BAB II LANDASAN TEORI

BAB II LANDASAN TEORI 2.1.Sistem Termodinamika Sistem termodinamika adalah bagian dari seluruh jagat raya yang harus diperhitungkan. Klasifikasi dari sistem termodinamika berdasarkan pada sifat-sifat batas dari sistem lingkungan dan perpindahan materi, kalor dan entropi antara sistem dan lingkungan. 2.1.1. Hukum-hukum Termodinamika HukumAwal (Zeroth Law) Termodinamika Hukum ini menyatakan bahwa dua system dalam keadaan setimbang dengan system ketiga, maka ketiganya dalam saling setimbang satu dengan lainnya. 5

6 Hukum Pertama Termodinamika Hukum ini terkait dengan kekekalan energi. Hukum ini menyatakan perubahan energi dalam dari suatu sistem termodinamika tertutup sama dengan total dari jumlah energi kalor yang disuplai ke dalam sistem dan kerja yang dilakukan terhadap sistem. Hukum kedua Termodinamika Hukum kedua termodinamika terkait dengan entropi.tidak ada bunyi untuk hukum kedua termodinamika yang ada hanyalah pernyataan kenyataan eksperimental yang dikeluarkanoleh kelvin-plank dan clausius. Pernyataan clausius: tidak mungkin suatu sistem apapun bekerja sedemikian rupa sehingga hasil satu-satunya adalah perpindahan energi sebagai panas dari sistem dengan temperatur tertentu ke sistem dengan temperatur yang lebih tinggi. Pernyataan kelvin-planck: tidak mungkin suatu sistem beroperasi dalam siklus termodinamika dan memberikan sejumlah netto kerja kesekeliling sambil menerima energi panas dari satu reservoir termal (Referensi (2)).

7 "total entropi dari suatu sistem termodinamika terisolasi cenderung untuk meningkat seiring dengan meningkatnya waktu, mendekati nilai maksimumnya hal ini disebut dengan prinsip kenaikan entropi" merupakan korolari dari kedua pernyataan diatas ( Referensi (2)). Hukum ketiga Termodinamika Hukum ketiga termodinamika terkait dengan temperatur nol absolut. Hukum ini menyatakan bahwa pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolut, semua proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum. Hukum ini juga menyatakan bahwa entropi benda berstruktur kristal sempurna pada temperatur nol absolut bernilai nol. 2.2 Siklus Termodinamika Siklus termodinamika adalah rangkaian proses termodinamika dalam mentransfer panas dan kerja dalam berbagai keadaan teknan, temperatur, dan keadaan lainnya. Dalam hukum pertama termodinamika menyebutkan bahwa jumlah panas yang masuk setara dengan jumlah panas yang keluar. Jadi pada akhir siklus, semua sifat akan memiliki nilai yang sama dengan kondisi awal. Proses ini menjadi konsep yang penting karena prosesnya terjadi secaara berulang-ulang dan berlanjut. 2.3 Perpindahan Panas

8 Perpindahan panas adalah perpindahan energi karena adanya perbedaan temperatur. Ada tiga bentuk mekanisme perpindahan panas yang diketahui, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi. 2.3.1 Konduksi Konduksi adalah proses perpindahan panas antara dua partikel dalam suatu benda padat dengan cara kontak langsung antara partikel yang satu lebih panas terhadap partikel yang lebih rendah.jika pada suatu benda terdapat gradien suhu, maka akan terjadi perpindahan panas serta energi dari bagian yang bersuhu tinggi ke bagian yang bersuhu rendah. Pada konduksi steady state, jumlah panas yang memasuki suatu bagian sama dengan jumlah panas yang keluar(referensi (1)). 2.3.2 Konveksi Perpindahan panas konveksi atau konveksi adalah perpindahan panas dari satu tempat ke tempat lain karena adanya perpindahan fluida, proses perpindahan panas melalui perpindahan massa. Gerak serempak fluida menambah perpindahan panas pada banyak kondisi, seperti misalnya antara permukaan solid dan permukaan fluida.(referensi (2)). Konveksi adalah perpindahan panas yang umum pada cairan dan gas. 2.3.3 Radiasi

9 Radiasi adalah perpindahan panas dari satu benda kebenda lain dengan menggunakan gelombang elektromagnetik. Perpindahan energi secara radiasi berlangsung jika foton-foton dipancarkan dari suatu permukaan ke permukaan lain pada saat mencapai permukaan lain, foton yang diradiasikan juga diserap, dipantulkan melalui permukaan. 2.4 Dasar Pendinginan Ruangan Proses pendinginan ruangan merupakan hasil dari efek pendinginan dari sistem refrigerasi. Suatu sistem refrigerasi dari siklusnya menghasilkan efek pendinginan dan efek pemanasan. efek pendinginan inilah yang kemudian dikembangkan dan dimanfaatkan untuk pendinginan ruangan. Suatu sistem refrigerasi terdiri dari 4 komponen utama yaitu, evaporator, kompresor, kondensor, dan katup ekspansi 2.4.1 Evaporator Evaporator adalah alat yang berfungsi untuk menyerap kalor dari ruang atau sebagai penukar kalor dari fluida panas kondensor yang melewati katup ekspansi.

10 Berbeda dengan kondensor, evaporator ditempatkan didalam ruangan pendinginan. kompresor yang sedang bekerja menghisap bahan pendingin gas dari evaporator, sehingga tekanan didalam evaporator menjadi rendah.penyerapan kalor pada evaporator membuat bahan pendingin menguap dari fase cair menjadi fase gas. maka dari itu perencanaan evaporator harus mencakup penguapan yang efektif dari bahan pendingin dengan penurunan tekanan yang minimum dan pengambilan panas dari zat yang diinginkan secara efisien dengan cara bahan pendingin berfase gas ketika memasuki kompresor. 2.4.2 Kompresor Kompresor bekerja menghisap uap atau gas refrigeran dari sisi keluaran evaporator. Pada sisi evaporator, tekanannya diusahakan tetap rendah supaya refrigeran selalu berada dalam fasa gas dan bertemperatur rendah. Didalam kompresor, uap refrigeran ditekan atau dimampatkan sehingga tekanan dan temperaturnya tinggi. untuk menghindari terjadinya kondensasi dapat dengan membuang energi kelingkungan. Dalam proses kompresi, energi diberikan kepada uap refrigerant, pada uap refrigerant akan dihisap masuk kedalam kompresor yang bertemperatur rendah, tetapi selama proses kompresi berlangsung temperatur dan

11 tekanannya naik. Jumlah refrigerant yang bersirkulasikan tergantung pada jumlah uap yag diserap masuk ke kompresor. 2.4.3 Kondensor Kondensor adalah salah satu jenis mesin penukar panas (heat exchanger) yang berfungsi untuk mengkondisikan fluida kerja pada tekanan dan temperatur yang cukup tinggi yang berguna untuk membuang kalor dan mengubah wujud refrigerant dari uap menjadi cair. Kondensor ditempatkan diluar ruangan yang sedang didinginkan agar dapat melepas panas yang keluarterhadap zat yang mendinginkannya dan panas yang dikeluarkan harus lebih tinggi temperaturnya dengan temperature udara yang ada diluar. Tekanan refrigerant yang meninggalkan kondensor harus cukup tinggi untuk mengatasi gesekan pada pipa dan tahanan dari alat ekspansi, begitu sebaliknya jika tekanan didalam kondensor sangat rendah dapat menyebabkan refrigerant tidak mampu mengalir malalui alat ekspansi. Uap refrigerant yang keluar dari generator akan memasuki kondensor. Uap yang bersuhu tinggi ini sebelum masuk ke evaporator terlebih dahulu didinginkan di kondensor. Panas uap dari refrigeran secaraa konveksi akan mengalir ke pipa

12 kondensor. Panas akan mengalir ke sirip-sirip kondensor sehingga panas tersebut dibuang ke udara bebas melalui sirip dengan cara konveksi ilmiah. 2.4.4 Katup Ekspansi katup ekspansi ini berfungsi untuk menurunkan tekanan dari cairan refrigerant sebelum masuk ke evaporator, sehingga akan memudahkan refrigerant menguap di evaporator dan menyerap kalori (panas) dari media yang didinginkan, katup ekspansi juga berfungsi sebagai alat kontrol refrigerasi yang berfungsi : 1. Mengatur jumlah refrigerant yang mengalir dari pipa cair menuju evaporator sesuai dengan laju penguapan pada evaporator. 2. Mempertahankan perbedaan tekanan antara kondensor dan evaporator agar penguapan pada evaporator berlangsung pada tekanan kerjanya. 2.5 Pengkondisian Udara pada Bangunan Kebanyakan unit pengkondisian udara digunakan untuk memberikan rasa nyaman bagi penghuninya dalam suatu ruang tertentu, dimana sesorang bisa nyaman dengan temperature tertentu dan udara yang kering tidak lembab. Pada musim panas atau cuaca tropis seperti di indonesia, sistem pendinginan sangatlah penting dan menjadi suatu kebutuhan. Bangunan

13 besar perlu didinginkan supaya udara atau suhu yang ada dalam ruang bisa di kondisikan sesuai dengan suhu atau temperature yang diinginkan sehingga mencapai kondisi nyaman. Udara atau temperature ruang menjadi dingin karena kalor atau panas yang dikeluarkan oleh orang-orang, alat elektronik, lampu-lampu, dan segala macamnya itu diserap dan di dinginkan sesuai dengan suhu atau temperature yang di inginkan. Pada bangunan besar, biasanya jenis pengkondisian udara yang digunakan sering adalah pengkondisian udara sentral. Sistem tersebut mungkin terdiri dari satu atau lebih mesin pendingin air dan mesin pemanas air yang diletakkan didalam suatu rung mesin. Ruangan yang dikondisikan menggunakan satu atau lebih sistem saluran udara segar dan udara balik, dapat juga dalam bentuk aliran air panas atau dingin melalui pipa penukar kalor (heat exchanger) yang terdapat didalam ruangan tersebut. Dimana kita mempunyai sistem dari cara kerja atau siklus kompresi uap.

14 Gambar 2.5 sistem pendingin gedung 2.6 Sistem Pengkondisian Udara Sistem pengkondisian udara terbagi dalam 4 bagian, yaitu: Sistem saluran penuh Sistem air udara

15 Sistem air penuh Sistem penyegar udara tunggal 2.6.1 Sistem saluran udara penuh Sistem saluran udara penuh menggunakan sistem pengkondisian udara sentral, dimana mesin dan peralatan pengkondisian udara diletakkan pada tempat yang agak jauh pada ruangan yang akan dikondisikan. Misalnya untuk pengkondisian gedung bertingkat yang menggunakan sistem pengkondisian udara sentral, mesin, dan peralatan pendingin diletakkan pada lantai terats dan lantai terbawah/dasar. Dari mesin dan perlatan inilah akan disalurkan udara melaalui pipa-pipa ke ruangan yang akan dikondisikan. 2.6.2 Sistem air udara Sistem air udara menggunakan sebuah unit koil kipas udara atau unit induksi yang dipasang di dalam ruangan yang akan dikondisikan. Air dingin atau air panas di alirkan kedalam unit tersebut, sedangkan udara ruangan di alirkan melalui unit tersebut sehingga menjdi dingin atau panas. Selanjutnya udara tersebut akan bersirkulasi didalam ruangan.untuk keperluan ventilasi, udara luar yang telah didinginkan dan dikeringkan atau udara yang telah dipanaskan dan dilembabkan di

16 alirkan dari mesin penyegar sentral ke ruangan yang akan disegarkan. Karena berat jenis dan kalor spesifik air lebihbesar dari pada udara, maka baik daya dan ukuran pipa yang digunakan untuk mengalirkan air dalam pemindahan kalor yang sama menjadi lebih kecil. Dengan demikian, untuk mengatasi beban kalor dari ruangan yang akan dikondisikan, banyaknya udara yang mengalir dari mesin penyegar udara sentral adalah lebih kecil, maka ruangan yang diperlukan untuk menempatkan saluran udara menjadi lebih kecil. Disamping itu, ukuran mesin penyegar maupun daya yang diperlukan adalah lebih kecil jika dibandingkan dengan yang diperlukan oleh sistem udara penuh. 2.6.3 Sistem air penuh Pada sistem air penuh, air dingin dialirkan melalui unit koil kipas udara untuk penyegaran udara dan tidak menggunakan udara primer seperti yang terdapat pada sistem air udara. Untuk ventilasi, udara dimasukkan sebagai infiltran melalui celahcelah pintu atau jendela atau udara luar yang terisap langsung melalui lubang masuk pada dinding disebelah belakang unit koil kipas udara. 2.6.4 Sistem penyegar udara tunggal Sistem ini terdiri dari kipas udara, koil udara pendingin dan mesin refrigerasi yang berada didalam satu kotak, dengan terminal pipa air pendingin dan daya listrik

17 dibagian luarnya. Ada 4 jenis penyegar udara yang termasuk dalam kelompok ini, yaitu jenis paket, jenis jendela, jenis lantai, dan jenis atap. Unit penyegar udara tunggal biasanya hanya dipergunakan untuk keperluan pendingin saja. Tetapi dengan menambahkan pemanas listrik ataupun koil air panas dan pelembab udara, maka sistem tersebut dapat juga dipergunakan untuk pemanas ruangan. 2.7 Siklus Kompresi Uap Dari sekian banyak jenis-jenis sistem refigerasi, namun yang paling umum digunakan adalah refrigerasi dengan sistem kompresi uap.komponen utama dari sebuah siklus kompresi uap adalah kompresor, evaporator, kondensor dan katup expansi.

18 Gambar 2.6 Skema siklus kompresi uap (Himsar Ambarita, 2010) Pada siklus kompresi uap, di evaporator refrigeran akan menghisap panas dari lingkungan sehingga panas tersebut akan menguapkan refrigeran. Kemudian uap refrigeran akan dikompres oleh kompresor hingga mencapai tekanan kondensor, dalam kondensor uap refrigeran dikondensasikan dengan cara membuang panas dari uap refrigeran ke lingkungannya. Kemudian refrigeran akan kembali di teruskan ke dalam evaporator. Dalam diagram P-h siklus kompresi uap ideal dapat dilihat dalam gambar berikut ini.

19 Gambar 2.7 Diagram P h siklus kompresi uap ideal (Himsar Ambarita, 2010) Proses-proses yang terjadi pada siklus kompresi uap seperti pada gambar 2.2 diatas adalah sebagai berikut: a. Proses kompresi (1-2) Proses ini dilakukan oleh kompresor dan berlangsung secara isentropic adiabatik. Kondisi awal refrigerant pada saat masuk ke dalam kompresor adalahuap jenuh bertekanan rendah, setelah mengalami kompresi refrigerant akan menjadi uap bertekanan tinggi. Karena proses ini berlangsung secara isentropik, maka temperatur ke luar kompresor pun meningkat.

20 b. Proses kondensasi (2-3) Proses ini berlangsung didalam kondensor. Refrigeran yang bertekanan tinggi dan bertemperatur tinggi yang berasal dari kompresor akan membuang kalor sehingga fasanya berubah menjadi cair. Hal ini berarti bahwa di dalam kondensor terjadi pertukaran kalor antara refrigeran dengan lingkungannya (udara), sehingga panas berpindah dari refrigeran ke udara pendingin yang menyebabkan uap refrigeran mengembun menjadi cair. c. Proses expansi (3-4) Proses expansi ini berlangsung secara isoentalpi. Hal ini berarti tidak terjadi perubahan entalpi tetapi terjadi drop tekanan dan penurunan temperatur, atau dapat dituliskan dengan: h 3 = h 4 Proses penurunan tekanan terjadi pada katup expansi yang berbentuk pipa kapiler atau orifice yang berfungsi untuk mengatur laju aliran refrigeran dan menurunkan tekanan. d. Proses evaporasi (4-1)

21 Proses ini berlangsung secara isobar isothermal (tekanan konstan, temperatur konstan) di dalam evaporator. Panas dari lingkungan akan diserap oleh cairan refrigeran yang bertekanan rendah sehingga refrigeran berubah fasa menjadi uap bertekanan rendah. Kondisi refrigeran saat masuk evaporator sebenarnya adalah campuran cair dan uap, seperti pada titik 4 dari gambar 2.2 diatas.selanjutnya, refrigeran kembali masuk ke dalam kompresor dan bersirkulasi lagi. Begitu seterusnya sampai kondisi yang diinginkan tercapai.untuk menentukan harga entalpi pada masing-masing titik dapat dilihat dari tabel sifat-sifat refrigeran. 2.8 Pengertian Chiller Chiller atau mesin refrigerasi adalah peralatan yang biasanya menghasilkan media pendingin utama untuk bangunan gedung, dengan mengkonsumsi energi secara langsung berupa energi listrik, termal atau mekanis, untuk menghasilkan air dingin (chilled water) dan membuang kalor ke udara (atmosfir) melalui menara pendingin (cooling tower) atau kondensor. Fungsi Chiller dalam sistem tata udara adalah mendinginkan media air, dimanaair disinggungkan pada bagian evaporator chiller. Air kemudian dialirkan ke AHU (AirHandling Unit) untuk diambil dinginnya dan dihembuskan ke ruangan. Pada Chiller terdapat beberapa parameter

22 yang menunjukkan unjuk kerjanya, antara lain; suhu air masuk (inlet) keevaporator dan suhu air keluar (outlet) dari evaporator, tekanan discharge, serta tekanan suction. Dengan diketahui suhu inlet dan outlet maka dapat ketahui juga kapasitas atau kemampuan chiller untuk mendinginkan air. Pembacaan tekanan discharge dan tekanan suction untuk mengetahui konsumsi refrigerator pada chiller tersebut, juga untuk mengetahui apabila terjadi kekurangan atau kelebihan tekanan akibat adanya anomaly tertentu. Jenis chiller berdasarkan jenis kompresornya : 1.reciproacting 2. screw 3. centrifugal Jenis chiller berdasarkan jenis cara pendinginan kondensernya : 1. Air Coller 2. Water Coller

23 Gambar 2.8 bagian bagian water cooler Ditinjau dari medium pendingin kondenser, water chiller system digolongkan menjadi dua bagian, yaitu : a. Air cooled water chiller b. Water cooled water chiller Ada dua tipe kompresor yang paling umum digunakan pada water chiller system yaitu : a. Reciprocating water chiller

24 b. Centrifugal water chiller. Sistem pengaturan kapasitas chiller tergantung pada tipe chiller : o Reciprocating Chiler menggunakan kombinasi cylender Unloading dan On- Off sikus kompresor dari satu atau lebih kompresor o Centrifugal Chiller menggunakan pengaturan inlet cuide vane untuk mengatur laju aliran refrigerant o Screw chiller menggunakan slide valve untuk mengatur panjang lintasan kompresi Pada penerapannya kapasitas centrifugal dan Srew chiller pada umumnya dapat diatur dari 100% s/d 10% beban. Sedangkan Reciprocating Chiller, untuk chiller dengan kapsitas rendah pada umumnya menggunakan on-off siklus kompresor; untuk chiller dengan kapasitas sedang dan besar dengan multiple kompresor unit, menggunakan sistem unloading dan kapasitas chiller dapat diatur sampai 12,5% beban. 2.8.1 Reciprocating Water Chiller

25 Water chiller dengan kompresor jenis reciprocating (torak) sangat luas pemakaiannya, karena mempunyai rentang yang lebar dari 20 TR sampai dengan 400 TR. Kompresor torak adalah resin dengan perpindahan positif, gas diisap masuk kedalam silinder dan langsung dikompresikan sehingga dapat mengalirkan volume refrigerant dengan laju yang konstan pada rentang tekanan yang lebar. Ada tiga tipe kompresor torak yang umum digu nakan pada water chiller yaitu: a. Fully Hermetic b. Semi Hermetic c. Direct-drive Open 2.8.2 Centrifugal Water Chiller Kompresor sentrifugal adalah tipe non-positive displacement, yaitu gas yang diisap masuk ke kompresor dipercepat alirannya oleh sebuah impeller yang kemudian mengubah energi kinetik untuk menaikkan tekanan. Kapasitasnya dapat diatur secara kontinyu pada rentang yang lebar untuk berbagai batas tentang rasio tekanan.

26 Karena Centrifugal Water Chiller dapat diatur kapsitasnya dalam rentang kondisi beban yang lebar dengan perubahan yang proporsional terhadap konsumsi daya, maka jenis ini dapat digunakan untuk pengendalian temperatur yang ketat dan konservasi energi. Dibandingkan denga kompresor Torak pada kompresor sentrifugal sangat sedikit bantalan-bantalan poros dan bagian-bagian permukaan yang saling bergesekan yang dapat menyebabkan keausan dan getaran. Pada saat ini kapasitas dari Centrifugal Water Chiller yang ada berkisar antara 80-2400 TR pada kondisi air dingin keluar dari cooler 44 o F (6,7 o C) dan air pendingin keluar dari Kondenser 95 o F (35 o C). Refrigerant yang populer digunakan pada sistem adalah R-12 dan R-22 2.8.2.1 Bagian-bagian Centrifugal Water Chiller Sistem pendingin kondenser dari Water chiller tipe ini pada umumnya Water cooled condeser (kondenser berpendingin air). Seperti halnya Reciprocating Water Chiller komponen-komponen dari sistem ini yaitu kompresor, kondenser, katup ekspansi, dan cooler (evaporator)mekanisme kerja siklus refrigerasi dan beberapa bagian alat

27 kontrol pengaman ng terdapat pada Reciprocating Water Chiller. Uap /gas refrigerant dari cooler (Evaporator) masuk kedalam kompresor sentrifugal, alirannya dipercepat oleh impeller, kemudian masuk ke bagian diffuser.dimana pada bagian ini terjadi perubahan energi kinetik menjadi energi tekanan.gas bertekanan dan bertemperatur tinggi tersebut masuk ke Kondenser dan mengalami kondensasi sambil melepas kalor ke air pendingin kondenser.sebelum masuk ke cooler (Evaporator) refrigerant cair mengalami ekspansi di katup ekspansi.didalam cooler (Evaporator) refrigerant menyerap kalor dan air dingin sehingga pada waktu keluar dari cooler temperatur air dingin turun. Siklus refrigerant berulang seperti semula. 2.8.2.2 Sistem Pengontrolan Kapasitas Kapasitas pendinginan dari Water Chiller ini dapat diatur dari 10%-100% dari kapsitasnya dengan putaran berkisar antara 1800-1900 rpm.pengaturan kapasitas kompresor sentrifugal dapat dilakukan dengan empat metoda atau kombinasi diantaranya yaitu : 1. Variabel kecepatan putaran 2. Pengaturan bukan Inlet Guide Vane

28 3. Throtting Suction Gas 4. Variabel tekanan condenser Dari keempat metode pengaturan kapasitas tersebut pengaturan dengan bukaan vane yang umum digunakan karena yang paling efsien.pengaturan kapasitas chiller didasarkan pada temperatur air dingin yang keluar dari cooler yang dideteksi oleh sebuah sensor (biasanya thermistor). Sinyal dari sensor masuk ke rangkaian kontroler yang akan membuka dan menutup relay diabagian modulator. Relay akan menggerakkan kedua katup selenoid sedemikian, sehingga oli mengalir dan menggerakkan piston hidrolis, dimana piston ini yang akan mengendalikan posisi dari inlet Guide Vanes. Jika temperatur air dingin yang keluar dari cooler naik, posisi IGV akan bergerak ke arah pembuka sebaliknya apabila temperatur air dingin turun, posisi IGV bergerak ke arah menutup.

29 2.9 Pengukuran Performa Chiller (Daya Listrik) Energi input dalam KW : (Motor Kompressor dalam KW 1 )= V. I.COSφ. 3 (Pompa Colling Tower dalam KW 2) = V. I.COSφ. 3 (Colling Tower FAN Motor dalam KW 3) = V. I.COSφ. 3 (Chiller System Control dalam KW 4) = V. I.COSφ. 3 (Pompa Oli Dalam KW 5) = V. I.COSφ. 3 Output (Cooling Capacity Delivered - Tons) (TS) Temperatur Supply, Chilled Water Supply Temperature - C (TR) Tempratur Return, Chilled Water Return Temperature - C (FCW) Chilled Water Flow Rate litter/minute Chiller Performance = Total KW Input/Tons Output = KW1 + KW2 + KW3 + KW4 + KW5/ Tons Capacity, dimana:tons Capacity = FCW (m 3 /min) x 0.999 kg/ m 3 x (Cp) 0.000646 kwh / kg. C x (TR TS) x 60 mins./hrdivided by 3.516kW/Ton