DIRECT COOLING

Pendinginan dengan evaporative cooling mempunyai sejarah yang panjang, jauh lebih tua dari pendinginan dengan menggunakan refrigeran buatan www.wescorhvac.com/index.htm. Mekanisme terjadinya evaporative cooling diperlihatkan seperti pada gambar 1. Air sebagai refrigeran diteteskan ke dalam kotak. Dari arah kiri, dihembuskan udara sehingga terjadi penguapan (evaporasi) air yang ada di box. Akibat penguapan air, terjadi penyerapan kalor dari udara yang dihembuskan, sedemikian sehingga diperoleh udara keluaran yang lebih dingin. Pada direct evaporative cooling, udara yang dihembuskan langsung berhubungan dengan udara luar, sebaliknya pada indirect evaporative cooling, udara luar dilewatkan heat exchanger, selanjutnya heat exchanger menyalurkan panas pada sistem. Mekanisme terjadinya evaporative cooling adalah karena lepasnya molekul air dari ikatannya. Terlepasnya molekul air tersebut dipicu dengan semakin sedikitnya jumlah molekul air di udara pada saat tekanan parsial uap air di udara belum memcapai kejenuhan. Dengan demikian, evaporative cooling ini akan berfungsi baik bila tekanan uap air di udara rendah, dan terhenti bila tekanan uap air sudah mencapai kejenuhan karena terjadinya kesetimbangan.

Gambar 1: Proses dari direct evaporative dan indirect Evaporative Cooling

Agar proses evaporasi tetap berlangsung, meskipun pada kondisi udara luar jenuh, perlu dilakukan modifikasi yakni dengan menurunkan tekanan udara dalam mesin pendingin. Mekanisme tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut : Pada tekanan yang rendah, tiap material akan mendekati kelakuan gas ideal, tetapi semakin menyimpang dari gas ideal bila suhu dan tekanan tinggi. Jika suhu diturunkan dan tekanan dinaikkan, maka gas akan berubah fasa dari gas ke cair atau padat, sebaliknya, bila tekanan diturunkan, maka material akan berubah fasa dari cair ke gas, atau bahkan dari padat langsung ke gas. Perubahan fasa yang terkait dengan perubahan suhu (T), tekanan (P), dan volume (V) ini, untuk material sembarang, sulit sekali dirumuskan. Meskipun demikian, karakteristik perubahan fasa terhadap P, V, dan T masih mungkin ditampilkan, berdasarkan data eksperimen, grafik yang menghubungkan kesetaraan antara tekana , suhu, dan volume dalam kaitannya dengan perubahan fasa dari materi disebut dengan permukaan PVT.

Grafik ini merupakan grafik 3 dimensi, dan karenanya sulit dipahami 1. Karenanya, untuk memudahkan penafsiran dan lebih aplikatif, biasanya dibuat penyederhanaan dalam tampilan dua dimensi saja, yakni pasangan (P,T), dan (P,V). Tiap material mempunyai karakteristik permukaan (P,T) yang berbeda-beda. Untuk air, permukaan (P,T) dapat dilihat seperti pada gambar 2.

Gambar 2: Perubahan fasa air terhadap suhu dan tekanan,

Tampak jelas dari gambar diatas bahwa fasa cair dapat diubah langsung ke fasa gas dengan cara menurunkan tekanan gas dan hal ini juga berlaku sebaliknya. Dengan demikian, meski pada kelembaban udara luar maksimum, karena beda tekanan negatif gas yang mengisi mesin pendingin dengan udara luar, penguapan masih mungkin dilakukan. Mekanisme ini menjadi dasar dari mesin pendingin udara yang dibuat.

Tekanan dan Proses Penguapan Udara dan Tekanan Udara kering tersusun atas nitrogen, oksigen, karbon dioksida, argon, dan lain-lain. Persentase volume oksigen dalam udara kering mencapai 21%, sedangkan persentase massanya mencapai 23,15% (Encarta Encyclpedia, 2002). Disamping unsure-unsur diatas, udara juga berisi uap air. Kadar uap air dalam udara disebut kelembaban udara. Molekul-molekul udara kering dan uap air membentuk gas yang mengisi atmosfer. Sebagai gas riil, gas-gas di udara memiliki sifat-sifat yang tidak jauh beda dengan gas ideal (keenan, 1998). Atas dasar ini udara dapat dianggap sebagai gas ideal, sehingga hukum-hukum yang berlaku pada gas ideal berlaku pula pada udara. Konsentrasi gas di dalam udara bisa naik atau menurun di sebabkan oleh faktor ketinggian, setiap peningkatan ketinggian 100 meter akan terjadi penurunan tekanan atmosfer sebesar 6- 10 mmHg / turun 7 mmHg per 100 meter. Udara murni mengandung : N2, O2, O3, A, CO2, He, Ne, Xe, Kr, CH4, NH3, H2S, CO dan N2O. Makin dingin temperatur air makin besar kelarutan oksigen di dalam air

Persamaan keadaan untuk gas ideal dirumuskan : (1) dimana : P : Tekanan absolut N/m2 V : Volume system m3 n : Jumlah mol gas R : Konstanta gas T : Suhu Absolut

Sedangkan hubungan antara jumlah mol n dengan massa adalah : Kehadiran gas menimbulkan tekanan terhadap permukaan yang menyelimutinya. Teori kinetik gas menyatakan bahwa tekanan gas ekivalen dengan total momentum yang dipindahkan ketika partikel-partikel menumbuk permukaan (Delchar 1993). Gaya yang disebabkan tekanan fluida selalu bekerja tegak lurus terhadap permukaan yang bersentuhan dengannya. Benda 3 dimensi yang dikenai gaya akibat selisih tekanan udara akan mengalami tegangan tekan. Tegangan tekan digunakan dalam menyatakan kekuatan suatu bahan. Notasi untuk tegangan tekan adalah (sigma), sedangkan satuannya sama dengan satuan tekanan. Tegangan tekan dirumuskan sebagai berikut :

Dimana adalah gaya tekan yang bekerja pada benda, dan A luasan yang dikenai gaya. Tegangan tekan dapat memperpendek benda obyek gaya. Besarnya pemendekan atau Dimana : L = Panjang mula-mula benda (m) E = Modulus elastisitas.

Proses Terjadinya Penguapan Molekul zat cair dalam keadaan diam dimana terdapat tarik-menarik dan tolak-menolak ; gaya tarik menarik maupun tolak–menolak dalam keadaan setimbang. Pada molekul zat cair terdapat energi kinetik dan energi potensial dalam keadaan setimbang pula. Namun energi kinetik merupakan fungsi terhadap temperatur.

Gambar .3 : Proses evaporasi pada thermometer bola basah

Apabila zat cair dipanaskan, energi kinetik yang terdapat pada molekul yang berada pada permukaan zat cair akan bertambah sehingga molekul zat cair akan terlepas dan timbul uap. Jumlah kalor yang diserap oleh refrigeran dari benda atau fluida yang hendak didinginkan :

K = Koef Perpindahan Panas (Kcal/m2 0C) A = Luas Bidang perpindahan panas (m2) Salah satu faktor yang menentukan besarnya koefisien perpindahan panas adalah kecepatan aliran fluida atau benda yang hendak didinginkan ( “ Penyegar udara Aris Munandar & Avisato 155”). Disamping itu, makin besar jumlah benda (yang hendak didinginkan) menempel atau dekat pada bidang pendingin, makin besar koefisien perpindahan panasnya. Udara yang berada di ruang AC temperatur berkisar -100 C s/d 500 C (dianggap gas ideal ) ; Cp = 1,005 Kj/Kg 0K .Udara Pada suhu 300 C dapat mengandung uap air sebanyak 30 gram uap air/m3 pada 200 C mengandung 17 gr uap air. Kalor jenis ( C ) adalah kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 mol zat sebesar satu derajat .

Dasar-dasar Vakum Vakum diartikan hampa atau tidak ada molekul materi dalam ruang. Vakum sempurna berarti sama sekali tidak ada atom/molekul materi didalam ruang. Vakum sempurna tidak mungkin dicapai, sehingga definisi vakum dianggap sebagai kondisi dimana tekanan udara lebih rendah dari tekanan udara normal. Vakum dibagi menjadi vakum rendah, vakum tinggi, dan vakum ultra tinggi. Vakum rendah untuk tekanan hingga 10-2 pascal, vakum tinggi untuk kisaran tekanan 10-2 s.d.10 –7 pascal, dan vakum ultra tinggi untuk tekanan lebih rendah dari 10-7 pascal (Isaacs ed, 1994). Dalam ilmu fisika dan teknik, teknologi vakum didefinisikan sebagai proses atau peralatan yang bekerja berdasar prinsip pemindahan kuantitas gas dari dalam tempat tertutup (Encarta Encyclopedia, 2002). Aplikasi teknologi vakum sangat luas , terutama dalam proses industri. Contohnya untuk mesin pendinginan udara yang akan dirancang pada penelitian ini.

Semakin besar K, semakin banyak pula panas yang dikonduksikan oleh bahan. Besaran lain adalah :

• Resistansi panas R = L/(k.A) (K/watt) • Konduktansi panas C = 1/R = K.A/L .... (K/watt) Isolator mempunyai R > agar menghambat usaha penghantaran panas melalui bahan tersebut.

Kalor sensible dan kalor laten Kalor sensible bisa diukur dengan termometer sehingga kuantitas panas yang di butuhkan untuk menaikkan atau menurunkan temperatur suatu bahan tanpa merubah wujudnya bisa diukur , sesuai dengan persamaan di bawah ini :

Kalor laten merupakan perubahan wujud yang diakibatkan panas laten. Kalor laten secara terminologinya adalah kalor yang tersembunyi, tidak bisa diukur dengan termometer. Perubahan dari cair menjadi padat disebut kalor laten fusion (Lf) membutuhkan energi 333 J/g atau 80 Cal/g , perubahan dari cair menjadi uap disebut kalor laten vapour (Lv) membutuhkan energi -2500 J/g atau 600 Cal/g. perubahan dari uap air menjadi cair disebut kalor laten kondensasi (Lc) membutuhkan energi 2500 J/g atau 600 Cal/g, sedangkan perubahan dari padat langsung ke uap disebut kalor laten sublimasi (Ls) membutuhkan energi 2833 J/g atau 680 Cal/g.

Peralatan dalam Sistem Pendingin Evaporative cooling

1. Evaporator Fungsi dari evaporator adalah untuk menyerap panas udara yang ada di dalam pipa-pipa oleh air yang lengket di luar permukaannya, dengan penyerapan kalor laten udara, air berubah fase menjadi uap. Uap air yang panas di buang keluar dengan bantuan pompa vakum Pada evaporator mesin pendingin konvensional penguapan terjadi di dalam pipa-pipa heat exchanger, refrigerant sebagai media pendingin udara (Freon) menyerap kalor laten udara di permukaan luar pip evaporator. Uap freon yang panas tersebut di dinginkan kembali di kondensor. Pipa-pipa evaporator biasanya terbuat dari tembaga dengan konduktivitas thermal yang tinggi. Untuk memperbesar sifat konduktivitasnya pipa di beri pelat logam tipis atu sirip. Sirip-sirip memperluas permukaan evporator, sehingga dapat menyerap panas lebih banyak.Sirip-sirip denga pipa hubunganya harus cukup baik untuk perpindahan kalor. Tebal sirip dan jarak antaranya tergantung dari pemakaiannya untuk maksud apa evaporator tersebut direncanakan. Besar diameter pipa menentukan tebal siripnya. Pipa yang kecil diameternya memakai sirip yang tipis.

Pada penelitian ini satu set kondensor mempunyai panjang pipa heat exchanger 1550 cm, luas sirip-sirip alumunium 30,5 cm x 6,5 cm sebanyak 92 buah lempengan. Untuk memperluas bidang sentuh perpindahan panas, maka kondensor digabung menjadi tiga set.

2. Pompa vakum Untuk mengeluarkan gas dari sebuah wadah digunakan pompa vakum. Ketika pompa vakum bekerja mengeluarkan udara, tekanan akan turun akibat semakin sedikit molekul gas yang tertinggal. Konsekuensi dari aktivitas pemompaan adalah terjadinya aliran gas. Terdapat bermacam-macam pompa vakum dengan metode kerja yang berbeda. Pompa vakum diklasifikasikan menurut level kevakuman yang dapat dicapai. Contohnya adalah pompa mekanik putar untuk level vakum rendah sampai vakum tinggi, pompa difusi untuk level vakum tinggi, dan pompa turbomolekuler untuk vakum ultra tinggi. Kecepatan pompa atau merupakan besaran bernilai tetap yang menjadi karakteristik masing-masing pompa. Sedangkan atau rerata aliran adalah besaran yang berubah selama pompa bekerja. akan turun ketika tekanan dalam kalor system semakin rendah. Satuan dan dalam SI adalah m3/s dan Pa-m3/s. dan menyusun persamaan pemompaan berikut ini (Karrasik, 1986) :

dengan P adalah tekanan absolut dan V adalah volume system.

3. Pompa Mekanik Putar Pompa mekanik putar merupakan jenis pompa yang sederhana. Keuntungan pompa jenis ini berupa : Kecepatan tinggi, murah, dan tahan lama (www.Photon.physics.ucf.edu, 2003). Pompa mekanik putar mampu beroperasi dari tekanan udara normal. Ada dua tipe pompa mekanik-putar, yaitu pompa oli putar dan pompa sentrifugal. Pompa oli putar memiliki kinerja yang lebih baik karena laju aliran balik jauh lebih kecil. Pompa oli putar digunakan untuk mencapai level vakum sampai 10-4 mmHg (Giancoli, 1998). Bagian utama pompa terdiri dari sebuah system rotor dan stator yang dibenamkan dalam oli. Langkah kerja pompa oli putar di mulai dengan penjebakan udara masuk dalam ruang antara rotor dan stator. Rotor berbentuk silinder asimetris akan berputar dan mendorong udara yang terjebak melalui discharge valve. Fungsi oli dalam pompa oli putar untuk mencegah aliran balik. Oli juga melumasi bagian-bagian yang berputar sehingga memperkecil efek gesekan. Contoh pompa oli putar adalah kompressor untuk system pendingin udara dan power steering. Pompa oli putar umumnya digerakkan oleh motor listrik arus bolak-balik (AC). Sifat motor AC yang membutuhkan arus start besar sering mengakibatkan fluktuasi tegangan. Untuk mengantisipasi fluktuasi tegangan, biasanya digunakan kapasitor yang diparalel dengan motor AC (Petruzella, 2001) 4. Motor kipas Fan motor terdiri dari motor listrik yang salah satu ujung porosnya meninjol keluar. Pada poros tersebut dapat ditambahkan daun kipas. Gunanya untuk membuat sirkulasi udara di dalam mesin pendingin (turbulence) atau membuang uap yang air yang panas keluar dari sistem. Motor yang dipakai umumnya shaded-pole motor, 110 dan 220 volt, 50/60 Hz, putaran 2500/3000 ppm, 6-12 watt, 0,2-0,7 ampere. Poros motor untuk daun kipas mempunyai diameter 1/8 atau 3/16 inci. Putaran rotor ada yang searah jarum jam. Arah putaran shaded pole motor sebenarnya mudah diketahui dengan melihat letak lilitan penghalangnya. Apabila dilihat dari bagian atas, lilitan penghalang berada di sebelah kiri, rotor akan berputar dari kiri kekanan. Daun kipas terbuat dari plastik atau alumunium. Bentuknya ada dua macam : daun kipas (propeller) dan roda blower (blower wheel). Daun kipas mempunyai diameter 4 – 5 inci. Jumlah daun 4 atau 5 buah dengan kemiringan 30 derajat. Aliran udara mengalir secara aksial atau sejajar poros. Jarak antara kipas dan dinding kotak minimal 10 cm.

5. Kompressor Fungsi dari compressor adalah untuk mengalirkan udara masuk dan bersirkulasi di dalam mesin pendingin. Debit udara yang di keluarkan compressor bisa bervariasi tetapi pada penelitian besar debit yang di keluarkan di dapat dari persamaan :

dengan :

Debit udara masuk ke pipa evaporator : dimana :

jadi,

Debit udara keluar dari pipa evaporator : dimana :

V = 1,39 m/s (jarak pengukuran anemo terhadap bibir pipa 12 cm)

6. Refrigeran air Air merupakan media penghantar panas yang efektif oleh karenanya air dingin yang dikabutkan disemprotkan ke atas permukaan pipa-pipa evaporator agar kalor laten dari air dapat diserap oleh panasnya udara didalam pipa. Air mempunyai nilai konduktivitas thermal 0,604 W/m 0K, rapat massa 997 kg/m3 dan kalor spesifik 4,19 kJ/kg. Daya hantar (konduktivitas) thermal dan laju perpindahan kalor konduktif ditentukan oleh struktur molekul bahan. Semakin rapat dan tersusun rapinya molekul-olekul, akan memindahkan energi semaikn cepat dibandingkan dengan susunan yang acak dan jarang. Elektron bebas di dalam struktur air juga mempertinggi daya hantar thermalnya. Penghantar listrrik yang baik biasanya juga sebagai penghantar kalor yang baik. Sifat tersebut diatas dimiliki oleh air.