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.
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
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.
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
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
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
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
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.
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.
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.
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.
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
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)
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]
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)
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
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.