2.4 Psikometrik
Psikometrik adalah salah satu sub-bidang engineering yang khusus mempelajari sifat-sifat thermofisik campuran udara dan uap air. Dalam hal ini,
campuran udara dan uap air untuk selanjutnya akan disebut “udara”. Pada
psikometrik, udara “hanya” dibedakan atas udara kering dan uap air.
Meskipun udara kering masih dapat dibedakan lagi menjadi komponen gas yang terdiri dari nitrogen, oksigen, karbon dioksida, dan yang lainnya, tetapi pada
psikometrik semuanya diperlakukan sebagai satu unit sebagai udara kering. Demikian juga, jika di dalam udara yang sedang dibahas terdapat kandungan gas
lain atau kontaminan, pada analisis psikometrik, efek kandungan ini terhadap sifat-sifat termodinamik dapat diabaikan. Tujuan utama mempelajari psikometrik
ialah, dengan mengetahui sifat-sifat termodinamik udara kita dapat menghitung besarnya energi yang diperlukan untuk mengkondisikan udara air conditioning.
Ada dua cara yang dapat digunakan untuk mendapatkan sifat-sifat termodinamik udara, yaitu dengan menggunakan persamaan-persamaan dan
dengan menggunakan grafik yang menggambarkan sifat-sifat termodinamik udara, yang biasa disebut Psychrometric chart. Dengan menggunakan grafik ini,
proses-proses seperti pendinginan udara, dehumidification, dan perlakuan udara pengering dapat dijelaskan dengan lebih mudah. Parameter-parameter dan istilah
yang digunakan untuk menggambarkan sifat-sifat termodinamik udara antara lain: humidty ratio, relative humidity, dry-bulb dan wet-bulb temperature, dew-point
temperature, sensibel and latent heat, density, moist volume, dan entalpi. Parameter untuk perhitungan sifat sifat termodinamik udara antara lain
a. humidity ratio rasio humiditas
Karena udara adalah gabungan udara kering dan uap air yang terkandung pada
udara, maka humidity ratio adalah perbandingan massa uap air
m
w
dan massa udara
m
a
, yang dirumuskan :
Universitas Sumatera Utara
� =
�
�
�
�
1
Satuan dari parameter ini adalah kg uap airkg udara atau gram uap airkg udara. Dengan menggunakan persamaan gas ideal dan hukum Dalton, yang merumuskan
hubungan antara kandungan gas dengan tekanan parsial gas, maka rasio humiditas
dapat juga dinyatakan dengan:
� = �, �����
�
�
�
���
− �
�
2 Dimana
�
�
adalah tekanan parsial uap air dan �
���
adalah tekanan atmosfer.
Persamaan 2 menunjukkan bahwa hanya dengan mengetahui tekanan parsial uap air pada temperatur tertentu, kita dapat menentukan kandungan uap air pada
udara.
b. relative humidity RH Relative Humadity merupakan perbandingan fraksi mol uap air pada udara dengan
fraksi mol uap air saat jika udara tersbut mengalami saturasi. Berdasarkan defenisi ini, persamaan yang digunakan untuk menghitung RH adalah:
�� =
���
���
���
���,��������
3 Sebagai catatatan, pada saat saturasi fraksi mol uap air yang terkandung di dalam
udara adalah fraksi mol maksimum. Setelah itu uap air akan mulai mengembun, atau berubah fasa menjadi cair. Berdasarkan fakta ini, pada saat terjadi saturasi,
nilai relative humidity adalah 100. Jadi harus diingat saat terjadi saturasi RH = 100.
Dengan menguraikan defenisi fraksi mol dan persaman gas ideal, RH dapat juga didefenisikan sebagai:
�� =
�
�
�
��
4
Pws adalah tekanan uap saat terjadi saturasi dan merupakan fungsi dari
Universitas Sumatera Utara
temperatur. Persamaan yang diusulkan ASHRAE dapat digunakan untuk
menghitung Pws Pa :
�� �
��
=
�
�
�
+ �
�
+ �
�
� + �
�
�
�
+ �
�
�
�
+ �
�
�� �
5 Dimana
� adalah temperatur mutlak dalam K. Konstanta C
1
sampai dengan C
6
adalah sebagai berikut : C
1
= -5,8002206 x 10
3
C
2
= 1,39114993 C
3
= -4,8640239 x 10
-2
C
4
= 4,1764768 x 10
-5
C
5
= -1,4452093 x 10
-8
C
6
= 6,5459673
c. Temperatur bola kering dan temperatur bola basah Dry bulb and wet
bulb temperature Temperatur bola kering dry bulb temperture adalah temperatur udara yang
ditunjukkan oleh alat ukur atau termometer. Dengan kata lain, jika saat ini anda memegang termometer diminta mengukur berapa temperatur udara, maka yang
ditunjuk oleh alat ukur itulah temperatur bola kering. Penyebutan “bola kering” ini hanyalah untuk keperluan analisis pada psikometrik, pada prakteknya dalam
kehidupan sehari-hari istilah “bola kering” hampir tidak pernah disebutkan. Tempertur bola basah, T, wet bulb temperatur adalah suatu parameter yang sulit
untuk didefenisikan. Parameter ini adalah parameter fiktif yang digunakan untuk mendefinisikan sifat udara. Untuk mendefinisian T
wb
akan digunakan illustrasi berikut:
Misalkan pada suatu ruangan yang tertutup rapat atau adiabatik, terdapat air dan udara yang mempunyai temperatur bola kering T
db
. Setelah beberapa lama, air
Universitas Sumatera Utara
akan menguap sebagian dan bercampur dengan udara, udara mengalami humidifikasi, dan terjadilah kondisi setimbang atau jenuh.
Karena ruangan tersebut bersifat adiabatik, sementara proses penguapan air dari cair menjadi fasa uap pasti menyerap energi berupa panas, maka panas ini
pasti berasal dari udara di ruang tersebut.
Gambar 2.7 Perubahan temperatur menjadi temperatur bola basah Himsar Ambarita, 2010
Oleh karena itu, temperatur awal udara akan turun akibat naiknya kandungan uap airnya. Temperatur inilah yang didefenisikan menjadi temperatur bola basah.
Berdasarkan kesetimbangan energi, T
wb
dapat dihitung dengan persamaan:
�
��
= �
��
−
�
′
−�
�
�
��
�
��
5 ℎ
��
adalah panas penguapan air pada temperatur bola basah, nilainya dapat dilihat pada Tabel 1 di lampiran. Sementara
�
��
adalah panas jenis udara. Sebagai catatan, semua parameter yang ada di sebelah kanan masih
merupakan fungsi dari T
wb
. Oleh karena itu, persamaan ini terlihat sangat
udara T
db
W
o
air udara
T
wb
W’
air awal
akhir
Universitas Sumatera Utara
sederhana, tetapi sangat sulit diselesaikan. Penyelesaian persamaan ini adalah dengan try and error atau dengan menggunakan metode numerik.
d. Panas jenis udara pada tekanan constan C
p
Panas jenis udara atau gas ada dua, yaitu : panas jenis pada volume konstan dan panas jenis pada tekanan konstan. Pada psikometrik, hanya panas jenis pada
tekanan konstan yang digunakan. Panas jenis udara pada tekanan konstan adalah penjumlahan panas jenis udara kering dan panas jenis uap air yang dikandung
udara tersebut.
�
�
= �
��
+ �
��
6 Dimana
�
��
adalah panas jenis udara kering dan
�
��
adalah panas jenis uap air.
e. Volume spesifik udara, moist volume v, dan rapat massa density
v adalah volume udara yang mempunyai massa tepat 1 kg, atau dapat dirumuskan
� = � �
�
3
��
� . Dengan mengingat defenisi bahwa udara adalah
campuran udara kering dengan uap air, dan dengan menggunakan persamaan gas ideal, maka v dapat dirumuskan menjadi:
� =
�� �+ �,����
�
�
=
���,�����+ �,����
�
�
7
Dimana T adalah suhu udara dalam K dan p tekanan dalam Pa. Sementara density adalah kebalikan dari v.
� =
� �
=
� �
8
Universitas Sumatera Utara
f. Temperatur Dew-point Dew-point temperature
Temperatur Dew-point adalah temperatur udara saat terjadi kondensasi. Misalkan udara yang mempunyai temperatur awal T dan rasio kelembaban w
diturunkan suhunya secara perlahan-lahan. Temperatur udara pada saat mulai terbentuk embun, disebut temperatur dew point. Hubungan antara temperatur
udara dan temperatur dew-point dirumuskan sebagai berikut:
�
�
=
���� �+��� ����− �+��� ����
− ���
9
Dengan catatan semua temperatur dalam satuan Celcius.
g. Entalpi udara
Entalpi udara adalah kandungan energi total yang dimiliki oleh udara. Di dalam termodinamika, entalpi suatu materi harus dihitung dengan menggunakan
nilai acuan referensi. Dengan menggunakan acuan saat udara pada C, entalpi
udara dalam kJkg dihitung dengan persamaan:
�
�
= �, ���� + ����� + �, ����
10
Dimana T adalah temperatur dalam C.
Sebagai catatan, bagian pertama dari persamaan 10 adalah entalpi dari udara kering dan bagian kedua adalah entalpi uap air yang dikandung udara saat itu
.
h. Panas sensible
Panas sensibel adalah energi yang diberikan atau diterima suatu materi yang membuat temperaturnya berubah. Sementara panas laten adalah panas yang
diberikan atau diterima suatu materi yang membuat fasanya berubah. Contoh, jika kita memanaskan air pada tekanan atmosfer mulai dari 0 sampai 100
C, maka
Universitas Sumatera Utara
panas yang diterima air itu adalah panas sensibel. Jika setelah 100 C, air tersebut
masih kita panasi, maka suhunya tetap 100 C tidak naik, tetapi fasanya akan
berubah menjadi uap. Panas yang diterima air saat itu disebut panas laten. Untuk
materi yang homogen proses pelepasan atau penerimaan panas sensibel dan panas
laten dapat dibedakan dengan jelas. Panas sensibel saat suhunya berubah dan
fasanya tetap, tetapi panas laten saat fasanya berubah dan suhunya tetap. Pada
udara, bagian udara kering hanya akan memiliki panas sensibel, karena tidak akan
terjadi perubahan fasa. Bagian uap air akan memiliki
panas sensibel untuk mengubah temperaturnya dan sekaligus panas laten karena perubahan fasa. Persamaan entalpi pada
persamaan 10 dapat diubah bentuknya menjadi :
�
�
= �, ��� + �, ���
�
� + ����
�
11
Dua bagian pertama pada persamaan ini adalah panas sensibel dan bagian terakhir adalah panas laten.
i. Grafik Psikometrik pshycometric chart
Ada tujuh sifatatau kelompok sifat termodinamik atau termofisik udara yang ditampilkan pada grafik psikometrik, yaitu:
1 entalpi 2 RH
3 T
wb
4 tekanan atmosfer 5 tekanan dan temperaratur saturasi
6 density dan volume spesifik
Universitas Sumatera Utara
7 humiditity ratio, p
w
, dan T
d
Sebagai catatan garis entalpi dan garis T
w
pada grafik psikometri mempunyai kemiringan yang hampir sama dan sulit dibedakan. Oleh karena itu, kedua garis
ini akan kelihatan berimpit. Kelompok sifat tersebut dapat kita lihat pada grafik psikometrik berikut ini :
Gambar 2.8 Grafik Psikometrik Himsar Ambarita, 2010
2.5 Teori Computational Fluid Dynamics CFD
Kategori