Rancang Bangun Mesin Pengering Pakaian Sistem Pompa Kalor Dengan Penambahan Alat Penukar Kalor Tipe Plat Datar
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Proses Pengeringan
Pengeringan adalah menghilangkan air dari suatu bahan. Proses pengeringan
berlaku apabila bahan yang dikeringankan kehilangan sebahagian atau keseluruhan
air yang dikandungnya. Proses utama yang terjadi pada proses pengeringan adalah
penguapan. Penguapan terjadi apabila air yang dikandung oleh suatu bahan teruap,
yaitu apabila panas diberikan kepada bahan tersebut.
Prinsip pengeringan biasanya akan melibatkan dua kejadian yaitu panas yang
diberikan pada bahan dan air harus dikeluarkan dari bahan. Dua fenomena ini
menyangkut pindah panas ke dalam dan pindah massa ke luar. Yang dimaksud
dengan pindah panas adalah peristiwa perpindahan energi dari udara ke dalam bahan
yang dapat menyebabkan berpindahnya sejumlah massa (kandungan air) karena gaya
dorong untuk keluar dari bahan (pindah massa).
Dalam pengeringan umumnya diinginkan kecepatan pengeringan yang
maksimum, oleh karena itu diusahakan untuk mempercepat pindah panas dan pindah
massa. Perpindahan panas dalam proses pengeringan dapat terjadi melalui dua cara
yaitu pengeringan langsung dan pengeringan tidak langsung. Pengeringan langsung
yaitu sumber panas berhubungan dengan bahan yang dikeringkan, sedangkan
pengeringan tidak langsung yaitu panas dari sumber panas dilewatkan melalui
permukaan benda padat (conventer ) dan conventer tersebut yang berhubungan dengan
6
Universitas Sumatera Utara
bahan. Setelah panas sampai ke bahan maka air dari sel-sel bahan akan bergerak ke
permukaan bahan kemudian keluar.
Mekanisme keluarnya air dari dalam bahan selama pengeringan adalah
sebagai berikut:
1. Air bergerak melalui tekanan kapiler
2. Penarikan air disebabkan oleh perbedaan konsentrasi larutan disetiap bagian
bahan
3. Penarikan air ke permukaan bahan disebabkan oleh absorpsi dari lapisanlapisan permukaan komponen padatan dari bahan
4. Perpindahan air dari bahan ke udara disebabkan oleh perbedaan tekanan uap.
Ketika benda padat basah di keringkan dengan proses pemanasan, terjadi dua
proses secara bersamaan, yaitu:
1. Terjadinya perpindahan energi (panas) dari lingkungan sekitar untuk
menguapkan kelembaban ke permukaan. Perpindahan energi (panas) dari
lingkungan sekitar ke benda basah dapat terjadi secara konveksi, konduksi atau
radiasi dan dalam beberapa kasus dapat terjadi secara gabungan.
2. Terjadinya perpindahan kelembaban internal bahan ke permukaan benda.
2.2. Faktor-faktor yang mempengaruhi kecepatan pengeringan.
Proses pengeringan suatu bahan tergantung pada 2 faktor yaitu faktor
eksternal dan faktor internal. Penghilangan air sebagai uap dari permukaan material
tergantung pada kondisi eksternal yaitu suhu yang tinggi, laju udara (Air Flow) yang
tinggi, kelembaban udara (Air Humidity) yang rendah, luas permukaan terbuka, dan
7
Universitas Sumatera Utara
tekanan (Pressure). Pergerakan kelembaban internal pada material yang dikeringkan
adalah fungsi dari sifat fisik zat padat (luas permukaan), suhu, dan kadar air. Pada
proses pengeringan salah satu dari kondisi ini memungkinkan menjadi faktor
pembatas yang mengatur laju pengeringan, meskipun keduanya dapat berproses
secara berkesinambungan.
Laju pengeringan biasanya meningkat di awal pengeringan kemudian konstan
dan selanjutnya semakin menurun seiring berjalannya waktu dan berkurangnya
kandungan air pada bahan yang dikeringkan. Laju Pengeringan merupakan jumlah
kandungan air bahan yang diuapkan tiap satuan berat kering bahan dan tiap satuan
waktu .
2.3. Pakaian
Pakaian adalah kebutuhan pokok manusia selain makanan dan tempat
berteduh/tempat tinggal (rumah). Manusia membutuhkan pakaian untuk melindungi
dan menutup dirinya. Namun seiring dengan perkembangan kehidupan manusia,
pakaian juga digunakan sebagai simbol status, jabatan, ataupun kedudukan seseorang
yang memakainya.
Perkembangan dan jenis-jenis pakaian tergantung pada adat-istiadat,
kebiasaan dan kebudayaan yang memiliki ciri khas masing-masing. Pakaian juga
memberikan penghalang higienis, menjaga toksin dari badan dan membatasi
penularan kuman.
8
Universitas Sumatera Utara
2.3.1. Fungsi Pakaian
Salah satu tujuan utama dari pakaian adalah untuk menjaga pemakainya
merasa nyaman. Dalam iklim panas pakaian menyediakan perlindungan dari terbakar
sinar matahari atau berbagai dampak lainnya, sedangkan di iklim dingin sifat insulasi
termal umumnya yang lebih penting.
Pakaian melindungi bagan tubuh yang tidak terlihat. Pakaian bertindak
sebagai perlindungan dari unsur-unsur yang merusak, antara lain hujan, panas, angin
dan kondisi cuaca lainnya serta matahari. Pakaian juga mengurangi tingkat resiko
selama kegiatan, seperti bekerja atau berolah raga, dan juga dari bahaya lingkungan
seperti serangga, bahan kimia berbahaya, senjata dan kontak dengan zat abrasif.
2.3.2. Jenis dan Bahan Pakaian
Pada awalnya, manusia memanfaatkan kulit pepohonan dan kulit hewan
sebagai bahan pakaian. Kemudian dengan perkembangan zaman, memanfaatkan
benang yang dipintal dari kapas, bulu domba serta sutera yang dijadikan kain sebagai
bahan dasar pakaian. Kini dikenal berbagai macam bahan pakaian antara lain:
a.Kain Katun (Cotton)
Kain katun adalah jenis kain rajut (knitting) yang berbahan dasar serat
kapas. Terdapat jenis kain yang mirip dengan kain katun yaitu kain PE. Cara
mudah membedakannya adalah apabila kain katun dibakar maka baunya
seperti kertas atau kayu dibakar, akan menjadi abu, dan jalannya api lambat.
Keunggulan:
Tidak luntur untuk bahan berwarna
9
Universitas Sumatera Utara
Mudah Ticodak kisut apabila dicuci
Menyerap keringat
disablon
Tidak berbulu
Kelemahan:
Bahan terasa dingin dan sedikit kaku
Mudah kusut
Pakaian / kain akan rusak bila direndam lebih dari 2 jam dalam detergen
Rentan terhadap jamur
Contoh kain berbahan katun dapat dilihat pada Gambar2.1
Gambar 2.1 Jenis Kain Berbahan Katun/Cotton
(sumber : www.bahankain.com)
b.Katun Kombed (Combed Cotton)
Adalah jenis kain katun yang diproduksi dengan finishing disisir
(combed) dengan tujuan agar serat-serat kapas halus dapat dipisahkan
sehingga kain yang dihasilkan lebih halus dan tidak berbulu (serat Benang
lebih halus, hasil rajutan dan penampilan lebih rata). Kain katun kombed
10
Universitas Sumatera Utara
tersedia dalam dua ukuran yaitu 20s dan 30s. Kain jenis ini biasa
digunakan untuk bahan kaos distro-distro bandung. Katun Kombed 20s
adalah kain katun kombed yang terbuat dari Benang yang berukuran 20s.
Katun Kombed 30s adalah kain katun kombed yang terbuat dari Benang
yang berukuran 30s. Kain katun kombed 20s lebih tebal daripada 30s.
Sehingga kain katun 30s lebih lemas daripada kain katun 20s. Contoh kain
berbahan Katun Kombed dapat dilihat pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2. Jenis Kain Katun Kombed (Combed Cotton)
(sumber : www.bahankain.com)
c.
Linen,
Yaitu serat dari sejenis alang-alang. Linen adalah jenis kain yang
pertama kali dibuat oleh manusia mulai zaman prasejarah 500-1000SM. Jenis
kain linen cenderung kaku dan tebal dan sering digunakan sebagai kain sprei,
serbet, tirai, terpal. Bahan kain ini digunakan pada zaman Mesir Kuno untuk
membungkus mumi karena dianggap sebagai lambang kesucian dan cahaya.
Saat ini penggunaan bahan linen sering digantikan dengan jenis kain bahan
katun karena lebih mudah didapatkan. Contoh kain berbahan linen dapat
dilihat pada Gambar 2.3.
11
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.3. Jenis Kain Berbahan Linen
(sumber : www.fitinline.com)
d.
Wool
Serat wol berasal dari bulu – bulu binatang seperti domba atau biri –
biri. Serat ini biasa digunakan untuk pembuatan baju hangat karena sifatnya
yang dapat menghangatkan karena serat wol memiliki daya kelenturan yang
tinggi. Serat wol dapat merenggang 35% dari panjang asalnya. Penggunan
serat wol telah dilakukan sejak jaman perunggu (2500-3000 SM). serat wol
bersisik dan keriting. Wol mengandung protein dan juga belerang. Serat wol
banyak digunakan ditempat yang dingin. Serat wol dapat menyerap uap air
dengan baik serta tidak mudah kusut tetapi serat wol mudah terserang
ngengat. Contoh kain berbahan wool dapat dilihat pada Gambar 2.4.
12
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.4. Jenis Kain Berbahan Wool
e.
Denim
Denim biasa digunakan untuk celana jeans sehingga banyak orang
mengasosiasikan denim adalah jeans, padahal denim adalah jenis kain
sedangkan jeans adalah salah satu merk celana yang tenar. Bahan denim
banyak dipakai untuk celana, rok, dan jaket.
Sifat denim: - daya serap yang baik
- bahan tebal dan tahan lama
Tips:
Semakin gelap warna denim maka semakin mudah mencari padanannya.
Denim berwarna gelap terkesan lebih rapi dan formal. Warna usang dapat
diwarnai kembali agar terlihat baru. Contoh kain berbahan Denin dapat dilihat
pada Gambar 2.5.
13
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.5. Jenis Kain Berbahan Denim
Sifat fisik, termal, dan penyerapan tekstil sangat penting dalam menghitung
penggunaan energi pengeringan, pemodelan proses pengeringan termal, dan
menentukan kondisi operasi pengering. Sifat fisik dan termal dari beberapa jenis
bahan pakaian (tekstil) diperlihatkan pada Tabel 2.1.
Material
Tabel 2.1. Sifat fisik dan termal fibers
Specific
Thermal
Density
Heat
Conductivity
(g/cm3)
(J/kg/K)
(W/m/K)
Natural Fiber
Cotton
1.52
1250
0.07
Cotton bats
0.08
1300
0.06
Wool
1.34
1340
Wool bats
0.5
500
0.054
Synthetic Fibers
Nylon 6, 66
1.14
1419
0.25
Polyethylene
0.97
1855
0.24
Poly(ethylene
1.37
1103
0.14
terephthalate)
Polypropylene
0.93
1789
0.12
Polyacrylonitrile
1.18
1286
Others
Carbon fiber
1.8 – 2.1
710
05 - 500
Sumber: From Warner, S.B., inFiber Science, Englewood Cliffs, NJ:
1995. With permission .
Thermal
Diffusivity
(cm2/s)
0.000368
0.00577
0.00216
0.001545
0.001334
0.000926
0.000721
0.10 – 3.97
Prentice-Hall,
14
Universitas Sumatera Utara
Pada Tabel 2.2 diperlihatkan keseimbangan kandungan air kering (moisture
regain) dan kelembaban relatif untuk proses absorpsi dan desorpsi dari beberapa
bahan pakaian. Kandungan air dari benang/kain ialah perbandingan antara berat uap
air yang terkandung di dalam benang/kain dengan berat benang/kainnya sendiri,
dinyatakan dalam persen (%). Bila berat uap air tadi dibandingkan dengan berat
benang/kain dalam keadaan kering maka disebut kandungan air kering atau moisture
regain .
2.3.3 Standar perawatan bahan pakaian sesuai label pada pakaian
Asosiasi internasional untuk pelabelan petunjuk perawatan tekstil bernama
Ginetex yang merupakan sebuah badan dunia yang mengatur label petunjuk
perawatan sejak tahun 1975. Negara-negara anggota Ginetex adalah Belgia, Perancis,
Jerman, Inggris, Belanda, Israel, Austria, Swiss, dan Spanyol. Label/simbol
perawatan yang diatur oleh Ginetex telah menjadi standar Internasional dan standar
Eropa yaitu ISO/EN 3758 . Di Indonesia, petunjuk perawatan tekstil diatur dalam SNI
08-0336-2005 dengan judul Label pemeliharaan tekstil dan produk tekstil
menggunakan lambang. SNI ini direvisi oleh SNI ISO 3758:2013 yang menetapkan 5
simbol pokok yang menggambarkan 5 jenis kegiatan yaitu simbol bak cuci, segitiga,
segiempat, setrika, dan lingkaran. Sesuai dengan aturan Ginetex, 5 simbol dasar yang
digunakan dalam sistem pelabelan petunjuk perawatan Standar Internasional
diperlihatkan pada Gambar 2.6, Gambar 27, dan Gambar 28.
15
Universitas Sumatera Utara
Pakaian Berbahan cotton 100%
Berikut ini label yang terdapat pada pakaian berbahan cotton 100% :
(1)
(2)
(3)
(4)
Gambar 2.6 Label perawatan pakaian berbahan cotton 100%
Dari gambar keempat diatas kita dapat mengetahui simbol perawatan pakaian.
Adapun arti dari gambaar keempat tanda diatas adalah:
1. Pada gambar pertama artinya adalah pakaian bisa di cuci menggunakan mesin
cuci dengan suhu air maksimal 30°C.
2. Pada gambar kedua artinya adalah pakaian tidak boleh diberi pemutih.
3. Pada gambar ketiga artinya adalah pakaian bisa dikeringkan menggunakan
mesin pengering dengan suhu rendah yaitu tidak lebih dari 500C.
4. Pada gambar keempat artinya adalah pakaian boleh disetrika dengan suhu
sedang / medium yaitu suhu setrika maksimum 1500C.
Pakaian Berbahan Polyester 100%
Berikut ini label yang terdapat pada pakaian berbahan Polyester 100%:
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
Gambar 2.7 Label perawatan pakaian berbahan Polyester 100%
Dari gambar kelima diatas kita dapat mengetahui simbol perawatan pakaian.
Adapun arti dari gambaar keempat tanda diatas adalah :
16
Universitas Sumatera Utara
1. Pada gambar pertama artinya adalah pakaian bisa di cuci menggunakan mesin
cuci dengan suhu air maksimal 40°C.
2. Pada gambar kedua artinya adalah pakaian tidak boleh diberi pemutih.
3. Pada gambar ketiga artinya adalah pakaian bisa dikeringkan menggunakan
mesin pengering dengan suhu rendah yaitu tidak lebih dari 500C.
4. Pada gambar keempat artinya adalah pakaian tidak boleh disetrika dengan
suhu sedang / medium yaitu suhu setrika maksimum 1100C.
5. Pada gambar kelima artinya adalah pakaian tidak boleh dicuci kering (Do not
dry-clean)
Pakaian Berbahan Denim 100%.
Berikut ini label yang terdapat pada pakaian berbahan Denim 100% :
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
Gambar 2.8 Label perawatan pakaian berbahan Denim 100%
Dari gambar kelima diatas kita dapat mengetahui simbol perawatan pakaian.
Adapun arti dari gambar keempat tanda diatas adalah :
1. Pada gambar pertama artinya adalah pakaian bisa di cuci menggunakan mesin
cuci dengan suhu air maksimal 40°C.
2. Pada gambar kedua artinya adalah pakaian tidak boleh diberi pemutih.
3. Pada gambar ketiga artinya adalah pakaian bisa dikeringkan menggunakan
mesin pengering dengan suhu rendah yaitu tidak lebih dari 500C.
17
Universitas Sumatera Utara
4. Pada gambar keempat artinya adalah pakaian boleh disetrika dengan suhu
sedang / medium yaitu suhu setrika maksimum 1500C.
5. Pada gambar kelima artinya adalah pakaian dapat di cuci kering profesional
dalam tetrakloro-ethana.
18
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.2. Moisture Regain of Fibers for Moisture Absorption and Desorption at 21˚C
Relative Humidity (%)
Fiber
10
20
30
40
50
60
70
80
90
95
Cellulose acetate
0.52a/0.80
0.87/2.70
1.67/4.47
2.73/5.40
3.53/6.50
4.27/7.81
5.71/8.83
6.67/10.59
7.96/13.54
9.12/14.01
Cotton
1.40/2.28
2.08/4.38
3.72/5.67
4.86/6.06
5.86/7.61
6.95/8.36
7.90/9.71
9.45/11.72
11.04/13.90 12.74/14.12
Kevlar aramid
0.88/1.45
1.73/2.69
1.98/3.01
2.58/3.96
3.58/5.38
3.82/5.55
4.12/6.15
4.68/6.73
5.51/6.97
5.49/7.14
Nomex aramid
1.15/2.66
2.34/3.88
2.66/4.48
3.27/5.01
4.38/5.68
4.70/5.76
5.00/6.03
5.48/6.27
6.15/6.75
6.45/6.80
Nylon 66
0.44/0.70
0.78/1.77
1.49/2.36
2.17/2.69
2.70/3.33
2.70/3.87
3.77/4.40
4.45/5.30
5.01/5.53
5.47/6.02
Poly(ethylene terephthalate)
0.02/0.04
0.07/0.14
0.12/0.20
0.28/0.29
0.34/0.36
0.39/0.43
0.43/0.47
0.50/0.55
0.53/0.55
0.53/0.55
Silk
1.14/3.45
3.25/6.20
5.20/7.70
6.76/9.72
7.91/11.71
8.11/11.51
Viscose rayon
2.38/3.96
4.87/8.28 7.03/10.62 8.76/12.42 10.45/13.65 12.20/14.67 14.39/16.13 16.22/18.32 18.36/20.57 20.65/25.00
Wool
2.14/3.68
3.58/8.13 6.67/10.80 8.28/12.60 10.02/14.78 12.39/16.08 13.62/17.71 15.33/19.33 17.26/20.20 19.34/21.09
10.67/12.26 11.96/14.85 13.54/17.36 15.74/20.97
a
First number is for moisture absorption and second number is for moisture desorption.
Sumber: From Fuzek, J.F., Ind. Eng. Chem. Prod. Res. Dev., 24, 140–144, 1985. With permission .
19
Universitas Sumatera Utara
2.4. Pompa Kalor (Heat Pump)
Pompa kalor (heat pump) adalah suatu perangkat yang memindahkan panas
dari media suhu rendah ke suhu tinggi. Pompa kalor merupakan perangkat yang sama
dengan mesin pendingin (Refrigerator ), perbedaannya hanya pada tujuan akhirnya.
Mesin pendingin bertujuan menjaga ruangan pada suhu rendah (dingin) dengan
membuang panas dari ruangan. Sedangkan pompa kalor bertujuan menjaga ruangan
berada pada suhu yang tinggi (panas). Hal ini di ilustrasikan seperti pada Gambar 2.9.
Gambar 2.9. Refrigerator dan pompa kalor (heat pump).
Pompa kalor memanfaatkan sifat fisik dari penguapan dan pengembunan dari suatu
fluida kerja yang disebut dengan refrigerant. Pada aplikasi sistem pemanas, ventilasi,
20
Universitas Sumatera Utara
dan pendingin ruangan, pompa kalor merujuk pada alat pendinginan kompresi uap
yang mencakup saluran pembalik dan penukar panas sehingga arah aliran panas dapat
dibalik. Secara umum, pompa kalor mengambil panas dari udara atau dari
permukaan. Beberapa jenis pompa kalor dengan sumber panas udara tidak bekerja
dengan baik setelah temperatur jatuh di bawah -5oC (23oF).
2.4.1. Siklus Kompresi Uap
Siklus Kompresi Uap (SKU) adalah siklus termodinamika yang digunakan
untuk memindahkan panas dari medium yang bertemperatur rendah ke medium yang
bertemperatur lebih tinggi. Fluida kerja yang mengalir selama siklus disebut fluida
kerja atau refrigeran. Pada SKU, selama siklus, refrigeran mengalami perubahan fasa,
yaitu menjadi uap (evaporation) dan menjadi cair (condensation). Berdasarkan proses
perubahan fasa inilah, maka pada SKU kita kenal beberapa komponen seperti
Evaporator dan Kondensor. Saat ini mesin pendingin yang menggunakan SKU sangat
mudah
dijumpai,
seperti
pada
pendingin/pemanas
yang
digunakan
untuk
pengkondisian udara (AC Split/Heat Pump) di perumahan atau perkantoran dalam
skala kecil.
SKU mempunyai 4 komponen utama, yaitu kompresor, kondensor, katup
expansi, dan evaporator seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.10. Pada gambar
dapat dilihat bahwa dengan menggunakan evaporator panas diserap dari ruangan
yang dikondisikan. Kemudian kompresor menerima kerja mekanik. Setelah melalui
kompresor, refrigeran masuk ke kondensor. Di sini refrigeran membuang panas ke
21
Universitas Sumatera Utara
lingkungan dan akhirnya mencair. Setelah mencair, tekanan refrigeran diturunkan
sampai tekanan evaporator dengan menggunakan katup ekspansi.
Gambar 2.10. Siklus kompresi uap sederhana .
Diagram T-s (T adalah temperatur dan s adalah entropi) ditampilkan pada Gambar
2.11. Diagram P-h (P adalah tekanan dan h adalah entropi) ditampilkan pada grafik
pada Gambar 2.12. Proses-proses termodinamika yang terjadi pada SKU ini dapat
dibagi atas empat proses ideal, yaitu:
1. Proses 1 – 2: adalah proses kompresi isentropik dari tekanan evaporator ke
tekanan kondensor. Pada titik 1, idealnya refrigeran berada pada fasa uap jenuh
setelah menyerap panas pada suhu rendah dari evaporator.
22
Universitas Sumatera Utara
2. Proses 2 – 3: adalah perpindahan panas yang diikuti kondensasi dari kondensor
pada tekanan konstan. Pada bagian awal sisi masuk kondensor refrigeran masih
dalam kondisi superheat dan akibat pendingin akan turun suhunya hingga
mencapai temperatur kondensasi, dan akhirnya menjadi cair jenuh pada sisi keluar
kondensor.
3. Proses 3 – 4: adalah ekspansi adiabatik dari tekanan kondensor ke tekanan
evaporator. Akibat penurunan tekanan, temperatur akan turun. Pada sisi masuk
evaporator sebagian fluida berada pada fasa cair dan sebagian lagi menjadi uap.
4. Proses 4 – 1: adalah penguapan pada tekanan konstan. Di sini fluida menyerap
panas dari medium agar dapat menguap. Refrigeran akan, seluruhnya menguap di
sisi keluar evaporator dan siklus akan berulang ke langkah 1.
S2’
Gambar 2.11. Diagram T-s SKU ideal .
23
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.12. Diagram P-h SKU ideal [11]
Dengan menggunakan semua idealisasi yang telah disebutkan, maka analisis
termodinamika dapat dilakukan. Masing-masing analisis dapat dijelaskan sebagai
berikut:
a. Kerja Kompresi isentropis
Tugas utama kompresor adalah menaikkan tekanan refrigeran, sekaligus juga
menaikkan temperaturnya lebih tinggi dari temperatur lingkungan. Tujuannya
adalah agar dapat melepaskan panas pada temperatur tinggi ke lingkungan.
Besarnya kerja kompresi per satuan massa refrigeran bisa di hitung dengan
persamaan 2.1
Dimana:
�� =
̇ ℎ − ℎ
.
ℎ = entalpi refrigeran saat masuk kompresor (kJ/kg)
24
Universitas Sumatera Utara
ℎ = entalpi refrigeran saat keluar kompresor (kJ/kg)
ṁ = laju aliran refrigeran pada sistem (kg/s)
b. Perpindahan panas kondensasi
Tugas utama kondensor adalah membuang panas yang terbawa bersama refrigeran
ke lingkungan. Besarnya kalor per satuan massa refrigerant yang di lepaskan di
kondensor dinyatakan dengan persamaan 2.2.
Dimana:
�
=
̇ ℎ − ℎ
.
ṁ = laju aliran refrigeran pada sistem (kg/s)
ℎ = entalpi refrigeran saat masuk kondensor (kJ/kg)
ℎ = entalpi refrigeran saat keluar kondensor (kJ/kg)
c. Ekspansi adiabatik
Fungsi katup expansi di sini hanyalah menurunkan tekanan refrigeran cair. Secara
ideal proses ini terjadi secara entalpi konstan, atau
Dimana:
ℎ =ℎ
.
h3 = entalpi refrigeran saat keluar kondensor (kJ/kg)
h4 = harga entalpi masuk ke evaporator (kJ/kg)
25
Universitas Sumatera Utara
d. Evaporasi isobarik
Fungsi utama suatu siklus refrigerasi ada pada evaporator, yaitu menyerap panas
pada temperatur rendah. Besarnya kalor yang diserap evaporator dihitung dengan
persamaan 2.4.
�
Dimana:
�
=
.
̇ ℎ − ℎ
= kalor yang di serap di evaporator ( kW )
̇ = laju aliran massa refrigeran (kg/s)
ℎ = harga entalpi ke luar evaporator (kJ/kg)
ℎ = harga entalpi masuk ke evaporator (kJ/kg)
Kalor yang diserap ini digunakan untuk mengubah fasa refrigeran dari campuran
cair-uap saat masuk evaporator, hingga akhirnya menjadi uap seluruhnya saat
keluar evaporator. Selanjutnya refrigeran kembali masuk ke kompresor dan
bersirkulasi kembali, begitu seterusnya sampai kondisi yang diinginkan tercapai.
2.4.2. Performansi Siklus Kompresi Uap (SKU) Pompa Kalor
Ada dua parameter yang dapat digunakan untuk menentukan performansi
sebuah SKU pompa kalor. Parameter-parameter ini adalah COPHP , dan Total
Performansi .
1. Coefficient Of Performance (COP) Heat Pump
Performansi suatu sistem pompa kalor disebut dengan Coefficient Of
Performance (COP). Besaran ini menyatakan kemampuan sistem untuk melepaskan
26
Universitas Sumatera Utara
kalor kepada benda yang dipanaskan per satuan daya kompresor seperti yang
dinyatakan dengan persamaan 2.5.
�
��
2. Total Performansi
Sebuah
SKU
��
�� �
� �
dapat
juga
=
�
�
dimanfaatkan
�
=
sekaligus
�
��
evaporator
.
dan
kondensornya. Kinerja dari Heat Pump Drying dinyatakan dalam Total Performance
(TP) , yang didefenisikan dengan persamaan 2.6.
�
=
�
+
��
�
.
2.4.3. Pengering Pompa Kalor
Prinsip kerja pengering pakaian pompa kalor diilustrasikan seperti gambar
2.13. Pompa kalor memberikan panas dengan mengekstraksi energi dari udara sekitar.
Panas kering udara diproses memasuki belakang ruang pengering dan berinteraksi
dengan cucian. Udara lembab yang hangat dari drum diproses melalui layar serat dan
melalui evaporator dimana sebagian besar kelembaban akan di hilangkan sebelum
mengalir melalui kondensor dan kembali ke ruang pengering. Melalui skema siklus
refrigerasi kompresi uap, panas yang dikeluarkan oleh kondensor dimanfaatkan untuk
mengeringkan pakaian. Udara panas dari kondensor dialirkan ke ruang pengeringan
selanjutnya udara hasil pengeringan menjadi lembab (basah). Udara dari ruang
pengeringan kemudian dialirkan ke evaporator untuk didinginkan dan dikeringkan,
27
Universitas Sumatera Utara
udara tersebut selanjutnya akan menuju kondensor untuk dipanaskan. Demikian
seterusnya siklus udara pengering tersebut bersikulasi.
Gambar 2.13. Skema pengering pakaian pompa kalor .
2.5 Alat penukar kalor tipe Kompak (Compact Heat Exchanger)
Alat penukar kalor tipe ini memiliki luas perpindahan panas yang sangat luas
(≥ 400 m2/m3 untuk cairan dan ≥ 700 m2/m3 untuk gas) per satuan volume. Kontruksi
dari compact heat exchanger biasanya terdiri dari susunan finned tube atau flate fin.
Bentuk dari tube biasanya adalah circular atau flat, seperti pada Gambar 2.14a, 2.14b,
dan 2.14c. Sedangkan bentuk dari sirip adalah circular atau flat, seperti pada Gambar
2.14a, b, dan c. Selanjutnya tipe plat paralel dengan sirip yang biasanya single pass
(Gambar 2.14d) dan multipass (Gambar 2.14e). Aliran fluida pada penukar kalor ini
biasanya kecil (Dh ≤ 5 mm) dan biasanya laminar .
28
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.14. Compact Heat Exchanger, (a) Fin-tube (flat tube, continuous plate
fins), (b) Fin-tube (circular tubes, continuous plate fins), (c) Fin-tube (circular tubes,
circular fins), (d) Plate-fin (single pass), (e) Plate-fin (multipass)
Pada penelitian ini alat penukar kalor yang dipilih adalah tipe plat datar
dengan aliran udara silang (air to air crossflow flat plate heat exchanger ) atau disebut
juga tipe Plate-fin (single pass) seperti pada Gambar 2.15. Alat penukar kalor ini
digunakan untuk mentransfer energi panas dari aliran udara yang memiliki temperatur
dan kelembaban tinggi ke aliran udara yang memiliki temperatur dan kelembaban
rendah yaitu udara yang keluar dari ruang pengering dengan udara yang akan masuk
kondensor. Energi panas tersebut berupa panas sensibel (energi untuk menaikkan
temperatur) dan panas laten (energi untuk menurunkan uap air). Holtop, sebagai salah
satu produsen alat penukar kalor plat datar untuk keperluan energy recovery
29
Universitas Sumatera Utara
ventilator mendesain plate heat exchanger dengan ukuran 300 mm sampai 400 mm
dengan jarak plat antara 3,4,5, dan 6 mm .
Gambar 215. Alat penukar kalor tipe plat datar
30
Universitas Sumatera Utara
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Proses Pengeringan
Pengeringan adalah menghilangkan air dari suatu bahan. Proses pengeringan
berlaku apabila bahan yang dikeringankan kehilangan sebahagian atau keseluruhan
air yang dikandungnya. Proses utama yang terjadi pada proses pengeringan adalah
penguapan. Penguapan terjadi apabila air yang dikandung oleh suatu bahan teruap,
yaitu apabila panas diberikan kepada bahan tersebut.
Prinsip pengeringan biasanya akan melibatkan dua kejadian yaitu panas yang
diberikan pada bahan dan air harus dikeluarkan dari bahan. Dua fenomena ini
menyangkut pindah panas ke dalam dan pindah massa ke luar. Yang dimaksud
dengan pindah panas adalah peristiwa perpindahan energi dari udara ke dalam bahan
yang dapat menyebabkan berpindahnya sejumlah massa (kandungan air) karena gaya
dorong untuk keluar dari bahan (pindah massa).
Dalam pengeringan umumnya diinginkan kecepatan pengeringan yang
maksimum, oleh karena itu diusahakan untuk mempercepat pindah panas dan pindah
massa. Perpindahan panas dalam proses pengeringan dapat terjadi melalui dua cara
yaitu pengeringan langsung dan pengeringan tidak langsung. Pengeringan langsung
yaitu sumber panas berhubungan dengan bahan yang dikeringkan, sedangkan
pengeringan tidak langsung yaitu panas dari sumber panas dilewatkan melalui
permukaan benda padat (conventer ) dan conventer tersebut yang berhubungan dengan
6
Universitas Sumatera Utara
bahan. Setelah panas sampai ke bahan maka air dari sel-sel bahan akan bergerak ke
permukaan bahan kemudian keluar.
Mekanisme keluarnya air dari dalam bahan selama pengeringan adalah
sebagai berikut:
1. Air bergerak melalui tekanan kapiler
2. Penarikan air disebabkan oleh perbedaan konsentrasi larutan disetiap bagian
bahan
3. Penarikan air ke permukaan bahan disebabkan oleh absorpsi dari lapisanlapisan permukaan komponen padatan dari bahan
4. Perpindahan air dari bahan ke udara disebabkan oleh perbedaan tekanan uap.
Ketika benda padat basah di keringkan dengan proses pemanasan, terjadi dua
proses secara bersamaan, yaitu:
1. Terjadinya perpindahan energi (panas) dari lingkungan sekitar untuk
menguapkan kelembaban ke permukaan. Perpindahan energi (panas) dari
lingkungan sekitar ke benda basah dapat terjadi secara konveksi, konduksi atau
radiasi dan dalam beberapa kasus dapat terjadi secara gabungan.
2. Terjadinya perpindahan kelembaban internal bahan ke permukaan benda.
2.2. Faktor-faktor yang mempengaruhi kecepatan pengeringan.
Proses pengeringan suatu bahan tergantung pada 2 faktor yaitu faktor
eksternal dan faktor internal. Penghilangan air sebagai uap dari permukaan material
tergantung pada kondisi eksternal yaitu suhu yang tinggi, laju udara (Air Flow) yang
tinggi, kelembaban udara (Air Humidity) yang rendah, luas permukaan terbuka, dan
7
Universitas Sumatera Utara
tekanan (Pressure). Pergerakan kelembaban internal pada material yang dikeringkan
adalah fungsi dari sifat fisik zat padat (luas permukaan), suhu, dan kadar air. Pada
proses pengeringan salah satu dari kondisi ini memungkinkan menjadi faktor
pembatas yang mengatur laju pengeringan, meskipun keduanya dapat berproses
secara berkesinambungan.
Laju pengeringan biasanya meningkat di awal pengeringan kemudian konstan
dan selanjutnya semakin menurun seiring berjalannya waktu dan berkurangnya
kandungan air pada bahan yang dikeringkan. Laju Pengeringan merupakan jumlah
kandungan air bahan yang diuapkan tiap satuan berat kering bahan dan tiap satuan
waktu .
2.3. Pakaian
Pakaian adalah kebutuhan pokok manusia selain makanan dan tempat
berteduh/tempat tinggal (rumah). Manusia membutuhkan pakaian untuk melindungi
dan menutup dirinya. Namun seiring dengan perkembangan kehidupan manusia,
pakaian juga digunakan sebagai simbol status, jabatan, ataupun kedudukan seseorang
yang memakainya.
Perkembangan dan jenis-jenis pakaian tergantung pada adat-istiadat,
kebiasaan dan kebudayaan yang memiliki ciri khas masing-masing. Pakaian juga
memberikan penghalang higienis, menjaga toksin dari badan dan membatasi
penularan kuman.
8
Universitas Sumatera Utara
2.3.1. Fungsi Pakaian
Salah satu tujuan utama dari pakaian adalah untuk menjaga pemakainya
merasa nyaman. Dalam iklim panas pakaian menyediakan perlindungan dari terbakar
sinar matahari atau berbagai dampak lainnya, sedangkan di iklim dingin sifat insulasi
termal umumnya yang lebih penting.
Pakaian melindungi bagan tubuh yang tidak terlihat. Pakaian bertindak
sebagai perlindungan dari unsur-unsur yang merusak, antara lain hujan, panas, angin
dan kondisi cuaca lainnya serta matahari. Pakaian juga mengurangi tingkat resiko
selama kegiatan, seperti bekerja atau berolah raga, dan juga dari bahaya lingkungan
seperti serangga, bahan kimia berbahaya, senjata dan kontak dengan zat abrasif.
2.3.2. Jenis dan Bahan Pakaian
Pada awalnya, manusia memanfaatkan kulit pepohonan dan kulit hewan
sebagai bahan pakaian. Kemudian dengan perkembangan zaman, memanfaatkan
benang yang dipintal dari kapas, bulu domba serta sutera yang dijadikan kain sebagai
bahan dasar pakaian. Kini dikenal berbagai macam bahan pakaian antara lain:
a.Kain Katun (Cotton)
Kain katun adalah jenis kain rajut (knitting) yang berbahan dasar serat
kapas. Terdapat jenis kain yang mirip dengan kain katun yaitu kain PE. Cara
mudah membedakannya adalah apabila kain katun dibakar maka baunya
seperti kertas atau kayu dibakar, akan menjadi abu, dan jalannya api lambat.
Keunggulan:
Tidak luntur untuk bahan berwarna
9
Universitas Sumatera Utara
Mudah Ticodak kisut apabila dicuci
Menyerap keringat
disablon
Tidak berbulu
Kelemahan:
Bahan terasa dingin dan sedikit kaku
Mudah kusut
Pakaian / kain akan rusak bila direndam lebih dari 2 jam dalam detergen
Rentan terhadap jamur
Contoh kain berbahan katun dapat dilihat pada Gambar2.1
Gambar 2.1 Jenis Kain Berbahan Katun/Cotton
(sumber : www.bahankain.com)
b.Katun Kombed (Combed Cotton)
Adalah jenis kain katun yang diproduksi dengan finishing disisir
(combed) dengan tujuan agar serat-serat kapas halus dapat dipisahkan
sehingga kain yang dihasilkan lebih halus dan tidak berbulu (serat Benang
lebih halus, hasil rajutan dan penampilan lebih rata). Kain katun kombed
10
Universitas Sumatera Utara
tersedia dalam dua ukuran yaitu 20s dan 30s. Kain jenis ini biasa
digunakan untuk bahan kaos distro-distro bandung. Katun Kombed 20s
adalah kain katun kombed yang terbuat dari Benang yang berukuran 20s.
Katun Kombed 30s adalah kain katun kombed yang terbuat dari Benang
yang berukuran 30s. Kain katun kombed 20s lebih tebal daripada 30s.
Sehingga kain katun 30s lebih lemas daripada kain katun 20s. Contoh kain
berbahan Katun Kombed dapat dilihat pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2. Jenis Kain Katun Kombed (Combed Cotton)
(sumber : www.bahankain.com)
c.
Linen,
Yaitu serat dari sejenis alang-alang. Linen adalah jenis kain yang
pertama kali dibuat oleh manusia mulai zaman prasejarah 500-1000SM. Jenis
kain linen cenderung kaku dan tebal dan sering digunakan sebagai kain sprei,
serbet, tirai, terpal. Bahan kain ini digunakan pada zaman Mesir Kuno untuk
membungkus mumi karena dianggap sebagai lambang kesucian dan cahaya.
Saat ini penggunaan bahan linen sering digantikan dengan jenis kain bahan
katun karena lebih mudah didapatkan. Contoh kain berbahan linen dapat
dilihat pada Gambar 2.3.
11
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.3. Jenis Kain Berbahan Linen
(sumber : www.fitinline.com)
d.
Wool
Serat wol berasal dari bulu – bulu binatang seperti domba atau biri –
biri. Serat ini biasa digunakan untuk pembuatan baju hangat karena sifatnya
yang dapat menghangatkan karena serat wol memiliki daya kelenturan yang
tinggi. Serat wol dapat merenggang 35% dari panjang asalnya. Penggunan
serat wol telah dilakukan sejak jaman perunggu (2500-3000 SM). serat wol
bersisik dan keriting. Wol mengandung protein dan juga belerang. Serat wol
banyak digunakan ditempat yang dingin. Serat wol dapat menyerap uap air
dengan baik serta tidak mudah kusut tetapi serat wol mudah terserang
ngengat. Contoh kain berbahan wool dapat dilihat pada Gambar 2.4.
12
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.4. Jenis Kain Berbahan Wool
e.
Denim
Denim biasa digunakan untuk celana jeans sehingga banyak orang
mengasosiasikan denim adalah jeans, padahal denim adalah jenis kain
sedangkan jeans adalah salah satu merk celana yang tenar. Bahan denim
banyak dipakai untuk celana, rok, dan jaket.
Sifat denim: - daya serap yang baik
- bahan tebal dan tahan lama
Tips:
Semakin gelap warna denim maka semakin mudah mencari padanannya.
Denim berwarna gelap terkesan lebih rapi dan formal. Warna usang dapat
diwarnai kembali agar terlihat baru. Contoh kain berbahan Denin dapat dilihat
pada Gambar 2.5.
13
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.5. Jenis Kain Berbahan Denim
Sifat fisik, termal, dan penyerapan tekstil sangat penting dalam menghitung
penggunaan energi pengeringan, pemodelan proses pengeringan termal, dan
menentukan kondisi operasi pengering. Sifat fisik dan termal dari beberapa jenis
bahan pakaian (tekstil) diperlihatkan pada Tabel 2.1.
Material
Tabel 2.1. Sifat fisik dan termal fibers
Specific
Thermal
Density
Heat
Conductivity
(g/cm3)
(J/kg/K)
(W/m/K)
Natural Fiber
Cotton
1.52
1250
0.07
Cotton bats
0.08
1300
0.06
Wool
1.34
1340
Wool bats
0.5
500
0.054
Synthetic Fibers
Nylon 6, 66
1.14
1419
0.25
Polyethylene
0.97
1855
0.24
Poly(ethylene
1.37
1103
0.14
terephthalate)
Polypropylene
0.93
1789
0.12
Polyacrylonitrile
1.18
1286
Others
Carbon fiber
1.8 – 2.1
710
05 - 500
Sumber: From Warner, S.B., inFiber Science, Englewood Cliffs, NJ:
1995. With permission .
Thermal
Diffusivity
(cm2/s)
0.000368
0.00577
0.00216
0.001545
0.001334
0.000926
0.000721
0.10 – 3.97
Prentice-Hall,
14
Universitas Sumatera Utara
Pada Tabel 2.2 diperlihatkan keseimbangan kandungan air kering (moisture
regain) dan kelembaban relatif untuk proses absorpsi dan desorpsi dari beberapa
bahan pakaian. Kandungan air dari benang/kain ialah perbandingan antara berat uap
air yang terkandung di dalam benang/kain dengan berat benang/kainnya sendiri,
dinyatakan dalam persen (%). Bila berat uap air tadi dibandingkan dengan berat
benang/kain dalam keadaan kering maka disebut kandungan air kering atau moisture
regain .
2.3.3 Standar perawatan bahan pakaian sesuai label pada pakaian
Asosiasi internasional untuk pelabelan petunjuk perawatan tekstil bernama
Ginetex yang merupakan sebuah badan dunia yang mengatur label petunjuk
perawatan sejak tahun 1975. Negara-negara anggota Ginetex adalah Belgia, Perancis,
Jerman, Inggris, Belanda, Israel, Austria, Swiss, dan Spanyol. Label/simbol
perawatan yang diatur oleh Ginetex telah menjadi standar Internasional dan standar
Eropa yaitu ISO/EN 3758 . Di Indonesia, petunjuk perawatan tekstil diatur dalam SNI
08-0336-2005 dengan judul Label pemeliharaan tekstil dan produk tekstil
menggunakan lambang. SNI ini direvisi oleh SNI ISO 3758:2013 yang menetapkan 5
simbol pokok yang menggambarkan 5 jenis kegiatan yaitu simbol bak cuci, segitiga,
segiempat, setrika, dan lingkaran. Sesuai dengan aturan Ginetex, 5 simbol dasar yang
digunakan dalam sistem pelabelan petunjuk perawatan Standar Internasional
diperlihatkan pada Gambar 2.6, Gambar 27, dan Gambar 28.
15
Universitas Sumatera Utara
Pakaian Berbahan cotton 100%
Berikut ini label yang terdapat pada pakaian berbahan cotton 100% :
(1)
(2)
(3)
(4)
Gambar 2.6 Label perawatan pakaian berbahan cotton 100%
Dari gambar keempat diatas kita dapat mengetahui simbol perawatan pakaian.
Adapun arti dari gambaar keempat tanda diatas adalah:
1. Pada gambar pertama artinya adalah pakaian bisa di cuci menggunakan mesin
cuci dengan suhu air maksimal 30°C.
2. Pada gambar kedua artinya adalah pakaian tidak boleh diberi pemutih.
3. Pada gambar ketiga artinya adalah pakaian bisa dikeringkan menggunakan
mesin pengering dengan suhu rendah yaitu tidak lebih dari 500C.
4. Pada gambar keempat artinya adalah pakaian boleh disetrika dengan suhu
sedang / medium yaitu suhu setrika maksimum 1500C.
Pakaian Berbahan Polyester 100%
Berikut ini label yang terdapat pada pakaian berbahan Polyester 100%:
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
Gambar 2.7 Label perawatan pakaian berbahan Polyester 100%
Dari gambar kelima diatas kita dapat mengetahui simbol perawatan pakaian.
Adapun arti dari gambaar keempat tanda diatas adalah :
16
Universitas Sumatera Utara
1. Pada gambar pertama artinya adalah pakaian bisa di cuci menggunakan mesin
cuci dengan suhu air maksimal 40°C.
2. Pada gambar kedua artinya adalah pakaian tidak boleh diberi pemutih.
3. Pada gambar ketiga artinya adalah pakaian bisa dikeringkan menggunakan
mesin pengering dengan suhu rendah yaitu tidak lebih dari 500C.
4. Pada gambar keempat artinya adalah pakaian tidak boleh disetrika dengan
suhu sedang / medium yaitu suhu setrika maksimum 1100C.
5. Pada gambar kelima artinya adalah pakaian tidak boleh dicuci kering (Do not
dry-clean)
Pakaian Berbahan Denim 100%.
Berikut ini label yang terdapat pada pakaian berbahan Denim 100% :
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
Gambar 2.8 Label perawatan pakaian berbahan Denim 100%
Dari gambar kelima diatas kita dapat mengetahui simbol perawatan pakaian.
Adapun arti dari gambar keempat tanda diatas adalah :
1. Pada gambar pertama artinya adalah pakaian bisa di cuci menggunakan mesin
cuci dengan suhu air maksimal 40°C.
2. Pada gambar kedua artinya adalah pakaian tidak boleh diberi pemutih.
3. Pada gambar ketiga artinya adalah pakaian bisa dikeringkan menggunakan
mesin pengering dengan suhu rendah yaitu tidak lebih dari 500C.
17
Universitas Sumatera Utara
4. Pada gambar keempat artinya adalah pakaian boleh disetrika dengan suhu
sedang / medium yaitu suhu setrika maksimum 1500C.
5. Pada gambar kelima artinya adalah pakaian dapat di cuci kering profesional
dalam tetrakloro-ethana.
18
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.2. Moisture Regain of Fibers for Moisture Absorption and Desorption at 21˚C
Relative Humidity (%)
Fiber
10
20
30
40
50
60
70
80
90
95
Cellulose acetate
0.52a/0.80
0.87/2.70
1.67/4.47
2.73/5.40
3.53/6.50
4.27/7.81
5.71/8.83
6.67/10.59
7.96/13.54
9.12/14.01
Cotton
1.40/2.28
2.08/4.38
3.72/5.67
4.86/6.06
5.86/7.61
6.95/8.36
7.90/9.71
9.45/11.72
11.04/13.90 12.74/14.12
Kevlar aramid
0.88/1.45
1.73/2.69
1.98/3.01
2.58/3.96
3.58/5.38
3.82/5.55
4.12/6.15
4.68/6.73
5.51/6.97
5.49/7.14
Nomex aramid
1.15/2.66
2.34/3.88
2.66/4.48
3.27/5.01
4.38/5.68
4.70/5.76
5.00/6.03
5.48/6.27
6.15/6.75
6.45/6.80
Nylon 66
0.44/0.70
0.78/1.77
1.49/2.36
2.17/2.69
2.70/3.33
2.70/3.87
3.77/4.40
4.45/5.30
5.01/5.53
5.47/6.02
Poly(ethylene terephthalate)
0.02/0.04
0.07/0.14
0.12/0.20
0.28/0.29
0.34/0.36
0.39/0.43
0.43/0.47
0.50/0.55
0.53/0.55
0.53/0.55
Silk
1.14/3.45
3.25/6.20
5.20/7.70
6.76/9.72
7.91/11.71
8.11/11.51
Viscose rayon
2.38/3.96
4.87/8.28 7.03/10.62 8.76/12.42 10.45/13.65 12.20/14.67 14.39/16.13 16.22/18.32 18.36/20.57 20.65/25.00
Wool
2.14/3.68
3.58/8.13 6.67/10.80 8.28/12.60 10.02/14.78 12.39/16.08 13.62/17.71 15.33/19.33 17.26/20.20 19.34/21.09
10.67/12.26 11.96/14.85 13.54/17.36 15.74/20.97
a
First number is for moisture absorption and second number is for moisture desorption.
Sumber: From Fuzek, J.F., Ind. Eng. Chem. Prod. Res. Dev., 24, 140–144, 1985. With permission .
19
Universitas Sumatera Utara
2.4. Pompa Kalor (Heat Pump)
Pompa kalor (heat pump) adalah suatu perangkat yang memindahkan panas
dari media suhu rendah ke suhu tinggi. Pompa kalor merupakan perangkat yang sama
dengan mesin pendingin (Refrigerator ), perbedaannya hanya pada tujuan akhirnya.
Mesin pendingin bertujuan menjaga ruangan pada suhu rendah (dingin) dengan
membuang panas dari ruangan. Sedangkan pompa kalor bertujuan menjaga ruangan
berada pada suhu yang tinggi (panas). Hal ini di ilustrasikan seperti pada Gambar 2.9.
Gambar 2.9. Refrigerator dan pompa kalor (heat pump).
Pompa kalor memanfaatkan sifat fisik dari penguapan dan pengembunan dari suatu
fluida kerja yang disebut dengan refrigerant. Pada aplikasi sistem pemanas, ventilasi,
20
Universitas Sumatera Utara
dan pendingin ruangan, pompa kalor merujuk pada alat pendinginan kompresi uap
yang mencakup saluran pembalik dan penukar panas sehingga arah aliran panas dapat
dibalik. Secara umum, pompa kalor mengambil panas dari udara atau dari
permukaan. Beberapa jenis pompa kalor dengan sumber panas udara tidak bekerja
dengan baik setelah temperatur jatuh di bawah -5oC (23oF).
2.4.1. Siklus Kompresi Uap
Siklus Kompresi Uap (SKU) adalah siklus termodinamika yang digunakan
untuk memindahkan panas dari medium yang bertemperatur rendah ke medium yang
bertemperatur lebih tinggi. Fluida kerja yang mengalir selama siklus disebut fluida
kerja atau refrigeran. Pada SKU, selama siklus, refrigeran mengalami perubahan fasa,
yaitu menjadi uap (evaporation) dan menjadi cair (condensation). Berdasarkan proses
perubahan fasa inilah, maka pada SKU kita kenal beberapa komponen seperti
Evaporator dan Kondensor. Saat ini mesin pendingin yang menggunakan SKU sangat
mudah
dijumpai,
seperti
pada
pendingin/pemanas
yang
digunakan
untuk
pengkondisian udara (AC Split/Heat Pump) di perumahan atau perkantoran dalam
skala kecil.
SKU mempunyai 4 komponen utama, yaitu kompresor, kondensor, katup
expansi, dan evaporator seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.10. Pada gambar
dapat dilihat bahwa dengan menggunakan evaporator panas diserap dari ruangan
yang dikondisikan. Kemudian kompresor menerima kerja mekanik. Setelah melalui
kompresor, refrigeran masuk ke kondensor. Di sini refrigeran membuang panas ke
21
Universitas Sumatera Utara
lingkungan dan akhirnya mencair. Setelah mencair, tekanan refrigeran diturunkan
sampai tekanan evaporator dengan menggunakan katup ekspansi.
Gambar 2.10. Siklus kompresi uap sederhana .
Diagram T-s (T adalah temperatur dan s adalah entropi) ditampilkan pada Gambar
2.11. Diagram P-h (P adalah tekanan dan h adalah entropi) ditampilkan pada grafik
pada Gambar 2.12. Proses-proses termodinamika yang terjadi pada SKU ini dapat
dibagi atas empat proses ideal, yaitu:
1. Proses 1 – 2: adalah proses kompresi isentropik dari tekanan evaporator ke
tekanan kondensor. Pada titik 1, idealnya refrigeran berada pada fasa uap jenuh
setelah menyerap panas pada suhu rendah dari evaporator.
22
Universitas Sumatera Utara
2. Proses 2 – 3: adalah perpindahan panas yang diikuti kondensasi dari kondensor
pada tekanan konstan. Pada bagian awal sisi masuk kondensor refrigeran masih
dalam kondisi superheat dan akibat pendingin akan turun suhunya hingga
mencapai temperatur kondensasi, dan akhirnya menjadi cair jenuh pada sisi keluar
kondensor.
3. Proses 3 – 4: adalah ekspansi adiabatik dari tekanan kondensor ke tekanan
evaporator. Akibat penurunan tekanan, temperatur akan turun. Pada sisi masuk
evaporator sebagian fluida berada pada fasa cair dan sebagian lagi menjadi uap.
4. Proses 4 – 1: adalah penguapan pada tekanan konstan. Di sini fluida menyerap
panas dari medium agar dapat menguap. Refrigeran akan, seluruhnya menguap di
sisi keluar evaporator dan siklus akan berulang ke langkah 1.
S2’
Gambar 2.11. Diagram T-s SKU ideal .
23
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.12. Diagram P-h SKU ideal [11]
Dengan menggunakan semua idealisasi yang telah disebutkan, maka analisis
termodinamika dapat dilakukan. Masing-masing analisis dapat dijelaskan sebagai
berikut:
a. Kerja Kompresi isentropis
Tugas utama kompresor adalah menaikkan tekanan refrigeran, sekaligus juga
menaikkan temperaturnya lebih tinggi dari temperatur lingkungan. Tujuannya
adalah agar dapat melepaskan panas pada temperatur tinggi ke lingkungan.
Besarnya kerja kompresi per satuan massa refrigeran bisa di hitung dengan
persamaan 2.1
Dimana:
�� =
̇ ℎ − ℎ
.
ℎ = entalpi refrigeran saat masuk kompresor (kJ/kg)
24
Universitas Sumatera Utara
ℎ = entalpi refrigeran saat keluar kompresor (kJ/kg)
ṁ = laju aliran refrigeran pada sistem (kg/s)
b. Perpindahan panas kondensasi
Tugas utama kondensor adalah membuang panas yang terbawa bersama refrigeran
ke lingkungan. Besarnya kalor per satuan massa refrigerant yang di lepaskan di
kondensor dinyatakan dengan persamaan 2.2.
Dimana:
�
=
̇ ℎ − ℎ
.
ṁ = laju aliran refrigeran pada sistem (kg/s)
ℎ = entalpi refrigeran saat masuk kondensor (kJ/kg)
ℎ = entalpi refrigeran saat keluar kondensor (kJ/kg)
c. Ekspansi adiabatik
Fungsi katup expansi di sini hanyalah menurunkan tekanan refrigeran cair. Secara
ideal proses ini terjadi secara entalpi konstan, atau
Dimana:
ℎ =ℎ
.
h3 = entalpi refrigeran saat keluar kondensor (kJ/kg)
h4 = harga entalpi masuk ke evaporator (kJ/kg)
25
Universitas Sumatera Utara
d. Evaporasi isobarik
Fungsi utama suatu siklus refrigerasi ada pada evaporator, yaitu menyerap panas
pada temperatur rendah. Besarnya kalor yang diserap evaporator dihitung dengan
persamaan 2.4.
�
Dimana:
�
=
.
̇ ℎ − ℎ
= kalor yang di serap di evaporator ( kW )
̇ = laju aliran massa refrigeran (kg/s)
ℎ = harga entalpi ke luar evaporator (kJ/kg)
ℎ = harga entalpi masuk ke evaporator (kJ/kg)
Kalor yang diserap ini digunakan untuk mengubah fasa refrigeran dari campuran
cair-uap saat masuk evaporator, hingga akhirnya menjadi uap seluruhnya saat
keluar evaporator. Selanjutnya refrigeran kembali masuk ke kompresor dan
bersirkulasi kembali, begitu seterusnya sampai kondisi yang diinginkan tercapai.
2.4.2. Performansi Siklus Kompresi Uap (SKU) Pompa Kalor
Ada dua parameter yang dapat digunakan untuk menentukan performansi
sebuah SKU pompa kalor. Parameter-parameter ini adalah COPHP , dan Total
Performansi .
1. Coefficient Of Performance (COP) Heat Pump
Performansi suatu sistem pompa kalor disebut dengan Coefficient Of
Performance (COP). Besaran ini menyatakan kemampuan sistem untuk melepaskan
26
Universitas Sumatera Utara
kalor kepada benda yang dipanaskan per satuan daya kompresor seperti yang
dinyatakan dengan persamaan 2.5.
�
��
2. Total Performansi
Sebuah
SKU
��
�� �
� �
dapat
juga
=
�
�
dimanfaatkan
�
=
sekaligus
�
��
evaporator
.
dan
kondensornya. Kinerja dari Heat Pump Drying dinyatakan dalam Total Performance
(TP) , yang didefenisikan dengan persamaan 2.6.
�
=
�
+
��
�
.
2.4.3. Pengering Pompa Kalor
Prinsip kerja pengering pakaian pompa kalor diilustrasikan seperti gambar
2.13. Pompa kalor memberikan panas dengan mengekstraksi energi dari udara sekitar.
Panas kering udara diproses memasuki belakang ruang pengering dan berinteraksi
dengan cucian. Udara lembab yang hangat dari drum diproses melalui layar serat dan
melalui evaporator dimana sebagian besar kelembaban akan di hilangkan sebelum
mengalir melalui kondensor dan kembali ke ruang pengering. Melalui skema siklus
refrigerasi kompresi uap, panas yang dikeluarkan oleh kondensor dimanfaatkan untuk
mengeringkan pakaian. Udara panas dari kondensor dialirkan ke ruang pengeringan
selanjutnya udara hasil pengeringan menjadi lembab (basah). Udara dari ruang
pengeringan kemudian dialirkan ke evaporator untuk didinginkan dan dikeringkan,
27
Universitas Sumatera Utara
udara tersebut selanjutnya akan menuju kondensor untuk dipanaskan. Demikian
seterusnya siklus udara pengering tersebut bersikulasi.
Gambar 2.13. Skema pengering pakaian pompa kalor .
2.5 Alat penukar kalor tipe Kompak (Compact Heat Exchanger)
Alat penukar kalor tipe ini memiliki luas perpindahan panas yang sangat luas
(≥ 400 m2/m3 untuk cairan dan ≥ 700 m2/m3 untuk gas) per satuan volume. Kontruksi
dari compact heat exchanger biasanya terdiri dari susunan finned tube atau flate fin.
Bentuk dari tube biasanya adalah circular atau flat, seperti pada Gambar 2.14a, 2.14b,
dan 2.14c. Sedangkan bentuk dari sirip adalah circular atau flat, seperti pada Gambar
2.14a, b, dan c. Selanjutnya tipe plat paralel dengan sirip yang biasanya single pass
(Gambar 2.14d) dan multipass (Gambar 2.14e). Aliran fluida pada penukar kalor ini
biasanya kecil (Dh ≤ 5 mm) dan biasanya laminar .
28
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.14. Compact Heat Exchanger, (a) Fin-tube (flat tube, continuous plate
fins), (b) Fin-tube (circular tubes, continuous plate fins), (c) Fin-tube (circular tubes,
circular fins), (d) Plate-fin (single pass), (e) Plate-fin (multipass)
Pada penelitian ini alat penukar kalor yang dipilih adalah tipe plat datar
dengan aliran udara silang (air to air crossflow flat plate heat exchanger ) atau disebut
juga tipe Plate-fin (single pass) seperti pada Gambar 2.15. Alat penukar kalor ini
digunakan untuk mentransfer energi panas dari aliran udara yang memiliki temperatur
dan kelembaban tinggi ke aliran udara yang memiliki temperatur dan kelembaban
rendah yaitu udara yang keluar dari ruang pengering dengan udara yang akan masuk
kondensor. Energi panas tersebut berupa panas sensibel (energi untuk menaikkan
temperatur) dan panas laten (energi untuk menurunkan uap air). Holtop, sebagai salah
satu produsen alat penukar kalor plat datar untuk keperluan energy recovery
29
Universitas Sumatera Utara
ventilator mendesain plate heat exchanger dengan ukuran 300 mm sampai 400 mm
dengan jarak plat antara 3,4,5, dan 6 mm .
Gambar 215. Alat penukar kalor tipe plat datar
30
Universitas Sumatera Utara