5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 ALAT PENGKONDISIAN UDARA Alat pengkondisian udara merupakan sebuah mesin yang secara termodinamika dapat memindahkan energi dari area bertemperatur rendah (media yang akan didinginkan) ke area bertemperatur tinggi (temperatur sekitar atau temperatur lingkungan) dengan bantuan energi masukan berupa kerja kompresor. Kelembapan udara disesuaikan secara otomatis oleh peralatan berdasarkan rancangan pabrikan dimana kelembapan tersebut disesuaikan dengan standar kenyamanan tubuh manusia (Stocker & Jones, 1982, p.13). Mesin pengkondisian udara banyak digunakan diperkantoran, penginapan, sekolah, dan sebagainya. Penggunaan tersebut berkaitan dengan tujuan peningkatan produktivitas kinerja sumber daya manusia. Hal tersebut dibuktikan bahwa peningkatan produktivitas kinerja manusia beriringan dengan tingkat kenyamanan tempat kerjanya. Siklus refrigerasi kompresi uap merupakan jenis mesin pendingin yang paling sering digunakan saat ini. Mesin pendingin ini terdiri dari empat komponen utama yaitu kompresor, kondensor, katup ekspansi dan evaporator. Dalam siklus ini uap refrigeran bertekanan rendah akan ditekan oleh kompresor sehingga menjadi uap refrigerant bertekanan tinggi, dan kemudian uap refrigerant bertekanan tinggi diembunkan menjadi cairan refrigeran bertekanan tinggi dalam kondensor. Kemudian cairan refrigeran tekanan tinggi tersebut tekanannya diturunkan oleh katup ekspansi agar cairan refrigeran tekanan rendah tersebut dapat menguap kembali dalam evaporator menjadi uap refrigeran tekanan rendah.
6 Susunan keempat komponen tersebut secara skematik dapat ditunjukkan pada gambar 2.1 dan sketsa proses siklus kompresi uap standar dalam diagram P-h ditunjukkan pada Gambar 2.2. Gambar 2.1. Siklus Kompresi Uap (Sumber: Ajiwiguna, 2010) Gambar 2.2. Diagram P-h kompresi uap (Sumber: Teach integration, 2010)
7 2.1.1 Kompresor Kompresor dalam sistem refrigerasi berfungsi untuk : Menurunkan tekanan di dalam evaporator, sehingga bahan pendingin cair di evaporator dapat mendidih atau menguap pada suhu yang lebih rendah dan menyerap panas lebih banyak lingkungan sekitar. Menghisap bahan pendingin gas dari evaporator dengan suhu rendah dan tekanan rendah lalu memampatkan gas tersebut ke kondensor sehingga menjadi gas suhu tinggi dan tekanan tinggi. Jenis kompresor mesin refrigerasi yang banyak digunakan ada 2 macam, yaitu : Kompresor torak Kompresor rotari (Poernomo, 2015). 2.1.2 Kondensor Kondensor baerfungsi untuk melepaskan panas gas refrigerant ke lingkungan dengan bantuan kipas/fan (pada aplikasi AC split) untuk membantu efektifitas kecepatan pembuangan panas. (Sumanto, 2000). Kalor yang dibuang merupakan kalor yang didapat dari penyerapan kalor pada evaporator dan kalor dari kompresor. Karena lepasnya panas pada refrigerant maka refrigerant berubah ke bentuk cair. Kalor yang dikeluarkan di dalam kondensor adalah jumlah kalor yang diperoleh dari udara yang mengalir melalui evaporator (kapasitas pendinginan), dan kerja (energi) yang diberikan oleh kompresor kepada fluida kerja. Dalam hal penyegaran udara, jumlah kalor tersebut kira kira sama dengan 1,2 kali kapasitas pendinginannya 2.1.3 Katup Ekspansi atau Pipa Kapiler Katup ekspansi atau pipa kapiler berfungsi untuk menurunkan tekanan dan mengatur jumlah aliran cairan refrigeran yang mengalir. Pada tahapan ini kondisi refrigiran dari wujud cair berubah menjadi gas dengan suhu menjadi rendah. Dan fungsi penting yang lain adalah mempertahankan perbedaan tekanan antara kondensor dan evaporator agar penguapan pada evaporator berlangsung pada tekanan kerjanya.
8 2.1.4 Evaporator Evaporator terdiri dari pipa pipa tembaga dengan panjang dan diameter yang telah ditentukan dengan konstruksi berlekuk lekuk untuk keperluan efisiensi perpindahan dan penyerapan panas yang berasal dari ruangan (Stocker & Jones, 1982, p.). Di dalam pipa evaporator terdapat aliran refrigeran dalam wujud campuran dengan suhu rendah (dingin) yang mengalir. Suhu rendah inilah yang dialirkan ke ruangan. Refrigerant yang melalui evaporator menyerap panas ruangan. Panas yang diserap membuat meningkatnya suhu pada refrigerant sehingga menyebabkan wujud refigeran menjadi gas pada tekanan tetap. 2.2 KALOR BUANG KONDENSOR Kalor yang dibuang oleh kondensor dapat dihitung dengan persamaan dibawah ini : q = m. c p. (T out T in ) (2.1) dimana: q = energi termal, Watt m = laju aliran masa fluida, kg/s c p = panas spesifi pada tekanan constant, J/kg.K T in = temperatur masuk, K T out = temperature keluar, K 2.3 PERPINDAHAN PANAS Perpindahan panas merupakan energi termal yang berpindah karena adanya perbedaan energi spasial (Incopera, DeWitt, Bergman & Lavine, 2006, p.2). Ada 3 cara perpindahan panas, yaitu konduksi, konveksi dan radiasi.
9 Gambar 2.3 Cara Perpindahan Panas (Sumber : Incopera et al., 2006, p.2) 2.3.1 Konduksi Konduksi merupakan bentuk perpindahan panas yang melalui sebuah media baik solid atau fluida stasioner. Pada material solid atau fluida stasioner terdapat partikel partikel, sehingga ketika terjadi proses perpindahan panas partikel partikel ini akan bergerak dengan arah dari energi partikel yang lebih tinggi ke energi partikel yang lebih rendah (Incopera, et al., 2006, p.3). Gambar 2.4. Pergerakan Partikel (Sumber : Incopera et al., 2006, p.3) Perpindahan panas konduksi tidak hanya terjadi pada sebuah konstruksi berbentuk dinding namun juga pada kejadian konduksi pada silinder. Berikut persamaan energi termal yang dikonduksikan melewati permukaan slindrikal pada material solid.
10 2.3.2 Konveksi Konveksi merupakan bentuk perpindahan panas yang melibatkan suatu permukaan dan fluida yang bergerak akibat perbedaan temperatur diantara keduanya. (Incopera et al., 2006, p.6). Pergerakan aliran fluida pada perpindahan panas konveksi dapat disebabkan oleh peristiwa alami dan paksa (konveksi paksa). Konveksi paksa merupakan suatu teknik untuk mendapatkan kecepatan aliran fluida tertentu dengan menggunakan alat bantu seperti kipas, pompa, atau angin atmosfir. Berikut gambaran perpindahan panas konveksi: Gambar 2.5. Gambaran Perpindahan Panas Konveksi (Sumber : Incopera et al, 2006, p.6) Pada perpindahan panas konveksi terdapat hambatan kontak termal pada aliran fluida yang menuju benda padat baik dinding atau silinder. Berikut gambar yang menunjukkan peristiwa tersebut. Gambar 2.6. Hambatan Konveksi pada permukaan dinding (Sumber : Incopera et al., 2006, p.7)
11 2.4 DIAGRAM PSIKROMETRIK Diagram psikrometrik adalah suatu pendekatan terhadap sifat-sifat termodinamika udara melalui bentuk grafis. Untuk menentukan sifat-sifat termodinamika udara menggunakan diagram psikrometrik, minimal dua parameter harus diketahui. Aplikasi metode ini relatif mudah dan sederhana, namun metode ini memiliki kekurangan yaitu pemetaan secara manual menyebabkan terjadinya salah pembacaan (paralaks). Seiring dengan kemajuan teknologi, saat ini diagram psikrometrik tak terbatas pada selembar kertas, tapi sudah banyak bermunculan software yang memiliki prinsip yang sama. (Gunawan, 2009). Gambar 2.7 Psychrometrics chart (Sumber : Harriman, 2002, p.14) Udara merupakan campuran dari unsur kimia nitrogen, oksigen dan sejumlah kecil gas lain. Udara di atmosfer umumnya mengandung uap air, sedangkan udara yang tidak mengandung uap air disebut udara kering (Gunawan, 2009). Parameter yang dapat digunakan untuk mengidentifikasi sifat sifat termodinamika udara antara lain :
12 2.4.1 Temperatur Bola Kering Temperatur bola kering dapat diukur menggunakan termometer biasa. Pengukuran temperatur dilakukan dengan memastikan ujung pada bagian sensitif termometer kondisi kering. (Harriman, 2002, p.15) Kondisi temperatur campuran antara udara dan uap air yang diukur dan dibaca melalui skala termometer biasa, tidak tergantung kepada intensitas uap air yang terkandung dalam udara. Dalam proses kesetimbangan kalor, suhu bola kering berpengaruh terhadap intensitas kalor yang diproduksi melalui penguapan (respirasi/evaporasi) maupun konveksi (Gunawan, 2009). Gambar 2.8 Temperatur bola kering pada psychrometrics chart (Sumber : Harriman, 2002, p.15) 2.4.2 Temperatur Bola Basah Kondisi suhu saat terjadi kesetimbangan antara campuran udara dan uap air. Suhu bola basah pada udara lembab dan air dicapai jika udara secara adiabatis telah jenuh oleh penguapan uap air. Suhu bola basah disebut juga suhu jenuh adiabatik yang diperoleh menggunakan termometer dengan sensor yang dibalut dengan kain basah
13 untuk menghilangkan pengaruh radiasi panas, tetapi perlu diperhatikan bahwa sensor harus dialiri udara dengan kecepatan minimal 5 m/s (Gunnawan, 2009). Gambar 2.9 Temperatur bola basah pada psychrometrics chart (Sumber : Harriman, 2002, p.15) 2.4.3 Temperatur Titik Embun Suhu dari campuran udara saat terjadi kondensasi ketika udara didinginkan. Kondensasi terjadi pada kelembaban mutlak dan tekanan parsial yang konstan karena kalor yang terkandung dalam campuran udara dilepaskan (Gunawan, 2009). Jika udara lembab didinginkan, maka udara tidak bisa menahan jumlah air yang sama. Dibeberapa titik, kelembaban akan mengembun dari udara ke setiap permukaan terdekat. Hal ini tergantung pada jumlah uap air di udara, dan disebut temperatur titik embun. Semakin tinggi jumlah kelembaban di udara, semakin tinggi temperatur titik embun.
14 Gambar 2.10 Temperatur titik embun pada diagram psikrometrik (Sumber : Harriman, 2002, p.15) 2.4.4 Entalpi Entalpi didefinisikan sebagai jumlah dari panas sensible dan panas latent di udara. Kelembaban merupakan jumlah panas yang dibutuhkan untuk penguapan, tetapi panas latent tidak bisa diketahui dengan termometer bola kering. Pada grafik psychrometric, skala entalpi terletak di sebelah kiri kurva saturasi. Gambar 2.11 Entalpi pada diagram psikrometrik (Sumber : Harriman, 2002, p.15)
15 2.4.5 Kelembaban Relatif (Relative Humidity) Kelembaban relatif menunjukan kadar air yang terkandung di udara sebagai perbandingan dari kemampuan udara untuk menyerap uap air 100% (Harriman, 2002, p.16). Umumnya orang orang apabila ingin mengetahui kelembaban udara sekitar adalah dengan mencari nilai RH. Dalam diagram psikrometrik nilai RH ditunjukan oleh gambar dibawah ini. Gambar 2.12 Kelembaban relatif 2.4.6 Kelembaban Mutlak (Humidity Ratio) Untuk menentukan jumlah kelembaban mutlak di udara, kita menggunakan berat dibandingkan dengan berat udara. Ini adalah seperti menghitung molekul air dan menambahkan berat mereka (Harriman, 2002, p.16). Selain untuk mengidentifikasi sifat sifat termodinamika udara,diagram psikrometrik juga dapat mengidentifikasi proses fisik yang terjadi di lingkungan, khususnya untuk pemanasan dan pengeringan. a) Pemanasan
16 Selama proses pemanasan akan terjadi peningkatan temperatur bola kering, temperatur bola basah, entalpi dan volume spesifik dari udara lembab, sedangkan relative humidity menurun. Hal ini seperti yang ditunjukan pada gambar dibawah. Gambar 2.13 Proses pemanasan (Gunnawan, 2009) b) Pengeringan Pada proses pengeringan yang terjadi adalah berkurangnya volume spesifik dari udara lembab. Berkurangnya volume spesifik dari udara lembab itu dilakukan dengan cara mengurangi atau membuang uap air dari udara sekitar. Hal ini sesuai pada gambar dibawah ini. Gambar 2.14 Efek pembuangan uap air
17 2.5 LEMARI PENGERING PAKAIAN a b Gambar 2.15. Lemari pengering pakaian (a) Tampak depan (b) Tampak dalam (Sumber : Anninditya, Sari, Diinillah, Ma arif & Maliki, 2014) Lemari pengering pakaian dibuat karena adanya beberapa kelemahan pada pengeringan dengan energi panas matahari. Pengeringan dengan panas matahari mempunyai laju pengeringan yang lambat, memerlukan perhatian lebih dan sangat rentan terhadap resiko terhadap kontaminasi lingkungan. Pengeringan matahari sangat tergantung pada iklim yang panas dan udara atmosfer yang kering (Frazier, 1978). Perancangan awal untuk lemari pakaian dimana elemen pemanas yang digunakan bersumber dari tenaga listrik yang dirubah menjadi energi panas. Pada penulisan tugas akhir ini, penulis akan memanfaatkan panas buang dari kondensor AC untuk mengganti sumber panas dari tenaga listrik.