TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Mesin pendingin
2.6 Perkiraan Beban Pendingin .1 Definisi Beban Pendingin .1 Definisi Beban Pendingin
2.6.3 Sumber – Sumber Beban Pendingin
2.6.5.2 Konveksi Paksa
0 ( 1 670 . 0 68 . 0 aL uL R N ... (2-11)
Dimana : NuL = Bilangan Nusselt RaL = Bilangan Rayleigh
Pr = Bilangan Prandlt
Untuk aliran turbulen, bilangan Nusselt dihitung dengan persamaan[2]:
NuL = 0.825+ 0.387R 1 6 aL 1+(0.492 / Pr) 9 16 é ë ê ù û ú 8 27 ì í ï ïï î ï ï ï ü ý ï ïï þ ï ï ï 2 ... (2-12)
Dimana : NuL = Bilangan Nusselt RaL = Bilangan Rayleigh
Pr = Bilangan Prandlt
Tahap berikutnya adalah menghitung koefisien konveksi (hL) dengan persamaan (2-10).
2.6.5.2 Konveksi Paksa
Aliran pada fluida dapat dibedakan menjadi 2 macam yaitu aliran laminar dan aliran turbulen. Secara umum aliran laminar merupakan aliran fluida yang teratur, tenang, dan lurus. Sedangkan aliran turbulen merupakan aliran – aliran yang tidak teratur, tidak tenang, partikel – partikel airnya saling acak, dan arahnya berbelok – belok. Dalam menentukan perbedaan antara aliran laminar dan turbulen dapat dihitung dengan menggunakan bilangan Reynold. Bilangan Reynold merupakan bilangan yang didapat dari konveksi paksa. Aliran laminar mempunyai nilai bilangan Reynold dibawah 5x105, sedangkan aliran turbulen mempunyai nilai bilangan Reynold diatas 5x105.Berikut perbedaan aliran laminar dan turbulen ditunjukkan pada tabel 2.4.
Tabel 2.4 Perbedaan Aliran Laminar dan Turbulen[2] Aliran Gerakan Fluida Kecepatan Fluida Viskositas Lintasan Gerak
Laminar Lurus Rendah Tinggi Teratur
Turbulen Tidak teratur Relatif tinggi Rendah Tidak teratur Perhitungan koefisien konveksi (h) fluida dapat dilakukan dengan beberapa tahap. Tahap awal adalah mencari bilangan Reynold (ReL) dengan persamaan[5]:
ReL = ρ ∞
μ
……….(2
-13)Dimana: ReL = Bilangan Reynold = Massa jenis fluida (kg/m3)
∞ = Kecepatan aliran fluida (m/s)
L = Panjang lapisan konveksi (m) μ = Viskositas (Ns/m2)
Tahap berikutnya adalah mencari bilangan bilangan Prandtl (Pr) dan koefisien konduktivitas termal (k) dengan menggunakan interpolasi menurut tabel 2.5. Berikut sifat udara pada tekanan 1 atm ditunjukkan pada tabel 2.5.
Tabel 2.5 Sifat Udara pada Tekanan 1 atm[6]
T (K) ρ (kg/m3) Cp (kJ/kgK) μ x 107 (Ns/m2) x 106 (m2/s) k x 103 (W/mK) x 106 (m2/s) Pr 100 3,5562 1,032 71,1 2,00 9,34 2,54 0,786 150 2,3364 1,012 103,4 4,426 13,8 5,84 0,758 200 1,7458 1,007 132,5 7,590 18,1 10,3 0,737 250 1,3947 1,006 159,6 11,44 22,3 15,9 0,720 300 1,1614 1,007 184,6 15,89 26,3 22,5 0,707 350 0,9950 1,009 208,2 20,92 30,0 29,9 0,700 400 0,8711 1,014 230,1 26,41 33,8 38,3 0,690
Tahap berikutnya adalah menghitung bilangan Nusselt (NuL) dengan rumus[5]:
NuL = 0,664 x ReL1/2 x Pr1/3...(2-14) Dimana: NuL = Bilangan Nusselt
ReL = Bilangan Reynold Pr = Bilangan Prandtl
Tahap berikutnya adalah menghitung koefisien konveksi (hL) dengan rumus[5]:
hL
=
………..……..(2-15) Dimana: hL = Koefisien konveksi (W/m2K)k = Konduktivitas Termal Fluida (W/mK) L = Panjang Lapisan Konveksi (m) NuL = Bilangan Nusselt
Laju perpindahan konveksi (Q) dapat dihitung dengan rumus[5]:
Qkonv = hL x A x ( )...(2-16) Dimana: Qkonv = Laju perpindahan konveksi (W)
A = Luas penampang (m2) Ts = Suhu permukaan (K)
= Suhu fluida (K)
Di dalam mesin pendingin ruangan, perhitungan nilai koefisien konveksi (h) dihitung berdasarkan rumus konveksi paksa.
2.6.6 Konduksi
Ilustrasi perpindahan panas secara konduksi dapat dijelaskan dengan peristiwa berikut. Letakkan sebuah sendok logam dengan ujung yang satu berada diatas nyala lilin. Kemudian sentuhlah ujung sendok yang satunya lagi. Ujung sendok tersebut terasa panas walaupun ujung sendok tersebut tidak bersentuhan langsung dengan sumber kalor (nyala api lilin). Pada proses perpindahan kalor dari bagian sendok yang panas ke ujung sendok yang dingin tidak terjadi
perpindahan partikel – partikel dalam sendok. Proses perpindahan kalor tanpa disertai perpindahan partikel dinamakan konduksi.
Perpindahan kalor secara konduksi dapat terjadi dalam dua proses berikut yaitu:
1. Pemanasan pada satu ujung zat menyebabkan partikel – partikel pada ujung itu bergetar lebih cepat dan suhunya naik, atau energi kinetiknya bertambah. Partikel – partikel dengan energi kinetik lebih besar ini memberikan sebagian energi kinetiknya kepada partikel – partikel tetangganya melalui tumbukan, sehingga partikel – partikel ini memiliki energi kinetik lebih besar. Selanjutnya, partikel – partikel ini memberikan sebagian energi kinetiknya ke partikel – partikel tetangga berikutnya, demikian seterusnya sampai kalor mencapai ujung yang tidak dingin (tidak dipanasi). Proses perpindahan kalor diperlukan beda suhu yang tinggi diantara kedua ujung.
2. Dalam logam, kalor dipindahkan melalui elektron – elektron bebas yang terdapat dalam struktur atom logam. Elektron bebas ialah elektron yang dengan mudah dapat berpindah dari satu atom ke atom yang lain. Di tempat yang dipanaskan, energi elektron – elektron bertambah besar. Oleh karena elektron bebas mudah berpindah, pertambahan energi ini dengan cepat dapat diberikan ke elektron – elektron lain yang letaknya lebih jauh melalui tumbukan. Dengan cara ini, kalor berpindah lebih cepat. Oleh karena itu, logam tergolong konduktor yang sangat baik.
Berdasarkan kemampuan menghantarkan kalor, zat dibagi atas dua golongan besar yaitu konduktor dan isolator. Konduktor ialah zat yang mudah menghantarkan kalor. Isolator ialah zat yang sukar menghantarkan kalor.
Faktor – faktor yang mempengaruhi laju konduksi kalor melalui sebuah dinding bergantung pada empat besaran yaitu:
1. Beda suhu diantara permukaan ΔT = T1 – T2; makin besar beda suhu, makin cepat perpindahan kalor.
2. Ketebalan dinding d; makin tebal dinding, makin lambat perpindahan kalor.
3. Luas permukaan A; makin besar luas permukaan, makin cepat perpindahan kalor.
4. Konduktivitas termal zat k merupakan ukuran kemampuan zat menghantarkan kalor; makin bersar nilai k, makin cepat perpindahan kalor. Kemampuan insulasi suatu bahan diukur dengan konduktivitas termal (k). Konduktivitas termal yang rendah setara dengan kemampuan insulasi (resistansi termal atau nilai R) yang tinggi. Dalam teknik termal, sifat – sifat lain suatu bahan insulator atau isolator adalah densitas (ρ) dan kapasitas panas spesifik (c). Bahan dengan konduktivitas termal (k) rendah menurunkan laju aliran panas. Berikut konduktivitas termal bahan ditunjukkan pada tabel 2.6.
Tabel 2.6 Konduktivitas Termal Bahan[2]
No Bahan Konduktivitas Thermal k (W/moC)
1 Styrofoam 0,033
2 Stainless Steel 15
3 Aluminium 200
4 Kayu 0,08 – 0,16
5 Tembaga 386
Untuk menghitung beban karena konduksi dapat dihitung dengan rumus[6]:
Qkond = A k t ……….. (2-17) Dimana: Qkond = kalor konduksi (Wm2.K)
A = luas penampang (m2) k = konduktivitas termal ( W)
2.6.7 Radiasi
Kalor dari matahari dapat sampai ke bumi melalui ruang hampa tanpa zat perantar (medium). Perpindahan kalor seperti ini disebut radiasi. Perpindahan kalor dapat melalui ruang hampa karena energi kalor dibawa dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Radiasi atau pancaran adalah perpindahan energi kalor dalam bentuk gelombang elektromagnetik.
Beberapa permukaan zat menyerap kalor radiasi lebih baik daripada permukaan zat lainnya. Di siang hari baju hitam kusam terasa lebih panas daripada baju putih berkilap. Ini karena di siang hari, baju hitam kusam menyerap kalor radiasi lebih baik daripada baju putih berkilap. Ini terjadi karena di malam hari, baju hitam kusam memancarkan kalor radiasi lebih baik daripada baju putih berkilap. Panas tranmisi sinar matahari dari bahan bangunan yang dapat ditembus sinar matahari seperti dinding beton, kaca , atap jendela[7].
Berdasarkan uraian di atas dapat disimpulkan bahwa:
1. Permukaan yang hitam dan kusam adalah penyerap kalor radiasi yang baik sekaligus pemancar kalor radiasi yang baik.
2. Permukaan yang putih dan mengilap adalah penyerap kalor radiasi yang buruk sekaligus pemancar kalor radiasi yang buruk.
3. Jika diinginkan agar kalor yang merambat secara radiasi berkurang, permukaan (dinding) harus dilapisi suatu bahan agar mengilap (misalnya dilapisi dengan perak).
Energi yang dipancarkan oleh suatu permukaan hitam dalam bentuk radiasi kalor tiap satuan waktu (Q/t) sebanding dengan luas permukaan A dan sebanding dengan pangkat empat suhu mutlak permukaan itu (T4). Emisivitas disimbolkan dengan ε. Emisivitas adalah suatu ukuran seberapa besar pemancaran radiasi kalor suatu benda dibandingkan dengan benda hitam sempurna. Emisivitas tidak memiliki satuan, nilainya terletak diantara 0 dan 1 (0 ≤ ε ≤ 1) dan bergantung pada jenis zat dan keadaan permukaan. Tidak ada benda yang tepat hitam sempurna. Kita hanya dapat membuat benda yang mendekati benda hitam sempurna. Permukan mengilap memiliki nilai ε yang lebih kecil daripada permukaan kasar. Pemantul sempurna (penyerap paling jelek) memiliki ε = 0,
sedangkan penyerap sempurna sekaligus pemancar sempurna yaitu benda hitam sempurna memiliki ε = 1.
Proses radiasi pada dinding styrofoam dirumuskan dengan rumus[6]:
... (2-18) Dimana : Qrad = Laju perpindahan panas radiasi (Watt)
ε = Emisivitas
A = Luas penampang (m2)
σ = Konstanta Stefan Boltzman = 5,67 x 10-8
W/m-2 K-4 Ts = Suhu permukaan (K)
T∞ = Suhu fluida (K)
Emisivitas setiap benda berbeda – beda. Untuk benda berwarna hitam emisivitas bernilai 1. Sedangkan untuk benda berwarna putih emisivitas bernilai 0. Berikut ini adalah tabel emisivitas daripada beberapa jenis bahan yang sering digunakan ditunjukkan pada tabel 2.7.
Tabel 2.7 Tabel Emisivitas Beberapa Material[4]
Emisivitas Beberapa Material pada suhu 300K
Material Emisivitas Styrofoam 0.60 Tembaga 0.03 Emas 0.03 Perak 0.02 Stainless Steel 0.17 Batu bata 0.93-0.96 Kayu 0.82-0.92 Air 0.96
Industri refrigerasi dan pengkondisian udara memiliki pertumbuhan yang mantap, merupakan industri yang stabil yang didalamnya terjadi pergeseran pasar yang berkaitan dengan penerapan baru untuk mendukung kestabilannya[8].