bab ii tinjauan pustaka

BAB I
PENDAHULUAN
1. 1. Latar Belakang
Dengan kemajuan teknologi zaman sekarang ini merupakan suatu hal yang
paling nyata, terutama dalam bidang teknik. Dapat dilihat dari Negara-Negara maju
yang ada didunia yang telah memiliki teknologi yang canggih dan modern, sehingga
mampu menciptakan barang-barang teknik yang beraneka ragam sehingga dari latar
belakang tersebut penulis mencoba untuk mendalami atau untuk mengetahui sebagian
kecil dari bidang teknologi terutama pada teknik pendingin dan alat penukar kalor
pada sebuah dispenser air minum.
Pada kesempatan ini penulis ingin mencoba mengambil Tugas Akhir dengan
judul “Perancangan Evaporator Dan Heater ( Pemanas ) Dispenser Air Minum”
Adapun alasan perancangan ini karena dispenser sering dijumpai pada
perkantoran, pabrik, hotel, dan rumah-rumah. Oleh karena itu penulis ingin
merancang evaporator dan heater ( pemanas ) dispenser ini sehingga dapat digunakan
memperoleh air panas yang cepat, air dingin dan normal yang siap saji pada pagi hari,
siang , dan malam hari serta untuk menciptakan kinerja yang efektif dan efisien.
Sehingga waktu dan tenaga tidak terbuang.
Dengan Judul Tugas Akhir ini penulis mencoba memperhitungkan
perpindahan kalor dari benda yang satu dengan benda yang lainnya, serta untuk
1
menentukan temperatur air dingin keluar dari evaporator, temperatur air panas keluar
heater dan menentukan laju massa dispenser tersebut.
Peracangan ini juga dimaksudkan untuk membuat alat penukar kalor yang
sesuai dengan tingkat kenyamanan dan kebersihan yang baik dan maksimal.
1. 2. Tujuan Perancangan
Adapun tujuan perancangan ini adalah :

Menentukan beban pendingin

Menentukan sistem pendingin

Menentukan tipe dan ukuran-ukuran utama evaporator dan heater

Menentukan temperatur pemanasan

Membuat gambar kerja
1. 3. Manfaat
Adapun manfaat dari tugas akhir ini adalah untuk menambah wawasan dalam
bidang teknik pendingin khususnya dalan perancangannya.
2
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2. 1. Metode Perpindahan Panas
2. 1. 1. Perpindahan Panas Konduksi
Bila panas suatu benda terdapat gradien suhu ( temperatur gradien ) maka
akan terjadi perpindahan energi dari bagian bersuhu tinggi ke bagian bersuhu rendah.
Katakan bahwa energi berpindah konduksi atau hantaran gradien suhu normal.
q T
~
A x
Gambar 2. 1. Arah Aliran Pada Perpindahan Panas Konduksi.
Jika dimasukkan konstanta proporsionalitas ( proportionality konstan ) atau
tetapkan kesebandingan, maka :
3
q = -KA
T
…………………………………………….( Lit 4, Hal 2 )
x
Dimana :
Q = Laju perpindahan kalor
T
= Gradien suhu ke arah perpindahan kalor
x
K = Konduktivitas thermal
A = Luas perpindahan panas
Gambar 2. 2. Volume Unsuran Untuk Analisis Konduksi Kalor Satu Dimensi
Energi yang dihantarkan dimuka kiri + energi di bangkitkan dalam unsur itu =
perubahan energi dalam atau dakhil ( internal energi ) + energi yang dihantarkan
keluar unsur itu melalui muka kanan.
Kuantitas energi itu adalah sebagai berikut :
4
Energi muka kiri = Qx = -KA
Energi yang dibangkitkan dalam unsur = Q . A .dx
Perubahan energi dalam =  .C. A.
= Qx + dx = - K.A
T
dx energi yang keluar dari muka kanan.
x
T
x
x  dx
 T   T  
= - A K
 K
.dx 
 x x  x  
Dimana :`
Q = Energi yang dibangkitkan persatuan volume , w/m3
C = Kalor spesifik bahan, j/kg 0 C
 = Kerapatan ( densitas ), kg/m3
Jika hubungan digabungkan maka akan di dapat :
-K.A.
Atau :
 T   T  
T
T
q.A.dx =  .C .A
dx - A  K
 K
dx
x
x
 x x  x  
  T 
T
K
 + q = C
x
x  x 
……………………………………( Lit 4, Hal 3
)
2. 1. 2. Perpindahan Panas Konveksi
5
Telah diketahui bahwa plat logam panas akan menjadi dingin lebih cepat bila
ditaruh didepan kipas angin di bandingkan dengan bila mana di tempatkan di udara
tenang.
Gambar 2. 3. Perpindahan Kalor Konveksi Dari Suatu Plat
Guna mengatakan pengaruh konveksi secara menyeluruh maka menggunakan
hukum Newton tentang pendinginan, yaitu:
Q = h.A ( Tw - T  )……………………………………….( Lit 4, Hal 11 )
Dimana :
Q = Laju perpindahan kalor ( kj/det )
h = Koefisien perpindahan kalor ( w/m3 C )
Tw = Temperatur plat ( 0 C )
T∞ = Temperatur fluida ( 0 C )
Maka, dari kedua metode ini bahwa aliran kalor menyeluruh sebagai hasil
gabungan proses konduksi dan konveksi bisa dinyatakan dengan koefisien
perpindahan yang meyeluruh.
Dimana:
Q = U.A.LMTD
6
2. 1. 3 Perpindahan Panas Radiasi
Perpindahan panas ini terjadi melalui bahan antara, kalor juga dapat
dipindahkan melalui daerah hampa. Mekanisnya disini adalah sinaran atau radiasi
oleh elektromagnetik. Pembahasan ini dibatasi pada radiasi termal saja. Pembahasan
termodinamika menunjukkan bahwa radiator ( penyinar ) ideal, atau benda hitam,
memancarkan energi dengan laju yang sebanding dengan pangkat empat suhu absolut
benda itu dan sebanding dengan luas permukaan jadi.
Qpancaran =  ×A ×T4
Dimana :
 = Konstanta Stefan – Boltzman
= 5,669 × 10-8 W/m2.K
A = Luas perpindahan panas
T = Temperatur absolut
Perpindahan ini hanya berlaku untuk radiasi yang dipancarkan oleh benda
hitam. Pertukaran radiasi Netto antara dua permukaan berbanding dengan suhu
absolut pangkat empat artinya :
Q pertukarannetto
A
× α  ( T14 – T24 )………………………………..( Lit 4, Hal 13 )
7
Gambar 2. 4. Pertukaran radiasi netto antara dua permukaan dengan
perbedaan suhu.
2. 2. Sistem Refrigerasi dan Mesin Refrigerasi
Sistem refrigerasi yang dipakai adalah siklus kompresi uap.
2. 2.1. Siklus kompresi uap
Kompresi uap merupakan siklus yang paling sering digunakan dimana pada
siklus ini uap ditekan ( kompres ). Akibat tekanannya naik, uap pada tekanan dan
temperatur tinggi ini diembunkan menjadi zat cair. Zat cair yang bertekanan tinggi
diturunkan tekanannya agar cairan tesebut dapat menguap kembali ( evaporasi )
Siklus kompresi uap dapat dijelaskan dengan diagram berikut :
2
KONDENSOR
3
K.EXPANSI
KOMPRESSOR
4
1
EVAPORATOR
8
Gambar 2. 5. Diagram Alir Siklus Kompresi Uap
Proses- proses yang terjadi :
1-2
: Proses kompresi isentropik adiabatik
Uap refrigeran dari evaporator masuk kompresor, kemudian mengalami
pemanfaatan hingga pada kondisi tekanan kondensor, dimana refrigeran akan
berada pada kondisi uap panas lanjut.
2-3
: Proses pelepasan kalor pada tekanan kondensor.
Uap panas lanjut dari compressor didinginkan pada kondensor dengan kondisi
tekanan konstan, sehingga uap tersebut menjadi fasa cair.
3-4
: Proses ekspansi adiabatik
Refrigeran yang berubah fasa menjadi fasa cair keluar kondensor menuju
katub ekspansi. Pada katub ekspansi ini terjadi penurunan tekanan refrigeran,
yang mengakibatkan temperatur refrigeran menjadi rendah. Katub ekspansi
ini juga mengatur aliran refrigeran menuju evaporator.
4-1
: Proses Pemasukan Kalor
Refrigeran yang masuk ke evaporator mengalami perubahan fasa menjadi uap
pada tekanan konstan. Dalam proses ini panas dari udara yang dikondisikan
diserap refrigeran. Kemudian refrigeran akan dihisap masuk ke dalam
kompressor.
Diagram tekanan enthalpy ( P – h ) akan memperjelas proses termodinamika
kompresi uap.
9
Gambar 2. 6 Diagram P - H
Gambar 2. 7. Diagram T - S
Gambar 2. 8 Diagram P - V
Keterangan :
10
1-2
: Proses kompresi isentropic adiabatic
2-3
: Proses kondensasi pada tekanan konstan
3-4
: Proses ekspansi isentropic adiabatic
4-1
: Proses evaporasi pada tekanan konstan.
2. 2. 2. Kompresor
Kompresor adalah alat dari kompressi uap, fungsi dari kompresor pada mesin
pendingin adalah untuk mensirkulasikan refrigeran dari titik ( 1 ) menuju titik ( 2 )
sesuai dengan tekanan-enthalpi ( P - h ) garis enthalpi. Kompresi yang terjadi pada
mesin pendingin adalah kompresi isentropic, sehingga yang dilakukan kompresor
selama proses ( 1 - 2 ) dapat dinyatakan sebagai berikut:
Wk = M ( h2 – h1 )
Dimana : Wk = Kerja kompresor
h1 = Kandungan enthalpi masuk kompresor
h2 = Kandungan entalphi keluar kompresor
M = Laju aliran refrigeran
2. 2. 3. Kondensor
Kondensor gunanya untuk mengkondensasikan uap refrigeran menjadi fasa
cair. Fluida mengalir kedalam pipa kondensor dimana pipa-pipa ini didinginkan oleh
udara sekitar sehingga panas yang dibawa fluida kerja dibuang ke udara sekitar.
11
Aliran refrigeran dalam kondensor adalah aliran yang merata pada kondensor
sistem mengeluarkan panas. Sehingga panas yang dibuang kondensor dinyatakan
sebagai berikut :
Qkondensor = M ( h2 – h3 )
Dimana :
Qkondensor = Panas yang dibuang kondensor
h2
= Kandungan entalphi masuk kondensor
h3
= Kandungan entalphi keluar kondensor.
2. 2. 4. Pipa kapiler
Pipa ini berfungsi untuk menurunkan tekanan refrigerasi dan mengatur aliran
refrigerasi masuk evaporator. Proses ini terjadi pada kandungan kalor yang tetap
dimana tidak terjadi perpindahan kalor, yaitu :
h3 = h4
Dimana :
h3 = Kandungan entalphi masuk pipa kapiler
h4 = Kandungan entalphi keluar pipa kapiler.
2. 2. 5. Proses penyerapan kalor di evaporator
Pada evaporator refrigeran akan menyerap panas dari luar, karena pipa-pipa
evaporator dialiri uap refrigeran maka panas yang dikandung air tersebut akan
diserap, dalam hal ini temperatur air masuk lebih tinggi dibandingkan temperatur air
12
keluar. Sehingga besarnya panas yang diserap evaporator dapat dinyatakan sebagai
berikut :
Qeva= M ( h1 – h4 )
Dimana :
Qeva = Panas yang diserap evaporator
M
= Laju aliran massa refrigeran
h1 = Kandungan entalphi keluar evaporator
h4 = Kandungan entalphi masuk evaporator
2. 2. 6. Efek Refrigeran
Kenaikan entalphi refrigeran di dalam evaporator dinamakan efek refrigerasi,
dan dapat dihitung dengan persamaan :
RE = h1 – h4
2. 2. 7. Koefisien prestasi sistem refrigerasi
Koefisien sistem refrigerasi adalah dampak refrigerasi dibagi dengan kerja
kompresi, yaitu:
COP =
h1  h4
h2  h1
Suatu sistem refrigerasi yang efisien,akan memiliki nilai koefisien prestasi yang
tinggi.
13
2. 3. Kapasitas Refrigerasi ( q )
q = w ( h1 – h4 )
Kw…………………………….( Lit.2, Hal 200 )
Dengan h1 - h4 masing-masing adalah entalphi dalam kilojoule per kilogram
refrigeran yang meninggalkan dan memasuki evaporator. Dampak refrigerasi : h1- h4
naik sedikit dengan naiknya tekanan hisap, seperti pada gambar.
Gambar 2. 9. Dampak ( Effect ) refrigerasi dan kapasitas kompresor ideal
Asalkan entalphi refrigeran yang memasuki katup ekspansi tetap konstan.
Kenaikan ini disebabkan oleh entalphi uap jenuh yang sedikit lebih tinggi pada suhu
evaporator yang lebih tinggi.
2. 4. Kapasitas Pendinginan dari Evaporator
Jumlah kalor yang diserap oleh refrigeran dari benda atau fluida yang hendak
didinginkan, dapat ditulis sebagai berikut:
Q = K. A.  tm
Atau
A=
Q
K .tm
14
Dimana :
Q = Jumlah kalor yang diserap oleh refigeran dalam evaporator ( k.cal/jam )
K = Koefisien perpindahan kalor ( kal/m2jam 0C )
A = Luas bidang perpindahan kalor( m2 )
∆tm = Perbedaan temperatur rata-rata ( 0C )
15
16