Temu muka 4 TATA UDARA (04) DIAGRAM P-h pada sistem kompresi uap. Diagram ini sangat berguna untuk perhitungan dan analisa pada proses kompresi uap. Diagram P-h membandingkan antara tekanan (P) dan enthaphi (h) yang terjadi pada saat sitem pendingin ini menjalankan siklus refrigerasi, dari fase uap le fase cair dan kemudian kembali ke fase uap (lihat gambar dibawah). Tekanan (P) kondensasi Batas cair jenuh 3 4 2 Evaporasi 1 Enthalpi (h) Kondenser Katup Ekspansi Kompresor Evaporator Gambar : Diagram P-h diatas dan siklus refrigerasi dibawah. PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Ir. Djuhana, M.Si. SISTEM TATA UDARA 1 Beberapa satuan dan istilah dalam perhitungan untuk peralatan Tata Udara : British Thermal Unit (BTU). Panas Spesifik (Specific Heat) Panas Laten (Latent Heat) Panas sensibel (Sensible Heat) Enthalpy (h). Saturated Steam Superheated Steam 1. British Thermal Unit (BTU). Satuan ini secara internasional dipakai oleh semua perencana AC didunia termasuk di Indonesia. Definisi BTU : besarnya panas yang dibutuhkan untuk meningkatkan suhu sebesar satu derajad Fahrenheit (OF) dari air seberat satu pound (lb) 1 PK = 9,000 BTU, 1 OF = 1,8(0C) + 32, 1 lb = 0,4536 Kg. 2. Panas Spesifik (Specific Heat) Panas Spesifik suatu bahan adalah besaran panas dalam BTU yang diperlukan untuk meningkatkan satu derajad Fahrenheit (OF) dari satu pound (lb) bahan yang dipanaskan. Panas Spesifik Air : 1 BTU/lb.F Panas Spesifik bahan (q) : W x c x TD Dimana : q = Banyaknya panas (BTU) W = Berat dari bahan (lb). c = Panas spesifik bahan (BTU/lb.F) TD = Perubahan suhu dari bahan (Temperature Difference/ T) Contoh : Berapa besar panas dibutuhkan untuk menaikan 15 OF dari air seberat 20 lb? Jawab : (q) = W x c x TD = 20 x 1,0 x 15 = 300 Btu PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Ir. Djuhana, M.Si. SISTEM TATA UDARA 2 3. Panas Laten (Latent Heat) Panas Laten adalah panas yangi tidak meningkatkan suhu bahan, yaitu pada saat bahan berubah bentuknya (Dari benda padat jadi cair atau dari benda cair jadi gas atau sebaliknya) 4. Tekanan (pressure) Tekanan atmosfir udara pada permukaan laut adalah 14,7 psia. Alat yang mengukur dibawah 1 atmosfir disebut alat ukur vakum. Enthalpi (Enthalphy) (h). Enthalpi adalah besaran panas dalam kilo Joule per kilogram(kJ/kg) 5. Saturated Steam Adalah uap yang terjadi pada proses perubahan bentuk dari cair ke uap. 6. Superheated Steam Adalah uap yang terjadi seiring dengan peningkatan suhu. Mari kita lihat proses yang terjadi pada waktu kita gunakan sistem tata udara, yaitu proses siklus refrigerasi (lihat Diagram P-h diatas) : Proses dari 1 ke 2. Pada proses ini terjadi proses isentropik (garis enthalpi konstan) dimana dalam proses ini diasumsikan tidak terjadi penambahan atau pelepasan kalor. Sehingga jumlah kerja diatas ditunjukkan oleh perubahan enthalpi yang terjadi selama proses berlangsung : W = h2 – h1 Rumus diatas menunjukkan berapa besar kerja yang diberikan pada sistem persatuan massa. Proses dari 2 ke 3. Pada proses ini terjadi proses penurunan panas (desuperheating) dan penguapan (kondensasi) dengan tekanan tetap. Hal ini dapat kita lihat pada Diagram P-h dimana proses 2 ke 3 adalah garis lurus mendatar. Proses ini merupakan proses perpindahan panas dari refrigeran yang ada dalam kondenser keluar sistem, melalui panas konduksi (melalui besi pipa kondenser) dan panas konveksi (melalui media pendingin udara atau air) Nilai pelepasan kalor ini perlu diketahui untuk suatu perancangan kapasitas kondenser atau untuk menghitung besarnya aliran refrigeran untuk melepaskan jumlah kalor yang diinginkan. PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Ir. Djuhana, M.Si. SISTEM TATA UDARA 3 Proses dari 3 ke 4. Pada proses ini terjadi proses ekspansi refrigeran pada enthalpi tetap (lihat diagram P-h diatas) dimana proses ini mengalami garis lurus kebawah tanpa perubahan enthalpi dan terjadi penurunan tekanan yang drastis sampai mencapai tekanan awal proses. Proses dari 4 ke 1. Pada proses ini terjadi proses penguapan atau disebut dengan evaporasi. Bila terjadi suatu proses penguapan maka sitem ini memerlukan kalor dan kalor ini diambil melalui pipa-pipa evaporator dari lingkungan sekelilingnya. Lingkungan ini adalah udara ruangan yang ingin kita kondisikan. Dengan demikian udara yang ada dalam ruangan yang kita kondisikan akan menjadi dingin seiring dengan kalor yang diambil dari udara ruangan tersebut. Besarnya kalor yang diambil ini dinamakan efek/dampak refrigerasi dan besaran tersebut merupakan tujuan akhir dari sistem ini secara keseluruhan. Harga dari besaran ini dapat dihitung dengan perbedaan anthalpi yang terjadi selama proses siklus refrigerasi ini berlangsung dalam satu siklus. KOEFISIEN PRESTASI (COP) Besaran ini penting untuk kita ketahui bila kita hendak menganalisa kinerja dari suatu sistem tata udara atau sistem refrigerasi kompresi uap. COP singkatan dari Coefficient Of Performance yang dalam bahasa Indonesia kita sebut Koefisien Prestasi, dihitung dengan membandingkan efek refrigerasi dengan kerja kompresi. Koefisien Prestasi (COP) = (laju pendinginan) / (Daya kompresor) ( tanpa satuan) = (kW) / (kW) Atau : h1 – h4 Koefisien Prestasi (COP) = h2 – h1 EFEK REFRIGERASI Efek/Dampak refrigerasi bisa kita dapatkan dari perbedaan enthalpi : Efek refrigerasi = h1 – h4 (kJ) PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Ir. Djuhana, M.Si. SISTEM TATA UDARA 4 KERJA KOMPRESOR Harga dari besaran kerja kompresor didapat dari perubahan enthalpi dari titik 1 ke titik 2. Kerja kompresor = h2 – h1 (kJ) LAJU ALIR REFRIGERAN Laju alir/pendauran refrigeran dapat dihitung dengan membagi kapasitas refrigerasi dengan dampak refrigerasi : Laju alir = Kapasitas refrigerasi / Dampak refrigerasi (kW / kJ/kg) atau (kg/det) DAYA KOMPRESOR Daya yang dibutuhkan oleh kompresor ialah kerja kompresi per kilogram dikalikan dengan laju aliran refrigeran. Daya kompresor = (Laju air refrigeran) x (Kerja kompresor) (kW) = (kW / kJ/kg) x (kJ/kg) LAJU ALIRAN VOLUME Laju aliran pada bagian masuk kompresor memerlukan data volume spesifik refrigeran pada titik 1, dari tabel diperoleh 0,0654 m3/kg Laju aliran volume = (Laju alir refrigeran) (Volume spesifik refrigeran) = Kg/dt x M3/Kg = M3/dt atau Ltr/dt (x 1,000) KOMPRESOR PER KILOWATT REFRIGERASI. Daya kompresor per kilowatt refrigerasi merupakan kebalikan dari koefisien prestasi. Biasa disebut dengan daya refrigerasi. Daya refrigerasi = kW / kW DATA-DATA LAIN. Untuk melakukan analisa pada sistem tata udara, maka kita akan dapat beberapa data yang diperlukan dari Diagram P-h : PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Ir. Djuhana, M.Si. SISTEM TATA UDARA 5 Suhu buang kompresor. Suhu hisap kompresor. Suhu evaporator Suhu kondensor. Tekanan discharge/kondensasi. Tekanan suction/evaporasi. Penjelasan dari masing-masing hal diatas adalah sebagai berikut (lihat diagram P-h diatas) : 1. Suhu buang kompresor. Suhu buang kompresor dapat dilihat dari suhu upa panas lanjut pada titik 2 2. Suhu hisap kompresor. Suhu hisap kompresor dapat dilihat dari suhu pada titik 1, yaitu pada enthalpi uap jenuh saat refrigeran masuk kompresor. 3. Suhu evaporator Suhu evaporator adalah pada kondisi proses 4 ke 1, dimana terjadi proses penguapan. 4. Suhu kondensor. Suhu kondenser adalah pada waktu proses berlangsung dari 2 ke 3, dimana suhu dari refrigeran masih dalam garis batas saturasi, yaitu pada garis parabola (lihat diagram P-h diatas) 5. Tekanan discharge/kondensasi. Tekanan kondensasi atau tekanan buang (discharge) adalah pada kondisi dimana terjadi proses 2 ke 3, sebelum tekanan menurun di katup ekspansi. 6. Tekanan hisap/evaporasi. Tekanan hisap (suction) kompresor atau tekanan evaporasi dapat kita peroleh dari tekanan dalam proses 4 ke 1. PENUKAR KALOR PADA SISTEM KOMPRESI UAP. Penukar kalor atau heat exchanger di sistem kompresi uap terjadi di kondenser dimana pada jalur pada jalur cair ke hisap (liquid to section) terjadi penukaran kalor yang menurunkan suhu (subcools) cairan sebelum masuk katup ekspansi dan di evaporator dimana pada uap hisap (suction vapor) terjadi penukaran kalor sebelum masuk kompresor. 3 2 Kondenser Qe PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Ir. Djuhana, M.Si. SISTEM TATA UDARA 6 Penukar Kalor Kompresor 1 6 4 Qk Katup Ekspansi 5 Evaporator Tekanan kPa 4 3 2 5 6 1 Diagram P-h sistem yang menggunakan penukar kalor. Dari kedua gambar diatas dapat dijelaskan bahwa cairan jenuh dari titik 3 yang berasal dari kondenser didinginkan hingga titik 4 dengan cara bertukar kalor dengan uap pada titik 6 yang dipanaskan hingga mencapai titik 1. Dan dari diagram diatas dapat kita ketahui bahwa saat terjadi pertukaran kalor di penukar kalor, maka keseimbangan kalor yang terjadi adalah : h3 – h4 = h1 – h6 Dari kesimbangan kalor tersebut maka dampak refrigerasinya dapat dihitung dari perbedaan enthalpi seperti dibawah ini : h3 – h5 = h1 – h3 PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Ir. Djuhana, M.Si. SISTEM TATA UDARA 7 Dibandingkan dengan daur kompresi uap standar, sistem yang menggunakan penukar kalor nampaknya lebih memiliki keuntungan yang jelas karena naiknya dampak refrigerasi. Kapasitas dan koefisien prestasi tampaknya dapat ditingkatkan. Tetapi apabila kita mengamati lebih jauh maka didapatkan bahwa kesimpulan diatas tidak sepenuhnya benar karena walaupun dampak refrigerasi meningkat tetapi kompresi terdorong jauh masuk kedalam daerah panas lanjut, sehingga kerja kompresi akan lebih besar dibandingkan dengan yang dekat dengan garis uap jenuh. Akan tetapi sampai batas tertentu penukar kalor dapat diterima dalam situasi dimana uap yang masuk ke kompresor harus dipanaskan lebih lanjut, untuk menjaga agar tidak ada cairan yang terbawa. Alasan praktis mengapa menggunakan penukar kalor ialah untuk membawa dinginya cairan dari kondensor untuk mencegah terbentuknya gelembung-gelembung yang akan menggagu proses ekspansi ( mengganggu laju aliran refrigeran saat melewati katup ekspansi ). 1.5 Daur Kompresi Uap Nyata Daur Kompresi Uap Nyata mengalami pengurangan efisiensi dibandingkan dengan daur standar. Ada juga perubahan yang terjadi dari daur yang standar yang mungkin cukup berarti atau tidak dapat diabaikan. Untuk lebih mudahnya kita dapat mengeplot atau menggabungkan antara daur standar dengan daur nyata seperti dibawah ini : PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Ir. Djuhana, M.Si. SISTEM TATA UDARA 8 Daur nyata P Penurunan Penurunan tekanan tekanan Bawah dingin 3 2 Daur standar 4 1 Penurunan Penurunan tekanan tekanan Panas lanjut h Gambar Daur Kompresi Uap Nyata dibandingkan dengan daur standar Dari diagram diatas terlihat bahwa perbedaan penting antara daun standar dengan daur nyata terletak pada penurunan tekanan didalam kondensor dan evaporator, dalam pembawa dinginan (subcooling) cairan yang meninggalkan kondensor, dan pemanasan lanjut uap yang meninggalkan evaporator. Daur standar dianggap tidak mengalami penurunan kondensor dan evaporator. Tetapi daur nyata, terjadi penurunan tekanan akibat gesekan. Akibat dari penurunan tekanan ini, kompresi pada titik 1 ke 2 memerlukan lebih banyak kerja dibandingkan dengan daur standar. Subcooling (membawah dinginkan) cairan di dalam kondensor ialah peristiwa yang normal dan melakukan fungsi yang diinginkan untuk menjamin bahwa keluaran kondensor 100% cair. Pemanasan lanjut uap biasanyaterjadi didalam evaporator, dan hal itu disarankan untuk menjamin bahwa refrigeran yang keluar dari ovaporator (masuk kompresor) PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Ir. Djuhana, M.Si. SISTEM TATA UDARA 9 benar- benar berfasa uap. Perbedaan terakhir yang juga penting pada daur nyata proses kompresi sudah tidak isontropiklagi. PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Ir. Djuhana, M.Si. SISTEM TATA UDARA 10
