BAB II DASAR TEORI
2.1 Pengertian Alat Pengering Udara
Pengering udara adalah suatu alat yang digunakan untuk mengurangi bahkan menghilangkan kandungan uap air dalam udara. Pengering udara yang banyak dijumpai pada industri aplikasinya adalah untuk pengering udara tekan. Alat pengering udara tekan biasanya diletakkan setelah kompresor angin dan tangki penampung udara terkompresi. Gambar 2.1 memperlihatkan skema sistem pengering udara. Bagian satu dan dua merupakan kompresor angin, bagian tiga merupakan tangki penampung udara terkompresi dan bagian empat merupakan alat pengering udara.
Gambar 2.1 Instalasi Alat Pengering Udara
Udara terkompresi yang dikeringkan, akan mengalami proses penurunan temperatur dew point. Temperatur dew point adalah nilai temperatur dimana uap air yang terkandung di dalam udara dapat mengembun sehingga udara keluaran alat pengering udara tersebut relatif kering. Nilai dari penurunan dew point tergantung dari spesifikasi alat pengering udara yang dipergunakan dan kebutuhan dari konsumsinya.
Salah satu jenis pengering udara adalah regenerative desiccant air dryer. Gambar 2.2 merupakan salah satu contoh dari alat pengering udara jenis
2 1 3 4
regenerative desiccant air dryer produksi PT. Ultrafilter GmbH Jerman. Memiliki prinsip kerja sistem adsorpsi. Dimana menggunakan desiccant atau adsorben sebagai zat penyerap. Adsorben ialah zat yang melakukan penyerapan terhadap zat lain (baik cairan maupun gas) pada proses adsorpsi. Banyak jenis adsorben di pasaran dan pada umumnya adsorben bersifat spesifik, hanya menyerap zat tertentu. Jenis adsorben pada proses adsorpsi, disesuaikan dengan sifat dan keadaan zat yang akan diadsorpsi. Dalam kasus pengujian alat pengering udara sistem adsorpsi menggunakan jenis adsorben molecular sieve atau zeolit.
Gambar 2.2Regenerative Desiccant Air Dryer Ultrafilter Tipe HRE 2250
2.2 Komponen Alat Pengering Udara Sistem Adsorpsi 2.2.1 Adsorben Zeolit
Gambar 2.3Molecular sieve
Zeolit juga sering disebut sebagai molecular sieve atau molecular mesh (Gambar 2.3) yang artinya saringan molekuler adalah karena zeolit memiliki pori-pori berukuran molekuler sehingga mampu memisahkan/menyaring molekul dengan ukuran tertentu.
Zeolit adalah senyawa zat kimia alumino-silikat berhidrat dengan kation natrium, kalium dan barium. Secara umum, zeolit memiliki melekular sruktur yang unik, dimana atom silikon dikelilingi oleh 4 atom oksigen (lihat Gambar 2.4) sehingga membentuk semacam jaringan dengan pola yang teratur. Di beberapa tempat, atom Silicon digantikan dengan atom Aluminium yang hanya terkoordinasi dengan 3 atom Oksigen. Atom Aluminium ini hanya memiliki muatan 3+, sedangkan Silicon sendiri memiliki muatan 4+. Keberadaan atom Aluminium ini secara keseluruhan akan menyebababkan Zeolit memiliki muatan negatif. Muatan negatif inilah yang menyebabkan Zeolit mampu mengikat kation.
Zeolit mempunyai beberapa sifat antara lain :
a. Mudah melepas air akibat pemanasan, tetapi juga mudah mengikat kembali molekul air dalam udara lembab. Oleh sebab sifatnya tersebut maka zeolit banyak digunakan sebagai bahan penyerap uap air.
b. Zeolit juga mudah melepas kation dan diganti dengan kation lainnya, misal zeolit melepas natrium dan digantikan dengan mengikat kalsium atau magnesium. Sifat ini pula menyebabkan zeolit dimanfaatkan untuk proses pelunakan air (water softener).
c. Zeolit dengan ukuran rongga tertentu digunakan pula sebagai katalis untuk mengubah alkohol menjadi hidrokarbon sehingga alkohol dapat digunakan sebagai bensin.
Gambar 2.4 Kristal Zeolit
2.2.2 Butterfly Valve dengan Actuator Pneumatic
Gambar 2.5Butterfly Valve with Actuator Pneumatic
Butterfly Valve seperti terlihat pada Gambar 2.5 digunakan untuk mengatur dan menutup laju aliran fluida. Penggunaan valve jenis ini untuk pipa-pipa yang bertekanan rendah maupun bertekanan tinggi. Cara kerja valve ini mirip sayap kupu-kupu, dimana disk/cakram yang berotasi membuka atau menutup untuk mengatur hambatan aliran fluida.
Keuntungan dari tipe butterfly valve ini antara lain kapasitasnya besar dan drop tekanan rendah. Namun kerugiannya memerlukan torque (tenaga putaran) besar. Sebagai penggerak putaran disk/cakram valve ini menggunakan aktuator. Aktuator mempunyai banyak bentuk berbeda sesuai kebutuhan kontrol proses tertentu. Pada alat pengering udara tekan sistem adsorpsi aktuator digerakan secara pneumatik yaitu dengan memanfaatkan udara bertekanan untuk membuka atau menutup valve.
2.2.3 Blower Centrifugal
Gambar 2.6 Blower Centrifugal
Blower Sentrifugal terlihat pada Gambar 2.6 digunakan untuk mengalirkan udara panas saat proses regenerasi adsorben. Blower pada alat
pengering udara sistem adsorpsi yang digunakan pada penelitian ini menggunakan motor dengan daya 5,5 kW dan dengan putaran 3000 RPM. 2.2.4 Vessel (Tabung Adsorpsi)
Gambar 2.7 Vessel
Vessel atau tabung adsorpsi (Gambar 2.7) merupakan tempat dimana proses adsorpsi/penyerapan uap air dalam udara terjadi. Biasanya suatu alat pengering udara adsorpsi memiliki dua buah tabung/vessel adsorpsi. Pada penelitian ini vessel alat pengering udara masing-masing mempunyai volume 750 liter. Tabung adsorbsi ini mampu tahan hingga tekanan 10 bar gauge serta suhu minimum -10oC dan suhu maksimum 200oC.
2.2.5 Electrical Heater
Untuk proses desorbsi atau regenerasi adsorben alat pengering udara ini memiliki elektrikal heater 3 fasa dengan tegangan 400 volt/50 Hz dan installed power sebesar 9 kW. Material elemen heater ini sendiri adalah stainless steel. Kemudian mempunyai temperatur kontrol capillary tube thermostat dengan range panas 50oC – 500oC.
2.3 Pengertian Udara Kering
Udara kering adalah udara yang sama sekali tidak mengandung uap air dengan kata lain memiliki relative humidity yang sedikit. Udara ini mempunyai komposisi yang terdiri dari gas Nitrogen, Oksigen, Argon, dan Karbondioksida. Penggunaan udara kering ini banyak diperlukan di industri-industri. Selain itu dalam dunia industri telekomunikasi, udara kering bertekanan digunakan untuk menyelimuti kabel-kabel bawah tanah untuk menghindari short circuit akibat terbentuknya embun. Untuk mendapatkan udara yang kering biasanya digunakan alat pengering udara. Kandungan uap air dalam udara akan mengembun akibat penurunan dew point udara. Kandungan uap air dalam udara dinyatakan dalam satuan g/m3. Dibawah ini dapat dilihat tabel temperatur dew point terhadap
kandungan uap air.
Tabel 2.1 Kandungan Uap Air di Udara
Dewpoint (oC) -70 -40 -20 0 3 20 60 80
Moisture (g/m3) 0,0033 0,177 0,88 4,87 5,95 17,15 169,02 290,02
2.4 Prinsip Kerja Alat Pengering Udara Sistem Adsorpsi
Alat pengering udara sistem adsorpsi biasanya berupa suatu wadah tabung atau kotak yang berisi zat penyerap uap air seperti silica gel, alumina aktif, molecular sieve, atau bahan penyerap uap air lainnya. Bahan yang paling banyak digunakan adalah molecular sieve atau zeolit.
Prinsip kerja alat ini sederhana serta bekerja terus menerus melakukan penyerapan secara bergantian tanpa henti. Disini dibagi menjadi enam langkah prinsip kerja :
1. Parallel Adsorpsi
Langkah ini dimana alat pengering udara sedang melakukan penyerapan uap air di kedua tabung. Gambar 2.8 menunjukan ilustrasi alat sedang melakukan penyerapan uap air di dalam tabung satu dan tabung dua. Udara terkompresi masuk dan terbagi kedalam tabung satu dan tabung dua. Adsorben dalam kedua tabung akan menyerap uap air di udara terkompresi tersebut. Udara yang telah melewati tabung akan terkeringkan, sedangkan adsorben di dalam tabung lama kelamaan akan jenuh dan perlu pembilasan panas (regenerisasi) agar dapat menyerap uap air kembali. Walaupun pada prinsipnya alat ini bekerja secara bergantian antara tabung satu dan tabung dua, namun kemungkinan terjadinya proses adsorpsi pada kedua tabung secara bersamaan mungkin saja terjadi walau hanya beberapa menit sebelum salah satu tabung mengalami proses regenerasi karena adsorben di dalamnya sudah jenuh.
Gambar 2.8 Proses Parallel Adsorpsi
2. Adsorpsi – Depressurisasi
Saat adsorben didalam salah satu tabung sudah jenuh, maka diperlukan pembilasan panas. Terlihat pada Gambar 2.9 pada tabung kedua terjadi proses depressurisasi atau pembuangan tekanan udara hingga mencapai tekanan normal lingkungan, sedangkan pada tabung satu tetap melakukan proses penyerapan uap air. Proses depressurisasi dilakukan untuk menghilangkan tekanan tinggi udara dalam tabung, mempersiapkan adsorben menerima pembilasan panas hingga suhu 150oC dari heater.
Mengingat jika tekanan tinggi secara spontan memperoleh suhu yang sangat tinggi maka tekanan akan semakin tinggi, adsorben didalam tabung akan rusak. Setelah proses depressurisasi selesai selanjutnya masuk ke proses pembilasan panas (regenerasi), sistem kontrol alat akan menghidupkan heater dan blower.
Gambar 2.9 Proses Adsorpsi – Depressurisasi
3. Adsorpsi – Regenerasi
Gambar 2.10 menunjukan skema proses regenerasi atau pembilasan panas adsorben pada tabung dua, sedangkan tabung satu tetap melakukan proses penyerapan uap air. Heater dan blower akan nyala menghantarkan udara panas ke dalam tabung dua, membilas adsorben di dalamnya yang telah jenuh terisi oleh uap air. Uap air akan menguap terpisahkan dari adsorben terbawa udara panas yang lewat dan terbuang keluar sistem. Proses regenerasi terjadi cukup singkat hanya kurang dari 30 menit.
Gambar 2.10 Proses Adsorpsi – Regenerasi
4. Adsorpsi – Pendinginan
Setelah proses regenerasi pada tabung dua selesai, selanjutnya masuk proses cooling atau pendinginan terhadap adsorben tabung dua, terlihat skema pada Gambar 2.11 proses pendinginan. Pendinginan adsorben memanfaatkan udara kering yang telah keluar dari tabung satu. Sebagian
udara kering dari tabung satu masuk ke dalam tabung dua mendinginkan adsorben panas dan membuangnya keluar. Adsorben perlu didinginkan agar bisa kembali menyerap uap air dalam udara yang melewatinya. Biasanya terjadi hingga suhu di dalam tabung dua sama dengan suhu di dalam tabung satu.
Gambar 2.11 Proses Adsorpsi – Pendinginan
5. Adsorpsi – Pressurisasi
Setelah proses pendinginan terhadap adsorben di dalam tabung dua selesai dan suhu di kedua tabung sama, tabung dua akan mengalami proses pressurisasi atau pemberian tekanan. Gambar 2.12 menunjukkan skema proses pressurisasi. Dimana tabung satu masih tetap melakukan proses adsorpsi sedangkan tabung dua sedang dalam proses pemberian tekanan. Pemberian tekanan dimaksudkan agar pada saat tabung dua siap menggantikan proses adsorpsi, tidak terjadi drop tekanan yang tinggi pada sistem udara kering bertekanan. Proses pemberian tekanan memanfaatkan
udara kering dari keluaran tabung satu hingga tekanan dalam tabung dua sama dengan tekanan pada tabung satu.
Gambar 2.12 Proses Adsorpsi – Pressurisasi
6. Adsorpsi – Standby
Setelah pemberian tekanan pada tabung dua selesai hingga diperoleh tekanan yang sama antara tekanan tabung dua dan tabung satu, selanjutnya tabung dua hanya standby dipersiapkan untuk menggantikan proses adsorpsi. Lihat Gambar 2.13 tidak terjadi proses apapun pada tabung dua. Saat adsorben di dalam tabung satu sudah jenuh terisi uap air, tabung satu akan mengalami pembilasan panas. Kerja adsorpsi atau penyerapan uap air bergantian dilakukan oleh tabung dua.
Dan selanjutnya terus berulang-ulang proses-proses yang telah dijelaskan di atas.
Gambar 2.13 Proses Adsorpsi – Standby
2.5 Aplikasi Alat Pengering Udara Sistem Adsorpsi
Aplikasi dari alat pengering udarabanyak digunakan pada industri-industri atau produksi-produksi yang kontak langsung dengan produk, misalkan sebagai berikut :
1. Industri Makanan dan Minuman 2. Industri Otomotif
3. Industri Farmasi
4. Industri Pengecatan, dll
Penggunaan alat pengering udara di industri-industri maupun produksi tergantung dari aplikasi yang digunakan. Udara yang dihasilkan pada air compressed harus sepenuhnya kering, tidak mengandung uap air, oli dan partikel-partikel lain.
2.6 Dasar-Dasar Psikrometrik
Psikrometrik adalah suatu bahasan tentang menentukan sifat-sifat fisis dan termodinamika suatu gas yang didalamnya terdapat campuran antara gas-uap.
Gambar 2.14 Karta Psikrometrik
Sebagai contoh adalah menentukan sifat-sifat dari campuran udara dan uap air. Adapun sifat-sifat tersebut anatara lain: temperatur bola kering (Tdb), temperatur bola basah (Twb), dew point, kelembaban relatif (RH), rasio kelembaban (w), entalpi (h), volume spesifik (v).
Untuk memahami proses-proses yang terjadi pada karta psikometrik perlu adanya pemahaman tentang sifat-sifat yang ada dalam karta psikometrik (Gambar 2.14), antara lain :
1. Temperatur bola kering
Temperatur bola kering merupakan temperatur yang terbaca pada termometer sensor kering dan terbuka, namun penunjukan dari temperatur ini tidak tepat karena adanya pengaruh radiasi panas.
2. Temperatur bola basah
Temperatur bola basah merupakan temperatur yang terbaca pada termometer dengan sensor yang dibalut dengan kain basah. Untuk mengukur temperatur ini diperlukan aliran udara sekurangnya adalah 5 m/s. Temperatur bola basah sering disebut dengan temperatur jenuh adiabatik.
3. Titik embun
Titik embun adalah temperatur air pada keadaan dimana tekanan uapnya sama dengan tekanan uap air dari udara. Jadi pada temperatur tersebut uap air dalam udara mulai mengembun dan hal tersebut terjadi apabila udara lembab didinginkan. Pada tekanan yang berbeda titik embun uap air akan berbeda, semakin besar tekanannya maka titik embunnya semakin besar. 4. Kelembaban relatif
Kelembaban relatif didefinisikan sebagai perbandingan fraksi molekul uap air di dalam udara basah terhadap fraksi molekul uap air jenuh pada suhu dan tekanan yang sama, atau perbandingan antara tekanan persial uap air yang ada di dalam udara dengan tekanan jenuh uap air yang ada pada temperatur yang sama. Kelembaban relatif dapat dikatakan sebagai kemampuan udara untuk menerima kandungan uap air, jadi semakin besar RH semakin kecil kemampuan udara tersebut untuk menyerap uap air. Kelembaban ini dapat dirumuskan :
% 100 x Pws Pw RH ………( 2. 1 ) dimana :
Pw = Tekanan parsial uap air Pws = Tekanan jenuh uap air
( Stoecker, W.F and jones, J.W. 1989 . Refrigerasi dan Pengkondisian Udara, edisi ke-2.Alih bahasa Ir.Supratman Hara.Jakarta : Erlangga )
5. Kelembaban spesifik (rasio kelembaban)
Kelembaban spesifik (w) adalah berat atau massa air yang terkandung didalam setiap kilogram udara kering, atau perbandingan antara massa uap air dengan massa udara kering yang ada didalam atmosfir.
Kelembaban spesifik dapat dirumuskan :
Ma Mw
w ……….………( 2.2 )
dimana :
w = Kelembaban spesifik
Mw = Massa uap air (kg uap air/kg udara kering) Ma = Massa udara kering (kg udara kering/atm)
( Stoecker, W.F and jones, J.W. 1989 . Refrigerasi dan Pengkondisian Udara, edisi ke-2.Alih bahasa Ir.Supratman Hara.Jakarta : Erlangga )
6. Entalpi
Entalpi merupakan energi kalor yang dimiliki oleh suatu zat pada temperatur tertentu, atau jumlah energi kalor yang diperlukan untuk memanaskan 1 kg udara kering dan x kg air ( dalam fasa cair ) dari 0oC sampai mencapai t oC dan menguapkannya menjadi uap air ( fasa gas).
7. Volume spesifik
Volume spesifik merupakan volume udara campuran dengan satuan meter-kubik per kilogram udara kering.
Proses Udara pada Psikrometrik
Proses-proses udara yang terjadi dalam karta psikometrik adalah : 1. Proses pemanasan (Heating).
2. Proses pendinginan (Cooling). 3. Proses pelembaban (Humidifikasi).
4. Proses penurunan kelembaban (Dehumidifikasi).
5. Proses pemanasan dan pelembaban (Heating dan humidifikasi).
6. Proses pemanasan dan penurunan kelembaban (Heating dan dehumidifikasi).
7. Proses pendinginan dan pelembaban (Cooling dan humidifikasi).
8. Proses pendinginan dan penurunan kelembaban (Cooling dan dehumidifikasi).
( G Pita, Edward . 1981 . Air Conditioning Principles and Systems . USA . John Wily and Sons. Inc.)
Gambar 2.15 Proses-proses udara
2.6.1 Proses Pemanasan (Heating)
Proses pemanasan adalah proses penambahan kalor sensibel ke udara sehingga temperatur udara naik. Proses ini hanya disebabkan oleh perubahan temperatur bola kering udara tanpa perubahan rasio kelembaban. Garis proses pada karta psikometrik adalah garis horisontal ke arah kanan. Pada proses ini (Gambar 2.16) rasio kelembaban tidak berubah, sedangkan harga Tdb, Twb, entalpi naik dan kelembaban relatif (RH) mengalami penurunan.
Tdb1 Tdb2 Twb2
Twb1 w
Gambar 2.16 Pemanasan Sensibel
2.6.2 Proses Pendinginan (Cooling)
Proses pendinginan adalah proses pengambilan kalor sensibel dari udara sehingga temperatur udara tersebut mengalami penurunan. Proses ini hanya disebabkan oleh perubahan temperatur bola kering udara tanpa perubahan rasio kelembaban. Garis proses pada karta psikometrik adalah garis horisontal ke arah kiri. Pada proses ini (Gambar 2.17) rasio kelembaban (w) tidak berubah, sedangkan harga Tdb, Twb, entalpi (h) turun dan kelembaban relatif (RH) mengalami kenaikan. Tdb1 Tdb2 Twb2 Twb1 w
Gambar 2.17 Pendinginan Sensibel
2.6.3 Proses Pelembaban (Humidifikasi).
Proses pelembaban adalah proses penambahan kandungan uap air ke udara sehingga terjadi kenaikan entalpi dan ratio kelembaban. Pada proses ini terjadi perubahan kalor laten tanpa disertai perubahan kalor sensibel . Garis proses pada karta psikometrik adalah garis vertikal ke arah atas. Pada proses ini (Gambar 2.18) rasio kelembaban (w) dan entalpi (h) mengalami kenaikan.
Tdb Twb2 Twb1 w1 w2 Gambar 2.18 Pelembaban
2.6.4 Proses Penurunan Kelembaban (Dehumidifikasi).
Proses penurunan kelembaban adalah proses pengurangan kandungan uap air ke udara sehingga terjadi penurunan entalpi dan ratio kelembaban. Pada proses ini terjadi perubahan kalor laten tanpa disertai perubahan kalor sensibel. Garis proses pada karta psikometrik adalah garis vertikal ke arah bawah. Pada proses ini (Gambar 2.19) rasio kelembaban (w) dan entalpi (h) mengalami penurunan.
Tdb Twb2
Twb1
w1
w2
Gambar 2.19 Penurunan Kelembaban
2.6.5 Proses Pemanasan dan Pelembaban (Heating and humidifikasi).
Pada proses ini udara dipanaskan disertai dengan penambahan uap air, yaitu dengan mengalirkan udara melewati ruangan semburan air atau uap yang temperaturnya lebih tinggi dari temperatur udara, sehingga didapatkan peningkatan kalor sensibel dan kalor laten secara bersamaan. Pada proses ini (Gambar 2.20) terjadi kenaikan rasio kelembaban (w) , entalpi (h), Tdb, Twb dan kelembaban relatif (RH). Garis proses pada karta psikometrik adalah garis kearah kanan atas. Twb2 Twb1 w1 w2 Tdb1 Tdb2
Gambar 2.20 Pemanasan dan Pelembaban
2.6.6 Proses Pemanasan dan Penurunan Kelembaban (Heating and Dehumidifikasi)
Pada proses ini udara mengalami pendinginan dahulu sampai temperaturnya dibawah titik embun udara, pada temperatur ini udara mengalami pengembunan sehingga kandungan uap air akan berkurang, kemudian udara dilewatkan melalui koil pemanas sehingga temperatur udara akan meningkat. Proses ini terjadi pada alat pengering udara (dehumidifier). Pada proses ini (Gambar 2.21) terjadi penurunan rasio kelembaban (w), entalpi (h), Twb dan kelembaban relatif, sedangakan terjadi peningkatan Tdb. Garis proses pada karta psikometrik adalah garis kearah kanan bawah.
Tdb1 Twb2 Twb1 w1 w2 Tdb2
Gambar 2.21 Pemanasan dan Penurunan Kelembaban
2.6.7 Proses Pendinginan dan Pelembaban (Cooling and Humidifikasi)
Proses ini (Gambar 2.22) dilakukan dengan melewatkan udara pada ruangan semburan air yang temperaturnya lebih rendah dari temperatur udara, tetapi lebih tinggi dari titik embun udara sehingga temperatur akan mengalami penurunan dan rasio kelembaban akan mengalami peningkatan.
Tdb1 Twb2 Twb1 w1 w2 Tdb2
Gambar 2.22 Pendinginan dan Pelembaban
2.6.8 Proses Pendinginan dan Penurunan Kelembaban (Cooling and
Dehumidifikasi)
Proses ini (Gambar 2.23) dilakukan dengan cara melewatkan udara pada koil pendingin atau ruangan semburan air dimana temperaturnya lebih rendah dari temperatur udara sehingga terjadi penurunan kalor laten dan kalor sensibel.
Tdb1 Twb2 Twb1 w1 w2 Tdb2
Gambar 2.23 Pendinginan dan Penurunan Kelembaban
