Rancang Bangun dan Pengujian Mesin Pendingin dengan Menggunakan Etanol 96% sebagai Refrigeran
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Mesin pendingin
Mesin pendingin merupakan mesin yang berfungsi untuk memindahkan
panas dari lingkungan bersuhu rendah ke lingkungan bersuhu tinggi. Mesin
pendingin dapat dibayangkan sebagai mesin kalor yang beroperasi secara
terbalik[1].
Teknik refrigerasi merupakan salah satu ilmu dalam mempelajari mesin
pendingin. Teknik refrigerasi adalah semua teknik yang digunakan untuk
menurunkan temperatur suatu medium sampai lebih rendah daripada temperatur
lingkungannya. Dalam melakukan proses penurunan suhu ini, maka sejumlah
energi dalam bentuk panas harus diambil dari medium tersebut dan dibuang ke
lingkungan. Secara alami, panas hanya akan berpindah dari medium yang
temperaturnya lebih tinggi ke medium yang temperaturnya lebih rendah. Dengan
kata lain, perpindahan panas dari medium yang dingin ke medium yang lebih
panas tidak akan mungkin terjadi secara alami. Maka untuk membuat proses ini
terjadi, digunakanlah teknik refrigerasi. Karena refrigerasi adalah sebuah proses
yang bertujuan menurunkan temperatur, maka proses ini sering disebut dengan
istilah fungsi refrigerasi yang artinya proses yang berfungsi menurunkan
temperatur sampai dapat mencapai temperatur lingkungan.
2.2
Pemilihan Styrofoam sebagai Bahan Utama
2.2.1
Pengertian dan Karakteristik Styrofoam
Styrofoam yang memiliki nama lain polystyrene banyak digunakan oleh
manusia dalam kehidupannya sehari – hari. Begitu styrofoam diciptakan pun
langsungmarak digunakan di Indonesia. Banyak keunggulan pada styrofoam yang
yang akansangat menguntungkan bagi para penjual makanan seperti tidak mudah
bocor, praktis dan ringan sudah pasti lebih disukai sebagai pembungkus makanan
mereka.Bahkan kita tidak dapat dalam satu hari saja tidak menggunakan bahan
polimer sintetik.
Universitas Sumatera Utara
Polystyrene adalah sebuah dengan monomer, sebuah hidrokarbon cair
yang dibuat secara komersial dari minyak bumi. Pada suhu ruangan, polistirena
biasanya bersifat padat, dapat mencair pada suhu yang lebih tinggi. Stirena
tergolong senyawa aromatik. Polistirena pertama kali dibuat pada 1839 oleh
Eduard Simon, seorang apoteker Jerman. Ketika mengisolasi zat tersebut dari
resin alami, dia tidak menyadari apa yang dia telah temukan. Seorang kimia
anorganik Jerman lainnya, Hermann Staudinger, menyadari bahwa penemuan
Simon terdiri dari rantai panjang molekul stirena, yang adalah sebuah polimer
plastik. Polistirena padat murni adalah sebuah plastik tak berwarna, keras dengan
fleksibilitas yang terbatas yang dapat dibentuk menjadi berbagai macam produk
dengan detil yang bagus. Penambahan karet padasaat polimerisasi dapat
meningkatkan fleksibilitas dan ketahanan kejut. Polistirena jenis ini dikenal
dengan nama High Impact Polystyrene (HIPS). Polistirena murni yang transparan
bisa dibuat menjadi beraneka warna melalui proses. Polistirena banyak dipakai
dalam produk – produk elektronik sebagai casing, kabinet, dan komponen –
komponen lainnya. Peralatan rumah tangga yang terbuat dari polistirena seperti
sapu, sisir, baskom, gantungan baju, dan ember. Karakteristik dari styrofoam
diberikan pada Tabel 2.1.
Tabel 2.1 Karakteristik Styrofoam[2]
2.2.2
Sifat Fisis
Ukuran
Densitas
25 – 200 kg/m3
Konduktivitas Thermal
0,033 W/mK
Modulus Young (E)
3000 – 3600 MPa
Kekuatan Tarik
40 – 60 MPa
Styrofoam sebagai Insulasi Termal
Insulasi termal (isolasi termal, isolasi panas) adalah metode atau proses
yang digunakan untuk mengurangi laju perpindahan panas/kalor. Panas atau
energi panas (kalor) bisa dipindahkan dengan cara konduksi, konveksi, dan radiasi
atau ketika terjadi perubahan wujud. Mengenai insulasi termal, hanya dibicarakan
perpindahan panas secara konduksi, konveksi, dan radiasi. Aliran panas dapat
dikendalikan dengan proses ini, tergantung pada sifat material yang dipergunakan.
Universitas Sumatera Utara
Bahan yang digunakan untuk mengurangi laju perpindahan panas itu disebut
isolator atau insulator. Panas dapat lolos meskipun ada upaya untuk menutupinya,
tapi isolator mengurangi panas yang lolos tersebut.
Isolasi termal dapat menjaga wilayah tertutup seperti bangunan atau tubuh
agar terasa hangat lebih lama dari yang sewajarnya, tetapi itu tidak mencegah
hasil akhirnya, yaitu masuknya dingin dan keluarnya panas. Isolator juga dapat
bekerja sebaliknya, yaitu menjaga bagian dalam suatu wadah terasa dingin lebih
lama dari biasanya. Insulator digunakan untuk memperkecil perpindahan energi
panas.
Kemampuan insulasi suatu bahan diukur dengan konduktivitas termal (k).
Konduktivitas termal yang rendah setara dengan kemampuan insulasi (resistansi
termal atau nilai R) yang tinggi. Dalam teknik termal, sifat – sifat lain suatu bahan
insulator atau isolator adalah densitas (ρ) dan kapasitas panas spesifik (c). Berikut
table konduktivitas termal bahan ditunjukkan pada table 2.2.
Tabel 2.2 Konduktivitas Termal Bahan[2]
No
Bahan
Konduktivitas Thermal k (W/mK)
1
Styrofoam
0,033
2
Kaca
0,78
3
Plastik
0,15
4
Kayu
0,08 – 0,16
5
Tembaga
386
6
Aluminium
200
7
Stainless Steel
15
Bahan dengan konduktivitas termal (k) rendah menurunkan laju aliran
panas. Oleh sebab itulah, styrofoam dipilih sebagai bahan utama dalam pembuatan
mesin pendingin ruangan. Selain memiliki nilai konduktivitas termal yang rendah,
pemilihan styrofoam ditinjau juga dari segi ekonomis dan kepraktisannya.
Universitas Sumatera Utara
2.3
Refrigeran, Media Pendingin dan Absorbent
Refrigeran adalah fluida 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 refrigeran
mengalami perubahan fasa dalam suatu siklus kecuali pada siklus gas.
Media pendingin (cooling media) adalah media yang digunakan untuk
mengantarkan efek refrigerasi ke tempat yang membutuhkan. Hal ini dapat
dijelaskan sebagai berikut. Sistem pendingin udara pada unit yang besar, seperti
bangunan komersial, menempatkan siklus pendingin terpusat pada suatu tempat.
Dan ruangan yang menggunakan efek refrigerasi relatif jauh dari unit ini, untuk
keperluan ini adalah lebih baik menggunakan medium lain daripada harus
menggunakan medium lain daripada harus mensirkulasikan refrigeran ke tiap
ruangan. Medium yang lain inilah yang disebut sebagi medium pendingin atau
sering juga disebut sebagai refrigeran sekunder. Medium yang biasanya sering
digunakan adalah air, glycol, dan larutan garam.
Cairan absorben (liquid absorbent) adalah cairan yang digunakan untuk
menyerap uap refrigeran dan membentuk ikatan kimia (chemical bonding).
Kemampuan absorben mengikat refrigeran ini disebut sebagai afinitas. Istilah ini
jarang digunakan dan hanya dapat ditemui pada siklus absorpsi. Zat yang umum
digunakan sebagai absorbent antara lain : Air, Lithium Bromida (LiBr), dan
Amonia.
2.3.1
Syarat Refrigeran ( Bahan Pendingin)
Suatu bahan pendingin mempunyai syarat–syarat untuk keperluan proses
pendinginan antara lain:
a. Tidak beracun dan tidak berbau dalam semua keadaan.
b. Tidak menyebabkan korosi terhadap bahan logam yang dipakai pada
sistem pendingin.
c. Bila terjadi kebocoran mudah diketahui dengan alat–alat yang sederhana
maupun dengan alat detector kobocoran
d. Mempunyai titik didih dan tekanan kondensasi yang rendah
Universitas Sumatera Utara
e. Mempunyai kalor laten penguapan yang besar, agar panas yang diserap
evaporator sebesar–besarnya.
f. Harganya tidak mahal dan mudah diperoleh.
g. Konduktifitas thermal yang tinggi.
h. Konstanta dieletrika dari refrigeran yang kecil, tahanan lisrtrik yan besar,
serta tidak menyebabkan korosi pada material isolator listrik.
i. Tidak merusak tubuh manusia.
2.4
Alkohol (etanol)
Etanol disebut juga etil alkohol, alkohol murni, alkohol absolute, atau
alkohol saja, adalah sejenis cairan yang mudah menguap, mudah terbakar, tidak
berwarna dan merupakan alkohol yang paling sering digunakan dalam kehidupan
sehari-hari.
Etanol adalah cairan tak berwarna yang mudah menguap dengan aroma
khas. Etanol terbakar tanpa asap dengan lidah api berwarna biru yang terkadang
tidak dapat terlihat dengan cahaya biasa. Berikut sifat etanol ditunjukkan pada
tabel 2.3.
Table 2.3 Sifat Etanol[3]
Densitas
0.789 g/cm3
Titik Lebur
-114.3
Titik Didih
78.4
Titik Nyala
Kalor Jenis
13
2400 J/kg
(55.4 )
(0,57 kkal/kg )
Kalor Lebur
104.000 J/kg
Kalor Uap
855.000 J/kg
Data diatas berlaku pada temperature dan tekanan standar (25 , 100kPa)
Universitas Sumatera Utara
2.5
Karbon aktif (activated carbon)
Karbon aktif, atau sering juga disebut sebagai arang aktif, adalah suatu
jenis karbon yang memiliki luas permukaan yang sangat besar. Hal ini dicapai
dengan mengaktifkan arang atau karbon tersebut. Hanya dengan satu gram karbon
aktif, akan didapat material yang memiliki luas permukaan sebesar
500m2.
Umumnya pengaktifan bertujuan untuk memperbesar luas permukaan saja, namun
beberapa usaha juga berkaitan dengan meningkatkan kemampuan adsorpsi karbon
aktif itu sendiri.
Karbon aktif adalah karbon padat yang memiliki luas permukaan yang
tinggi berkisar antara 100 – 2000 m2/g. Bahkan ada peneliti yang mengklaim luas
permukaan karbon aktif yang dikembangkan memiliki luas melebihi 3000 m2/g.
Hal ini dikarenakan zat ini memiliki pori-pori yang sangat kompleks yang berkisar
dari ukuran mikro dibawah 20 A (Angstrom).
Luas permukaan yang besar ini sangat cocok digunakan untuk aplikasi
yang membutuhkan luas kontak yang sangat besar seperti pada bidang adsorpi
(penyerapan), dan pada bidang reaksi atau katalis.
2.6
Perkiraan Beban Pendingin
2.6.1
Definisi Beban Pendingin
Beban pendinginan adalah laju panas yang harus dipindahkan dari ruangan
ke lingkungan sehingga suhu dan kandungan uap airnya terjaga seperti yang
diinginkan. Perlu diulang kembali bahwa tugas unit pendingin adalah menjaga
kondisi suatu ruangan agar berada pada suhu dan kelembaban tertentu yang
umumnya lebih rendah dari temperatur dan kelembaban lingkungan luar. Banyak
faktor yang mempengaruhi besarnya beban pendingin ini, misalnya kondisi suhu
di luar ruangan, kebocoran udara dari luar ke dalam mesin pendingin, aktivitas di
dalam ruangan misalnya terdapat mesin yang menghasilkan panas dan juga lampu
listrik, dan jumlah orang yang keluar masuk dari ruangan.
Terdapat beberapa metode perhitungan beban pendingin yang telah
diajukan oleh beberapa badan standard. Tetapi yang paling umum digunakan
adalah metode yang diajukan oleh ASHRAE.
Universitas Sumatera Utara
2.6.2
Jenis Beban Pendingin
Jenis beban pendingin, dapat dibagi menjadi dua, yaitu panas sensibel dan
panas laten. Panas sensibel adalah panas yang diterima atau dilepaskan suatu
materi sebagai akibat perubahan suhunya. Panas laten adalah panas yang diterima
atau dilepaskan suatu materi karena perubahan fasanya. Untuk lebih menjelaskan
arti masing – masing panas ini, misalkan kita mendinginkan air dari 100 oC
sampai mejadi es 0 oC. Panas yang diserap dari air mulai dari 100 oC menjadi 0 oC
(masih tetap air) disebut beban sensibel. Jika air yang suhunya sudah 0 oC
didinginkan lagi hingga akhirnya menjadi es, di sini tidak terjadi perubahan suhu,
tetapi perubahan fasa. Panas yang diserap di sini disebut panas laten.
2.6.3
Sumber – Sumber Beban Pendingin
Beban pendingin bagi mesin pendingin yang dikondisikan bisa berasal dari
beberapa sumber. Sumber – sumber ini umumnya dibagi 2 bagian besar, yaitu
beban yang berasal dari luar mesin pendingin dan beban yang berasal dari dalam
ruangan. Panas yang berasal dari luar mesin pendingin antara lain: panas yang
berpindah secara konduksi, konveksi, dan radiasi dari dinding - dinding material
mesin pendingin ruangan. Terdapat juga panas akibat masuknya udara luar yaitu
berupa kebocoran udara (infiltrasi). Sementara sumber panas yang berasal dari
dalam ruangan dapat berupa panas akibat lampu penerangan dan panas yang
berasal manusia. Berikut bagan beban pendingin ditunjukkan pada gambar 2.1.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.1 Bagan Beban Pendingin[4]
2.6.4
Panas Dari Udara Luar (Infiltrasi)
Akibat masuknya udara luar, baik secara sengaja ditambahkan maupun
akibat kebocoran (tidak sengaja), akan menjadi beban bagi ruangan yang
dikondisikan. Panas udara dari luar biasanya ada 2 yaitu panas dari udara ventilasi
dan panas dari udara infiltrasi. Pada kasus ini, panas dari udara luar hanyalah
panas udara infiltrasi atau dari kebocoran (secara tidak disengaja), sehingga besar
panas udara luar dari ventilasi diabaikan. Jumlah panas akibat masuknya udara
luar ini terdiri atas 2 jenis yaitu panas sensibel dan panas laten. Panas sensibel
adalah panas yang diterima atau dilepaskan suatu materi sebagai akibat perubahan
suhunya. Panas laten adalah panas yang diterima atau dilepaskan suatu materi
karena perubahan fasanya.
Untuk menghitung beban laten, pertama – tama dihitung terlebih dahulu
besar tekanan uap saturasi (pws), dengan rumus[4]:
Universitas Sumatera Utara
ln(pws ) =
Dimana:
C1
+ C2 + C3T + C4T 2 + C5T 3 + C6 lnT
T
…..................................(2-1)
pws = tekanan uap saturasi (Pa)
C1 = konstanta sebesar -5,8002206 x 103
C2 = konstanta sebesar 1,3914993
C3 = konstanta sebesar -4,8640239 x 10-2
C4 = konstanta sebesar 4,1764768 x 10-5
C5 = konstanta sebesar -1,4452093 x 10-8
C6 = konstanta sebesar 6,5459673
T = Temperatur mutlak (K)
Setelah didapat tekanan uap saturasi, langkah berikutnya adalah mencari
besar tekanan parsial uap air (pw) dengan rumus[4]:
Pw
Dimana:
= RH x pws ……………………………………..(2-2)
RH = Rasio humiditas relatif
pws = Tekanan uap saturasi (Pa)
pw = Tekanan parsial uap air (Pa)
Selanjutnya dihitung besar rasio humiditas ruangan dengan rumus[4]:
………………….…………….(2-3)
Dimana:
wo = Rasio humiditas ruangan (kg air/kg udara kering)
pw = Tekanan parsial uap air (Pa)
patm = Tekanan atmosfer = 101325 Pa
Langkah selanjutnya adalah menghitung laju udara infiltrasi yakni dengan
menggunakan rumus[4]:
Q =Nxμx
………………………………………..(2-4)
Universitas Sumatera Utara
Dimana:
N = Banyak pembukaan mesin pendingin
μ = Standar kebocoran udara = 2,8[5]
Panas sensibel dari udara luar infiltrasi ini dapat kita hitung dengan rumus
sebagai berikut. [4]
Qs = 1,23 Q (To – Ti)........................................................... (2-5)
Dimana :
Qs = Panas sensibel (Watt)
Q = laju aliran udara luar masuk ke dalam ruangan (L/s)
To = temperatur di luar ruangan (°C)
Ti = temperatur di dalam ruangan (°C)
Panas laten dari udara luar infiltrasi dapat kita hitung dengan rumus
sebagai berikut. [4]
Ql = 3010 Q (wo – wi) ....................................................... (2-6)
Dimana :
Ql = Panas laten (Watt)
Q = laju aliran udara luar masuk ke dalam ruangan (L/s)
wo = kelembaban di luar ruangan (kg air/ kg udara kering)
wi = kelembaban di dalam ruangan (kg air/kg udara kering)
2.6.5
Konveksi
Ilustrasi perpindahan panas secara konveksi dapat dilihat dari contoh
berikut. Berdiri didekat api unggun akan terasa udara hangat yang naik dari nyala
api. Ketika udara yang dekat nyala api dipanasi, udara itu memuai dan massa
jenisnya menjadi lebih kecil. Udara hangat dengan massa jenis lebih kecil akan
naik dan tempatnya digantikan oleh udara dingin yang bermassa jenis yang lebih
besar. Proses perpindahan kalor dari satu fluida ke bagian fluida yang lain oleh
pergerakkan fluida itu sendiri dinamakan konveksi.
Universitas Sumatera Utara
Ada dua jenis perpindahan panas secara konveksi, yaitu:
1. Konveksi alamiah
2. Konveksi paksa
2.6.5.1
Konveksi alamiah
Pada konveksi alamiah pergerakkan fluida terjadi akibat perbedaan
massa jenis. Bagian fluida yang menerima kalor (dipanasi) akan memuai dan
massa jenisnya menjadi lebih kecil, sehingga terjadi pergerakkan ke atas.
Tempatnya digantikan oleh bagian fluida dingin yang jatuh ke bawah karena
massa jenisnya lebih besar. Peristiwa ini mirip dengan mengapungnya suatu
benda karena massa jenis benda lebih kecil daripada massa jenis zat cair.
Contoh konveksi udara secara alami dapat dilihat ketika membakar
sesuatu. Udara panas di dekat nyala api memuai dan massa jenisnya menjadi lebih
kecil. Udara dingin (massa jenisnya lebih besar) yang berada di sekitar api
menekan udara panas ke atas, sehingga terjadilah arus konveksi udara. Arus
konveksi udara inilah yang membawa asap bergerak ke atas.
2.6.5.1.1
Konveksi Bebas Pelat Horizontal
Perhitungan koefisien konveksi bebas pelat horizontal (h)
dilakukan pada bagian luar mesin pendingin ruangan yang bersentuhan dengan
udara tenang menggunakan beberapa tahap. Tahap pertama yaitu menghitung
bilangan Rayleigh. Bilangan Rayleigh adalah bilangan yang didapat pada
konveksi bebas. Aliran laminar mempunyai bilangan Rayleigh dibawah 10 9 dan
aliran turbulen mempunyai bilangan Rayleigh diatas 10 9. Bilangan Rayleigh dapat
dicari dengan persamaan[2]:
RaL
Dimana :
g Ts T L3
.................................................. (2-7)
v
RaL = Bilangan Rayleigh
g = Gravitasi bumi = 9,8 m/s2
Ts = Suhu permukaan (K)
T∞ = Suhu fluida (K)
Universitas Sumatera Utara
(m)
L=
=
=
∞
(K-1)
= Difusivitas panas (m2/s)
= Viskositas (m2/s)
Tahap selanjutnya adalah menghitung bilangan Nusselt untuk aliran
laminar dengan persamaan[2]:
N uL = 0,54 x RaL1/4……………….………..………..(2-8)
Untuk aliran turbulen, bilangan Nusselt dihitung dengan persamaan[2]:
N uL = 0,15 x RaL1/3…………………………………..(2-9)
Tahap berikutnya adalah menghitung koefisien konveksi (h L) dengan
rumus[2]:
hL =
Dimana:
..........................................................(2-10)
hL = Koefisien konveksi (W/m2K)
k = Konduktivitas Termal Fluida (W/mK)
L=
(m)
NuL = Bilangan Nusselt
2.6.5.1.2
Konveksi Bebas Pelat Vertikal
Perhitungan koefisien konveksi bebas pelat vertikal (h) dilakukan
pada bagian luar mesin pendingin ruangan yang bersentuhan dengan udara tenang
menggunakan beberapa tahap. Tahap pertama adalah menghitung besarnya
bilangan Rayleigh menggunakan persamaan (2-5).
Tahap selanjutnya adalah menghitung bilangan Nusselt untuk aliran
laminar dengan persamaan[2]:
Universitas Sumatera Utara
1
N uL 0.68
0.670 R 4 aL
........................................... (2-11)
4
9
1 (0.492 /Pr)16
9
Dimana :
NuL = Bilangan Nusselt
RaL = Bilangan Rayleigh
Pr = Bilangan Prandlt
Untuk aliran turbulen, bilangan Nusselt dihitung dengan persamaan [2]:
ü
ì
ï
ï
1
6
aL
ïï
0.387R
N uL = í 0.825 +
9 ù
ï
é
16
ï
ê 1+ (0.492 / Pr) ú
ïî
ë
û
Dimana :
2
ïï
ý
...................................... (2-12)
8
27
ï
ï
ïþ
NuL = Bilangan Nusselt
RaL = Bilangan Rayleigh
Pr = Bilangan Prandlt
Tahap berikutnya adalah menghitung koefisien konveksi (h L) dengan
persamaan
(2-10).
2.6.5.2 Konveksi Paksa
Aliran pada fluida dapat dibedakan menjadi 2 macam yaitu aliran laminar
dan aliran turbulen. Secara umum aliran laminar merupakan aliran fluida yang
teratur, tenang, dan lurus. Sedangkan aliran turbulen merupakan aliran – aliran
yang tidak teratur, tidak tenang, partikel – partikel airnya saling acak, dan arahnya
berbelok – belok. Dalam menentukan perbedaan antara aliran laminar dan
turbulen dapat dihitung dengan menggunakan bilangan Reynold. Bilangan
Reynold merupakan bilangan yang didapat dari konveksi paksa. Aliran laminar
mempunyai nilai bilangan Reynold dibawah 5x10 5, sedangkan aliran turbulen
mempunyai nilai bilangan Reynold diatas 5x10 5. Berikut perbedaan aliran laminar
dan turbulen ditunjukkan pada tabel 2.4.
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.4 Perbedaan Aliran Laminar dan Turbulen[2]
Aliran
Laminar
Gerakan
Kecepatan
Fluida
Fluida
Lurus
Turbulen Tidak teratur
Viskositas
Lintasan
Gerak
Rendah
Tinggi
Teratur
Relatif tinggi
Rendah
Tidak teratur
Perhitungan koefisien konveksi (h) fluida dapat dilakukan dengan
beberapa tahap. Tahap awal adalah mencari bilangan Reynold (Re L) dengan
persamaan[5]:
ReL =
Dimana:
ρ
∞
μ
………………………………….(2-13)
ReL = Bilangan Reynold
= Massa jenis fluida (kg/m3)
∞
= Kecepatan aliran fluida (m/s)
L = Panjang lapisan konveksi (m)
μ = Viskositas (Ns/m2)
Tahap berikutnya adalah mencari bilangan bilangan Prandtl (Pr) dan
koefisien konduktivitas termal (k) dengan menggunakan interpolasi menurut tabel
2.5. Berikut sifat udara pada tekanan 1 atm ditunjukkan pada tabel 2.5.
Tabel 2.5 Sifat Udara pada Tekanan 1 atm[6]
ρ
Cp
μ x 107
x 106
k x 103
x 106
(kg/m3)
(kJ/kgK)
(Ns/m2)
(m2/s)
(W/mK)
(m2/s)
100
3,5562
1,032
71,1
2,00
9,34
2,54
0,786
150
2,3364
1,012
103,4
4,426
13,8
5,84
0,758
200
1,7458
1,007
132,5
7,590
18,1
10,3
0,737
250
1,3947
1,006
159,6
11,44
22,3
15,9
0,720
300
1,1614
1,007
184,6
15,89
26,3
22,5
0,707
350
0,9950
1,009
208,2
20,92
30,0
29,9
0,700
400
0,8711
1,014
230,1
26,41
33,8
38,3
0,690
T (K)
Pr
Universitas Sumatera Utara
Tahap berikutnya adalah menghitung bilangan Nusselt (Nu L) dengan
[5]
rumus :
NuL = 0,664 x ReL1/2 x Pr1/3...................................................(2-14)
Dimana:
NuL = Bilangan Nusselt
ReL = Bilangan Reynold
Pr = Bilangan Prandtl
Tahap berikutnya adalah menghitung koefisien konveksi (h L) dengan
[5]
rumus :
…………………………………..……..(2-15)
hL =
Dimana:
hL = Koefisien konveksi (W/m2K)
k = Konduktivitas Termal Fluida (W/mK)
L = Panjang Lapisan Konveksi (m)
NuL = Bilangan Nusselt
Laju perpindahan konveksi (Q) dapat dihitung dengan rumus[5]:
Qkonv = hL x A x (
Dimana:
)....................................................(2-16)
Qkonv = Laju perpindahan konveksi (W)
A = Luas penampang (m2)
Ts = Suhu permukaan (K)
= Suhu fluida (K)
Di dalam mesin pendingin ruangan, perhitungan nilai koefisien konveksi
(h) dihitung berdasarkan rumus konveksi paksa.
2.6.6
Konduksi
Ilustrasi perpindahan panas secara konduksi dapat dijelaskan dengan
peristiwa berikut. Letakkan sebuah sendok logam dengan ujung yang satu berada
diatas nyala lilin. Kemudian sentuhlah ujung sendok yang satunya lagi. Ujung
sendok tersebut terasa panas walaupun ujung sendok tersebut tidak bersentuhan
langsung dengan sumber kalor (nyala api lilin). Pada proses perpindahan kalor
dari bagian sendok yang panas ke ujung sendok yang dingin tidak terjadi
Universitas Sumatera Utara
perpindahan partikel – partikel dalam sendok. Proses perpindahan kalor tanpa
disertai perpindahan partikel dinamakan konduksi.
Perpindahan kalor secara konduksi dapat terjadi dalam dua proses berikut
yaitu:
1. Pemanasan pada satu ujung zat menyebabkan partikel – partikel pada
ujung itu bergetar lebih cepat dan suhunya naik, atau energi kinetiknya
bertambah. Partikel – partikel dengan energi kinetik lebih besar ini
memberikan sebagian energi kinetiknya kepada partikel – partikel
tetangganya melalui tumbukan, sehingga partikel – partikel ini memiliki
energi kinetik lebih besar. Selanjutnya, partikel – partikel ini memberikan
sebagian energi kinetiknya ke partikel – partikel tetangga berikutnya,
demikian seterusnya sampai kalor mencapai ujung yang tidak dingin (tidak
dipanasi). Proses perpindahan kalor diperlukan beda suhu yang tinggi
diantara kedua ujung.
2. Dalam logam, kalor dipindahkan melalui elektron – elektron bebas yang
terdapat dalam struktur atom logam. Elektron bebas ialah elektron yang
dengan mudah dapat berpindah dari satu atom ke atom yang lain. Di
tempat yang dipanaskan, energi elektron – elektron bertambah besar. Oleh
karena elektron bebas mudah berpindah, pertambahan energi ini dengan
cepat dapat diberikan ke elektron – elektron lain yang letaknya lebih jauh
melalui tumbukan. Dengan cara ini, kalor berpindah lebih cepat. Oleh
karena itu, logam tergolong konduktor yang sangat baik.
Berdasarkan kemampuan menghantarkan kalor, zat dibagi atas dua
golongan besar yaitu konduktor dan isolator. Konduktor ialah zat yang mudah
menghantarkan kalor. Isolator ialah zat yang sukar menghantarkan kalor.
Universitas Sumatera Utara
Faktor – faktor yang mempengaruhi laju konduksi kalor melalui sebuah
dinding bergantung pada empat besaran yaitu:
1. Beda suhu diantara permukaan ΔT = T1 – T2; makin besar beda suhu,
makin cepat perpindahan kalor.
2. Ketebalan dinding d; makin tebal dinding, makin lambat perpindahan
kalor.
3. Luas permukaan A; makin besar luas permukaan, makin cepat
perpindahan kalor.
4. Konduktivitas termal zat k merupakan ukuran kemampuan zat
menghantarkan kalor; makin bersar nilai k, makin cepat perpindahan kalor.
Kemampuan insulasi suatu bahan diukur dengan konduktivitas termal (k).
Konduktivitas termal yang rendah setara dengan kemampuan insulasi (resistansi
termal atau nilai R) yang tinggi. Dalam teknik termal, sifat – sifat lain suatu bahan
insulator atau isolator adalah densitas (ρ) dan kapasitas panas spesifik (c). Bahan
dengan konduktivitas termal (k) rendah menurunkan laju aliran panas. Berikut
konduktivitas termal bahan ditunjukkan pada tabel 2.6.
Tabel 2.6 Konduktivitas Termal Bahan[2]
No
Bahan
Konduktivitas Thermal k (W/moC)
1
Styrofoam
0,033
2
Stainless Steel
15
3
Aluminium
200
4
Kayu
0,08 – 0,16
5
Tembaga
386
Untuk menghitung beban karena konduksi dapat dihitung dengan rumus[6]:
Qkond = A k t ……………………………………….. (2-17)
Dimana:
Qkond = kalor konduksi (Wm2.K)
A = luas penampang (m2)
k = konduktivitas termal ( W)
t = perbedaan suhu luar dan dalam (K)
Universitas Sumatera Utara
2.6.7
Radiasi
Kalor dari matahari dapat sampai ke bumi melalui ruang hampa tanpa zat
perantar (medium). Perpindahan kalor seperti ini disebut radiasi. Perpindahan
kalor dapat melalui ruang hampa karena energi kalor dibawa dalam bentuk
gelombang elektromagnetik. Radiasi atau pancaran adalah perpindahan energi
kalor dalam bentuk gelombang elektromagnetik.
Beberapa permukaan zat menyerap kalor radiasi lebih baik daripada
permukaan zat lainnya. Di siang hari baju hitam kusam terasa lebih panas
daripada baju putih berkilap. Ini karena di siang hari, baju hitam kusam menyerap
kalor radiasi lebih baik daripada baju putih berkilap. Ini terjadi karena di malam
hari, baju hitam kusam memancarkan kalor radiasi lebih baik daripada baju putih
berkilap. Panas tranmisi sinar matahari dari bahan bangunan yang dapat ditembus
sinar matahari seperti dinding beton, kaca , atap jendela [7].
Berdasarkan uraian di atas dapat disimpulkan bahwa:
1. Permukaan yang hitam dan kusam adalah penyerap kalor radiasi yang baik
sekaligus pemancar kalor radiasi yang baik.
2. Permukaan yang putih dan mengilap adalah penyerap kalor radiasi yang
buruk sekaligus pemancar kalor radiasi yang buruk.
3. Jika diinginkan agar kalor yang merambat secara radiasi berkurang,
permukaan (dinding) harus dilapisi suatu bahan agar mengilap (misalnya
dilapisi dengan perak).
Energi yang dipancarkan oleh suatu permukaan hitam dalam bentuk
radiasi kalor tiap satuan waktu (Q/t) sebanding dengan luas permukaan A dan
sebanding dengan pangkat empat suhu mutlak permukaan itu (T 4). Emisivitas
disimbolkan dengan ε. Emisivitas adalah suatu ukuran seberapa besar pemancaran
radiasi kalor suatu benda dibandingkan dengan benda hitam sempurna. Emisivitas
tidak memiliki satuan, nilainya terletak diantara 0 dan 1 (0 ≤ ε ≤ 1) dan
bergantung pada jenis zat dan keadaan permukaan. Tidak ada benda yang tepat
hitam sempurna. Kita hanya dapat membuat benda yang mendekati benda hitam
sempurna. Permukan mengilap memiliki nilai ε yang lebih kecil daripada
permukaan kasar. Pemantul sempurna (penyerap paling jelek) memiliki ε = 0,
Universitas Sumatera Utara
sedangkan penyerap sempurna sekaligus pemancar sempurna yaitu benda hitam
sempurna memiliki ε = 1.
Proses radiasi pada dinding styrofoam dirumuskan dengan rumus[6]:
........................................................... (2-18)
Dimana : Qrad = Laju perpindahan panas radiasi (Watt)
ε = Emisivitas
A = Luas penampang (m2)
σ = Konstanta Stefan Boltzman = 5,67 x 10-8 W/m-2 K-4
Ts = Suhu permukaan (K)
T∞ = Suhu fluida (K)
Emisivitas setiap benda berbeda – beda. Untuk benda berwarna hitam
emisivitas bernilai 1. Sedangkan untuk benda berwarna putih emisivitas bernilai 0.
Berikut ini adalah tabel emisivitas daripada beberapa jenis bahan yang sering
digunakan ditunjukkan pada tabel 2.7.
Tabel 2.7 Tabel Emisivitas Beberapa Material [4]
Emisivitas Beberapa Material pada suhu 300K
Material
Emisivitas
Styrofoam
0.60
Tembaga
0.03
Emas
0.03
Perak
0.02
Stainless Steel
0.17
Batu bata
0.93-0.96
Kayu
0.82-0.92
Air
0.96
Industri refrigerasi dan pengkondisian udara memiliki pertumbuhan yang
mantap, merupakan industri yang stabil yang didalamnya terjadi pergeseran pasar
yang berkaitan dengan penerapan baru untuk mendukung kestabilannya [8].
2.7
Prinsip Kerja Mesin Pendingin
Evaporator pada mesin pendingin diinjeksikan etanol 96% dengan
menggunakan speed sebanyak 150ml untuk tiap evaporator. Evaporator yang
digunakan sebanyak 2 unit, jadi total etanol yang digunakan tiap percobaan adalah
300ml. setelah diinjeksikan etanol ke evaporator, kemudian pompa diafragma
Universitas Sumatera Utara
dioperasikan dengan cara ditekan dan dilepas kemudian ditekan lagi. Pompa
dioperasikan 1,5-2jam untuk mencapai suhu terendah.
Udara dari evaporator kemudian disalurkan ke activated carbon untuk
mengurangi kandungan uap etanol di udara. Setelah itu udara yang sudah
dikurangi uap etanolnya disalurkan ke pompa untuk kemudian dipompakan lagi
ke evaporator untuk menurunkan tekanan uap etanol dan menguapkan etanol.
Berikut gambar aliran udara pada mesin pendingin ditunjukkan pada
gambar 2.2.
Gambar 2.2 Aliran Udara pada Mesin Pendingin
Universitas Sumatera Utara
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Mesin pendingin
Mesin pendingin merupakan mesin yang berfungsi untuk memindahkan
panas dari lingkungan bersuhu rendah ke lingkungan bersuhu tinggi. Mesin
pendingin dapat dibayangkan sebagai mesin kalor yang beroperasi secara
terbalik[1].
Teknik refrigerasi merupakan salah satu ilmu dalam mempelajari mesin
pendingin. Teknik refrigerasi adalah semua teknik yang digunakan untuk
menurunkan temperatur suatu medium sampai lebih rendah daripada temperatur
lingkungannya. Dalam melakukan proses penurunan suhu ini, maka sejumlah
energi dalam bentuk panas harus diambil dari medium tersebut dan dibuang ke
lingkungan. Secara alami, panas hanya akan berpindah dari medium yang
temperaturnya lebih tinggi ke medium yang temperaturnya lebih rendah. Dengan
kata lain, perpindahan panas dari medium yang dingin ke medium yang lebih
panas tidak akan mungkin terjadi secara alami. Maka untuk membuat proses ini
terjadi, digunakanlah teknik refrigerasi. Karena refrigerasi adalah sebuah proses
yang bertujuan menurunkan temperatur, maka proses ini sering disebut dengan
istilah fungsi refrigerasi yang artinya proses yang berfungsi menurunkan
temperatur sampai dapat mencapai temperatur lingkungan.
2.2
Pemilihan Styrofoam sebagai Bahan Utama
2.2.1
Pengertian dan Karakteristik Styrofoam
Styrofoam yang memiliki nama lain polystyrene banyak digunakan oleh
manusia dalam kehidupannya sehari – hari. Begitu styrofoam diciptakan pun
langsungmarak digunakan di Indonesia. Banyak keunggulan pada styrofoam yang
yang akansangat menguntungkan bagi para penjual makanan seperti tidak mudah
bocor, praktis dan ringan sudah pasti lebih disukai sebagai pembungkus makanan
mereka.Bahkan kita tidak dapat dalam satu hari saja tidak menggunakan bahan
polimer sintetik.
Universitas Sumatera Utara
Polystyrene adalah sebuah dengan monomer, sebuah hidrokarbon cair
yang dibuat secara komersial dari minyak bumi. Pada suhu ruangan, polistirena
biasanya bersifat padat, dapat mencair pada suhu yang lebih tinggi. Stirena
tergolong senyawa aromatik. Polistirena pertama kali dibuat pada 1839 oleh
Eduard Simon, seorang apoteker Jerman. Ketika mengisolasi zat tersebut dari
resin alami, dia tidak menyadari apa yang dia telah temukan. Seorang kimia
anorganik Jerman lainnya, Hermann Staudinger, menyadari bahwa penemuan
Simon terdiri dari rantai panjang molekul stirena, yang adalah sebuah polimer
plastik. Polistirena padat murni adalah sebuah plastik tak berwarna, keras dengan
fleksibilitas yang terbatas yang dapat dibentuk menjadi berbagai macam produk
dengan detil yang bagus. Penambahan karet padasaat polimerisasi dapat
meningkatkan fleksibilitas dan ketahanan kejut. Polistirena jenis ini dikenal
dengan nama High Impact Polystyrene (HIPS). Polistirena murni yang transparan
bisa dibuat menjadi beraneka warna melalui proses. Polistirena banyak dipakai
dalam produk – produk elektronik sebagai casing, kabinet, dan komponen –
komponen lainnya. Peralatan rumah tangga yang terbuat dari polistirena seperti
sapu, sisir, baskom, gantungan baju, dan ember. Karakteristik dari styrofoam
diberikan pada Tabel 2.1.
Tabel 2.1 Karakteristik Styrofoam[2]
2.2.2
Sifat Fisis
Ukuran
Densitas
25 – 200 kg/m3
Konduktivitas Thermal
0,033 W/mK
Modulus Young (E)
3000 – 3600 MPa
Kekuatan Tarik
40 – 60 MPa
Styrofoam sebagai Insulasi Termal
Insulasi termal (isolasi termal, isolasi panas) adalah metode atau proses
yang digunakan untuk mengurangi laju perpindahan panas/kalor. Panas atau
energi panas (kalor) bisa dipindahkan dengan cara konduksi, konveksi, dan radiasi
atau ketika terjadi perubahan wujud. Mengenai insulasi termal, hanya dibicarakan
perpindahan panas secara konduksi, konveksi, dan radiasi. Aliran panas dapat
dikendalikan dengan proses ini, tergantung pada sifat material yang dipergunakan.
Universitas Sumatera Utara
Bahan yang digunakan untuk mengurangi laju perpindahan panas itu disebut
isolator atau insulator. Panas dapat lolos meskipun ada upaya untuk menutupinya,
tapi isolator mengurangi panas yang lolos tersebut.
Isolasi termal dapat menjaga wilayah tertutup seperti bangunan atau tubuh
agar terasa hangat lebih lama dari yang sewajarnya, tetapi itu tidak mencegah
hasil akhirnya, yaitu masuknya dingin dan keluarnya panas. Isolator juga dapat
bekerja sebaliknya, yaitu menjaga bagian dalam suatu wadah terasa dingin lebih
lama dari biasanya. Insulator digunakan untuk memperkecil perpindahan energi
panas.
Kemampuan insulasi suatu bahan diukur dengan konduktivitas termal (k).
Konduktivitas termal yang rendah setara dengan kemampuan insulasi (resistansi
termal atau nilai R) yang tinggi. Dalam teknik termal, sifat – sifat lain suatu bahan
insulator atau isolator adalah densitas (ρ) dan kapasitas panas spesifik (c). Berikut
table konduktivitas termal bahan ditunjukkan pada table 2.2.
Tabel 2.2 Konduktivitas Termal Bahan[2]
No
Bahan
Konduktivitas Thermal k (W/mK)
1
Styrofoam
0,033
2
Kaca
0,78
3
Plastik
0,15
4
Kayu
0,08 – 0,16
5
Tembaga
386
6
Aluminium
200
7
Stainless Steel
15
Bahan dengan konduktivitas termal (k) rendah menurunkan laju aliran
panas. Oleh sebab itulah, styrofoam dipilih sebagai bahan utama dalam pembuatan
mesin pendingin ruangan. Selain memiliki nilai konduktivitas termal yang rendah,
pemilihan styrofoam ditinjau juga dari segi ekonomis dan kepraktisannya.
Universitas Sumatera Utara
2.3
Refrigeran, Media Pendingin dan Absorbent
Refrigeran adalah fluida 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 refrigeran
mengalami perubahan fasa dalam suatu siklus kecuali pada siklus gas.
Media pendingin (cooling media) adalah media yang digunakan untuk
mengantarkan efek refrigerasi ke tempat yang membutuhkan. Hal ini dapat
dijelaskan sebagai berikut. Sistem pendingin udara pada unit yang besar, seperti
bangunan komersial, menempatkan siklus pendingin terpusat pada suatu tempat.
Dan ruangan yang menggunakan efek refrigerasi relatif jauh dari unit ini, untuk
keperluan ini adalah lebih baik menggunakan medium lain daripada harus
menggunakan medium lain daripada harus mensirkulasikan refrigeran ke tiap
ruangan. Medium yang lain inilah yang disebut sebagi medium pendingin atau
sering juga disebut sebagai refrigeran sekunder. Medium yang biasanya sering
digunakan adalah air, glycol, dan larutan garam.
Cairan absorben (liquid absorbent) adalah cairan yang digunakan untuk
menyerap uap refrigeran dan membentuk ikatan kimia (chemical bonding).
Kemampuan absorben mengikat refrigeran ini disebut sebagai afinitas. Istilah ini
jarang digunakan dan hanya dapat ditemui pada siklus absorpsi. Zat yang umum
digunakan sebagai absorbent antara lain : Air, Lithium Bromida (LiBr), dan
Amonia.
2.3.1
Syarat Refrigeran ( Bahan Pendingin)
Suatu bahan pendingin mempunyai syarat–syarat untuk keperluan proses
pendinginan antara lain:
a. Tidak beracun dan tidak berbau dalam semua keadaan.
b. Tidak menyebabkan korosi terhadap bahan logam yang dipakai pada
sistem pendingin.
c. Bila terjadi kebocoran mudah diketahui dengan alat–alat yang sederhana
maupun dengan alat detector kobocoran
d. Mempunyai titik didih dan tekanan kondensasi yang rendah
Universitas Sumatera Utara
e. Mempunyai kalor laten penguapan yang besar, agar panas yang diserap
evaporator sebesar–besarnya.
f. Harganya tidak mahal dan mudah diperoleh.
g. Konduktifitas thermal yang tinggi.
h. Konstanta dieletrika dari refrigeran yang kecil, tahanan lisrtrik yan besar,
serta tidak menyebabkan korosi pada material isolator listrik.
i. Tidak merusak tubuh manusia.
2.4
Alkohol (etanol)
Etanol disebut juga etil alkohol, alkohol murni, alkohol absolute, atau
alkohol saja, adalah sejenis cairan yang mudah menguap, mudah terbakar, tidak
berwarna dan merupakan alkohol yang paling sering digunakan dalam kehidupan
sehari-hari.
Etanol adalah cairan tak berwarna yang mudah menguap dengan aroma
khas. Etanol terbakar tanpa asap dengan lidah api berwarna biru yang terkadang
tidak dapat terlihat dengan cahaya biasa. Berikut sifat etanol ditunjukkan pada
tabel 2.3.
Table 2.3 Sifat Etanol[3]
Densitas
0.789 g/cm3
Titik Lebur
-114.3
Titik Didih
78.4
Titik Nyala
Kalor Jenis
13
2400 J/kg
(55.4 )
(0,57 kkal/kg )
Kalor Lebur
104.000 J/kg
Kalor Uap
855.000 J/kg
Data diatas berlaku pada temperature dan tekanan standar (25 , 100kPa)
Universitas Sumatera Utara
2.5
Karbon aktif (activated carbon)
Karbon aktif, atau sering juga disebut sebagai arang aktif, adalah suatu
jenis karbon yang memiliki luas permukaan yang sangat besar. Hal ini dicapai
dengan mengaktifkan arang atau karbon tersebut. Hanya dengan satu gram karbon
aktif, akan didapat material yang memiliki luas permukaan sebesar
500m2.
Umumnya pengaktifan bertujuan untuk memperbesar luas permukaan saja, namun
beberapa usaha juga berkaitan dengan meningkatkan kemampuan adsorpsi karbon
aktif itu sendiri.
Karbon aktif adalah karbon padat yang memiliki luas permukaan yang
tinggi berkisar antara 100 – 2000 m2/g. Bahkan ada peneliti yang mengklaim luas
permukaan karbon aktif yang dikembangkan memiliki luas melebihi 3000 m2/g.
Hal ini dikarenakan zat ini memiliki pori-pori yang sangat kompleks yang berkisar
dari ukuran mikro dibawah 20 A (Angstrom).
Luas permukaan yang besar ini sangat cocok digunakan untuk aplikasi
yang membutuhkan luas kontak yang sangat besar seperti pada bidang adsorpi
(penyerapan), dan pada bidang reaksi atau katalis.
2.6
Perkiraan Beban Pendingin
2.6.1
Definisi Beban Pendingin
Beban pendinginan adalah laju panas yang harus dipindahkan dari ruangan
ke lingkungan sehingga suhu dan kandungan uap airnya terjaga seperti yang
diinginkan. Perlu diulang kembali bahwa tugas unit pendingin adalah menjaga
kondisi suatu ruangan agar berada pada suhu dan kelembaban tertentu yang
umumnya lebih rendah dari temperatur dan kelembaban lingkungan luar. Banyak
faktor yang mempengaruhi besarnya beban pendingin ini, misalnya kondisi suhu
di luar ruangan, kebocoran udara dari luar ke dalam mesin pendingin, aktivitas di
dalam ruangan misalnya terdapat mesin yang menghasilkan panas dan juga lampu
listrik, dan jumlah orang yang keluar masuk dari ruangan.
Terdapat beberapa metode perhitungan beban pendingin yang telah
diajukan oleh beberapa badan standard. Tetapi yang paling umum digunakan
adalah metode yang diajukan oleh ASHRAE.
Universitas Sumatera Utara
2.6.2
Jenis Beban Pendingin
Jenis beban pendingin, dapat dibagi menjadi dua, yaitu panas sensibel dan
panas laten. Panas sensibel adalah panas yang diterima atau dilepaskan suatu
materi sebagai akibat perubahan suhunya. Panas laten adalah panas yang diterima
atau dilepaskan suatu materi karena perubahan fasanya. Untuk lebih menjelaskan
arti masing – masing panas ini, misalkan kita mendinginkan air dari 100 oC
sampai mejadi es 0 oC. Panas yang diserap dari air mulai dari 100 oC menjadi 0 oC
(masih tetap air) disebut beban sensibel. Jika air yang suhunya sudah 0 oC
didinginkan lagi hingga akhirnya menjadi es, di sini tidak terjadi perubahan suhu,
tetapi perubahan fasa. Panas yang diserap di sini disebut panas laten.
2.6.3
Sumber – Sumber Beban Pendingin
Beban pendingin bagi mesin pendingin yang dikondisikan bisa berasal dari
beberapa sumber. Sumber – sumber ini umumnya dibagi 2 bagian besar, yaitu
beban yang berasal dari luar mesin pendingin dan beban yang berasal dari dalam
ruangan. Panas yang berasal dari luar mesin pendingin antara lain: panas yang
berpindah secara konduksi, konveksi, dan radiasi dari dinding - dinding material
mesin pendingin ruangan. Terdapat juga panas akibat masuknya udara luar yaitu
berupa kebocoran udara (infiltrasi). Sementara sumber panas yang berasal dari
dalam ruangan dapat berupa panas akibat lampu penerangan dan panas yang
berasal manusia. Berikut bagan beban pendingin ditunjukkan pada gambar 2.1.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.1 Bagan Beban Pendingin[4]
2.6.4
Panas Dari Udara Luar (Infiltrasi)
Akibat masuknya udara luar, baik secara sengaja ditambahkan maupun
akibat kebocoran (tidak sengaja), akan menjadi beban bagi ruangan yang
dikondisikan. Panas udara dari luar biasanya ada 2 yaitu panas dari udara ventilasi
dan panas dari udara infiltrasi. Pada kasus ini, panas dari udara luar hanyalah
panas udara infiltrasi atau dari kebocoran (secara tidak disengaja), sehingga besar
panas udara luar dari ventilasi diabaikan. Jumlah panas akibat masuknya udara
luar ini terdiri atas 2 jenis yaitu panas sensibel dan panas laten. Panas sensibel
adalah panas yang diterima atau dilepaskan suatu materi sebagai akibat perubahan
suhunya. Panas laten adalah panas yang diterima atau dilepaskan suatu materi
karena perubahan fasanya.
Untuk menghitung beban laten, pertama – tama dihitung terlebih dahulu
besar tekanan uap saturasi (pws), dengan rumus[4]:
Universitas Sumatera Utara
ln(pws ) =
Dimana:
C1
+ C2 + C3T + C4T 2 + C5T 3 + C6 lnT
T
…..................................(2-1)
pws = tekanan uap saturasi (Pa)
C1 = konstanta sebesar -5,8002206 x 103
C2 = konstanta sebesar 1,3914993
C3 = konstanta sebesar -4,8640239 x 10-2
C4 = konstanta sebesar 4,1764768 x 10-5
C5 = konstanta sebesar -1,4452093 x 10-8
C6 = konstanta sebesar 6,5459673
T = Temperatur mutlak (K)
Setelah didapat tekanan uap saturasi, langkah berikutnya adalah mencari
besar tekanan parsial uap air (pw) dengan rumus[4]:
Pw
Dimana:
= RH x pws ……………………………………..(2-2)
RH = Rasio humiditas relatif
pws = Tekanan uap saturasi (Pa)
pw = Tekanan parsial uap air (Pa)
Selanjutnya dihitung besar rasio humiditas ruangan dengan rumus[4]:
………………….…………….(2-3)
Dimana:
wo = Rasio humiditas ruangan (kg air/kg udara kering)
pw = Tekanan parsial uap air (Pa)
patm = Tekanan atmosfer = 101325 Pa
Langkah selanjutnya adalah menghitung laju udara infiltrasi yakni dengan
menggunakan rumus[4]:
Q =Nxμx
………………………………………..(2-4)
Universitas Sumatera Utara
Dimana:
N = Banyak pembukaan mesin pendingin
μ = Standar kebocoran udara = 2,8[5]
Panas sensibel dari udara luar infiltrasi ini dapat kita hitung dengan rumus
sebagai berikut. [4]
Qs = 1,23 Q (To – Ti)........................................................... (2-5)
Dimana :
Qs = Panas sensibel (Watt)
Q = laju aliran udara luar masuk ke dalam ruangan (L/s)
To = temperatur di luar ruangan (°C)
Ti = temperatur di dalam ruangan (°C)
Panas laten dari udara luar infiltrasi dapat kita hitung dengan rumus
sebagai berikut. [4]
Ql = 3010 Q (wo – wi) ....................................................... (2-6)
Dimana :
Ql = Panas laten (Watt)
Q = laju aliran udara luar masuk ke dalam ruangan (L/s)
wo = kelembaban di luar ruangan (kg air/ kg udara kering)
wi = kelembaban di dalam ruangan (kg air/kg udara kering)
2.6.5
Konveksi
Ilustrasi perpindahan panas secara konveksi dapat dilihat dari contoh
berikut. Berdiri didekat api unggun akan terasa udara hangat yang naik dari nyala
api. Ketika udara yang dekat nyala api dipanasi, udara itu memuai dan massa
jenisnya menjadi lebih kecil. Udara hangat dengan massa jenis lebih kecil akan
naik dan tempatnya digantikan oleh udara dingin yang bermassa jenis yang lebih
besar. Proses perpindahan kalor dari satu fluida ke bagian fluida yang lain oleh
pergerakkan fluida itu sendiri dinamakan konveksi.
Universitas Sumatera Utara
Ada dua jenis perpindahan panas secara konveksi, yaitu:
1. Konveksi alamiah
2. Konveksi paksa
2.6.5.1
Konveksi alamiah
Pada konveksi alamiah pergerakkan fluida terjadi akibat perbedaan
massa jenis. Bagian fluida yang menerima kalor (dipanasi) akan memuai dan
massa jenisnya menjadi lebih kecil, sehingga terjadi pergerakkan ke atas.
Tempatnya digantikan oleh bagian fluida dingin yang jatuh ke bawah karena
massa jenisnya lebih besar. Peristiwa ini mirip dengan mengapungnya suatu
benda karena massa jenis benda lebih kecil daripada massa jenis zat cair.
Contoh konveksi udara secara alami dapat dilihat ketika membakar
sesuatu. Udara panas di dekat nyala api memuai dan massa jenisnya menjadi lebih
kecil. Udara dingin (massa jenisnya lebih besar) yang berada di sekitar api
menekan udara panas ke atas, sehingga terjadilah arus konveksi udara. Arus
konveksi udara inilah yang membawa asap bergerak ke atas.
2.6.5.1.1
Konveksi Bebas Pelat Horizontal
Perhitungan koefisien konveksi bebas pelat horizontal (h)
dilakukan pada bagian luar mesin pendingin ruangan yang bersentuhan dengan
udara tenang menggunakan beberapa tahap. Tahap pertama yaitu menghitung
bilangan Rayleigh. Bilangan Rayleigh adalah bilangan yang didapat pada
konveksi bebas. Aliran laminar mempunyai bilangan Rayleigh dibawah 10 9 dan
aliran turbulen mempunyai bilangan Rayleigh diatas 10 9. Bilangan Rayleigh dapat
dicari dengan persamaan[2]:
RaL
Dimana :
g Ts T L3
.................................................. (2-7)
v
RaL = Bilangan Rayleigh
g = Gravitasi bumi = 9,8 m/s2
Ts = Suhu permukaan (K)
T∞ = Suhu fluida (K)
Universitas Sumatera Utara
(m)
L=
=
=
∞
(K-1)
= Difusivitas panas (m2/s)
= Viskositas (m2/s)
Tahap selanjutnya adalah menghitung bilangan Nusselt untuk aliran
laminar dengan persamaan[2]:
N uL = 0,54 x RaL1/4……………….………..………..(2-8)
Untuk aliran turbulen, bilangan Nusselt dihitung dengan persamaan[2]:
N uL = 0,15 x RaL1/3…………………………………..(2-9)
Tahap berikutnya adalah menghitung koefisien konveksi (h L) dengan
rumus[2]:
hL =
Dimana:
..........................................................(2-10)
hL = Koefisien konveksi (W/m2K)
k = Konduktivitas Termal Fluida (W/mK)
L=
(m)
NuL = Bilangan Nusselt
2.6.5.1.2
Konveksi Bebas Pelat Vertikal
Perhitungan koefisien konveksi bebas pelat vertikal (h) dilakukan
pada bagian luar mesin pendingin ruangan yang bersentuhan dengan udara tenang
menggunakan beberapa tahap. Tahap pertama adalah menghitung besarnya
bilangan Rayleigh menggunakan persamaan (2-5).
Tahap selanjutnya adalah menghitung bilangan Nusselt untuk aliran
laminar dengan persamaan[2]:
Universitas Sumatera Utara
1
N uL 0.68
0.670 R 4 aL
........................................... (2-11)
4
9
1 (0.492 /Pr)16
9
Dimana :
NuL = Bilangan Nusselt
RaL = Bilangan Rayleigh
Pr = Bilangan Prandlt
Untuk aliran turbulen, bilangan Nusselt dihitung dengan persamaan [2]:
ü
ì
ï
ï
1
6
aL
ïï
0.387R
N uL = í 0.825 +
9 ù
ï
é
16
ï
ê 1+ (0.492 / Pr) ú
ïî
ë
û
Dimana :
2
ïï
ý
...................................... (2-12)
8
27
ï
ï
ïþ
NuL = Bilangan Nusselt
RaL = Bilangan Rayleigh
Pr = Bilangan Prandlt
Tahap berikutnya adalah menghitung koefisien konveksi (h L) dengan
persamaan
(2-10).
2.6.5.2 Konveksi Paksa
Aliran pada fluida dapat dibedakan menjadi 2 macam yaitu aliran laminar
dan aliran turbulen. Secara umum aliran laminar merupakan aliran fluida yang
teratur, tenang, dan lurus. Sedangkan aliran turbulen merupakan aliran – aliran
yang tidak teratur, tidak tenang, partikel – partikel airnya saling acak, dan arahnya
berbelok – belok. Dalam menentukan perbedaan antara aliran laminar dan
turbulen dapat dihitung dengan menggunakan bilangan Reynold. Bilangan
Reynold merupakan bilangan yang didapat dari konveksi paksa. Aliran laminar
mempunyai nilai bilangan Reynold dibawah 5x10 5, sedangkan aliran turbulen
mempunyai nilai bilangan Reynold diatas 5x10 5. Berikut perbedaan aliran laminar
dan turbulen ditunjukkan pada tabel 2.4.
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.4 Perbedaan Aliran Laminar dan Turbulen[2]
Aliran
Laminar
Gerakan
Kecepatan
Fluida
Fluida
Lurus
Turbulen Tidak teratur
Viskositas
Lintasan
Gerak
Rendah
Tinggi
Teratur
Relatif tinggi
Rendah
Tidak teratur
Perhitungan koefisien konveksi (h) fluida dapat dilakukan dengan
beberapa tahap. Tahap awal adalah mencari bilangan Reynold (Re L) dengan
persamaan[5]:
ReL =
Dimana:
ρ
∞
μ
………………………………….(2-13)
ReL = Bilangan Reynold
= Massa jenis fluida (kg/m3)
∞
= Kecepatan aliran fluida (m/s)
L = Panjang lapisan konveksi (m)
μ = Viskositas (Ns/m2)
Tahap berikutnya adalah mencari bilangan bilangan Prandtl (Pr) dan
koefisien konduktivitas termal (k) dengan menggunakan interpolasi menurut tabel
2.5. Berikut sifat udara pada tekanan 1 atm ditunjukkan pada tabel 2.5.
Tabel 2.5 Sifat Udara pada Tekanan 1 atm[6]
ρ
Cp
μ x 107
x 106
k x 103
x 106
(kg/m3)
(kJ/kgK)
(Ns/m2)
(m2/s)
(W/mK)
(m2/s)
100
3,5562
1,032
71,1
2,00
9,34
2,54
0,786
150
2,3364
1,012
103,4
4,426
13,8
5,84
0,758
200
1,7458
1,007
132,5
7,590
18,1
10,3
0,737
250
1,3947
1,006
159,6
11,44
22,3
15,9
0,720
300
1,1614
1,007
184,6
15,89
26,3
22,5
0,707
350
0,9950
1,009
208,2
20,92
30,0
29,9
0,700
400
0,8711
1,014
230,1
26,41
33,8
38,3
0,690
T (K)
Pr
Universitas Sumatera Utara
Tahap berikutnya adalah menghitung bilangan Nusselt (Nu L) dengan
[5]
rumus :
NuL = 0,664 x ReL1/2 x Pr1/3...................................................(2-14)
Dimana:
NuL = Bilangan Nusselt
ReL = Bilangan Reynold
Pr = Bilangan Prandtl
Tahap berikutnya adalah menghitung koefisien konveksi (h L) dengan
[5]
rumus :
…………………………………..……..(2-15)
hL =
Dimana:
hL = Koefisien konveksi (W/m2K)
k = Konduktivitas Termal Fluida (W/mK)
L = Panjang Lapisan Konveksi (m)
NuL = Bilangan Nusselt
Laju perpindahan konveksi (Q) dapat dihitung dengan rumus[5]:
Qkonv = hL x A x (
Dimana:
)....................................................(2-16)
Qkonv = Laju perpindahan konveksi (W)
A = Luas penampang (m2)
Ts = Suhu permukaan (K)
= Suhu fluida (K)
Di dalam mesin pendingin ruangan, perhitungan nilai koefisien konveksi
(h) dihitung berdasarkan rumus konveksi paksa.
2.6.6
Konduksi
Ilustrasi perpindahan panas secara konduksi dapat dijelaskan dengan
peristiwa berikut. Letakkan sebuah sendok logam dengan ujung yang satu berada
diatas nyala lilin. Kemudian sentuhlah ujung sendok yang satunya lagi. Ujung
sendok tersebut terasa panas walaupun ujung sendok tersebut tidak bersentuhan
langsung dengan sumber kalor (nyala api lilin). Pada proses perpindahan kalor
dari bagian sendok yang panas ke ujung sendok yang dingin tidak terjadi
Universitas Sumatera Utara
perpindahan partikel – partikel dalam sendok. Proses perpindahan kalor tanpa
disertai perpindahan partikel dinamakan konduksi.
Perpindahan kalor secara konduksi dapat terjadi dalam dua proses berikut
yaitu:
1. Pemanasan pada satu ujung zat menyebabkan partikel – partikel pada
ujung itu bergetar lebih cepat dan suhunya naik, atau energi kinetiknya
bertambah. Partikel – partikel dengan energi kinetik lebih besar ini
memberikan sebagian energi kinetiknya kepada partikel – partikel
tetangganya melalui tumbukan, sehingga partikel – partikel ini memiliki
energi kinetik lebih besar. Selanjutnya, partikel – partikel ini memberikan
sebagian energi kinetiknya ke partikel – partikel tetangga berikutnya,
demikian seterusnya sampai kalor mencapai ujung yang tidak dingin (tidak
dipanasi). Proses perpindahan kalor diperlukan beda suhu yang tinggi
diantara kedua ujung.
2. Dalam logam, kalor dipindahkan melalui elektron – elektron bebas yang
terdapat dalam struktur atom logam. Elektron bebas ialah elektron yang
dengan mudah dapat berpindah dari satu atom ke atom yang lain. Di
tempat yang dipanaskan, energi elektron – elektron bertambah besar. Oleh
karena elektron bebas mudah berpindah, pertambahan energi ini dengan
cepat dapat diberikan ke elektron – elektron lain yang letaknya lebih jauh
melalui tumbukan. Dengan cara ini, kalor berpindah lebih cepat. Oleh
karena itu, logam tergolong konduktor yang sangat baik.
Berdasarkan kemampuan menghantarkan kalor, zat dibagi atas dua
golongan besar yaitu konduktor dan isolator. Konduktor ialah zat yang mudah
menghantarkan kalor. Isolator ialah zat yang sukar menghantarkan kalor.
Universitas Sumatera Utara
Faktor – faktor yang mempengaruhi laju konduksi kalor melalui sebuah
dinding bergantung pada empat besaran yaitu:
1. Beda suhu diantara permukaan ΔT = T1 – T2; makin besar beda suhu,
makin cepat perpindahan kalor.
2. Ketebalan dinding d; makin tebal dinding, makin lambat perpindahan
kalor.
3. Luas permukaan A; makin besar luas permukaan, makin cepat
perpindahan kalor.
4. Konduktivitas termal zat k merupakan ukuran kemampuan zat
menghantarkan kalor; makin bersar nilai k, makin cepat perpindahan kalor.
Kemampuan insulasi suatu bahan diukur dengan konduktivitas termal (k).
Konduktivitas termal yang rendah setara dengan kemampuan insulasi (resistansi
termal atau nilai R) yang tinggi. Dalam teknik termal, sifat – sifat lain suatu bahan
insulator atau isolator adalah densitas (ρ) dan kapasitas panas spesifik (c). Bahan
dengan konduktivitas termal (k) rendah menurunkan laju aliran panas. Berikut
konduktivitas termal bahan ditunjukkan pada tabel 2.6.
Tabel 2.6 Konduktivitas Termal Bahan[2]
No
Bahan
Konduktivitas Thermal k (W/moC)
1
Styrofoam
0,033
2
Stainless Steel
15
3
Aluminium
200
4
Kayu
0,08 – 0,16
5
Tembaga
386
Untuk menghitung beban karena konduksi dapat dihitung dengan rumus[6]:
Qkond = A k t ……………………………………….. (2-17)
Dimana:
Qkond = kalor konduksi (Wm2.K)
A = luas penampang (m2)
k = konduktivitas termal ( W)
t = perbedaan suhu luar dan dalam (K)
Universitas Sumatera Utara
2.6.7
Radiasi
Kalor dari matahari dapat sampai ke bumi melalui ruang hampa tanpa zat
perantar (medium). Perpindahan kalor seperti ini disebut radiasi. Perpindahan
kalor dapat melalui ruang hampa karena energi kalor dibawa dalam bentuk
gelombang elektromagnetik. Radiasi atau pancaran adalah perpindahan energi
kalor dalam bentuk gelombang elektromagnetik.
Beberapa permukaan zat menyerap kalor radiasi lebih baik daripada
permukaan zat lainnya. Di siang hari baju hitam kusam terasa lebih panas
daripada baju putih berkilap. Ini karena di siang hari, baju hitam kusam menyerap
kalor radiasi lebih baik daripada baju putih berkilap. Ini terjadi karena di malam
hari, baju hitam kusam memancarkan kalor radiasi lebih baik daripada baju putih
berkilap. Panas tranmisi sinar matahari dari bahan bangunan yang dapat ditembus
sinar matahari seperti dinding beton, kaca , atap jendela [7].
Berdasarkan uraian di atas dapat disimpulkan bahwa:
1. Permukaan yang hitam dan kusam adalah penyerap kalor radiasi yang baik
sekaligus pemancar kalor radiasi yang baik.
2. Permukaan yang putih dan mengilap adalah penyerap kalor radiasi yang
buruk sekaligus pemancar kalor radiasi yang buruk.
3. Jika diinginkan agar kalor yang merambat secara radiasi berkurang,
permukaan (dinding) harus dilapisi suatu bahan agar mengilap (misalnya
dilapisi dengan perak).
Energi yang dipancarkan oleh suatu permukaan hitam dalam bentuk
radiasi kalor tiap satuan waktu (Q/t) sebanding dengan luas permukaan A dan
sebanding dengan pangkat empat suhu mutlak permukaan itu (T 4). Emisivitas
disimbolkan dengan ε. Emisivitas adalah suatu ukuran seberapa besar pemancaran
radiasi kalor suatu benda dibandingkan dengan benda hitam sempurna. Emisivitas
tidak memiliki satuan, nilainya terletak diantara 0 dan 1 (0 ≤ ε ≤ 1) dan
bergantung pada jenis zat dan keadaan permukaan. Tidak ada benda yang tepat
hitam sempurna. Kita hanya dapat membuat benda yang mendekati benda hitam
sempurna. Permukan mengilap memiliki nilai ε yang lebih kecil daripada
permukaan kasar. Pemantul sempurna (penyerap paling jelek) memiliki ε = 0,
Universitas Sumatera Utara
sedangkan penyerap sempurna sekaligus pemancar sempurna yaitu benda hitam
sempurna memiliki ε = 1.
Proses radiasi pada dinding styrofoam dirumuskan dengan rumus[6]:
........................................................... (2-18)
Dimana : Qrad = Laju perpindahan panas radiasi (Watt)
ε = Emisivitas
A = Luas penampang (m2)
σ = Konstanta Stefan Boltzman = 5,67 x 10-8 W/m-2 K-4
Ts = Suhu permukaan (K)
T∞ = Suhu fluida (K)
Emisivitas setiap benda berbeda – beda. Untuk benda berwarna hitam
emisivitas bernilai 1. Sedangkan untuk benda berwarna putih emisivitas bernilai 0.
Berikut ini adalah tabel emisivitas daripada beberapa jenis bahan yang sering
digunakan ditunjukkan pada tabel 2.7.
Tabel 2.7 Tabel Emisivitas Beberapa Material [4]
Emisivitas Beberapa Material pada suhu 300K
Material
Emisivitas
Styrofoam
0.60
Tembaga
0.03
Emas
0.03
Perak
0.02
Stainless Steel
0.17
Batu bata
0.93-0.96
Kayu
0.82-0.92
Air
0.96
Industri refrigerasi dan pengkondisian udara memiliki pertumbuhan yang
mantap, merupakan industri yang stabil yang didalamnya terjadi pergeseran pasar
yang berkaitan dengan penerapan baru untuk mendukung kestabilannya [8].
2.7
Prinsip Kerja Mesin Pendingin
Evaporator pada mesin pendingin diinjeksikan etanol 96% dengan
menggunakan speed sebanyak 150ml untuk tiap evaporator. Evaporator yang
digunakan sebanyak 2 unit, jadi total etanol yang digunakan tiap percobaan adalah
300ml. setelah diinjeksikan etanol ke evaporator, kemudian pompa diafragma
Universitas Sumatera Utara
dioperasikan dengan cara ditekan dan dilepas kemudian ditekan lagi. Pompa
dioperasikan 1,5-2jam untuk mencapai suhu terendah.
Udara dari evaporator kemudian disalurkan ke activated carbon untuk
mengurangi kandungan uap etanol di udara. Setelah itu udara yang sudah
dikurangi uap etanolnya disalurkan ke pompa untuk kemudian dipompakan lagi
ke evaporator untuk menurunkan tekanan uap etanol dan menguapkan etanol.
Berikut gambar aliran udara pada mesin pendingin ditunjukkan pada
gambar 2.2.
Gambar 2.2 Aliran Udara pada Mesin Pendingin
Universitas Sumatera Utara