Upload
lecong
View
217
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Laporan Tugas Akhir 2012
Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 11
BAB II
DASAR TEORI
2.1 Sistem Tata Udara[sumber : 5. http://ridwan.staff.gunadarma.ac.id]
Sistem tata udara adalah proses untuk mengatur kondisi suatu ruangan sesuai dengan
keinginan sehingga dapat memberikan rasa nyaman bagi para penggunanya. Sistem tata udara
pada umumnya dibagi menjadi dua golongan utama, yaitu :
a. Penyegaran udara untuk kenyamanan
Menyegarkan udara ruangan untuk memberikan kenyamanan kerja bagi orang yang
melakukan kegiatan tertentu.
b. Penyegaran udara untuk industri
Menyegarkan udara ruangan karena diperlukan oleh proses, bahan, peralatan atau barang
yang ada di dalamnya.
Jika seseorang berada di dalam suatu ruangan tertutup untuk jangka waktu yang lama,
maka pada suatu ketika ia akan merasa kurang nyaman, begitu juga jika kita berada pada
ruang terbuka pada siang hari dengan sinar matahari mengenai tubuh kita akan merasa kurang
nyaman. Hal ini diakibatkan dua hal utama yakni temperatur dan kelembaban udara tersebut
tidak sesuai dengan yang dibutuhkan untuk tubuh.
Perkantoran
Penyegaran udara gedung kantor diperlukan untuk memberikan kenyamanan lingkungan
kerja bagi para karyawan. Dalam banyak hal penyegaran udara itu juga diadakan untuk
melindungi peralatan kantor, sebaiknya terdapat pengatur suhu dan kelembaban atau
penyegar udara untuk setiap kelompok ruangan dengan kegiatan yang sama.
Hotel
Hotel terdiri dari ruang tamu, ruangan umum seperti ruang duduk, ruang makan dan
sebagainya. Sistem penyegaran Ruang tamu sebaiknya dilengkapi dengan pengatur suhu
dan kelembaban, dengan demikian suhu dan kelembabannya dapat disesuaikan dengan
keperluan, seperti umur, jenis kelamin dari tamu dan sebagainya.
Industri
Sistem penyegaran udara untuk keperluan industri dibagi menjadi dua golongan, yaitu
penyegaran udara untuk kenyamanan, untuk memberikan kenyamanan lingkungan kerja
bagi karyawan; dan penyegaran udara industri untuk mengatur suhu dan kelembababan dari
Laporan Tugas Akhir 2012
Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 12
udara yang dipergunakan dalam proses produksi, penyimpanan, lingkungan kerja mesin,
dan sebagainya.
Rumah Sakit
Rumah sakit berbeda dari jenis bangunan lainnya, kondisi lingkungan harus dijaga supaya
tetap bersih untuk mencegah penyebaran dan berkembangnya bakteri patogenik. Oleh
karena itu ruangan yang tersedia hendaknya dibagi menjadi beberapa daerah, sedemikian
rupa sehingga tidak terjadinya pencampuran udara yang mengandung kuman penyakit.
2.2 Sistem Tata Udara Mobil
Sistem tata udara pada mobil digunakan untuk memberikan kenyamanan pada
penumpangnya, juga sangat diperlukan karena sewaktu-waktu temperatur ruangan mobil
akan meningkat tergantung pada kapasitas penumpang ataupun faktor radiasi yang masuk ke
ruangan mobil. Selain itu, panas dapat juga timbul dari panas mesin mobil dan dari
lingkungan sekitar seperti kepadatan jalan. Untuk menjaga ruangan mobil agar tetap nyaman
maka diperlukan suatu pengkondisi udara yaitu AC (Air Conditioner). Berikut adalah salah
satu komponen AC mobil yang terpasang pada Isuzu Elf ditunjukkan pada Gambar 2.1.
Gambar 2.1 Evaporator yang terpasang pada Isuzu Elf
Proses pengkondisian udara pada AC mobil meliputi proses pendinginan dengan
pengurangan kandungan uap air dan proses pemanasan dengan penambahan uap air. Tetapi
untuk daerah tropis, AC mobil yang digunakan hanya untuk keperluan pendinginan dan
pengurangan kandungan uap air. Dibandingkan dengan gedung, interior mobil relatif kecil.
Laporan Tugas Akhir 2012
Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 13
Walau begitu, bila mobil bergerak dengan kecepatan tinggi di hari yang panas, ia harus dapat
memberikan efek pendinginan yang cukup untuk mempertahankan suhu interior pada kondisi
yang nyaman. Demikian juga bila mobil bergerak lambat di jalanan yang ramai, AC mobil
juga harus dapat memberikan kenyamanan bagi penumpangnya. Inilah bagian yang paling
krusial yang harus dipertimbangkan pada aplikasi AC mobil.
Saat ini, mobil yang dilengkapi dengan AC sudah bukan menjadi barang langka
karena tidak hanya digunakan pada mobil-mobil mewah tetapi juga digunakan pada mobil-
mobil yang sederhana. AC mobil menggunakan sistem refrigerasi yang digerakkan oleh
mesin mobil atau engine, untuk mendapatkan kenyamanan interior, dengan mengatur suhu
dan mengurangi kelembabannya Dengan demikian banyak orang yang membutuhkan
kenyamanan dalam mobil dengan adanya AC tersebut karena fungsi AC yang terpenting
adalah :
1. Dapat mengatur dan menyesuaikan suhu di dalam ruangan
2. Dapat menjaga dan mengatur kelembaban udara
3. Dapat menyaring dan membersihkan udara
Agar diperoleh kenyamanan yang sesuai maka beban yang ada dalam ruangan
kendaraan tersebut haruslah dihitung. Perhitungan beban pendinginan adalah proses yang
sangat penting dalam melakukan suatu perancangan sistem tata udara pada suatu ruangan.
Pada perhitungan beban pendinginan terdapat pembagian beban secara umum, yaitu beban
eksternal yang terdiri dari beban melalui dinding, atap, lantai dan kaca, kemudian beban
internal yang terdiri dari beban manusia, peralatan/mesin, serta penerangan di ruangan
kendaraan tersebut. Selain beban eksternal dan internal, terdapat beban penting lainnya, yaitu
beban ventilasi dan beban infiltrasi.
2.3 Beban Pendinginan
2.3.1 Beban Eksternal
Beban eksternal adalah bagian beban ruangan yang timbul akibat adanya
pengaruh eksternal terhadap ruangan yang dikondisikan. Beban eksternal umumnya
berupa beban sensibel yang berasal dari luar ruangan, beban pendinginan sumber
eksternal terdiri atas beban kalor yang ditimbulkan oleh dinding, atap, kaca, dan lantai.
Laporan Tugas Akhir 2012
Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 14
a. Beban kalor yang ditimbulkan oleh dinding
Qdinding = U x A x CLTDcorr (2.1)
CLTDcorr = (CLTD + LM) x k + (78 – Tr) + (To – 85) (2.2)
Keterangan:
Qdinding = Besarnya kalor dinding radiasi matahari (Btu/hr)
U = Koefisien perpindahan kalor untuk dinding (Btu/hr.ft².°F)
A = Luas dinding yang terkena radiasi matahari (ft²)
CLTD = Cooling Load Temperature Difference (°F)
LM = Latitude Month
k = Koefisien warna dinding
CLTDcorr = Cooling Load Temperature Difference Corrected (°F)
Tr = Temperatur rancangan (°F)
To = Temperatur udara luar (°F)
b. Beban kalor melalui atap
Qatap = U x A x CLTDcorr (2.3)
CLTDcorr = (CLTD + LM) x k + (78 – Tr) + (To – 85) (2.4)
Keterangan:
Qatap = Besarnya kalor yang diterima atap akibat radiasi matahari (Btu/hr)
U = Koefisien perpindahan kalor untuk atap (Btu/hr.ft².°F)
A = Luas atap yang terkena radiasi matahari (ft²)
CLTD = Cooling Load Temperature Difference (°F)
LM = Latitude Month
k = Koefisien warna dinding
CLTDcorr = Cooling Load Temperature Difference Corrected (°F)
Tr = Temperatur rancangan (°F)
To = Temperatur udara luar (°F)
Laporan Tugas Akhir 2012
Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 15
c. Beban kalor melalui lantai
Qlantai = U x A x TD (2.5)
Keterangan:
Qlantai = Besarnya kalor yang diterima lantai (Btu/hr)
U = Koefisien perpindahan kalor untuk lantai (Btu/hr.ft².°F)
A = Luas lantai (ft²)
TD = Beda temperatur antara temperatur luar dan dalam ruangan (°F)
d. Beban kalor melalui kaca
Qkaca = U x A x CLTDcorr (2.6)
CLTDcorr = (CLTD + LM) x k + (78 – Tr) + (To – 85) (2.7)
Keterangan:
Qkaca = Besarnya kalor yang diterima kaca (Btu/hr)
U = Koefisien perpindahan kalor untuk kaca (Btu/hr.ft².°F)
A = Luas kaca yang terkena radiasi matahari (ft²)
CLTD = Cooling Load Temperature Difference (°F)
LM = Latitude Month
k = Koefisien warna dinding
CLTDcorr = Cooling Load Temperature Difference Corrected (°F)
Tr = Temperatur rancangan (°F)
To = Temperatur udara luar (°F)
e. Beban kalor melalui kaca secara radiasi
Qkr = A x SHGF x CLF x SC (2.8)
Keterangan:
Qkr = Besarnya kalor yang diterima kaca akibat radiasi matahari (Btu/hr)
A = Luas kaca yang terkena radiasi matahari (ft²)
SHGF = Maximum Solar Heat Gain Factor sun (Btu/hr.ft².°F)
CLF = Cooling Load Factor
SC = Shading Coefficient
Laporan Tugas Akhir 2012
Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 16
2.3.2 Beban Internal
Beban internal adalah beban yang berasal dari dalam ruangan, beban pendinginan
sumber internal terdiri atas beban kalor yang ditimbulkan oleh manusia, peralatan/mesin,
dan penerangan. Diantara komponen beban internal tersebut, lampu adalah komponen
yang menghasilkan beban sensibel murni. Orang dapat menghasilkan beban sensibel dan
laten. Peralatan ruangan dan mesin dapat menghasilkan beban sensibel saja atau sensibel
dan laten, tergantung dari jenis alat dan mesinnya.
a. Beban kalor oleh manusia secara sensibel
Tubuh manusia menghasilkan kalor melalui proses metabolisme, melepaskannya
ke ruangan dengan cara radiasi dari kulit atau pakaian dan secara konveksi dan
evaporasi ersifat laten, lainnya bersifat sensibel. Beban kalor oleh manusia dapat
dihitung dengan :
Qms = CLF x n x SHG (2.9)
Keterangan :
Qms = Besarnya kalor yang dihasilkan oleh manusia (Btu/hr)
n = jumlah orang
CLF = Cooling Load Factor
SHG = Sensible Heat Gain
b. Beban kalor oleh manusia secara laten
Qml = n x LHG (2.10)
Keterangan
Qml = Besarnya kalor yang dihasilkan oleh manusia (Btu/hr)
n = jumlah orang
LHG = Laten Heat Gain
c. Beban kalor yang ditimbulkan oleh peralatan
Qpl = n x A x CLF (2.11)
Keterangan :
Qpl = Besarnya kalor yang dihasilkan oleh peralatan (Btu/hr)
n = jumlah peralatan
A = Heat Gain from Typical Electric Motors (Btu/hr)
CLF = Cooling Load FactorBeban kalor yang ditimbulkan oleh peralatan
Laporan Tugas Akhir 2012
Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 17
d. Beban kalor yang dihasilkan dari penerangan
Energi listrik yang dicatukan ke lampu akan menghasilkan cahaya dan panas.
Sebagian energi ini akan mengalir secara konveksi ke dalam ruangan dan akan
menimbulkan beban sensibel. Beban kalor yang dihasilkan dari penerangan dapat
dihitung dengan :
Qlampu = 3.14 x n x P x CLF (2.12)
Keterangan :
Qlampu = Besarnya kalor yang dihasilkan oleh penerangan/lampu (Btu/hr)
n = Jumlah lampu
P = Daya total dari lampu (Watt)
CLF = Cooling Load Factor
2.3.3 Beban Ventilasi dan Infiltrasi
a. Beban Ventilasi
Beban ventilasi adalah beban yang disebabkan oleh masuknya udara luar ke
dalam ruangan dengan disengaja untuk mempertahankan kesegaran udara ruangan dan
menjaga agar ruangan tak berbau. Beban ventilasi dihitung dengan:
Qs = 1.10 x (CFM x jml.orang) x ∆T (2.13)
Ql = 4840 x (CFM x jml.orang) x ∆W (2.14)
Keterangan :
Qs = Kalor Sensibel yang dihasilkan (Btu/hr)
Ql = Kalor Laten yang dihasilkan (Btu/hr)
∆T = Perbedaan Temperatur Luar dengan Ruangan (0F)
∆W = Perbedaan rasio kelembaban udara luar dengan ruangan (lb/lb)
CFM = Debit udara yang dibutuhkan untuk setiap orang
b. Beban Infiltrasi
Beban infiltrasi adalah beban yang disebabkan oleh masuknya udara luar ke
dalam ruangan tanpa disengaja melalui celah-celah atau bukaan-bukaan yang ada pada
dinding jendela, pintu, dan lain-lain Beban infiltrasi didapat dengan :
Qs = 1.10 x CFM x ∆T (2.15)
Ql = 4840 x CFM x ∆W (2.16)
Laporan Tugas Akhir 2012
Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 18
Keterangan :
Qs = Kalor Sensibel yang dihasilkan (Btu/hr)
Ql = Kalor Laten yang dihasilkan (Btu/hr)
∆W = Perbedaan rasio kelembaban udara luar dengan ruangan (lb/lb)
CFM = Debit udara yang dibutuhkan untuk setiap orang
2.3.4 Perhitungan Beban Total
Beban total yang didapatkan terdiri atas beban kalor sensibel ruangan (RSHG),
beban laten ruangan (RLHG), beban sensibel dan laten ventilasi, beban sensibel dan laten
infiltrasi, serta beban tambahan dari sistem pada setiap jam operasi.
Beban sensibel ruangan terdiri dari : RSHG = Kalor dinding + kalor atap + kalor kaca + kalor sensibel penghuni + kalor
penerangan + kalor sensibel peralatan + kalor sensibel infiltrasi (2.17) OASH = Kalor sensibel ventilasi (2.18) TSH = RSHG + OASH (2.19)
Beban laten ruangan terdiri dari : RLHG = Kalor laten orang + kalor laten peralatan + kalor laten infiltrasi (2.20) OALH = Kalor laten ventilasi (2.21) TLH = RLHG + OALH (2.22)
Beban total ruangan : GTH = TSH + TLH (2.23)
2.4 Komponen Utama Sistem AC Mobil
Komponen utama sistem refrigerasi pada AC mobil hampir sama dengan sistem
refrigerasi kompresi uap pada umumnya, yaitu terdiri dari kompresor, kondensor, evaporator,
katup ekspansi dan magnetic clutch. Gambar 2.2 menunjukkan sistem refrigerasi AC mobil
pada umumnya.
Laporan Tugas Akhir 2012
Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 19
Gambar 2.2 Sistem Refrigerasi AC Mobil
(sumber : http://buslovers.com/air-conditioner/)
2.4.1 Kompresor
Kompresor merupakan komponen paling penting dalam sistem refrigerasi
kompresi uap. Fungsi kompresor tersebut adalah untuk menekan refrigeran sehingga
terjadi kenaikan tekanan di kondensor dan untuk mensirkulasikan refrigeran dalam
sistem.
Tenaga penggerak kompresor untuk mensirkulasikan refrigeran refrigeran
berasal dari tenaga mesin. Kompresor dapat berputar seirama dengan putaran mesin
lewat perantara belt, pulley dan magnetic clutch. Kompresor yang sering digunakan
untuk mesin mobil adalah tipe swash plate seperti ditunjukkan pada Gambar 2.3.
Gambar 2.3 Kompresor Tipe Swash Plate
(sumber : http://kelaten.blogspot.com/2011/10/ac-mobil.html)
Laporan Tugas Akhir 2012
Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 20
Pada kompresor jenis swash plate, gerakan piston diatur oleh swash plate pada
jarak tertentu dengan 6 atau 10 jumlah silinder. Ketika salah satu pada sisi piston
melakukan langkah tekan, maka sisi yang lainnya melakukan langkah hisap.
2.4.2 Kopling Magnet (Magnetic Clutch)
Kopling magnet digunakan untuk menghubungkan dan memutuskan hubungan
kompresor ke mesin. Komponen dari kopling magnet adalah :
Stator, berupa gulungan magnet yang dipasang pada housing kompresor
Rotor, yang menghubungkan crank shaft mesin dengan perantara v-belt
Pressure plate, yang dipasang secara fixed pada crank shaft kompresor
Gambar 2.4 merupakan contoh magnetic clutch yang biasa digunakan pada mobil
Isuzu Elf.
Gambar 2.4 Magnetic Clutch Isuzu Elf
(sumber : http://kelaten.blogspot.com/2011/10/ac-mobil.html)
Pada saat mesin beroperasi, puli berputar karena dihubungkan ke crank shaft
menggunakan belt, tetapi kompresor tidak bekerja sebelum magnetic clutch diberi arus
listrik. Ketika sistem AC on, amplifier memberi arus ke koil stator. Selanjutnya medan
elektromagnet yang terbentuk menarik pressure plate dan menekan permukaan gesek
pada puli. Hal ini menyebabkan pressure plate berputar mengikuti putaran puli lalu
memutar kompresor.
Laporan Tugas Akhir 2012
Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 21
2.4.3 Kondensor
Fungsi dari kondensor adalah melepaskan kalor dari refrigeran sehingga refrigeran
berubah fasa dari uap menjadi cair. Kalor yang dilepas di kondensor berasal dari kalor
yang diserap di evaporator dan kalor akibat kompresi. Sejumlah besar panas dilepaskan
ke udara bebas melalui kondensor. Hal ini akan mempengaruhi efek pendinginan di
evaporator. Untuk itu kondensor dipasang di bagian depan untuk mendapatkan
pendinginan oleh radiator dan udara yang lewat saat kendaraan bergerak. Fungsi dari
kondensor mirip dengan radiator yang mendinginkan air pada mesin mobil. Kondensor
yang digunakan pada Isuzu Elf ditunjukkan pada Gambar 2.5.
Gambar 2.5 Kondensor pada AC Mobil
2.4.4 Evaporator
Evaporator merupakan tempat perpindahan kalor antara refrigeran dan ruang atau
bahan yang akan didinginkan. Di evaporator, terjadi proses evaporasi yakni refrigeran
mengalami perubahan fasa dari cair menjadi uap.
Panas udara di sekitar kabin di serap oleh evaporator saat melewati sirip-sirip
pipanya sehingga saat keluar udara berubah menjadi dingin.
Tipe-tipe evaporator yang digunakan di dalam sistem tata udara kendaraan ada 3
macam, yaitu :
Tipe plate fin
Tipe serpentine fin
Tipe drawn cup
Laporan Tugas Akhir 2012
Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 22
Gambar 2.6 menunjukkan evaporator jenis plate fin type yang digunakan pada
mobil Isuzu Elf.
Gambar 2.6 Evaporator pada AC Mobil
2.4.5 Katup Ekspansi
Komponen ini berfungsi mengatur laju aliran refrigeran yang masuk ke evaporator
dari liquid line sehingga sesuai dengan laju penguapan refrigeran di evaporator dan juga
untuk menurunkan tekanan dan temperatur refrigeran sehingga menimbulkan efek dingin
pada evaporator sebelum di hembuskan ke ruang kabin. Gambar 2.7 merupakan contoh
katup ekspansi pada mobil.
Gambar 2.7 Katup Ekspansi pada AC Mobil
(sumber : http://teachintegration.wordpress.com)
Laporan Tugas Akhir 2012
Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 23
Katup ekspansi yang banyak dipakai untuk AC mobil adalah katup ekspansi
termostatik dengan penyama tekanan dalam (external equalizer). Tekanan dari tabung
sensor termal menekan bagian atas diafragma dan berusaha membuka lubang katup. Dari
bagian bawah diafragma menekan pegas pengatur superheat dari tekanan refrigeran dari
bagian masuk evaporator yang berusaha menutup lubang katup ekspansi.