tentang udara atmosfer sebagai campuran, yang merupakan campuran udara kering dengan uap air.
Kondisi ini sering diperlukan untuk memperhitungkan keadaan atmosfer terkontrol di dalam suatu bangunan di tempat proses industri berlangsung, atau pemasangan AC di dalam bangunan privat dan publik. Sifat-sifat udara atmosfer harus dipertimbangkan dalam masalah ini. Hubungan antara kandungan air di dalam udara dengan sifat-sifat termodinamika udara merupakan subjek yang banyak memerlukan perhatian dan banyak pula aplikasinya. Topik lain yang akan dibicarakan dalam Bab ini adalah sistem pendingin menara (cooling tower) yaitu suatu sistem dengan sejumlah besar air didinginkan di dalam sistem tersirkulasi. Topik tersebut dibahas dalam judul Psikrometri atau kadang-kadang disebut sebagai higrometri.
8.1 Campuran Psikrometri
Pada Sub Bab 7.6 evaporasi air ke dalam ruang yang dievakuasi atau ruang yang ditempati gas telah ditelaah, dan kelihatan bahwa sebelum kondisi jenuh tercapai uap bereksistensi dalam campuran sebagai uap kering. Pada kondisi jenuh tekanan parsial dari uap bisa didapatkan dari tabel uap di mana besarnya tekanan berhubungan erat dengan suhu campuran. Bila suatu ruang atau gas tidak dijenuhkan pada suhu tertentu, maka tekanan parsial uap akan lebih kecil daripada tekanan jenuhnya. Kondisi ini berkaitan erat dengan suhunya.
Telaah tentang campuran psikrometrik dimulai dengan memperhatikan suatu kondisi udara atmosfer pada tekanan 1,103 bar dan suhu 15°C. Tekanan jenuh dari uap air pada suhu 15°C adalah 0,01704 bar. Tanpa adanya kontak uap air dengan cairannya maka keadaan ini tidak akan menjadi jenuh, dan tekanannya akan berada di bawah nilai jenuhnya yaitu di bawah 0,01704 bar. Pada aplikasi umum, atmosfer dapat dimodifikasi dari tingkat keadaan jenuhnya. Pada tekanan uap rendah tersebut (di bawah tekanan 1 atmosfer) uap dapat dianggap sebagai gas ideal dan sifat-sifat campuran didapatkan menggunakan hukum Gibbs-Dalton. Sifatsifat campuran tergantung pada tekanan dan suhunya, dan tingkat keadaannya bisa ditentukan dengan menggunakan referensi sifatsifat uap jenuh.
Asumsikan bahwa di dalam udara atmosfer tekanan uap sebesar 0,01001 bar pada 15°C dan total tekanan adalah 1,013 bar.
Dari Persamaan. 7.2 diketahui p = pa +ps
Di mana pa = tekanan parsial dari udara kering dan ps = tekanan parsial dari uap superpanas, maka
Pa = p – ps = 1.013-0.01001 = 1.003 bar
Gambar 8.1. Hubungan volume spesifik dan suhu pada tekanan 0.01001 bar
Suhu jenuh air pada tekanan 0,01001 bar yaitu 7°C, oleh karena itu uap di dalam udara atmosfer memiliki tingkat super panas sebesar 15 –7 = 8°K. Tingkat keadaan ini ditunjukkan dengan titik 1 dalam bentuk diagram T-s pada Gambar 8.1. Misalkan suatu gelas logam berisi air ditempatkan pada atmosfer tersebut dan air secara progresif didinginkan dengan menambahkan es, pada suhu air tertentu maka akan terjadi kondensasi pada permukaan luar gelas. Uap yang kontak dengan permukaan gelas mendingin pada tekanan konstan hingga suhu mencapai 7°C, seperti ditunjukkan pada titik 2 Gambar 8.1. Keadaan ini merupakan kondisi jenuh dan pendinginan lanjut menyebabkan kondensasi dari uap air. Suhu ini disebut titik embun dari campuran. Suhu ini merupakan suhu suatu campuran tidak jenuh yang didinginkan hingga
suhu tersebut mencapai titik jenuhnya. Titik embun disimbolkan dengan td.
Bilamana suatu ruang kondisinya hangat dan atmosfer luar dingin, dan jendela luar lebih dingin dari dinding ruang maka dapat menghasilkan embun pada permukaan dalamnya. Seseorang yang memakai kacamata memasuki ruang yang lebih panas setelah menghabiskan waktunya berada di udara luar yang dingin maka didapatkan embun pada lensa kaca matanya sebagai uap yang telah melewati titik embunnya pada saat dia masuk ruangan. Kondensasi dapat dilihat juga pada pipa air dingin yang permukaan luarnya dibiarkan bersentuhan dengan udara atmosfer yang lebih tinggi suhunya dan cukup lembab.
8.2 Kelembaban Spesifik dan Kelembaban Relatif
Kelembaban spesifik atau disebut juga kelembaban absolut atau nisbah kelembaban adalah nisbah
massa uap air terhadap massa udara kering dari volume campuran, disimbolkan dengan ω.
dimana subskrip “s” menunjukkan uap air (superheated vapour) dan subskrip “a” menunjukkan udara kering (air). Oleh karena kedua massa menempati volume V maka :
dimana νa dan νs adalah volume spesifik dari udara kering dan uap. Oleh karena uap dan udara kering dianggap sebagai gas ideal maka : Oleh karena itu, maka: Selanjutnya substitusi ke Persamaan 8.1. didapatkan persamaan berikut: Jika tekanan total adalah p, dimana p = pa + ps maka persamaan tersebut menjadi (Untuk tekanan total p biasanya digunakan tekanan barometrik) Kelembaban relatif (Relative Humidity =
j
= RH) dari atmosfer adalah nisbah dari massa aktual uap air yang terkandung di dalam udara terhadap massa yang terkandung pada kondisi jenuh pada suhu yang sama.Prosentase kejenuhan didefinisikan sebagai nisbah kelembaban spesifik aktual campuran terhadap
kelembaban spesifik campuran pada keadaan jenuh pada suhu yang sama.
dengan substitusi Pers. 8.3 dan 8.4 ke persamaan tersebut di atas maka didapatkan persamaan sebagai berikut :
Dalam praktik untuk AC perbedaan prosentase antara ψ dan RH ada pada kisaran pendekatan 0,5% sampai 2 %.
Contoh 8.1
Udara dialirkan ke dalam ruang bangunan pada musim dingin pada suhu 17°C dan memiliki kelembaban relatif (Relative Humidity) 60 %. Jika tekanan barometrik 1,01325 bar, hitung kelembaban spesifiknya. Hitung titik embun pada kondisi tersebut.
Solusi :
Pada suhu 17°C pg = 0,01936 bar, dan menggunakan Persamaan 8.5 didapatkan :
Jadi atmosfer berisi 0,007213 kg uap per kg udara kering. Jika udara didinginkan pada tekanan konstan, uap akan mulai berkondensasi pada suhu jenuh pada tekanan 0,011616 bar. Dengan interpolasi dari tabel, titik embun didapatkan:
Contoh 8.2
Jika udara pada contoh 8.2 dilewatkan pada koil pendingin dengan laju 0,5 m3/dt dan suhu 6°C, hitung jumlah uap yang bisa dikondensasikan. Asumsikan bahwa barometer sama seperti contoh 8.1 dan udara menjadi.jenuh setelah melewati coil.
Gambar 8.2. skema untuk contoh soal 8.2
Sistem ditunjukkan pada Gambar 8.2. Laju aliran massa dari udara kering, ma dihitung dengan persamaan:
Setelah menembus koil pendingin, RH = 1, di mana udara sudah mulai jenuh. Dari Pers. 8.5, ps = pg untuk kondisi tersebut, dan pada suhu 6°C, pg = 0,009346 bar, oleh karena itu dari Pers. 8.3 didapatkan : ∴ ms2 u 0,00579 ma dengan demikian maka, laju aliran massa kondensat sebesar : = 0,001423 x 0,6017 x 3600 = 3,082 kg/jam 8.3 Pengukuran Kelembaban Relatif Suatu piranti yang digunakan untuk mengukur kelembaban relatif disebut psikrometer atau higrometer. Psikrometer sederhana dipaparkan dalam bentuk diagram pada Sub Bab 8.1. Cara perhitungan adalah dengan menentukan titik embun menggunakan gelas logam yang didinginkan.
Gambar 8.3. Termometer bola basah
Metoda lain yang digunakan untuk pengukuran kelembaban adalah dengan penentuan suhu bola basah dan bola dan bola kering kering. Prinsip tersebut diilustrasikan pada Gambar 8.3. Dua termometer disituasikan pada sebuah aliran udara tidak jenuh yang dipisahkan dengan kisi radiasi. Satu di antaranya menunjukkan suhu udara dan disebut termometer bola kering. Bola yang lain dilingkupi dengan sebuah sumbu yang dicelupkan ke dalam reservoir air dan suhu terukur disebut suhu bola basah. Pada saat aliran udara menembus sumbu basah, sebagian air terevaporasi dan menyebabkan terjadinya efek pendinginan pada bola basah. Panas ditransfer dari udara ke sumbu pada kondisi keseimbangan tercapai di mana suhu bola basah menunjukkan suhu yang lebih rendah dibandingkan suhu bola kering. Perbedaan suhu bola basah dengan suhu bola kering tergantung pada kelembaban relatif udara. Jika kelembaban relatif udara rendah maka laju evaporasi pada sumbu tinggi dan perbedaan antara suhu bola basah dengan suhu bola kering menjadi besar.
Instrumen dapat digunakan pada kondisi udara stasioner, akan tetapi secara empiris hasil yang memuaskan didapatkan jika kecepatan udara yang melewati bola basah antara 1,85 m/ dt s.d. 40 m/dt. Di atas kisaran ini hasilnya relatif konstan dan kelembaban relatif dihitung dari nilai temperatur yang didapatkan. Aliran udara dapat dihasilkan dengan menggunakan kipas kecil yang mengendalikan udara di atas termometer bola basah atau dengan menggandengkan termometer pada rangka yang diputar dengan tangan. Instrumen terakhir ini disebut sebagai selang psikrometer. Piranti portabel yang lain memiliki
sebuah kipas yang memiliki pengendali baterai atau mesin jam. Temperatur bola basah dan temperatur bola kering diukur dengan sensor termocouple dan bisa dibaca melalui indikator. Keuntungannya adalah kekompakan piranti dan kecepatan respon yang tinggi. Pengukuran kelembaban menggunakan referensi Sub Bab 8.1.
Rasio kelemban dapat dihitung atau didapatkan melalui tabel referensi 8.1, akan tetapi kelembaban spesifik dan kelembaban relatif umumnya didapatkan dari diagram psychrometrik. Sketsa dari diagram tersebut ditunjukkan pada Gambar 8.4. Absis yang rentang menunjukkan suhu bola kering dan garis diagonal mewakili suhu bola basah yang diketahui. Kelembaban relatif didapatkan dari kurva kelembaban relatif yang konstan yang menembus titik tersebut. Kelembaban absolut atau kelembaban spesifik dibaca pada skala ordinat dalam satuan gram uap per kg udara kering. Entalpi dari campuran dalam KJ per Kg udara kering dapat dibaca pada skala diagonal entalpi. Sebagai catatan bahwa entalpi nol dari uap selalu diambil pada suhu 0 oC. Untuk udara kering entalpi nol selalu diambil pada suhu 0 oC. Gambar 8.4 hanya untuk tujuan penjelasan kuantitatif, sedangkan untuk perhitungan yang tepat digunakan diagram khusus dengan skala yang tepat. Tabel 8.1. Rasio Kelembaban Udara Jenuh pada tekanan 1 Atm. Suhu (oC) Ω x 1000 (kg/kg) Suhu (oF) W x 10 3 ( lb/lb ) 0 3,789 32 3.789 5 5,424 41 5.424 10 7,661 50 7.658 15 10,692 59 10.692 20 14,758 68 14.758 25 20,170 77 20.170 30 27,379 86 27.329 35 36,756 95 36.756 40 49,141 104 49.141 45 65,411 113 65.411 50 86,858 122 86.858 55 115,321 131 115.321 60 153,54 140 153.54 65 205.79 149 205.79 70 279.16 158 279.16 75 386.14 167 386.41 80 552.95 176 552.95 85 838.12 185 828.12 Gambar 8.4. Diagram psikrometric Dari Persamaan 8.3 dikombinasikan dengan Persamaan 8.5, didapatkan
Untuk tekanan barometrik p yang ada, kelembaban relatif merupakan fungsi dari ps, ω, dan pg. Juga pg berhubungan dengan suhu bola basah, t, sedangkan ps merupakan fungsi dari ω, didapatkan dari Persamaan 8.3. Diagram diperagakan untuk tekanan atmosfer tertentu dan ω dan t adalah variabel bebas. Diagram khusus dapat digunakan untuk kisaran yang kecil dari tekanan (mendekati ± 0,1 bar dari nilai pada tingkat keadaan). Kadang-kadang tabel disertakan pada diagram dengan menampilkan variasi yang diizinkan dalam tekanan barometrik untuk kalkulasi perhitungan.
Suatu persamaan dikembangkan oleh W.H.Carrier, disebut persamaan Carrier, dimana tekanan parsial uap air dapat dihitung. Persamaan tersebut biasanya ditulis sebagai berikut :
(di mana t = suhu bola kering dalam °C, dan tw = suhu bola basah dalam °C). Tiga tingkat kelembaban digunakan dalam literatur proses pengeringan biji-bijian untuk menggambarkan jumlah uap air yang ditahan dalam udara pengering : tekanan uap, kelembaban relatif, rasio kelembaban. Temperatur dari udara lembab mereferensikan temperatur pada bola kering, titik embun, dan atau bola basah. Dua variabel tingkat keadaan dari udara lembab yang sering digunakan dalam perhitungan pengeringan adalah entalpi dan volume spesifik. Sifat-sifat termodinamika lain yang perlu dipahami berkaitan dengan diagram psikrometrik adalah. (1) Tekanan uap (2) Kelembaban relatif (3) Nisbah kelembaban (4) Suhu bola kering (5) Suhu titik embun (6) Suhu bola basah (7) Entalpi (8) Volume spesifik 8.4 Diagram Psikrometrik Untuk menghindari tersitanya waktu dalam perhitungan, para peneliti telah membuat diagram khusus yang berisi nilai-nilai sifatsifat termodinamika dari udara basah yang banyak digunakan. Diagram ini disebut sebagai diagram psikrometrik.
Bermacam diagram psikrometrik dengan kisaran variabel yang berbeda sudah banyak digunakan. Perbedaan tersebut terletak pada kisaran tekanan barometrik, kisaran suhu, sifat-sifat termodinamika yang dimasukkan, dan pemilihan koordinat. Di USA diagram Grosvenor sering digunakan dimana dalam diagram tersebut diplotkan kelembaban relatif terhadap suhu bola kering. Di Eropa banyak digunakan diagram Mollier dengan kelembaban absolut diplotkan terhadap entalpi sebagai koordinat. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers
(ASHRAE 1984) telah mengembangkan bermacam-macam diagram psikrometrik bentuk Mollier pada range suhu antara – 40 s.d. 121°C (-40 - 250°F). Diagram telah dikembangkan oleh Goff dan Gratch (1945) berdasarkan data termodinamika untuk tekanan atmosfer standar dan menggunakan koordinat sudut oblik antara entalpi dan nisbah kelembaban. Dua dari diagram ASHRAE mencakup diagram psikrometrik untuk range suhu 0-50°C dan 10 - 120°C direproduksi berurutan seperti diperlihatkan pada Gambar 8.3
dan 8.4. Diagram yang sama dalam satuan Inggris (suhu 32-120°F dan 60-250°F) diperlihatkan pada Lampiran 3.
Sumbu vertikal dari diagram ASHRAE mewakili nisbah kelembaban. Garis-garis dengan nisbah kelembaban konstan bergerak arah horisontal menembus diagram. Sumbu horisontal menunjukkan nilai suhu bola kering. Garis suhu bola basah konstan terlihat lurus ke arah atas akan tetapi tidak paralel maupun tidak tegak lurus sumbu horisontal. Garis suhu bola kering (juga disebut garis pendinginan adiabatis) membentuk sudut yang tajam dengan arah mendekati sumbu vertikal. Garis enthalpi adalah garis yang melenceng tajam, dimana garis-garis tersebut sejajar hampir searah lebih landai dari garis bola basah. Nilai dari entalpi ditunjukkan pada skala pada bagian kiri dari diagram dan juga pada sumbu vertikal sebelah kanan.
Sumbu horisontal menunjukkan garis RH 0 % (kondisi udara kering). Garis-garis untuk RH konstan yang lebih tinggi ditunjukkan pada garis melengkung ke atas, mulai dari sudut kiri bawah dari diagram. RH 100% merupakan kurva jenuh. Nilai-nilai titik embun , suhu bola basah, dan suhu bola kering ditunjukkan pada kurva jenuh. Ketiga suhu tersebut nilainya sama pada kondisi jenuh.
Garis volume spesifik adalah lurus, tidak persis sejajar dan digambar miring menembus diagram pada gradien yang lebih curam daripada garis entalpi dan garis suhu bola basah. Garis volume spesifik juga mewakili nilai densitas konstan, karena densitas merupakan kebalikan dari volume spesifik.
Diagram psikrometrik ASHRAE digambarkan dari data termodinamika udara basah dihitung dengan menggunakan metoda mekanika statistik. Oleh karena itu, nilai-nilai diagram psychrometyrik sedikit lebih tepat dari pada perhitungan menggunakan persamaan-persamaan gas ideal. Seperti diterangkan pada bagian sebelumnya, perbedaan antara dua domain nilai tersebut kurang dari 1 %. Diragukan bahwa macam akurasi ini dapat diabaikan karena kesalahan dalam pembacaan diagram atau juga dalam perhitungan-perhitungan pengeringan biji-bijian.
Diagram psikometrikdigambarkan dan oleh karena itu aplikatif hanya untuk satu tekanan atmosfer. Diagram ASHRAE adalah untuk standar tekanan barometrik permukaan air laut. Evaluasi yang signifikan seperti pada ketinggian 1500 m, diagram standard tidak bisa digunakan, dan persamaan-persamaan termodinamika atau diagram psikrometri khusus harus digunakan.
Penggunaan Diagram Psikrometrik
Diagram psikrometrik memberikan sifat-sifat termodinamika udara basah pada tekanan atmosfer berikut : (1) suhu bola basah, (2) Temperatur bola kering, (3) titik embun (4) Rasio kelembaban, (5) kelembaban relatif, (6) volume spesifik, dan (7) entalpi. Jika dua dari tingkat keadaan tersebut diketahui maka maka variabel tingkat keadaan lain secara umum bisa ditentukan dari diagram. Sifat-sifat lain didapatkan dengan membaca nilai-nilai dari garis yang tepat menembus titik tersebut.
Temperatur titik embun dan rasio kelembaban bukanlah variabel tak bebas dan suatu tingkat keadaan tidak bisa didapatkan jika hanya satu variabel tingkat keadaan diketahui. Banyak proses berkaitan dengan pengeringan dapat diperhitungkan dengan menggunakan diagram psikrometrik.
Panas Sensibel dan Pendinginan
Selama panas sensibel dan pendinginan udara pada rasio kelembaban yang konstan, panas ditambahkan atau digambarkan dari udara kering di dalam heat exchanger seperti halnya pada indirect heater untuk proses pengeringan atau di dalam evaporator untuk pendingin (chilling) biji-bijian. Proses perubahan panas sensibel untuk pemanasan dan pendinginan direpresentasikan oleh garis sejajar absis pada diagram psikrometrik.
Gambar 8.3. Perubahan panas sensible untuk pemanasan dan pendinginan
Perubahan panas sensibel tersebut diikuti dengan perubahan suhu bola basah dan suhu bola kering, entalpi, volume spesifik, dan kelembaban relatif udara basah. Dalam proses ini tidak terjadi perubahan rasio kelembaban, temperatur titik embun, dan tekanan uap dari udara basah.
Pemanasan dengan Humidifying
Pada kebanyakan sistem udara panas pada sistem pengeringan biji-bijian, energi ditambahkan pada udara dengan pembakaran gas langsung ke dalam udara. Selama proses tidak hanya panas tetapi juga sejumlah kecil uap air ditambahkan dalam udara. Hasilnya adalah pemanasan sekaligus penambahan kelembaban, di mana dalam proses ini berakibat meningkatnya entalpi, rasio kelembaban, tekanan uap, suhu bola basah, suhu bola kering, dan suhu pengembunan. Perubahan kelembaban relatif dihitung dengan jumlah relatif dari energi dan uap air yang ditambahkan ke dalam udara. Di dalam instalasi pengering biji-bijian, kelembaban relatif udara menurun selama proses pembakaran bahan bakar fosil di dalam heater. Gambar 8.4 menunjukkan proses pemanasan sekaligus peningkatan kelembaban.
Gambar 8.4. Proses pemanasan dan peningkatan kelembaban
Pendinginan dengan Dehumidifying
Pada proses pendinginan biji-bijian, udara sering didinginkan hingga di bawah suhu titik embunnya dengan melewatkannya pada evaporator. Oleh karena udara dijenuhkan dengan uap air pada suhu titik embun, air terkondensasi keluar dari campuran udara segera setelah suhu udara menurun hingga di bawah titik embun. Rasio kelembaban dari udara kemudian akan menurun, demikian pula halnya titik embun, suhu bola basah, suhu bola kering, entalpi dan volume spesifik. Gambaran proses tersebut diilustrasikan pada Gambar berikut.