Proses Pendinginan Udara (anaslisis Psikrometrik)


Dalam udara terkandung uap air yang menyebabkan adanya kelembaban udara. Semakin banyaka uap air yang terkandung dalam udara maka semakin lembab udara tersebut. Jika udara sebuah ruangan didinginkan (misal dengan menggunakan sebuah air conditioner) maka biasanya ada 2 hal yang terjadi, yaitu penurunan suhu dan penurunan kelembaban.
Penurunan suhu terjadi karena adanya penarikan kalor oleh air conditioner (bagian evaporator), akibatnya udara kehilangan kalor dan suhunya menjadi turun. Sedangkan kelembaban turun terjadi karena kandunga uap air berkurang dari udara.
Ada dua macam kalor, yaitu kalor sensible dan kalor laten. Kalor sensibel adalah kalor yang mengakibatkan perubahan suhu, sedangkan kalor laten adalah kalor yang tidak mengakibatkan perubahan suhu. Terjadinya perubahan suhu dan perubahan kelembaban adalah akibat dari kedua jenis kalor ini. Proses pendinginan udara dapat dijelaskan dengan skema psikrometrik berikut.
image
Gambar Skema pendingiina udara pada psikrometrik
Gambar menunjukkan pendinginan udara di daerah evaporator (Air conditioner). Pada awalnya Udara mempunyai suhu TA dan kandungan uap air WA, Kemudian udara ini mengalami penarikan kalor sehingga suhunya turun hingga samapai titik B, yaitu titik dew point atau titik pengembunan. Sampai titik B hanya mengalami penurunan suhu, inilah yang disebut dengan kalor sensibel. Pada titik B (dew point) ini jika udara mengalami pelepasan kalor sedikit saja maka akan terbentuk kondensat yang berasal dari pengembunan uap air yang terkandung dalam udara.
Udara ini terus mengalami pelepasan kalor (didinginkan) yang meyebabkan udara mulai mengembun. Karena uap air dalam udara mengalami pengembunan akibatnya udara kehilangan uap air dan tetap mengalami penurunan suhu sampai di titik C. Hal inilah yang menyebabkan pada air conditioner sering kali ditemukan tetesan air.
Kemudian udara dengan kondisi C ini ditiupkan ke ruangan yang ingin didinginkan. Di ruangan terdapat beban panas dari sumber panas (manusia, alat elektronik, dll). Akibatnya udara tersebut menerima kalor dan mendapatkan uap air (bisa dari keringat manusia yang menguap atau sumber uap yang lain).
Garis putus-putus dari A ke C merupakan garis yang menggambarkan keadaan udara ruangan sebelum dan sesudah didinginkan.
Dari gambar proses pendinginan udara pada karta psikrometri tersebut dapat dilihat bahwa:
Beban Laten ruangan = hA-hS (pengurangan kandungan uap air)
Beban sensibel udara ruangan = hS-hC (penurunan suhu)
Jadi beban total udara agar udara dapat terjaga agar kondisinya tetap R adalah:
Beban total = beban laten + beban sensibel
hA-hC = (hA-hS) + (hS + hC)
Banyaknya uap yang mengembun juga dapat dihitung, yaitu:
WA-WC= banyaknya kondensat yang terjadi setiap satuan massa udara

(Tri Ayodha Ajiwiguna)



Perubahan fasa dan Perubahan suhu

Berdasarkan fasanya zat dapat dibagi menjadi tiga jenis yaitu padat, cair dan gas. Ketiganya memiliki perbedaan masing-masing. Setiap zat juga dapat berubah dari fasa yang satu ke fasa yang lain dengan menerima atau melepaskan kalor.
Pada tulisan ini mengambil contoh air. Air dalam bentuk padat kita kenal dengan es, dalam bentuk cair kita kenal dengan air, dan dalam bentuk gas kita kenal dengan uap air. Misalkan kita mengambil contoh sebuah es batu dengan suhu -20 derajat celcius lalu kita panaskan hingga menjadi uap. Bagaimana prosesnya??
Sebelum menjawab pertanyaan itu ada istilah yang dinamakan kalor sensibel dan kalor laten. Kalor sensibel adalah kalor yang menyebabkan perubahan suhu. Sedangkan kalor laten adalah kalor yang tidak menyebabkan perubahan suhu karena kalor laten digunakan untuk merubah fasa.
Jika sebuah es dalam suhu -20 derajat celcius pada tekanan 1 atm diberikan kalor (kita panaskan) secara terus menerus maka yang terjadi adalah es tersebut mengalami kenaikan suhu sehinggai menjadi es bersuhu suhu 0 derajat celcius sehingga. Inilah yang dinamakan dengan kalor sensibel.

Jika es dengan suhu 0 derajat celcius itu masih diberikan kalor maka suhu es tersebut tidak mengalami kenaikan suhu namun es tersebut akan mencair sehingga menjadi air yang memiliki suhu 0 derajat celcius. Inilah yang dinamakan dengan kalor laten.
Jika air bersuhu 0 derajat Celsius ini masih menerima kalor maka suhunya akan naik lagi sampai titik didih (kalor sensibel). Jika pada saat mendidih tetap menerima kalor maka air tidak akan mengalami kenaikan suhu tapi berubah fasa menjadi uap air/fasa gas (kalor laten). Setalah menjadi uap seluruhnya barulah uap air ini akan mengalami kenaikan suhu lagi.
Untuk menjelaskan hak ini dapat dilihat gambar grafik energi dan suhu dibawah ini:
image
Titik A merupakan gambaran pada saat es bersuhu -20 derajat celcius, kemudian menerima kalor sebesar EB-EA sehingga suhunya naik hingga titik beku-cair. Kemudian menerima kalor lagi sebesar EC-EB sehingga es mencair hingga menjadi air dan seterusnya.
Proses pelepasan kalor sama namun kebalikannya. Jika ada uap dengan kondisi F kemudian melepas kalor sebesar EF-EE maka suhu uap air itu menurun manjadi suhu titik didih, kemudian jika tetap melepaskan kalor maka tidak menurunkan suhu lagi, tetapi fasanya berubah dari yang tadinya uap mencair hingga seluruhnya menjadi cair setelah itu baru suhu air menurun, begitu seteursnya.
Besarnya energi kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu adalah:
clip_image004
Dimana:
clip_image006: Besarnya energi
clip_image008: massa bahan yang suhunya akan naik/turun
clip_image010: kalor jenis bahan
clip_image012: Perubahan suhu bahan
besarnya energi untuk meribah fasa dari fasa padat satu ke fasa cair adalah
clip_image014
Mana:
clip_image006[1]: banyaknya kalor yang dibutuhkan
clip_image017: kalor lebur/cair
clip_image008[1]: massa bahan yang mencair
besarnya energi untuk meribah fasa dari fasa cair satu ke fasa gas adalah
clip_image020
Mana:
clip_image006[2]: banyaknya kalor yang dibutuhkan
clip_image017[1]: kalor uap
clip_image008[2]: massa bahan yang mencair
Pertanyaan iseng…
Jika ada pertanyaan: pada suhu berapa air dan mendidih??
Mungkin sebagian dari besar dari kita akan menjawab tanpa ragu bahwa air akan mendidih adalah 100 derajat celcius. Jawaban ini bisa benar bisa salah karena sebenarnya air dapat mendidih tidak hanya pada 100 derajat celcius. Jawaban yang lebih tepat adalah “pada tekanan 1 atm air mendidih pada suhu 100 derajat celcius”.






























Pembangkit Listrik Tenaga Uap

Uap untuk Pembangkit Listrik
Pembangkit Listrik merupakan sebuah sistem yang dapat menghasilkan listrik yang kemudian listrik tersebut dapat digunakan untuk kebutuhan tertentu. Setidaknya ada dua buah sub sistem dalam pembangkit listrik yaitu generator dan penggerak turbin.
Pembangkit listrik yang paling banyak digunakan adalah dengan menggunakan tenaga uap untuk menggerakan turbin. Untuk menguapkan air dibutuhkan panas/kalor yan cukup agar dapat menghasilkan uap. Sumber kalor yang digunakan bisa berupa pembakaran dari Bahan bakar minyak, gas, batubara ataupun lainnya termasuk Nuklir. Namun, sistem yang digunakan dalam pembangkitan listrik biasanya adalah sistem yang menggunakan siklus rankin. Dengan siklus rankin memungkinkan perubahan energi dari energi yang dimiliki oleh uap menjadi energi mekanik (putaran turbin).
Siklus Rankine
Siklus rankin menggunakan fluida kerja, biasanya air, yang kemudian mengalami beberapa proses. Proses-proses itu antara lain Boiling (Pendidihan), Ekspansi, kondensasi, pemompaan. Untuk lebih jelasnya siklus rankin dapat disederhanakan dengan gambar.1

image

Gambar 1. Komponen dalam siklus rakin.


Karena merupakan sebuah siklus maka proses-proses ini akan berputar terus menerus dengan arah 1-2-3-4-1-dst dengan dihubungkan dengan pipa yang didalamnya mengalir fluida kerja. Dalam gambar terlihat ada garis putus-putus yang membatasi antara tekanan tinggi (HP) dan Tekanan Rendah (LP). Untuk menjelaskan proses-proses tersebut dapat dimulai dari mana saja, tulisan ini akan memulai proses dari 1.

1-->2, Adalah proses boiling atau pemasakan air sehingga air mendidih dan menguap. Uap yang dihasilkan memiliki temperature dan tekanan tinggi sehingga memiliki energi (Entalpi) yang tinggi pula. Pada proses ini diperlukan energi panas (Qin) untuk memasak hingga menguap. Energi panas yang diperlukan dapat berasal dari pembakaran batu bara, Bahan bakar minyak, gas, atau bahkan nuklir.
2-->3, adalah proses ekspansi pada turbin. Dalam proses ini tekanan dan suhu tinggi yang dimiliki oleh uap digunakan untuk menggerakan rotor pada turbin sehingga berputar. Untuk membayangkan hal ini dapat dianalogikan saat memasak air dalam panci dan panci tersebut ditutup rapat dengan tutup yang mempunyai sebuah lubang kecil, dengan cara seperti itu uap akan keluar melalui lubang tersbut. Begitu pula uap yang keluar dari boiler, yang kemudian uap tersebut akan mengenai sudu-sudu turbin sehingga berputar.
3-->4, adalah proses kondensasi. Uap yang telah melewati turbin temperatur dan tekanannya akan turun dan bukan tidak mungkin sudah mulai mengembun menjadi cair. Pada kondenser ini uap akan dialirkan melalui penukar kalor sehingga dapat melepaskan kalor ke lingkungan. Dengan lepasnya kalor dari uap, maka uap akan mengalami pengembunan sehingga seluruh uap menjadi cair semua.
4-->5, adalah proses pemompaan. Air hasil pengembunan dari kondenser dipompakan lagi ke boiler untuk uapkan lagi.
Siklus tersebut terus menerus terjadi sehingga dapat menggerakan turbin sehingga berputar. Putaran ini akan digunakan oleh generator untuk mengubah energi gerak menjadi energi listrik.

Review singkat perpindahan kalor (Heat Transfer)

Kalor adalah sebuah bentuk energi yang secara spontan berpindah dari temperatur yang lebih tinggi ke temperatur yang lebih rendah. Sampai saat ini dikenal tiga macam cara kalor berpindah yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi.

Konduksi

Jika salah satu ujung sebuah batang logam dipanaskan sedangkan ujung lainnya dibiarkan maka lambat laun ujung yang tidak dipanaskan akan menjadi panas juga. Pada kejadian ini terjadi perpindahan kalor dari ujung yang dipanaskan (temperature tinggi) ke ujung yang tidak dipanaskan (temperature rendah). Perpindahan kalor seperti ini dikenal dengan nama konduksi.


 Gambar 1. Perpindahan kalor konduksi (sumber gambar: https://commons.wikimedia.org/)

 

Pada perpindahan konduks, tidak terjadi perpindahan molekul dan terjadi jika ada medium (dalam kasus ini adalah batang logam). Perpindahan kalor secara konduksi dapat dimodelkan secara matematis sebagai berikut.

 

Dimensi pada perpindahan kalor secara konduksi

 

Konveksi

Perpindahan kalor secara konveksi terjadi disertai dengan pergerakan molekul dan biasanya terjadi pada fluida (zat alir). Sebagai contoh adalah jika secangkir air panas diletakkan di ruangan yang sejuk. Pada kasus ini terdapat perbedaan temperatur antara secangkir air panas dengan udara (fluida) ruangan yang sejuk. Udara yang sangat dekat dengan cangkir mengalami kenaikan temperatur karena menempel dengan permukaan cangkir yang panas. Udara yang memiliki temperatur lebih tinggi akan menjadi lebih ringan sehingga udara panas ini naik ke atas. Ruang kosong yang ditinggalkan oleh udara panas ini digantikan oleh udara dingin dari bawah sehingga terjadi aliran udara di dekat permukaan cangkir. Fenomena perpindahan kalor seperti ini dinamakan konveksi.


Konveksi pada secangkir air panas (sumber gambar: commons.wikimedia.org)

 Ditinjau dari cara bergeraknya molekul, konveksi dapat dibagi menjadi dua macam, yaitu konveksi alami (natural convection) dan konveksi paksa (forced convection). Pada konveksi alami, aliran fluida terjadi karena gaya buoyancy (archimides) seperti yag terjadi pada kasus secangkir kopi panas. Sedangkan fluida pada konveksi paksa bergerak karena ada gaya yang sengaja diberikan seperti fan atau pompa.

 Perpindahan kalor secara konveksi disederhanakan menjadi:

 

Dalam perpindahan kalor, konveksi merupakan perpindahan kalor yang cukup rumit karena melibatkan mekanika fluida. Oleh karenanya perhitungan perpindahan kalor secara konveksi lebih sering dengan menggunakan persamaan empiris. Penentuan nilai koefisien konveksi merupakan hal masalah utama dalam perhitungan perpindahan kalor secara konveksi.

Radiasi

Radiasi merupakan suatu fenomena yang cukup baru diobservasi jika dibandingkan dengan konveksi dan konduksi. Sejatinya perpindahan kalor secara radiasi adalah pemancaran gelombang elektromagnetik dari sebuah benda. Secara teori setiap zat yang memiliki temperatur lebih besar dari 0 K akan memancarkan radiasi. Semakin tinggi temperature suatu zat maka semakin besar radiasi yang dipancarakan.

Perpindahan kalor secara radiasi tidak membutuhkan medium. Salah satu contohnya adalah pancaran radiasi matahari sehingga sampai di bumi. Antara bumi dan matahari sebagian besarnya adalah ruang hampa, namun demikian panas matahari tetap dapat sampai ke bumi.

 

Ilustrasi radiasi (sumber gambar: https://www.shutterstock.com/)

 

Secara matematis, radiasi kalor dituliskan sebagai berikut:

 


 (Tri Ayodha Ajiwiguna)

Referensi:

[1] Physics Principles with Applications 6th Edition, Douglas C Giancoli, Pearson Prentice Hall, New Jersey, 2005, pp 355.

AIR CONDITIONER PADA RUANGAN (PEDINGIN RUANGAN)


Air Conditioner biasanya terdiri dari bagian dalam (indoor) dan bagian luar (outdoor). Untuk lebih jelasnya lihat gambar.



Gambar Skema Aliran Udara pada Air Conditioner (AC)

Terlihat pada gambar bahwa dalam ruangan (indoor) terdapat evaporator, sedangkan di luar ruangan terdapat kompresor, kondenser, dan katup ekspansi. Hal ini dimaksudkan agar dalam ruangan hanya terdapat bagian dingin saja (evaporator) sehingga komponen lainnya tidak menjadi sumber panas dalam ruangan

Dalam ruangan

Sumber panas dalam ruangan terdiri dari beban internal dan eksternal. Beban internal antara lain: manusia di dalam ruangan, alat-alat elektronik, lampu, dll. Sedangkan beban eksternal berasal dari perpindahan panas dari luar ke dalam (perambatan panas pada dinding, jendela, dll). Sumber panas inilah yang menyebabkan udara di dalam ruangan menjadi lebih panas.
Evaporator yang bersuhu rendah (dingin) diletakkan di dalam ruangan agar dapat mendinginkan ruangan. Udara ruangan yang tadinya tidak dingin dialirkan melalui kisi-kisi evaporator sehingga terjadilah perpindahan kalor dari udara ke evaporator yang menyebabkan udara menjadi lebih dingin. Udara dingin ini kemudian dialirkan ke ruangan. Udara dingin ini kemudian menerima kalor dari sumber panas (eksternal dan internal) sehingga udara dingin tersebut menjadi tidak sedingin seperti sebelumnya. Udara yang tidak sedingin sebelumnya ini kembali dialirkan ke kisi-kisi evaporator untuk didinginkan dan dialirkan ke ruangan lagi. Begitu seterusnya sehingga udara dalam ruangan tetap terjaga pada kondisini yang diinginkan.

Luar Ruangan

Di luar ruangan merupakan lingkungan yang udaranya tidak dikondisikan menjadi lebih dingin. Oleh karena itu bagian panas dari Siklus Refrigerasi diletakkan diluar ruangan.
Kondenser merupakan bagian siklus refrigerasi yang butuh membuang panas. Perpindahan panas terjadi dari kondenser ke udara lingkungan. Udara luar yang temperaturnya lebih rendah dari pada kondenser dialirkan melalui kisi-kisi kondenser. Di sinilah terjadi perpindahan panas dari kondenser ke udara lingkungan sehingga kondenser dapat melakukan fungsinya yaitu mengembunkan refrigeran.

(Tri Ayodha Ajiwiguna)




Psikrometrik (Psychrometric)

Psikrometrik
Psikrometrik adalah bidang yang mempelajari tentang bagaimana menentukan sifat-sifat fisis dan termodinamika suatu gas yang didalamnya terdapat campuran antara gas-uap. Sebagai contoh adalah menentukan sifat-sifat dari campuran udara dan uap air. Adapun sifat-sifat tersebut anatara lain: Dry Bulb Temperature, Wet Bulb Temperature,  Dew Point, Relative Humidity, Humidity Ratio, Enthalpy, Volume Spesific.
Berikut adalah penjelasan dari masing-masing sitat-sifat tersebut:
Dry Bulb temperature (DBT),  yaitu suhu yang ditunjukkan dengan thermometer bulb biasa dengan bulb dalam keadaan kering. Satuan untuk suhu ini bias dalam celcius, Kelvin, fahrenheit. Seperti yang diketahui bahwa thermometer menggunakan prinsip pemuaian zat cair dalam thermometer. Jika kita ingin mengukur suhu udara dengan thermometer biasa maka terjadi perpindahan kalor dari udara ke bulb thermometer. Karena mendapatkan   kalor maka zat cair (misalkan: air raksa) yang ada di dalam thermometer mengalami pemuaian sehingga tinggi air raksa tersebut naik. Kenaikan ketinggian cairan ini yang di konversika dengan satuan suhu (celcius, Fahrenheit, dll).
Gambar 1. Thermometer (sumber gambar:  thebeerkag.co.za)

Wet Bulb Temperature (WBT), yaitu suhu bola basah. Sesuai dengan namanya “wet bulb”, suhu ini diukur dengan menggunakan thermometer yang bulbnya (bagian bawah thermometer) dilapisi dengan kain yang telah basah kemudian dialiri udara yang ingin diukur suhunya.

Perpindahan kalor terjadi dari udara ke kain basah tersebut. Kalor dari udara akan digunakan untuk menguapkan air pada kain basah tersebut, setelah itu baru digunakan untuk memuaikan cairan yang ada dalam thermometer.

Untuk menjelaskan apa itu wet bulb temperature, dapat kita gambarkan jika ada suatu kolam dengan panjang tak hingga diatasnya ditutup.  Kemudian udara dialirka melalui permukaan air. Dengan adanya perpindahan kalor dari udara ke permukaan air maka terjadilah penguapan.  Udara menjadi jenuh diujung kolam air tersebut. Suhu disinilah yang dinamakan Wet Bulb temperature.

Gambar 2. Penjelasan Perbedaan Dry Bulb dan Wet Bulb temperature.
Untuk mengukur dua sifat (Dry dan Wet bulb temperature) ini sekaligus biasanya menggunkan alat yang namanya sling, yaitu dua buah thermometer yang di satukan pada sebuah tempat yang kemudian tempat tersebut dapat diputar.  Satu thermometer biasa dan yang lainnya thermometer dengan bulb diselimuti kain basah.



<

Gambar 3. Sling (sumber gambar: meted.ucar.edu)
Dew Point, yaitu suhu dimana udara telah mencapai saturasi (jenuh). Jika udara tersebut mengalami pelepasan kalor sedikit saja, maka uap air dalam udara akan mengembun.

Humidity Ratio (w), yaitu ukuran massa uap air yang ada dalam satu satuan udara kering (Satuan International: gram/kg).

Relative Humidity (RH),  Perbandingan antara fraksi mol uap dengan fraksi mol udara basah pada suhu dan tekanan yang sama (satuannya biasanya dalam persen (%)).

Volume Spesifik (v), yaitu besarnya volume udara dalam satu satuan massa. (SI: m3/kg)

Enthalpy (h), yaitu banyaknya kalor (energy) yang ada dalam udara setiap satu satuan massa. Enthalpy ini merupakan jumlah total energi yang ada dalam udara terebut, baik dari udara maupun uap air yang terkandung didalamnya.

KARTA PSIKROMETRIK (PSYCHROMETRIC CHART)
Karta psikrometrik merupakan sebuah diagram yang didalamnya terdapar sifat-sifat dari udara. Dengan sebuah karta psikrometrik dapat diketahui sifat-sifat udara dengan mengetahui setidaknya 2 sifat udara yang lainnya. Sebagai contoh: disebuah ruangan kita ukur  suhu WBT dan DBT dengan sling, dengan mengetauhui dua suhu tersebut maka kita dapat menentukan sifat-sifat lainnya (RH,volume spesifik, humidity ratio, enthalpy). Sifat-sifat udara lainnya itu dapat ditentuka dengan cara mencari titik perpotongan garis dua besaran yang telah diketahui. Di titik tersebut dapat dilihat sifat-sifat lainnya.
Gambar 4. Titik pada psikrometrik
Gambar 5. Karta Psikrometrik (sumber: wikipedia.org)

(Tri Ayodha Ajiwiguna)

Diagram P-h (Tekanan VS Entalpi)

Diagram P-h merupakan diagram dengan sumbu x menunjukan enthalpy (h) dan dan sumbu y menunjukkan Tekanan (P). Seperti terlihat dalam gambar 1 (klik gambar untuk perbesar). Biasanya diagram P-h juga dilengkapi dengan garis-garis besaran lain, seperti garis suhu, entropi, dan volume jenis

Selain garis-garis besaran terebut diatas, terdapat pula kubah saturasi (ditunjukkan dengan garis merah). Kubah ini merupakan kubah yang menunjukkan fasa zat. Didalam kubah merupakan daerah dimana fasa dari zat berupa campuran gas dan cair.

Di bagian kanan terdapat garis saturasi gas (gas jenuh). Di garis ini zat dalam keadaan tepat jenuh gas. Jika sedikit saja ke kiri maka sudah ada bagian yang mencair dan jika sedikit saja ke kanan maka sudah terjadi superheated. Superheated adalah keadaan dimana pada saat suatu zat yang sudah dalam keadaan gas jenuh, kemudian mengalami kenaikan suhu.

Gambar 1. Contoh Diagram P-h 


Di bagian kiri terdapat garis saturasi cair (Cair jenuh). Di garis ini zat dalam keadaan tepat cair jenuh. Jika sedikit saja ke kanan maka sebagian zat akan menguap menjadi gas dan sedikit saja ke kiri maka zat akan menjadi keadaan subcooled. Subcooled adalah keadaan pada saat suatu zat yang sudah menjadi cair jenuh kemudian mengalami penurunan suhu.


Untuk lebih jelasnya dapat dilihat garis lurus dengan arah ke kanan. Garis tersebut dimulai dari sebelah kiri kubah atau dengan kata lain awalnya zat dalam keadaan subcooled.

Proses 1 ke 2, zat dalam keadaan subcooled tersebut menerima kalor sehingga terjadi keniakan suhu sampai zat menjadi saturasi cair. Enthalpy pada zat tersebut naik. Pada titik 2 zat dalam keadaan saturasi cair.

2 ke 3, Zat tersebut menerima kalor akibatnya enthalpy naik. Dalam tahap ini kalor yang diterima tidak mengubah suhu zat, melainkan merubah fasa menjadi gas. Zat yang tadinya berupa saturasi cair mulai berubah menjadi gas (menguap). Antara titik 2 dan titik 3 berfasa campuran. Semakin dekat dengan titik 3 semakin banyak zat yang berfasa gas. Sebaliknya semakin dekat dengan titik 2, semakin banyak zat yang berfasa cair. Di titik 3 keadaan zat menjadi saturasi gas (gas jenuh) di mana semua zat berfasa gas.

Proses 3 ke 4, Setelah berfasa saturasi gas, zat tersebut menerima kalor akbatnya entalphy terus naik. Pada proses ini terjadi kenaikan suhu sehingga zat menjadi keadaan superheated.

Proses 1-->2-->3-->4 terjadi pada tekanan (P) yang sama. Dalam diagram P-h ini juga dapat menggambarkan proses-proses lain sehingga diketahui besaran-besaran yang ada pada proses tersebut.

Untuk setiap zat memiliki diagram P-h masing-masing. Biasanya diagram P-h digunakan untuk sistem thermodnamika seperti sistem rankin, sistem refigerasi dan lain-lain

Sistem Chiller dan Cooling Tower

Oleh: Tri Ayodha Ajiwiguna

Untuk mengkondisikan udara gedung-gedung besar AC biasa mungkin sudah tidak efisien lagi. Dapat dibayangkan jika menggunakan AC biasa  sangat banyak refrigerant yang harus digunakan. Begitu pula dengan kerja kompresornya. Oleh karena itu sering kali sistem yang digunakan adalah sistem Chiller.

Video Penjelasan singkat mengenai sistem chiller dengan cooling tower:



https://youtu.be/FC6ynp6ZEyw


Chilled Water

Untuk mendinginkan udara dalam gedung, chiller tidak langsung mendinginkan udara melainkan mendinginkan fluida lain (biasanya air) terlebih dahulu. Setelah air tersebut dingin kemudian air dialirkan melaui AHU (Air Handling Unit). Di sinilah terjadi pendinginan udara. Untuk lebih jelasnya lihat gambar 1. 




Gambar 1. Skema Chiller


Chiller dapat dibuat dengan prinsip siklus refrigerasi kompresi uap atau sistem absorbsi. Dalam tulisan ini yang dibahas adalah chiller yang menggunakan sistem refrigerasi kompresi uap. Sistem refrigerasi yang digunakan dalam chiller tidak jauh berbeda dengan AC biasa, namun perbedaannya adalah pertukaran kalor pada sistem chiller tidak langsung mendinginkan udara.

Video penjelasan siklus refrigerasi kompresi uap:




Pada evaporator terjadi penarikan kalor. Heat Exchanger disini mungkin berupa pipa yang didalamnya terdapat pipa. Di pipa yang lebih besar mengalir air sedangkan pipa yang lebih kecil mengalir refrigeran (bagian evaporator siklus refrigerasi). Untuk lebih jelasnya dapat dilihat Gambar 2.



Gambar 2. Penampang Heat Exchanger Chiller

Di Heat Exchanger tersebut terjadi pertukaran kalor antara refrigeran yang dengan air. Kalor dari air ditarik ke refrigeran sehingga setelah melewati Heat exchanger air menjadi lebih dingin. Air dingin ini kemudian dialirkan ke AHU (Air Handling Unit) untuk mendinginkan udara. AHU  terdiri dari Heat exchanger yang berupa pipa dengan kisi-kisi di mana terjadi pertukaran kalor antara air dingin dengan udara.

Air dingin yang telah melewati AHU suhunya menjadi naik karena mendapatkan kalor dari udara. Setelah melewati AHU air akan mengalir kembali ke Chiller (Bagian Evaporator) untuk didinginkan kembali.


Cooling Water

Seperti dijelaskan sebelumnya dalam chiller juga terdapat perangkat refrigerasi yang sistemnya terdapat bagian yang menarik kalor dan membuang kalor. Dalam hal pembuangan kalor sering kali chiller menggunakan perantara air untuk media pembuangan kalornya. Untuk lebih jelasnya lihat gambar 3.


Gambar 3. Skema Cooling water dengan Cooling Tower

Hampir sama dengan Chilled water, pertukaran kalor chiller pada kondensernya juga melalui perantara air. Air dialirkan melalui kondenser. Kondenser ini juga merupakan Heat exchanger berupa pipa yang didalamnya terdapat pipa. Pipa yang lebih besar untuk aliran air dan pipa yang lebih kecil untuk aliran refrigeran. Di Heat exchanger ini terjadi pertukaran kalor dimana kalor yang dibuang kondenser diambil oleh air. Akibatnya air yang telah melewati kondenser akan menjadi lebih hangat. Kemudian air ini dialirkan ke cooling tower untuk didinginkan dengan udara luar. Setelah air ini menjadi lebih dingin, kemudian alirkan kembali ke kondenser untuk mengambil kalor yang dibuang kondenser.

Jadi di dalam sistem Chiller yang dijelaskan diatas dapat dijadikan satu kesatuan sistem yang terdiri dari tiga buah siklus, yaitu: siklus refrigerasi (Chiller), Siklus Chilled Water, dan siklus Cooling Water. Untuk menjelaskan hal ini dapat dilihat gambar 4.



Gambar 4. Skema Chiller, Chilled Water dan Cooling Water






Buat yang masih bingung bagaimana cara kerja AC

Kalau masih bingung dengan sistem refrigeasi mungkin penjelasan contoh di bawah ini dapat membantu.

Misalkan ada sebuah AC Pendingin dengan refrigeran R22 yang memiliki kondisi kerja  tekanan tinggi (HP) 2 MPa dan tekanan rendah (LP)0.7 Mpa.

Perhatikan juga gambar 1 pada "Cara Kerja Air Conditioner". Misalkan diawali dengan proses dari nomor 1 ke nomor 2.  R22 di titik 1 berada di tekanan rendah (0.7 MPa), kemudian  mengalami kompresi secara isentropik ke titik 2 sehingga menjadi tekanan tinggi (2MPa).  Pada titik 2 suhu  refrigeran R22 menjadi sekitar 75 derajat celcius dalam bentuk gas.


Sejanjutnya dari nomor 2 ke nomor 3. Suhu 75 derajat celcius ini lebih tinggi dari pada udara lingkungan sekitar kondenser (misalkan udara sekitar kondenser 28 derajat celcius) sehingga refrigeran melepaskan kalor.  Akibatnya  temperatur refrigeran turun sampai refrigeran mulai mengembun, pada tekanan 2 MPa R22 mulai mengembun pada temperature sekitar 40 derajat celcius. Pada temperatur  ini (40 derajat celcius) masih lebih tinggi dari pada  suhu udara lingkungan, refrigeran tetap melepaskan kalor. Pelepasan kalor kali ini tidak menurunkan suhu tetapi merubah fasa refrigeran yang tadinya befasa gas berubah menjadi fasa cair (mengembun/kondensasi). Refrigeran terus mengalami pengembunan/kondensasi dari yang  seluruhnya gas-->  menjadi campuran gas-cair --> dan akhirnya menjadi cair semua. Proses ini berlangsung pada kondenser, sesuai dengan namanya kondenser berfungsi untuk mengkondensasikan refrigeran. Kondenser  ini diletakkan di luar ruangan yang ingin didinginkan (misalkan di  luar rumah/gedung).

Selanjutnya dari nomor 3 ke nomor 4. Setelah fasa refrigeran menjadi cair semua, kemudian mengalami ekspansi yang menyebabkan tekanan refrigeran turun dari tekanan tinggi (2 MPa) menjadi tekanan rendah (0.7 MPa) secara isoentalphy. Penurunan tekanan ini disertai dengan penurunan suhu  yang sangat drastis. Refrigeran R22 pada keadaan ini dan tekanan 0.7 MPa mempunyai suhu sekitar  15 derajat celcius. Fasanya pun sedikit berubah, yang semula berfasa cair semua menjadi ada sedikit  fasa gas.

Kembali ke awal dari nomor 4 ke nomor 1. Suhu 15 derajat celcius ini lebih rendah dari pada Suhu udara ruangan yang didinginkan (misalkan awalnya ruangan bersuhu 25 derajat celcius). Akibatnya terjadi perpindahan kalor dari udara ruangan yang didinginkan ke refrigeran.  Namun perpindahan kalor ini tidak membuat refrigeran mengalami keniakan suhu melainkan mengalami perubahan fasa. Refrigeran mengalami perubahan fasa dari yang tadinya banyak berfasa cair menjadi fasa gas. Proses ini berlangsung pada evaporator, sesuai dengan namanya evaporator berfungsi untuk menguapkan (evaporasi) refrigeran.

Sedangkan jika ditinjau dari udara ruangan yang ingin didinginkan maka udara tersebut mengalami perpindahan kalor ke refrigeran sehingga udara kehilangan kalor. Kehilangan kalor ini menyebabkan temperatur  udara menjadi turun.

Pelajari juga diagram P-h dan Siklus Refrigerasi dalam Diagram P-h!