BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Proses Pengeringan - Analisa Saluran Pengering Berbentuk Silinder Pada Mesin Pengering Pakan Ternak Sistem Pompa Kalor Dengan Daya 1 Pk

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Proses Pengeringan

Pengeringan adalah proses perpindahan panas dan uap air secara simultan yang memerlukan energi panas untuk menguapkan kandungan air yang dipindahkan dari permukaan bahan yang dikeringkan oleh media pengering yang biasanya berupa panas. 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 bahan. Setelah panas sampai ke bahan maka air dari sel-sel bahan akan bergerak ke permukaan bahan kemudian keluar.

2.2 Pengeringan Buatan

Pengeringan dengan menggunakan alat pengering dimana, suhu, kelembapan udara, kecepatan udara dan waktu dapat diatur dan di awasi.

Keuntungan Pengering Buatan:

 Tidak tergantung cuaca  Kapasitas pengeringa dapat dipilih sesuai dengan yang diperlukan  Tidak memerlukan tempat yang luas  Kondisi pengeringan dapat dikontrol  Pekerjaan lebih mudah.

2.2.1 Jenis Jenis Pengeringan Buatan

Berdasarkan media panasnya,  Pengeringan adiabatis ; pengeringan dimana panas dibawa ke alat pengering oleh udara panas, fungsin udara memberi panas dan membawa air.

 Pengeringan isotermik; bahan yang dikeringkan berhubungan langsung dengan alat/ plat logam yang panas.

2.2.2 Proses pengeringan:

 Proses pengeringan diperoleh dengan cara penguapan air  Dengan cara menurunkan RH dengan mengalirkan udara panas disekeliling bahan  Proses perpindahan panas; proses pemanasan dan terjadi panas sensible dari medium pemanas ke bahan, dari permukaan bahan kepusat bahan.

 Proses perpindahan massa ; proses pengeringan (penguapan), terjadi panas laten, dari permukaan bahan ke udara  Panas sensible ; panas yang dibutuhkan/ dilepaskan untuk menaikkan

/menurunkan suhu suatu benda  Panas laten ; panas yang diperlukan untuk mengubah wujud zat dari padat kecair, cair ke gas, dst, tanpa mengubah suhu benda tersebut.

2.2.3 Faktor faktor yang mempengaruhi pengeringan.

Pada pengeringan selalu diinginan kecepatan pengeringan yang maksimal. Oleh karena itu perlu dilakukan usah- usah untuk memercepat pindah panas dan pindah massa ( pindah massa dalam hal ini adalah perpindahan air keluar dari bahan yang dikeringksan dalam proses pengeringan tersebut.

Ada beberapa faktor yang perlu diperhatikan untuk memperoleh kecepatan pengeringan maksimum, yaitu :

(b) Suhu (c) Kecepatan udara (d) Kelembaban udara (e) Tekanan (f) Waktu.

Dalam rancang mesin ini faktor yang perlu diperhatikan untuk memperoleh kecepatan pengeringan maksimum adalah :  Suhu Semakin besar perbedaan suhu ( antara medium pemanas dengan bahan bahan) maka akan semakin cepat proses pindah panas berlangsung sehingga mengakibatkan proses penguapan semaki cepat pula. Atau semkain tinggi suhu udara pengeringan maka aka semakin besar anergi panas yang dibawa ke udara yang akan menyebabkan proses pindahan panas semakin cepat sengingga pindah massa akan berlangsung juga dengan cepat.

 Kecepatan udara Umumnya udara yang bergerak akan lebih banyak mengambil uap air dari permukaan bahan yang dikeringkan. Udara yang bergerak adalah udara yang mempunyai kecepatan gerak yang tinggi yang berguna untuk mengambil uap air dan menghilangkan uapa air dari permukaan bahan yang dikeringkan, sehingga dapat mencegah terjadinya udara jenuh yang dapat memperlambat penghilangan air.

 Kelembaban Udara (RH) Semakin lembab udara di dalam ruang pengering dan sekitarnya maka akan semakin lama proses pengerngan berkangsung kering, begitu juga sebaliknya. Karena udara kering dapat mengabsorbsi dan menahan uap air. Setiap bahan mempunyai keseimbangan kelembaban nisbi (RH keseimbangan) masing- masing, yaitu kelembaban pada suhu tertentu dimana bahan tidak akan kehilangan air (pindah) ke atmosfir atau tidak akan mengambil uap air dari atmosfir.

Jika RH udara < RH keseimbangan maka bahan masih dapat dikeringkan Jika RH udara > RH keseimbangan maka bahan malahan akan menarik uap air dari udara.

 Waktu Semakin lama waktu (batas tertentu) pengeringan maka akan semakin cepat proses pengeringan selesai. Dalam pengeringan diterapkan konsep HTST (High Temperature Short Time), short time dapat menekan biaya pengeringan.

2.3 Pisikometrik

Psikometrik adalah salah satu sub bidang enginering yang khusus mempelajari sifat-sifat thermofisik 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 pisikometrik semuanya diperlakukan sebagai satu unit udarah kering,

Ada dua cara yang dapat digunakan untuk mendapatkan sifat-sifat thermodinamik udara, yaitu dengan menggunakan persamaan-persamaan dan dengan mengunakan grafik yang menggambarkan sifat-sifat thermodinamik udara, yang biasa disebut pysikometric chart .Dengan menggunakan grafik ini, proses-proses seperti pendinginan udara,dehumidification,dan perlakuan udara kering dapat dijelaskan dengan lebih muda. Parameter-parameter dan istilah yang digunakan untuk menggambarkan sifat-sifat termodinamik udara antara lain :

Humidity ratio, relatif humidity,dry-bulb dan wet-bulb,termperatur,dwe-point

temperatur ,sensibel end laten heat,desity,moist volume,dan entalpi.

Sebelum melakukan perhitungan dan penetuan pada grafik psikometrik beberapa parameter atau sifat udara yang harus diketahui.

2.3.1 Rasio humiditas (hummidity ratio) Karena udara adalah gabungan udara kering dan uap air yang terkandung

pada udara, maka humidity ratio adalah perbandingan masah uap air ( m ) dan

massa udara ( m ) yang dirumuskan: Satuan dari parameter ini adalah kg uap air/kg udara atau gram uap air/kg udara. Dengan menggunakan persamaan gas ideal dan hukum Dalton, yang merumuskan hubungan antara kandungan gas dengan tekanan persial gas, maka rasio humiditas juga dinyatakan dengan :

Dimana P adalah tekanan persial uap air dan adalah tekanan

w p atm

atmosfer. Persamaan 2.2 menunjukan bahwa hanya dengan mengetahui tekanan persial uap air pada temperatur tertentu,kita dapat menentukan kandungan uap air di udara.

2.3.2. Humiditas Relatif ( relatif humidity, atau RH)

Parameter ini adalah perbandingan fraksi mol uap air pada udara tersebut mengalami saturasi. Berdasarkan devinisi ini, persamaan yang digunakan untuk menghitung RH adalah:

Sebagai catatan, pada saat saturasi fraksi mol uap air yang terkandung didalam 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 hummidity adalah 100% jadi diingat saat terjadi saturasi RH=100%

Dengan mengurangi devenisi fraksi mol dan persamaan gas ideal,RH dapat didefenisikan sebagai berikut : P ws adalah tekanan uap saat terjadi saturasi dan merupakan fungsi dari temperatur. Persamaan yang diusulkan ASHARAE dapat digunakan untuk menghitung p ws (pa) :

3 Ln(p ws )=C 1 /T + C 2 + C

3 T + C

4 T + C

5 T + C

6 ln T...........................................(2.5) Dimana T adalah temperatur mutlak dalam K.

Konstanta C

1 sampai dengan C 6 dapat dilihat dari tabel dibawah :

Tabel 2.1 Konstanta C1 sampai C6

3 -5

1 = -5,8002206 x 10 C 4 = 4,1764768 x 10

2 = 1,3914993 C 5 = -1,4452093 x 10

3 = -4,8640239 x 10 C 6 = 6,5459673

2.3.3 Temperatur Bola Kering dan Bola Basah

(dry bulb and wet bulb temperatures) Temperatur bola kering (dry bulb temperature) adalah temperatur udara yang ditunjukkan oleh alat ukur atau termometer. Temperatur bola basah,T wb (wet bulb temperature) adalah suatu parameter yang sulit untuk didefinisikan.Parameter ini adalah parameter fiktif yang digunakan untuk mendefinisikan sifat udara.Untuk mendefinisikan T wb akan digunakan ilustrasi pada gambar dibawah.

Gambar 2.1 Ilustrasi Temperatur bola kering dan bola basah

Misalkan pada suatu ruangan yang tertutup rapat atau adiabatik, terdapat air dan udara yang mempunyai temperatur bola kering T dp. Setelah beberapa lama, air akan menguap sebagian dan bercampur dengan udara, udara mengalami humidifikasi, dan terjadilah kondisi setimbang atau jenuh. Karena ruangan tersebut bersifat adiabatik, sementara peroses penguapan dari cair menjadi fasa uap pasti menyerap energi berupa panas, maka panas ini pasti berasal dari udara diruangan tersebut.

Oleh karena itu, temperatur awal udara akan turun akibat naiknya kandungan uap airnya.Temperatur inilah yang didefinisikan menjadi temperatur bola basah.Berdasarkan kesetimbangan energi,T wb dapat dihitung dengan persamaan : Dimana : h fg = panas penguapan air pada temperatur bola basah c pa = panas jenis udara

2.3.4 p Panas Jenis Udara Pada Tekanan Konstan ,c

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. c p = c da + wc ps ....................................................................................................(2.7) dimana ; c = panas jenis udara kering

c ps = panas jenis uap air

2.3.5 Volume Spesifik Udara, Moist Volume (v) dan Rapat Masa (density)

Volume 1 kg udara akan disebut volume spesifik atau v. Dapat

dirumuskan v = V/m(m /kg).Dengan mengingat definisi bahwa udara adalah campuran udara kering dengan uap air, dan dengan menggunakan persamaan gas ideal, maka v dapat dirumuskan menjadi Dimana :

T = suhu udara dalam K P = tekanan dalam Pa Sementara density adalah kebalikan dari v.

2.3.6 Temperatur Dew Point(dew-point temperature)

Adalah temperatur udara saat terjadi kondensasi.Misalkan udara yang mempunyai temperatur awal T dan rasio kelembaban w diturunkan suhunya secara perlahan-lahan. Temperatur udara saat mulai terbentuk embun disebut temperatur dew poin.Hubungan antara temperatur udara dan temperatur dew point dirumuskan sebagai berikut : Semua temperatur dalam Celsius.

2.3.7 Entalpi Udara

Entalpi uadara adalah kandungan energi total yang dimiliki oleh udara.Didalam termodinamika suatu materi harus dihitung menggunakan nilai acuan (referensi).Dengan menggunakan acuan saat udara pada 0˚C, entalpi udara dalam (kj/kg) dihitung dengan persamaan: h a = 1,006T + w(2501 + 1,805T)..................................................................(2.11) Dimana T adalah temperatur dalam celsius.Sebagai catatan,bagian pertama dari persamaan 2.11 adalah entalphi dari udara kering dan bagian kedua adalah entalphi uap air yang dikandung udara saat itu.

2.3.8 Panas Sensibel dan Panas Laten

Panas sensibel adalah energi yang diberikan atau diterima suatu materi yang membuat temperaturnya berubah.Sementara panas laten adalah panas yang dibeikan atau diterima suatu materi yang membuat fasanya berubah.Contoh ,jika kita memanaskan air pada tekanan atmosfer mulai dari 0 sampai 1

00˚C ,maka 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 memilikipanas sensibel untuk mengubah temperaturnya dan sekaligus panas laten karena perubahan fasa.Persamaan entalpi pada persamaan 2.22 dapat diubah bentuknya menjadi: h = (1,006T + 1,805w)T +2501w)..................................................................(2.12)

Dua bagian pertama persamaan ini adalah panas sensibel dan bagian akhir adalah panas laten.

2.3.9 Grafik Psikometrik

Untuk memudahkan analisis ,maka sebagian besar parameter-parameter yang disebutkan tadi akan ditampilkan dalam bentuk gerafik sifat termodinamik udara yang selanjutnya disebut grafik Psikometrik. Ada tujuh sifat ( atau kelompok sifat)termodinamik atau termofisik udara yang ditampilkan pada grafik psikometrik, yaitu :(1) entalpi, (2)RH, (3)T , (4)tekanan

wb atmosfer, (5) tekanan dan temperatur saturasi,(6) densitiy dan volume spesifik dan (7) humidity rasio,p w dan T d . Sebagai catatan garis entalpi dan garis T w pada grafik psikometri mempunyai kemiringan yang hampir sama dan sangat sulit dibedakan .Oleh karena itu, kedua garis ini akan kelihatan berhimpit.Posisi ketujuh sifat ini ditampilkan pada gambar dibawah.

Gambar 2.2 Garis

– garis dan informasi yang dijumpai pada grafik psikometrik Kondisi udara pada suatu ruangan dapat ditempatkan pada grafik ini.Jika kita memperlakukan (mengkondisikan) udara tersebut, misalnya memanaskannya, mendinginkannya,mengurangi kelembabannya ,dapat juga dijelaskan menggunakan grafik psikometri ini.

2.3.10 Proses Perlakuan Udara Pada Psikometrik

1.Memanaskan udara

Memenaskan udara adalah menambah temperatur udara.Secara alami, proses pemanasan ini tidak mengakibatkan perubahan kandungan uap air didalam udara.Proses pengeringan hannya memanfaatkan panas sensibel kerena tidak ada perubahan fasa

2.Pendinginan Udara

Secara alami proses pendinginan udara dapat mengurangi kandungan uap air yang yang terdapat diudara. Tetapi ada temperatur batas mulai terjadinya pengembunan uap air. Temperatur ini dikenal dengantemperatur saturasi. Jika udara didinginkan sampai temperaturnya dibawah temperatur saturasinya,maka akan terjadi perubahan fasa dari uap menjadi cairan.Proses ini ditampilkan pada gambar dibawah.

Gambar 2.3 Proses pendinginan udara sampai terjadi kondensasi uap air

Dengan bantuan blower udara dilewatkan melalui permukaan koil pendingin.Didalam koil pendingin mengalir refrigan/ medium pendingin yang berasal dari evaporator.Evaporator disini adalah salah satu komponen dari suatu unit pendingin, siklus kompresi uap. Karena temperatur udara setelah didinginkan berada dibawah temperatur saturasi, maka selama pendinginan akan terbentuk cairan. Persamaan-persamaan yang berlaku pada proses ini adalah sebagai berikut: Kesetimbangan energi: energi udara yang masuk = energi uadar keluar + yang terbawa air + yang diserap evaporator: m h = m h + m h +q .................................................................................(2.13)

a 1 a 2 w w(2) e

Kesetimbangan masa air ; m a w

1 = m a w 2 + m w

Dimana m a adalah masa aliran udara ,m w masa air yang terbentuk, entalpinya dihitung pada temperatur T

3.Pencampuran Adiabatik

Pada sistem pengkondisian udara (dengan pendinginan), ruangan yang dikondisikan biasanya tertutup atau sebisa mungkin tidak terbuka terhadap udara kedalam ruangan .Udara yang sengaja ditambahkan ini disebut dengan istilah ventilasi udara. Besarnya laju aliran udara ventilasi ini disesuaikan dengan kebutuhan penghuni ruangan.

Sebelum udara ventilasi dialirkan kedalamevaporator(untuk didinginkan) biasanya udara ini dicampur dahulu dengan udara didalam ruangan. Karena pencampuran ini tidak melibatkan aliran energi masuk/keluar, maka istilahnya disebut pencampuran adiabatik. Proses pencampuran adiabatik ditampilkan pada gambar dibawah.

Gambar 2.4 Proses pencampuran udara secara adiabatik.

Persamaan –persamaan yang dapat digunakan pada analisis pencampuran udara secara adiabatik ini adalah penjabaran hukum kekekalan masa dan hukum kekekalan energi. m h + m b h b = m c h c ...........................................................................................(2.14) kekekalan masa udara m + m b = m c ....................................................................................................(2.15) kekekalan masa uap air m w m + b w b = m c w c ........................................................................................(2.16)

4.Menambah Kelembaban (Humidifier)

Pada suatu ruangan yang dikondisikan, adakalanya kandungan uap airnya terlalu rendah dan perlu menambahkan uap air.Proses penambahan uap air pada udara diilustrasikan pada gambar dibawah.

Gambar 2.5 Proses penambahan uap air pada udara

Persamaan persamaan yang dapat digunakan untuk analisis adalah penerapan hukum kekekalan masa dan hukum kekekalan energi. Kekekalan energi: m a h

1 + m w h w = m a h

kekekalan masa air : m + a w

1 m w = m w w

dimana m a adalah aliran massa udara ,m w massa air/uap yang dimasukkan

5.Mengurangi Kelembaban (Dehumidifier)

Arti dari mengurangi kelembaban adalah mengurangi kelembaban adalah mengurangi kadar uap air yang ada diudara. Ada dua cara yang dapat digunakan untuk mengurangi kadar uap air ini.Pertama adalah dengan mendinginkan udara sampai temperatur dibawah temperatur saturasi sehingga sebagian uap air akan mengembun.

Kedua dengan menggunakan desiccant, yaitu suatu zat hisgroskopik yang dapat menyerap sabagian uap air dari udara secara adiabatik.Contoh desiccant yang umum digunakan adalah silica gel. Zat ini sering dijumpai dalam jumlah kecil didalamplastik kecildalam suatu bungkusan kue kering, yang tujuannya untuk menjaga makanan tetap dalam kondisi kering agar tidak cepat busuk.Contoh lain dari dessicant ini adalah ;desisscant padat seperti calcium sulfate, calcium clorida, karbon aktif, dan zeolit. Desisscant cair anrtara lain larutan garam seperti LiCl dalam air. Setelah suatu dessicant menyerap uap air dari udara ,dessicant ini dapat dipaksa melepaskan uap yang diserapnya dengan memanaskannya.Setelah uap air tersebut lepas dessicant dapat digunakan kembali

2.4 Siklus Kompresi Uap

Sistem kompresi uap merupakan dasar sistem refrigerasi yang terbanyak di gunakan, dengan komponen utamanya adalah kompresor, evaporator, alat ekspansi (Throttling Device), dan kondensor. Keempat komponen tersebut melakukan proses yang saling berhubungan dan membentuk siklus refrigerasi kompresi uap.

Gambar 2.6. Siklus Kompresi Uap

Pada diagram P-h, siklus kompresi uap dapat digambarkan pada gambar 2.7 sebagai berikut:

(P = kPa)

4 (h = kJ/kg)

Gambar 2.7. Siklus Refrigerasi Kompresi Uap pada Diagram P-h Proses yang terjadi pada Siklus Refrigerasi Kompresi Uap adalah sebagai berikut: 1.

Proses Kompresi (1 – 2)

Proses ini berlangsung di kompresor secara isentropik adiabatik. Kondisi awal refrigeran pada saat masuk di kompresor adalah uap jenuh bertekanan rendah, setelah di kompresi refrigeran menjadi uap bertekanan tinggi. Oleh karena proses ini di anggap isentropik, maka temperatur keluar kompresor pun muningkat. Besarnya kerja kompresi per satuan massa refrigeran bisa di hitung dengan rumus

W k = (sumber : Dr.Eng. Himsar Ambarita, hal : 11) Dimana :

W k = besarnya kerja kompresi yang di lakukan (kJ/kg) = entalpi refrigeran saat masuk kompresor (kJ/kg) = entalpi refrigeran saat keluar kompresor (kJ/kg)

ṁ = laju aliran refrigeran pada sistem (kg/s) diperoleh dari tekanan pada evaporator, h diperoleh dari tekanan pada

1 2 kondensor.

Dalam pengujian besarnya daya kompresor untuk melakukan kerja dapat juga ditentukan dengan rumus: ..................................................................................(2.17)

Dimana : = daya listrik kompresor (Watt) = tegangan listrik (Volt)

= kuat arus listrik (Ampere)

= 0,6

– 0,8 2.

Proses Kondensasi (2 – 3)

Proses ini berlangsung di kondensor, refrigeran yang bertekanan dan temperatur tinggi keluar dari kompresor membuang kalor sehingga fasanya berubah menjadi cair. Hal ini berarti bahwa di kondensor terjadi penukaran kalor antara refrigeran dengan udara, sehingga panas berpindah dari refrigeran ke udara pendingin dan akhirnya refrigeran mengembun menjadi cair.

Besarnya kalor per satuan massa refrigerant yang di lepaskan di kondensor dinyatakan sebagai: ( Sumber : Dr.Eng.Himsar Ambarita, hal : 14)

Dimana : Q k = besarnya kalor dilepas di kondensor (kJ/kg)

= entalpi refrigeran saat masuk kondensor (kJ/kg) = entalpi refrigeran saat keluar kondensor (kJ/kg) 3.

Proses Ekspansi (3 – 4)

Proses ini berlangsung secara isoentalpi, hal ini berarti tidak terjadi penambahanentalpi tetapi terjadi drop tekanan dan penurunan temperatur. Proses penurunan tekanan terjadi pada katup ekspansi yang berbentuk pipa kapiler atau orifice yang berfungsi mengatur laju aliran refrigerant dan menurunkan tekanan.

= ( Sumber : Dr.Eng.Himsar Ambarita, hal : 6) Dimana : h

3 = entalpi refrigeran saat keluar kondensor (kJ/kg)

h = harga entalpi masuk ke evaporator (kJ/kg)

4. Proses Evaporasi (4 – 1)

Proses ini berlangsung di evaporator secara isobar isotermal. Refrigerant dalam wujud cair bertekanan rendah menyerap kalor dari lingkungan / media yang di dinginkan sehingga wujudnya berubah menjadi gas bertekanan rendah. Besarnya kalor yang diserap evaporator adalah

(Sumber: Dr.Eng.Himsar Ambarita, hal : 6) Dimana :

= kalor yang di serap di evaporator ( kW ) = harga entalpi ke luar evaporator (kJ/kg)

= harga entalpi masuk ke evaporator (kJ/kg) Selanjutnya refrigeran kembali masuk ke kompresor dan bersirkulasi kembali, begitu seterusnya sampai kondisi yang diinginkan tercapai.

2.3.1 Komponen Utama Siklus Kompresi Uap

Siklus refrigerasi kompresi uap merupakan silkus yang paling umum digunakan untuk mesin pendingin dan pompa kalor. Komponen utama dari sebuah siklus kompresi uap adalah :

1. Kompresor Pada sistem mesin refrigerasi, kompresor berfungsi seperti jantung.

Kompresor berfungsi untuk mensirkulasikan refrigeran dan menaikan tekanan refrigerant agar dapat mengembun di kondensor pada temperatur di atas temperatur udara sekeliling.(www:Google/Komponen Utama Siklus Kompresi Uap).

Berdasarkan cara kerjanya, kompresor yang biasa dipakai pada sistem

refrigerasi dapat dibagi menjadi: _KOMPRESOR

RECIPROCATING ROTARY EJEKTOR TURBO

^ROLLING _PISTON ^{SCREW CENTRIFUGAL AXIAL}

Gambar 2. 8 Pembagian Kompresor (Teknik Pendingin & Pengkondisian Udara ,Dr. Eng. Himsar Ambarita, 2012, hal : 46)

Kompresor yang memerangkap refrigeran dalam suatu ruangan yang terpisah dari saluran masuk dan keluarnya, kemudian dimampatkan. Kompresor ini dapat dibagi lagi menjadi: a. Bolak-balik (reciprocating) kompresor torak.

b. Putar (rotary)

c. Kompresor sudu luncur (rotary vane atau sliding vane)

d. Kompresor ulir (screw)

e. Kompresor gulung (Scroll)

2. Kondensor,

Kondensor berfungsi sebagai untuk membuang kalor ke lingkungan, Sebelum masuk ke kondenser refrigeran berupa uap yang bertemperatur dan bertekanan tinggi, sedangkan setelah keluar dari kondenser refrigeran berupa cairan jenuh yang bertemperatur lebih rendah dan bertekanan sama (tinggi) seperti sebelum masuk ke kondensor.

Dilihat dari proses perpindahan panasnya kondensor terdiri dari dua jenis, jenis kondensor yaitu kondensor kontak langsung dan kondensor permukaan.

1. Kondensor Jet Kondensor jet adalah kondensor kontak langsung yang banyak digunakan.

Kondensor jet digunakan pada pembangkit listrik tenaga panas bumi (PLTP) yang siklus kerjanya terbuka. Perpindahan panas pada kondensor jet dilakukan dengan menyemprotkan air pendingin ke aliran uap secara langsung. Air kondensat yang terkumpul di kondensor sebagian digunakan sebagai air pendingin kondensor dan selebihnya dibuang.

2. Kondensor Permukaan Pada kondensor permukaan, uap terpisah dari air pendingin, uap berada diluar pipa-pipa sedangkan air pendingin berada didalam pipa. Perpindahan panas dari uap ke air terjadi melalui perantaraan pipa-pipa. Pada kondensor jenis ini kemurnian air pendingin tidak menjadi masalah karena terpisah dari air kondensat.

Jenis- jenis kondensor yang kebanyakan dipakai adalah sebagai berikut: 1) Kondensor pipa ganda (Tube and Tube)

Jenis kondensor ini terdiri dari susunan dua pipa koaksial, dimana refrigeran mengalir melalui saluran yang berbentuk antara pipa dalam dan pipa luar, dari atas ke bawah. Sedangkan air pendingin mengalir di dalam pipa dalam dengan arah yang berlawanan dengan arah aliran refrigeran.

Gambar 2.9 Kondensor pipa ganda (Tube and Tube Condensor )

Keterangan :

a. Uap refrigeran masuk e. Tabung luar

b. Air pendingin keluar f. Sirip bentuk bunga

c. Air pendingin masuk g. Tabung dalam

d. Cairan refrigeran keluar 2) Kondensor tabung dan koil ( Shell and Coil )

Kondensor tabung dan koil adalah kondensor yang terdapat koil pipa air pendingin di dalam tabung yang di pasang pada posisi vertikal. Tipe kondensor ini air mengalir dalam koil, endapan dan kerak yang terbantuk dalam pipa harus di bersihkan dangan bahan kimia atau detergen.

3) Kondensor pendingin udara Kondensor pendingin udara adalah jenis kondensor yang terdiri dari koil pipa pendingin yang bersirip pelat (tembaga atau aluminium). Udara mengalir dengan arah tegak lurus pada bidang pendingin, gas refrigeran yang bertemperatur tinggi masuk ke bagian atas dari koil dan secara berangsur mencair dalam alirannya ke bawah. 4) Kondensor tabung dan pipa horizontal (Shell and Tube)

Kondensor tabung dan pipa horizontal adalah kondensor tabung yang di dalamnya banyak terdapat pipa

– pipa pendingin, dimana air pendingin mengalir dalam pipa
– pipa tersebut. Ujung dan pangkal pipa terikat pada pelat pipa, sedangkan diantara pelat pipa dan tutup tabung dipasang sekat untuk membagi aliran air yang melewati pipa – pipa.

Gambar 2.10 Kondensor selubung dan tabung (Shell and Tube condenser)

Keterangan :

1. Saluran air pendingin keluar 6. Pengukur muka cairan

2. Saluran air pendingin masuk 7. Saluran masuk refrigeran

3. Pelat pipa 8. Tabung keluar refrigeran

4. Pelat distribusi 9. Tabung

5. Pipa bersirip Pembagian kondensor berdasarkan medium yang digunakan dapat dibagi atas 3 bagian, yaitu: (1) Kondensor berpendingin udara, (2) Kondensor berpendingin air, dan (3) Kondensor berpendingin gabungan (Evaporative ).

Condenser

Tabel 2.2. Perbandingan kondensor berpendingin udara dan air

Pendingin Parameter Udara Pendingin Air o o

Perbedaan temperatur, Tc-Tpendingin 6 s/d 22 C 6 s/d 12 C 12 s/d 20 0,007 s/d 0,02 Laju aliran pendingin per TR m3/mnt m3/mnt Luas perpindahan panas per TR 10 s/d 15 m2 0,5 s/d 1 m2 Kecepatan fluida pendingin 2,5 s/d 6 m/s 2 s/d 3 m/s Daya pompa/blower per TR 75 s/d 100W Kecil

TR = Ton of Refrigerasi ( Beban di evaporator) 1TR = 3,5 KW

Sumber, ASHRAE Inc., (2008). ASHRAE Handbook

– HVAC Systems and Equipment. SI Edition. Atlanta .

3. Katup Ekspansi, Komponen utama yang lain untuk mesin refrigerasi adalah katup ekspansi.

Katup ekspansi ini dipergunakan untuk menurunkan tekanan dan untuk mengekspansikan secara adiabatik cairan yang bertekan dan bertemperatur tinggi sampai mencapai tingkat tekanan dan temperatur rendah, atau mengekspansikan refrigeran cair dari tekanan kondensasi ke tekanan evaporasi, refrigeran cair diinjeksikan keluar melalui oriffice, refrigeran segera berubah menjadi kabut yang tekanan dan temperaturnya rendah.

Selain itu, katup ekspansi juga sebagai alat kontrol refrigerasi yang berfungsi :

1. Mengatur jumlah refrigeran 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.

4. Evaporator,

Evaporator berfungsi melakukan perpindahan kalor dari ruangan yang didinginkan ke refrigeran yang mengalir di dalamnya melalui permukaan dindingnya. Pada diagaram P

– h dari siklus kompresi uap sederhana, evaporator mempunyai tugas merealisasikan garis 1
–4. Setelah refrigeran turun dari kondensor melalui katup ekspansi masuk ke evaporator dan di uapkan, kemudian dikrim ke kompresor. Pada prinsipnya evaporator hampir sama dengan kondensor, yaitu sama – sama APK yang fungsinya mengubah fasa refrigeran. Bedanya, jika pada kondensor refrigeran berubah dari uap menjadi cair, maka pada evaporator berubah dari cair menjadi uap. Berdasarkan model perpindahan panasnya, evaporator dapat dibagi menjadi dua jenis yaitu : 1.

Natural Convention

Pada evaporator natural convention, fluida pendingin dibiarkan mengalir sendiri karena adanya perbedaan massa jenis, umumnya evaporator ditempatkan di tempat yang lebih tinggi. Fluida yang bersentuhan dengan evaporator akan turn suhunya dan massa jenisnya akan naik, sebagai akibatnya fluida ini akan turun dan mendesak fluida dibawahnya untuk bersirkulasi. Sistem ini hanya mampu pada refrigerasi dengan kapasitas – kapasitas kecil seperti kulkas.

2. Forced convention

Evaporator ini menggunakan blower untuk memaksa terjadinya aliran udara sehingga terjadi konveksi dengan laju perpindahan panas yang lebih baik.

2. 5 Refrigran Refrigeran adalah fluida kerja utama pada suatu siklus refrigerasi yang

bertugas menyerap panas pada temperatur dan tekanan rendah dan membuang panas pada temperatur dan tekanan tinggi. Umumnya refrigerant mengalami perubahan fasa dalam satu siklus.

1. Kecepatan refrigeran pada titik 4

4 = w . v

(2.18)

………………...…........................……………..…………………….……..……

(Refrigerasi dan Pengkondisian Udara, Edisi II, W.F. Stoecker, hal :251)

4 = Volume spesifik cair jenuh (m /kg)

2. Bilangan Reynolds Re = V .D/ 

(2.19)

3 4. v 4 ….………………….………………...........................…..………….….…

(Refrigerasi dan Pengkondisian Udara, Edisi II, W.F. Stoecker, hal :251) 

3 = Viskositas cair jenuh

D = Diameter dalam pipa kapiler = 2 mm

3. Faktor gesek

0.25

f = 0,33/Re (2.20)

……….………..........................…….…………....……...…………….…

(Refrigerasi dan Pengkondisian Udara, Edisi II, W.F. Stoecker, hal :251)

3. Faktor gesek rata-rata untuk tiap ruas

f  f ₃ ₄

f m = (2.21)

……….………..............................….……………………..…..……….….…

(Refrigerasi dan Pengkondisian Udara, Edisi II, W.F. Stoecker, hal :251)

4. Kecepatan rata-rata refrigeran

V  ₃ V ₄ V m =

(2.22)

………………..……..…………..............................…..……….….…

2 ₂ _.

   L

V _m P  P  f x x A  m V  V (2.23)

 ³ ^{4  m } ⁴ ^{3  ……………………..…………….….…}

 

2 v    

(Refrigerasi dan Pengkondisian Udara, Edisi II, W.F. Stoecker, hal :251)

2.5.1 Pengelompokan Refrigran

Refrigeran dirancang untuk ditempatkan didalam siklus tertutup atau tidak bercampur dengan udara luar. Tetapi, jika ada kebocoran karena sesuatu hal yang tidak diinginkan, maka refrigeran akan keluar dari system dan bisa saja terhirup

manusia. Untuk menghindari hal-hal yang tidak diinginkan maka refrigeran harus dikategorikan aman atau tidak aman. Ada dua faktor yang digunakan untuk mengklassifikasikan refrigeran berdasarkan keamanan, yaitu bersifat racun (toxicity) dan bersifat mudah terbakar (flammability).

Berdasarkan toxicity, refrigerants dapat dibagi dua kelas, yaitu kelas A bersifat tidak beracun pada konsentrasi yang ditetapkan dan kelas B jika bersifat racun. Batas yang digunakan untuk mendefinisikan sifat racun atau tidak adalah sebagai berikut. Refrigerant dikategorikan tipe A jika pekerja tidak mengalami gejala keracunan meskipun bekerja lebih dari 8 jam/hari (40 jam/minggu) di lingkungan yang mengandung konsentrasi refrigerant sama atau kurang dari 400 ppm (part per million by mass). Sementara kategori B adalah sebaliknya.

Berdasarkan flammability, refrigerant dibagi atas 3 kelas, kelas 1, kelas 2, dan kelas 3. Yang disebut kelas 1 jika tidak terbakar jika diuji pada tekanan 1 atm (101 kPa) temperature 18,3°C. Kelas 2 jika menunjukkan keterbakaran yang

rendah saat konsentrasinya lebih dari 0,1 kg/m pada 1 atm 21.1°C atau kalor pembakarannya kurang dari 19 MJ/kg. Kelas 3 sangat mudah terbakar.

3 Refrigerant ini akan terbakar jika konsentrasinya kurang dari 0,1 kg kg/m

atau kalor pembakarannya lebih dari 19 MJ/kg. Berdasarkan defenisi ini, sesuai standard 34-1997, refrigerants diklassifikasikan menjadi 6 kategori, yaitu: (Refrigerasi dan Pengkondisian Udara, Edisi II, W.F. Stoecker ).

1. A1: Sifat racun rendah dan tidak terbakar

2. A2: Sifat racun rendah dan sifat terbakar rendah

3. A3: Sifat racun rendah dan mudah terbakar

4. B1: Sifat racun lebih tinggi dan tidak terbakar

5. B2: Sifat racun lebih tinggi dan sifat terbakar rendah

6. B3: Sifat racun lebih tinggi dan mudah terbakar Tabel 2. 3. Pembagian Refrigerant berdasarkan keamanan

Chemical Formula Safety group Refrigerant number Old New

10 CCl

2 F

3 A1

3 Cl

2 CF

3 A1

3 CF

1 A1 116 CF

2 CClF

1 A1 115 CClF

2 CF

1 A1 114 CClF

113 CCl

123 CHCl

124 CHClFCF

3 B1

125 CHF

2 CF

3 A1

134a CF

3 CH

2 F

A1 142b CClF

3b A2 143a CF

3 CH

3 A2

4 3a A3

50 CH

2 B2

40 CH

2 B1

11 CCl

3 F

1 A1

12 CCl

2 F

1 A1

13 CClF

1 A1

13B1 CBrF

1 A1

14 CF

1 A1

2 A2

2 F

32 CH

2 B2

2 CL

30 CH

23 CHF

1 A1

22 CHClF

2 B1

21 CHCl

2 FCClF

3 A1

2 CH

152a CHF CH 3b A2

170 CH

3 CH 3 3a A3

218 CF

3 CF

2 CF

3 A1 Sumber, ASHRAE Inc., (2008). ASHRAE Handbook – HVAC Systems and Equipment. SI Edition. Atlanta .

2.5.2 Persyaratan Refrigeran

Beberapa persyaratan dari penggunaan refrigeran adalah sebagai berikut:

a. Tekanan Evaporasi dan Tekanan Kondensasi

Tekanan evaporasi refrigeran sebaiknya lebih tinggi dari atmosfer. Hal ini menjaga agar udara luar tidak masuk ke siklus jika terjadi kebocoran minor. Tekanan kondensasi refrigerant sebaiknya tidak terlalu tinggi. Tekanan yang tinggi pada kondensor akan membuat kerja kompressor lebih tinggi dan kondensor harus dirancang untuk tahan pada tekanan tinggi, hal ini akan menambah biaya.

b. Sifat ketercampuran dengan pelumas (oil miscibility)

Refrigerant yang baik jika dapat bercampur dengan oli dan membantu melumasi kompressor. Oli sebaiknya kembali ke compressor dari kondensor, evaporator, dan part lainnya. Refrigeran yang tidak baik justru melemahkan sifat pelumas dan membentuk semacam lapisan kerak yang melemahkan laju perpindahan panas. Sifat seperti ini harus dihindari.

c. Tidak mudah bereaksi (Inertness)

Refrigerant yang bersifat inert tidak bereaksi dengan material lainnya untuk menghindari korosi, erosi, dan kerusakan lainnya.

d. Mudah dideteksi kebocorannya (Leakage Detection)

Kebocoran refrigeran sebaiknya mudah di deteksi, jika tidak akan mengurangi performansinya. Umumnya refrigeran tidak berwarna (colorless) dan tidak berbau (odorless). Metode deteksi kebocoran refrigerant:

3 CFC-113 CCl

0.6 CFC/HFC-500 CFC-12(73.8%)/HFC-152a(26.2%)

2 CF

1.0 CFC-115 CClF

2 CClF

0.8 CFC-114 CClF

2 FCClF

1.0 CFC-13B1 CBrF

a. Halide torch, jika udara mengalir di atas permukaan tembaga yang dipanasi dengan api methyl alcohol, uap dari refrigerant akan berdekomposisi dan mangubah warna api. Lidah api menjadi hijau pada kebocoran kecil, dan mengecil dan kemerahan pada kebocoran besar.

2 F

1.0 CFC-12 CCl

3 F

Refrigeran Chemical Formula ODP Value CFC-11 CCl

Tabel 2.4 Nilai ODP beberapa Refrigeran

d. ODP, singkatan dari Ozone Depletion Potential, potensi penipisan lapisan ozon. Faktor yang dijadikan pembanding adalah kemampuan CFC-11 (R-11) merusak lapisan ozon. Jika suatu refrigerant X mempunyai 6 ODP, artinya refrigerant itu mempunyai kemampuan 6 kali R-11 dalam merusak ozon.

c. Bubble method, campuran sabun yang mudah menggelembung dioleskan pada bagian yang diduga bocor. Jika terjadi gelembung, berarti terjadi kebocoran.

b. Electronic detector, caranya dengan melepaskan arus pada inonisasi refrigerant yang telah terdekomposisi. Tetapi tidak dapat digunakan untuk jika udara mengandung zat yang mudah terbakar.

0.74 CFC/HCFC-502 HCFC-22(48.8%)/CFC-115(51.2%)

0.33 HCFC-22 CHClF

2 CF

3 CClF

2 F

Definisi dari perpindahan panas adalah berpindahnya energi dari suatu daerah ke daerah lainnya sebagai akibat perbedaan suhu antara daerah-daerah tersebut. Secara umum terdapat tiga cara proses perpindahan panas yaitu : konduksi, konveksi, dan radiasi.

e. GWP adalah global warming potential, ada dua jenis angka (indeks) yang biasa digunakan untuk menyatakan potensi peningkatan suhu bumi. Pertama HGWP (halocarbon global warming potential) yaitu perbandingan potensi pemanasan global suatu refrigerant dibandingkan dengan R-11. GWP yang menggunakan CO2 sebagai acuan. Sebagai contoh perhitungan 1 lb R-22 mempunyai efek pemanasan global yang sama dengan 4100 lb gas CO2 pada 20 tahun pertama dilepas ke atmosfer. Dan turun menjadi 1500 lb CO2 setelah 100 tahun.

Atlanta

2 Sumber, ASHRAE Inc., (2008). ASHRAE Handbook – HVAC Systems and Equipment. SI Edition.

3 CHF

HFC-152a CH

3 CH

3 HFC-134a CF

2 CF

0.06 HCFC-125 CHF

0.02 HCFC-142b CH

0.02 HCFC-124 CHCClF

0.05 HCFC-123 CHCl

2.6 Tinjauan Perpindahan Panas

2.6.1. Perpindahan panas konduksi

Perpindahan panas konduksi merupakan perpindahan energi yang terjadi pada media padat atau fluida yang diam akibat dari perbedaan temperatur. Hal ini merupakan perpindahan dari energi yang lebih energik ke partikel energi yang kurang energik pada suatu benda akibat interaksi antar partikel-partikel. Energi ini dapat dihubungkan dengan cara tranlasi, sembarang, rotasi dan getaran dari molekul- molekul. Apabila temperatur lebih tinggi berarti molekul dengan enrgi yang lebih tinggi memindahkan energi ke molekul yang memiliki energi yang lebih rendah (kurang energi). untuk perpindahan panas secara konduksi, persamaan yang digunakan adalah Hukum Fourier.

Jika kondisi pada dinding datar dengan perpindahan panas pada satu dimensi, maka persamaannya dapat ditulis sebagai berikut :

Dasar: hokum fourier

q k = kA atau ………………………………....(2.24)

Dimana : q = Laju perpindahan panas (w) K = Konduktivitas termal (W/(m.k)

2 A = Luas penampang yang terletak pada aliran panas (m )

dT/dx = Gradien temperature dalam arah aliran panas

2.6.2. Perpindahan panas konveksi

Perpindahan panas secara konveksi merupakan suatu perpindahan panas yang terjadi antara suatu permukaan padat dan fluida yang bergerak atau mengalir yang diakibatkan oleh adanya perbedaan temperatur. Pada proses perpindahan panas konveksi dapat terjadi dengan beberapa metode, antara lain :

a. Konveksi bebas ( free convection )

Merupakan suatu proses perpindahan penas konveksi dimana aliran fluida terjadi bukan karena dipaksa oleh suatu peralatan akan tetapi disebabkan oleh adanya gaya apung.

…………………………………………………….….( 2.25 ) dan kehilangan tekanan (pressure drop) dihitung dengan menggunakan factor gesekan f (fruction factor) :

adalah diameter hidrolik, yang tergantung pada bentuk penampang pipa tempat fluida mengalir . Secara umum diameter hidrolik didefinisikan sebagai : D h = = K adalah keliling atau kadang diistilahkan dengan perimeter,p.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Proses Pengeringan - Analisa Saluran Pengering Berbentuk Silinder Pada Mesin Pengering Pakan Ternak Sistem Pompa Kalor Dengan Daya 1 Pk