Top Banner
Pendingin Evaporatif Proses pendinginan evaporatif terjadi saat uap air ditambahkan ke udara yang memiliki yang memiliki kelembahan relatif di bawah 100%. Kelembaban relatif adalah besaran yang tergantung pada temperatur tabung kering dan temperatur tabung basah udara. Makin rendah kelembaban relatif, makin besar potensi terjadinya pendinginan evaporatif. Sensasi pendinginan yang dapat dirasakan manusia saat angin sepoi-sepoi bertiup dan menguapkan keringat di kulit sehingga terasa sejuk merupakan salah satu contoh fenomena tersebut. Penggunaan kipas elektrik untuk menghembuskan udara pada permukaan media basah, sebagaimana yang banyak dilakukan pada masa sekarang, adalah pengembangan dari konsep tadi. Makin besar selisih antara temperatur tabung kering dan temperatur tabung basah udara (atau dikenal dengan wetbulb depression), makin besar penurunan temperatur yang dapat dicapai pada proses pendinginan evaporatif. Pada suatu daerah dengan temperatur tabung kering 105 0 F dan temperatur tabung basah 65 0 F, sebuat mesin pendingin evaporatif dengan efektivitas 75% dapat menurunkan temperatur udara hingga 75 0 F. Secara umum, penggunaan pendingin evaporatif memiliki kelebihan dalam hal: Mengurangi beban chiller/mesin refrigerasi untuk mendinginkan udara luar. Mengurangi biaya pendinginan udara (hingga 25% sampai 65%). Meningkatkan kapasitas mesin pendingin yang telah terpasang tanpa menambahkan peralatan pendingin mekanik. Meningkatkan umur kompresor. Meningkatkan umur penukar kalor. Mesin pendingin evaporatif akan bekerja lebih efektif pada temperatur udara yang lebih tinggi (pada kondisi tersebut, efektivitas mesin DX justru lebih rendah). Mesin ini juga dapat bekerja pada seluruh kondisi udara, bukan hanya pada daerah yang beriklim panas dan kering.
16

Pendingin Evaporatif

Aug 04, 2015

Download

Documents

rikibin
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Page 1: Pendingin Evaporatif

Pendingin Evaporatif

Proses pendinginan evaporatif terjadi saat uap air ditambahkan ke udara yang memiliki yang

memiliki kelembahan relatif di bawah 100%. Kelembaban relatif adalah besaran yang

tergantung pada temperatur tabung kering dan temperatur tabung basah udara. Makin rendah

kelembaban relatif, makin besar potensi terjadinya pendinginan evaporatif. Sensasi

pendinginan yang dapat dirasakan manusia saat angin sepoi-sepoi bertiup dan menguapkan

keringat di kulit sehingga terasa sejuk merupakan salah satu contoh fenomena tersebut.

Penggunaan kipas elektrik untuk menghembuskan udara pada permukaan media basah,

sebagaimana yang banyak dilakukan pada masa sekarang, adalah pengembangan dari konsep

tadi.

Makin besar selisih antara temperatur tabung kering dan temperatur tabung basah udara (atau

dikenal dengan wetbulb depression), makin besar penurunan temperatur yang dapat dicapai

pada proses pendinginan evaporatif. Pada suatu daerah dengan temperatur tabung kering

1050F dan temperatur tabung basah 65

0F, sebuat mesin pendingin evaporatif dengan

efektivitas 75% dapat menurunkan temperatur udara hingga 750F.

Secara umum, penggunaan pendingin evaporatif memiliki kelebihan dalam hal:

Mengurangi beban chiller/mesin refrigerasi untuk mendinginkan udara luar.

Mengurangi biaya pendinginan udara (hingga 25% sampai 65%).

Meningkatkan kapasitas mesin pendingin yang telah terpasang tanpa

menambahkan peralatan pendingin mekanik.

Meningkatkan umur kompresor.

Meningkatkan umur penukar kalor.

Mesin pendingin evaporatif akan bekerja lebih efektif pada temperatur udara yang lebih

tinggi (pada kondisi tersebut, efektivitas mesin DX justru lebih rendah). Mesin ini juga dapat

bekerja pada seluruh kondisi udara, bukan hanya pada daerah yang beriklim panas dan

kering.

Page 2: Pendingin Evaporatif

Jenis

Pendingin evaporatif langsung

Pendingin evaporatif jenis langsung (Gambar 6.1) akan mendinginkan udara dengan

cara udara dialirkan melalui media basah (biasanya dari bahan selulosa). Saat

melewati media basah, udara akan mendingin akibat adanya penguapan air. Pada

pendingin jenis ini, alat akan menambah jumlah uap air di udara sampai mendekati

saturasi. Temperatur tabung kering akan turun dan temperatur tabung basah relatif

konstan.

Gambar ‎0.1. Pendingin evaporatif langsung.

Pendingin evaporatif tidak langsung

Pendingin evaporatif jenis tidak langsung (Gambar 6.2) mendinginkan udara dengan

cara aliran udara sekunder didinginkan oleh air. Udara sekunder yang telah

didinginkan akan dilewatkan pada penukar kalor yang mendinginkan aliran udara

primer. Udara primer yang telah dingin aakan disirkulasikan dengan sebuah blower.

Pendingin evaporatif tak langsung tidak menambah kandungan uap air di udara

primer, sedang temperatur tabung kering dan temperatur tabung basah akan

mengalami penurunan. Pada musim dingin, sistem tidak langsung ini dapat

menghangatkan udara luar jika udara buang digunakan sebagai udara sekunder.

Udara hangat Udara dingin

Page 3: Pendingin Evaporatif

Gambar ‎0.2. Pendingin evaporatif tidak langsung.

Pendingin evaporatif tidak langsung/langsung

Pada pendingin evaporatif jenis tidak langsung/langsung (Gambar 6.3) udara primer

didinginkan dalam dua tahap. Mula-mula udara primer didinginkan dengan pendingin

evaporatif tidak langsung, dan selanjutnya didinginkan lebih lanjut dengan pendingin

evaporatif langsung.

Gambar ‎0.3. Pendingin evaporatif tidak langsung/langsung.

Pendingin evaporatif tidak langsung/tidak langsung

Pada jenis ini (Gambar 6.4), udara primer didinginkan dalam dua tahap. Tahap

pertama, udara primer didinginkan dengan pendingin evaporatif tidak langsung.

Tahap kedua, air yang digunakan pada pendinginan tahap pertama dilewatkan pada

sisi basah koil. Dalam hal ini, terdapat tambahan kalor sensibel yang diambil dari

udara primer dan tak ada penambahan uap air pada udara primer.

Udara hangat Udara dingin

Tak

lan

gs

un

g

Udara hangat Udara dinginUdara lebih

dingin

Udara

sekunder

masuk

Udara

sekunder

keluar

La

ng

su

ng

Page 4: Pendingin Evaporatif

Gambar ‎0.4. Pendingin evaporatif tidak langsung/tidak langsung.

Pendingin evaporatif tidak langsung/DX

Pada jenis ini (Gambar 6.5), udara primer didinginkan dalam dua tahap. Tahap

pertama, udara primer didinginkan dengan pendingin evaporatif tidak langsung.

Secara umum, sebagian besar proses pendinginan berlangsung di sini. Jika dibutuhkan

pendinginan lebih lanjut, modul/koil DX dapat digunakan untuk mendinginkan udara

lebih lanjut ke temperatur yang diinginkan.

Gambar ‎0.5. Pendingin evaporatif tidak langsung/DX.

Prinsip Kerja, dan Komponen

Pendingin evaporatif jenis langsung atau direct evaporative cooler terdiri atas kombinasi

sebuah kabinet dari logam atau plastik yang berisi sebuah bak penampung/reservoir, media

evaporatif, pompa resirkulasi, katup pelampung, kipas dan sistem distribusi. Konfigurasi

pendingin evaporatif jenis langsung dapat dilihat pada Gambar 6.6.

Tak langsungUdara hangat Udara dingin

Udara lebih

dingin

Udara

sekunder

masuk

Udara

sekunder

keluar

Tak langsung

Tak

lan

gs

un

g

Udara hangat Udara dinginUdara lebih

dingin

Udara

sekunder

masuk

Udara

sekunder

keluar

DX

Page 5: Pendingin Evaporatif

Gambar ‎0.6. Contoh konstruksi pendingin evaporatif jenis

langsung/direct evaporative cooler.

Pada pendingin evaporatif jenis langsung, air yang mengisi reservoir dijaga pada level

tertentu dengan menggunakan katup apung atau saklar yang mengontrol aliran air dari

sumber air. Saat level air turun akibat adanya penguapan, katup apung akan membuka sampai

reservoir terisi kembali ke level semula. Selama pendingin evaporatif bekerja, air

disirkulasikan oleh oleh sebuah pompa melalui sistem distribusi ke media evaporatif untuk

menjaganya agar tetap basah. Kips suplai akan menghisap udara luar melalui media basah

tersebut sehingga mengalami pendinginan dan humidifikasi.

Pendingin evaporatif langsung merupakan pendingin evaporatif yang paling sederhana dan

paling murah. Pendingin evaporatif jenis ini akan menaikkan kelembaban udara, sehingga

udara hasil pendinginan yang dilakukannya berbeda dengan udara hasil pendinginan dengan

sistem kompresi uap, yang cenderung untuk mengurangi kelembaban udara. Pendingin

evaporatif langsung akan menghasilkan udara dengan kelembaban yang tinggi, yang

merupakan kelemahan utama pendingin evaporatif. Makin kering udara lingkungan dan

makin rendah beban pendinginan, maka udara hasil pendinginan evaporatif cenderung

memenuhi syarat kenyamanan.

Meisin pendingin evaporatif jenis langsung dapat dipasang dengan saluran udara yang

menembus dinding atau jendela, atau dipasang di atas atap dengan saluran udara dipasang

Page 6: Pendingin Evaporatif

menembus atap. Relief damper yang dipasang pada plafon akan berfungsi mengalirkan udara

di atas langit-langit sehingga dapat mengurangi beban pendinginan.

Pendingin evaporatif jenis tak langsung/langsung memiliki bagian tambahan berupa penukar

kalor evaporatif tak langsung yang dipasang di depan pendingin evaporatif langsung (Gambar

6.7).

Tergantung pada kondisinya, pendingin evaporatif langsung dapat mendinginkan udara lebih

lanjut hingga lebih rendah daripada temperatur tabung basah udara. Hasilnya, udara akan

lebih dingin dan lebih kering.

Gambar ‎0.7. Contoh konstruksi pendingin evaporatif jenis tak

langsung/langsung (indirect/direct evaporative

cooler).

Proses Psikrometrik pada Pendingin Evaporatif

Pendingin evaporatif langsung

Pada jenis ini, temperatur tabung kering udara akan turun, sementara temperatur

tabung basah konstan. Proses ini dapat dilihat pada Gambar 6.8.

Page 7: Pendingin Evaporatif

Gambar ‎0.8. Proses psikrometrik pendingin evaporatif jenis langsung.

Pendingin evaporatif tidak langsung

Pada jenis ini, temperatur tabung kering dan temperatur tabung basah udara akan

turun. Proses ini dapat dilihat pada Gambar 6.9.

Gambar ‎0.9. Proses psikrometrik pendingin evaporatif jenis tidak langsung.

Pendingin evaporatif tidak langsung/langsung

Pada jenis ini, temperatur tabung kering dan temperatur tabung basah udara akan

turun. Proses ini dapat dilihat pada Gambar 6.10. Untuk jenis ini mula-mula dihitung

dulu berapa penurunan temperatur yang dapat diperoleh dengan pendingin evaporatif

tak langsung. Dari hasil ini, selanjutnya kondisi udara yang keluar dari pendingin

evaporatif langsung dapat ditentukan.

Page 8: Pendingin Evaporatif

Gambar ‎0.10. Proses psikrometrik pendingin evaporatif jenis tidak langsung/langsung.

Pendingin evaporatif tidak langsung/langsung

Proses ini dapat dilihat pada Gambar 6.11, di mana keluaran pendingin tahap pertama

akan menjadi masukan pendingin evaporatif tahap kedua. Perhitungan dilakukan pada

masing-masing tahap. Kondisi udara keluaran pendingin evaporatif tahap pertama dan

tahap kedua tergantung pada temperatur air dan efektivitas dari pendingin evaporatif.

Gambar ‎0.11. Proses psikrometrik pendingin evaporatif jenis tidak langsung/tidak langsung.

Aplikasi Pendingin Evaporatif: Pencuci Udara: Pencuci Udara

Pencuci udara, atau air washer (Gambar 6.12) terdiri atas wadah yang memiliki nosel

penyembur, bak untuk menampung air semburan yang jatuh, dan eliminator yang berfungsi

mengurangi laju kehilangan air. Alat ini juga dilengkapi dengan pompa untuk

mensirkulasikan air pada laju yang lebih tinggi dibanding laju penguapan. Kontak langsung

antara udara dan air tidak saja menyebabkan terjadinya perpindahan panas, namun juga

perpindahan massa.

Page 9: Pendingin Evaporatif

Pada proses pendinginan dan dehumidifikasi, penyerapan panas dan kandungan uap air akan

diikuti dengan naiknya temperatur air. Proses dehumidifikasi terjadi jika air yang

meninggalkan pencuci udara memiliki temperatur di bawah titik embun udara. Selanjutnya,

temperatur air akhir ditentukan oleh laju pengurangan kalor sensibel dan laten udara dan

jumlah air yang disirkulasikan. Temperatur air akhir tidak akan lebih tinggi dibanding dengan

temperatur tabung-basah udara akhir. Dalam prakteknya, temperatur air akhir akan berada 0.5

sampai 10C di bawah temperatur titik embun udara.

dV

t2,W

2,h

2

udara udara

ma,h,W m

a

h+dh

W+dW

mw-m

adW

hf,w

mw

hf,w

air

tw

pompa

air tambahan

Gambar ‎0.12. Diagram pencuci udara.

Udara keluaran pencuci udara akan berada pada kondisi jenuh atau hampir jenuh. Pada

umumnya, beda temperatur antara tabung-kering dan tabung basah udara kurang dari 0.50C.

Beda temperatur antara udara keluaran dan air keluaran pencuci udara tergantung pada beda

temperatur antara beda temperatur tabung-kering dan tabung-basah udara masukan. Di

samping itu, panjang dan tinggi dari ruang penyembur air, kecepatan udara, debit air, dan

pola semburan juga akan mempengaruhi besarnya selisisih antara temperatur udara dan air

keluaran pencuci udara.

Pada sistem pencuci udara yang dilengkapi dengan sistem refrigerasi penyedia air dingin,

kenaikan temperatur air akan sangat kecil. Semakin rendah temperatur air, maka akin

semakin besar pula pengurangan kelembaban yang dapat dilakukan. Meski demikian,

temperatur air yang digunakan tidak boleh terlalu rendah agar terhindar dari pembekuan. Di

samping itu, temperatur air yang rendah menuntut temperatur evaporasi yang rendah pula.

Rendahnya temperatur evaporasi akan menurunkan koefisien prestasi (coefficient of

performance atau COP) dari sistem refrigerasi.

Page 10: Pendingin Evaporatif

Proses termodinamika udara pada pencuci udara

Udara yang melewati pencuci udara dapat mengalami pendinginan, pemanasan,

penambahan kelembaban (humidifikasi), atau pengurangan kelembaban

(dehumidifikasi), tergantung pada temperatur air yang digunakan. Gambar 2

menunjukkan beberapa kemungkinan proses termodinamika yang dialami udara

setelah melewati pencuci udara.

Proses 1-A: pemanasan dan humidifikasi

Proses ini dapat dilakukan dengan menggunakan air pada temperatur

yang lebih tinggi dari temperatur udara. Pada proses ini, temperatur dan

kelembaban udara akan mengalami kenaikan akibat perpindahan kalor

dari air ke udara dan penguapan air.

Proses 1-B: humidifikasi

Proses ini dilakukan dengan menggunakan air yang memiliki temperatur

yang sama dengan udara. Udara yang mengalami proses ini tidak

mengalami perubahan temperatur, tetapi kelembabannya mengalami

kenaikan.

S

S

S

1

A

B

C

D

E

W1

t1

t1'

td

W

t

Gambar ‎0.13. Proses psikrometrik pada pencuci udara.

Proses 1-C: pendinginan dan humidifikasi

Page 11: Pendingin Evaporatif

Pendinginan dan dehumidfikasi dapat dilakukan dengan menggunakan

air yang memiliki temperatur lebih rendah dari udara namun lebih tinggi

daripada temperatur titik embun udara. Proses ini dapat dilakukan

dengan menggunakan air biasa yang tidak diproses, karena secara

alamiah temperatur air akan berada di bawah temperatur udara dan di

atas temperatur titik embun udara. Pada proses ini udara akan

mengalami penurunan temperatur dan kenaikan kelembaban.

Proses 1-D: pendinginan sensibel

Pendinginan sensibel adalah proses penurunan temperatur udara tanpa

mengubah kandungan uap air di udara. Proses ini dapat dilakukan

dengan menggunakan air yang memiliki temperatur sama denga

temperatur titik embun udara. Jika diasumsikan temperatur Kota

Bandung adalah 25 0C dengan kelembaban relatif 65%, maka proses ini

dapat dilakukan dengan menggunakan air pada temperatur kurang

lebih18 0C.

Proses 1-E: pendinginan dan dehumidifikasi

Udara pada proses ini akan mengalami penurunan temperatur dan

kandungan uap air. Proses ini memerlukan air dengan temperatur di

bawah titik embun udara. Udara yang mengalami proses ini akan turun

temperatur dan kelembabannya.

Pada Gambar 6.13, titik-titik S menyatakan variasi harga temperatur air yang

digunakan.

Analisis Pertukaran Kalor pada Pencuci Udara

Perpindahan panas pada pencuci udara meliputi penguapan tetesan air dan perpindahan panas

konveksi dari udara ke air. Pada kondisi tunak, kesetimbangan energi dapat dinyatakan

dengan (lihat Gambar 6.12)

ma dh = ma dW hf,w (6.1)

atau

wfhdW

dhq ,' (6.2)

Page 12: Pendingin Evaporatif

di mana

ma : Laju aliran massa udara [kg/s]

h : Entalpi udara basah [kJ/kg]

W : Rasio kelembaban [kg air/kg udara]

q’ = dh/dW [kJ/kg]

hf,w : Entalpi udara jenuh dihitung pada t = tw

Karena temperatur air tidak berubah, kondisi pada karta psikrometrik akan lurus dengan arah

q’ = hf,w.

Entalpi udara didefinisikan dengan

dh = cp,a dt + hg,t dW (6.3)

sehingga kombinasi persamaan (6.2) dan (6.3) menghasilkan

ap

wftg

c

hh

dW

dt

,

,, )( (6.4)

dengan

cp,a : Kalor jenis udara pada tekanan konstan [kJkg.K]

hg,t : Entalpi spesifik udara jenuh dihitung padatemperatur t [kJ/kg]

Pertukaran kalor untuk penguapan dari air yang ditambahkan berasal dari pendinginan udara

alir secara konveksi, sehingga

hD AV dV (Ws,w – W) hfg,w = hc AV dV (t – tw) (6.5)

di mana

hD : Koefisien perpindahan massa konveksi [kJ/jam.m2

.K]

Av : Luas tetesan air, m2

V : Volume kontak, m3

Ws,w : Rasio kelembaban dalam kesetimbangan dengan air [ka air/kg

udara]

Page 13: Pendingin Evaporatif

Ws,a : Rasio kelembaban dalam kesetimbangan dengan udara [ka air/kg

udara]

hfg,w : Kalor laten penguapan air [kJ/kg]

hc : Koefisien perpindahan kalor konveksi [W/m2.K]

t : Temperatur tabung-kering udara [0C]

tw : Temperatur air [0C]

Substitusi bilangan Lewis Le = hc/(hD cp,a) pada persamaan (6.5) memberikan

(Ws,w – W)hfg,w = Le cp,a (t – tw) (6.6)

Jika Le dan tw konstan, maka diferensiasi persamaan (6.6) terhadap W akan memberikan

ap

wfgwgtg

c

Lehhh

dW

dt

,

,,, )/( (6.7)

Karena persamaan (6.2) dan (6.5) harus dipenuhi, maka

(Ws,w – W)hfg,w = cp,a(t – tw) (6.8)

Temperatur air pada persamaan (6.8) haruslah sama dengan temperatur tabung basah

termodinamika t*.

Laju penguapan dari elemen volume dV dapat dituliskan sebagai

ma dW =hD AV dV(W*s – W) (6.9)

Jika ma, hDAV, dan tw dianggap konstan, maka

Z

s

s eWW

WW

1

*

2

*

(6.10)

Page 14: Pendingin Evaporatif

dengan

a

VD

m

VAhZ (6.11)

Efisiensi dari pencuci udara w didefinisikan dengan hubungan

1

*

12

WW

WW

s

w

(6.12)

Atau, dengan mengkombinasikan persamaan (6.10) dan (6.12) diperoleh

w = 1 – e-Z

(6.13)

Jika cp,a dianggap konstan maka didapat hubungan

*

1

21

tt

ttw

(6.14)

dengan subskrip 1 menyatakan kondisi udara masuk dan subskrip 2 menyatakan kondisi

udara keluar.

Persamaan (6.12) berlaku baik untuk pendinginan dan humidifikasi atau penambahan

kelembaban udara, maupun pendinginan dan dehumidifikasi atau pengurangan kelembaban

udara.

Pada proses pendinginan dan pelembaban udara, air yang digunakan adalah air yang memiliki

temperatur di bawah temperatur tabung kering udara dan di atas titik embun udara. Proses ini

dapat dilakukan dengan menggunakan air biasa yang belum mengalami proses apa-apa,

karena secara alamiah air akan memiliki temperatur di atas titik embun udara dan di bawah

temperatur tabung kering udara. Jika proses yang diinginkan adalah pendinginan dan

dehumidifikasi, maka air yang digunakan haruslah memiliki temperatur di bawah titik embun

udara. Sebagai contoh, jika temperatur udara kota Bandung adalah 27 0C dengan

Page 15: Pendingin Evaporatif

kelembaban 65% maka pendinginan dan dehumidifikasi hanya dapat dilakukan dengan

menggunakan air dengan temperatur di bawah 19 0C. Jika diinginkan penurunan

kelembaban yang cukup signifikan, maka temperatur air harus lebih rendah lagi (lihat proses

1-E pada Gambar 2).

Jenis-jenis Pencuci Udara

Pencuci udara untuk pendinginan dan dehumidifikasi jenis spray umumnya memiliki dua

pipa penyalur air dengan beberapa nosel penyembur (spray nozzles). Pada pencuci udara jenis

fill, air tidak disemburkan melalui nosel melainkan dijatuhkan pada fill atau packing atau cell

yang berfungsi untuk memperluas bidang kontak antara air dan udara yang melewatinya.

Pencuci udara jenis kedua ini memiliki keunggulan dalam hal menangkap partikel pengotor

karena permukaan fill yang terbasahi akan menjadi medium yang baik untuk menempelnya

kotoran yang beterbangan di udara. Agar luas bidang kontak maksimum, maka fill harus

dibuat sebesar dan serapat mungkin. Seringkali, fill disusun dalam beberapa lapis untuk

maksud ini. Meski demikian, drop tekanan udara yang ditimbulkannya harus

dipertimbangkan dalam menentukan bahan, jumlah, ukuran, dan kerapatan fill.

Faktor Prestasi Pencuci Udara

Jika suatu pencuci udara dapat melakukan proses pendinginan dan dehumidifikasi sampai

temperatur tabung basah udara sama dengan temperatur air akhir, maka alat tersebut

dikatakan memiliki faktor prestasi Fp =1. Prestasi aktual dari suatu pencuci udara

didefinisikan sebagai perbandingan antara perubahan entalpi aktual udara dengan perubahan

entalpi udara pada faktor prestasi = 1, atau

Fh h

h hp

1 2

1 3

(6.15)

dengan

h1 : Entalpi udara masuk [kJ/kg]

h2 : Entalpi udara keluar aktual [kJ/kg]

h3 : Entalpi udara keluar pada Fp = 1 [kJ/kg]

Dengan demikian, prestasi dari suatu pencuci udara dapat diukur dengan tingkat kedekatan

antara temperatur udara akhir dengan temperatur air akhir.

Page 16: Pendingin Evaporatif