evaporatornya terpasang pada atap ruangan. Biasanya jenis ini digunakan untuk ruangan yang cukup besar. Gambar 2.5. AC Ceiling ( sumber : http://hitachi-hli.com ) 5. AC Floor Standing Jenis ini seperti AC Split akan tetapi evaporatornya terpasang berdiri ( vertical ) di atas lantai. 7
Gambar 2.6. AC Floor Standing ( sumber : http://www.tradingpie.com ) 2.3 Sistem Refrigerasi Sistem refrigerasi adalah suatu sistem yang berfungsi untuk menyerap panas dari suatu benda atau ruangan agar temperatur dari benda atau ruangan tersebut lebih rendah dari temperatur lingkungannya. 2.3.1 Siklus Refrigerasi Kompresi Uap Sederhana di bawah ini : Siklus refrigerasi kompresi uap sederhana dapat dilihat pada Gambar 2.1. Gambar 2.7. Siklus Refrigerasi Kompresi Uap Sederhana 8
Proses tersebut dapat pula digambarkan dalam diagram P-h seperti di bawah ini : P Pd 3 2 Ps 4 1 Gambar 2.8. Siklus Refrigerasi Kompresi Uap Sederhana pada Diagram P-h h Dari gambar di atas dapat dijelaskan proses-prosesnya sebagai berikut : 1. Proses Kompresi ( 1-2 ) : Pada proses ini kompresor mengkompresi atau menekan refrigeran berfasa uap bertekanan rendah sehingga keluaran kompresor refrigeran memiliki tekanan dan temperatur yang tinggi. Proses kompresi berlangsung di kompresor adalah: W =. w w = ( h 2 h 1 ) W =. ( h 2 h 1 )...( 2.1 ) ( Dossat, 1985 ) W = Kerja kompresi (kw) = Laju aliran massa refrigeran (kg/s) h 1 = Enthalpy refrigeran masuk kompresor (kj/kg) h 2 = Enthalpy refrigeran keluar kompresor (kj/kg) 9
2. Proses Kondensasi ( 2-3) : Setelah proses kompresi di kompresor kemudian refrigeran dialirkan menuju kondensor. Disini refrigeran berfasa uap bertekanan tinggi melepas kalor. Sehingga refrigeran berubah fasa menjadi cair. Proses ini berjalan secara isothermal yaitu proses perubahan fasa tanpa terjadi perubahan tekanan dan temperatur. Kalor yang dilepas di kondenser : Q c =. q c q c = h 2 - h 3 Q c =. (h 2 -h 3 ).....( 2.2 ) ( Dossat, 1985 ) Q c = Kalor yang dilepas di kondenser (kw) = Laju aliran massa refrigeran (kg/s) h 2 = Enthalpy refrigeran keluar kompresor (kj/kg) h 3 = Enthalpy refrigeran keluar kondenser (kj/kg) 3. Proses Ekspansi ( 3-4) : Keluar dari kondensor refrigeran cair bertekanan dan bertemperatur tinggi masuk menuju alat ekspansi. Disini refrigeran diturunkan tekanannya sehingga temperaturnya pun menjadi rendah. Proses ini berjalan secara isoenthalpy yaitu proses penurunan tekanan dan temperatur tanpa terjadi perubahan fasa, sehingga h 3 = h 4. 4. Proses Evaporasi ( 4-1) : Refrigeran yang telah melewati proses ekspansi kemudian masuk menuju evaporator sebagai fasa campuran dengan tekanan dan temperatur yang rendah. Kemudian refrigeran akan menyerap kalor dari ruangan atau kabin sehingga temperatur kabin akan 10
turun hingga temperatur yang diinginkan tercapai. Refrigeran pun akan berubah fasa menjadi uap tanpa terjadi kenaikan tekanan dan temperaturnya atau disebut proses isothermal. Kalor yang diserap di evaporator : Q e =. q e q e = h 1 h 4 Q e =. (h 1 h 4 )... ( 2.3 ) ( Dossat, 1985 ) Q e = Kalor yang diserap di evaporator (kw) = Laju aliran massa refrigeran (kg/s) h 1 = Enthalpy refrigeran keluar evaporator (kj/kg) h 4 = Enthalpy refrigeran masuk evaporator (kj/kg) Setelah itu refrigeran akan dihisap kembali oleh kompresor dan proses pun berlangsung secara berulang. 2.3.2 Performansi Sistem / Kemampuan Kerja Sistem Performansi sistem refrigerasi dinyatakan dalam besaran COP (Coeficient Of Performance) yang dipengaruhi oleh tekanan dan temperatur kerja mesin tersebut. Nilai COP terbagi menjadi 2 jenis, yaitu : 1. COP aktual ( pendinginan dan pemanasan ) 2. COP carnot ( pendinginan dan pemanasan ) 11
2.3.2.1 COP aktual COP aktual mesin refrigerasi merupakan perbandingan antara jumlah energi yang dimanfaatkan dibagi dengan besarnya kerja mesin. Untuk COP aktual mesin refrigerasi pada saat proses pendinginan didapat dari persamaan : ( ) ( )...( 2.4 ) ( Dossat, 1985 ) COP a = Coeficient of Performance aktual q e = Efek refrigerasi per unit massa (kj/kg) w = Kerja spesifik per unit massa (kj/kg) Sedangkan untuk COP aktual mesin refrigerasi pada saat proses pemanasan didapat dari persamaan : ( ) ( )...( 2.5 ) ( Wang, 2001 ) COP a = Coeficient of Performance aktual q k = Jumlah kalor yang dilepas di kondensor per unit massa (kj/kg) w = Kerja spesifik per unit massa (kj/kg) 12
2.3.2.2 COP Carnot Untuk COP Carnot mesin refrigerasi pada saat proses pendinginan didapat dari persamaan sebagai berikut :...( 2.6 ) ( Dossat, 1985 ) COP c = Coeficient of Performance Carnot T e = Temperatur evaporasi (K) T k = Temperatur kondensasi (K) Sedangkan COP Carnot mesin refrigerasi pada saat proses pemanasan didapat dari persamaan sebagai berikut :...( 2.7 ) ( Wang, 2001 ) COP c = Coeficient of Performance Carnot T e = Temperatur evaporasi (K) T k = Temperatur kondensasi (K) Dari situ dapat dicari nilai effisiensinya dengan persamaan :...( 2.8 ) 13
η COP a COP c = Efisiensi sistem = Coeficient of Performance aktual = Coeficient of Performance Carnot 2.3.2.3 Rasio Kompresi Rasio kompresi adalah perbandingan antara tekanan discharge dengan tekanan suction sistem dengan persamaannya sebagai berikut :...( 2.9 ) Rc = Rasio kompresi P d = Tekanan discharge ( Bar ) P s = Tekanan suction ( Bar ) 2.3.3 Daya Input Sistem Daya yang diberikan untuk mengoperasikan sistem disebut dengan daya input sistem. Untuk arus bolak balik daya input menggunakan persamaan :...( 2.10 ) P = Daya sistem ( Watt ) V = Tegangan ( Volt ) I = Arus ( Ampere ) 14
Cos φ = Faktor kerja 2.3.4 EER ( Energy Efficiency Ratio ) Efisiensi adalah kapasitas dalam watt. Untuk pengkondisi udara ruangan, EER (Energy Efficiency Ratio) atau COP (Coefficient of Performance). Untuk mengkonversi nilai COP ke EER gunakan persamaan :...( 2.11 ) ( ASHRAE, 2008 ) EER = Energy Efficiency Ratio ( Btu/h.W ) COP = Coeficient of Performance 15