ALAT VISUALISASI PROSES PENGKONDISIAN
UDARA
Yazmendra Rosa
(1), Hanif
(1), Isnanda
(1)(1)
Laboratorium Refrigerasi & Pengkondisian Udara, Jurusan Teknik Mesin
Politeknik Negeri Padang
ABSTRACT
Air Conditioning Engineering Visualization tools have been studied in this research. Air conditioning technique needs to be done to change the properties of air in accordance with the needs of the conditioned air. Engineering Laboratory Refrigeration & Air Conditioning State Polytechnic Padang requires visualization tools for use in the practice of students. This tool can visualize the process of heating, cooling, humidifying and dehumidifying by using the component heat exchanger and water spray. Components of the water tank used for supplying heat energy that is channeled into the heat exchanger so as to obtain variations in the temperature of the air stream to heat transfer to these systems. The test results show that this visual tool to provide air condition out of the heat exchangers and a water spray into the process of change in order to obtain air conditioning (heating, cooling, humidifying and dehumidifying). Heater used to raise the temperature of water in the tank until 70oC and move the heat through heat exchangers to the air flowing averaging around10,6oC, so that air can be increased at this temperature.
Keywords: Refrigeration and Air Conditioning, Drying Properties.
1. PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Indonesia merupakan salah satu negara yang berada pada lintasan sumber energi yaitu pada garis khatulistiwa 6oLU sampai 11oLS. Posisi yang sangat strategis ini membawa negara ini menjadi negara yang sangat kaya sumber energi dan sumber alamnya yang dapat dimanfaatkan untuk semua mahluk yang berada di daerah ini.
Udara merupakan salah satu nikmat yang maha kuasa yang kita manfaatkan untuk dapat mengisi dunia yang fana menuju kehidupan yang lebih baik dari tahun ketahun atau dari masa ke masa. Manusia membutuhkan udara untuk bertahan hidup sehingga berkembanglah pemanfaatan udara yang lebih optimal untuk keperluan hidup tersebut melalui pengkondisian udara sesuai kebutuhan yang lebih efisien dan efektif bagi pemanfaatannya.
Labor refrigerasi dan Pengkondisian Udara, Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Padang membutuhkan sebuah alat praktek yang dapat mempelajari fenomena pengkondisian udara, yang selama ini belum ada untuk melengkapi peralatan prakteknya.
Pada sistem pengeringan sebagai contoh memerlukan pengkondisian udara agar proses pengeringan cepat
yang dapat digunakan untuk penelitian pengering selanjutnya.
Alat AC sering dipasang pada suatu ruangan tidak memperhatikan pengkondisian udara yang sebenarnya. Pengkondisian udara seharusnya disesuaikan dengan kebutuhan “untuk apa sistem (tempat tertentu) diberikan mesin AC ?”. Tentuknya tidak akan terlepas dari sifat-sifat yang akan diharapkan dari udara tersebut nantinya. Misalkan untuk manusia yang berada dalam suatu ruangan, maka tentunya perlulah pengkondisian udara yang membuat manusia yang berada di dalam ruangan tersebut menjadi nyaman dan sehat menurut kesehatan. Fungsi udara yang dikondisikan ini akan disesuaikan dengan standar yang disarankan.
Proses pengkondisian udara diantaranya pemanasan, pendingan, pelembaban, pengurangan kelembaban merupakan peristiwa merubah sifat-sifat yang dimiliki udara sehingga diperlukan sebuah alat visualisasi yang dapat mempelajari variabel-variabel yang mempengaruhinya, sehingga tanpa disadari kita telah mengalaminya sehari-hari.
Alat visualisasi proses pengkondisian udara ini dirancang untuk skala pengujian laboratorium. Saluran sistem aliran udara digunakan akan disesuaikan dengan kondisi ruangan laboratorium politeknik. Fluida kerja udara yang digunakan diasumsikan mempunyai temperatur yang sama dengan lingkungan dan laju aliran massa udara yang masuk ke sistem akan di pengaruhi oleh fan aksial.
1.3 Tujuan dan Manfaat
Merencanakan dan membuat sebuah alat yang dapat mempelajari teknik pengkondisian udara (cooling, heating, humidifying, dehumidifying). Alat ini akan bermanfaat untuk praktek di Labor Refrigerasi & Pengkondisian Udara dan penelitian yang memanfaatkan udara yang terkondisi serta pemahaman tentang fenomena peristiwa proses pengkondisian udara.
2. TINJAUAN PUSTAKA
Teknik Pengkondisian Udara bertujuan untuk Pengolahan tingkat keadaan termodinamik udara agar menjadi/memiliki tingkat keadaan yang sesuai dengan tujuan desain untuk apa udara tersebut.
Udara :
o Udara kering
o Uap air
Sifat-sifat yang diubah
o temperatur Tbb/Twb& Tbk/ Tdb
o kelembaban absolut & relatif / RH
o energi Entalphi
Perencanaan sistem pengkondisian udara bertujuan menjaga agar temperatur, kelembaban, kebersihan dan distribusi udara dalam ruangan dapat dipertahankan pada tingkat keadaan yang diinginkan untuk kenyamanan. Untuk memperoleh hal tersebut dapat dirancang dan digunakan beberapa macam sistem pengkondisian udara yang sesuai.
2.1 Campuran Gas Ideal Tak Bereaksi dan Psikrometrik
Campuran gas ideal umum
Hubungan P-V-T Campuran Gas Ideal
2.3 Diagram Psikrometrik
Diagram psikrometrik menyatakan beberapa sifat uap-air
Gambar 1 Proses dasar pengkondisian udara pada diagram psikrometrik
Gambar 2 Proses pemanasan dan pendinginan
Gambar 3 Proses pendinginan dan kondensasi
Gambar 5 Proses pemanasan dan Humidifikasi
Gambar 6 Proses pendinginan penguapan
3. METODE PENELITIAN
3.1 Dasar Idealisasi dan Data Perencanaan
Perancangan pengujian sistem ini dilakukan pada kondisi udara lingkungan, T = 20oC s/d 30oC dan kondisi kecepatan udara lingkungan yang kecil untuk efek perpindahan panas konveksi secara alamiah (laboratorium Teknik Refrigerasi & Pengkondisian Udara). Tipe atau bentuk saluran udara adalah bujur sangkar. Sistem resevoar adalah temperatur kontrol dengan menggunakan heater untuk menaikan temperatur air. Acuan standar ASHRAE.
Pada alat visualisasi ini dibagi atas beberapa sistem komponen untuk menjadikan sistem alat yang dapat menvisualisasikan proses-proses pengkondisian udara yaitu:
1. Resevoar fluida (Tangki air), yang digunakan untuk sumber variasi temperatur. Kondisi ini digunakan untuk melihat proses pemanasan dan pendinginan udara dengan menggunakan alat penukar kalor ke fluida udaranya.
2. Saluran sistem udara, sebagai tempat pengkondisian udara dan instrumentasi yang digunakan dalam mengukur karakteristiknya. 3. Penukar kalor, sebagai alat proses pemanasan
dan pendinginan udara.
4. Saluran transparan, nosel pengabutan (water spray) sebagai alat untuk proses pelembaban 5. Luas atau kondisi ruangan laboratorium Teknik
Resevoar air digunakan untuk mensuplai energi yang akan digunakan untuk memanaskan atau mendinginkan udara melalui sebuah alat penukar kalor. Syarat untuk tangki ini diantaranya adalah:
1. Berfungsi sebagai resevoar penyimpan/suplai energi bagi sistem dalam menurunkan atau menaikan udara yang mengalir di dalam saluran (Variasi temperatur resevoar air).
2. Bersih dan dapat di alirkan ke sistem visual alat yang membutuhkannya.
3. Dapat di kontrol temperaturnya.
4. Kaku dan dapat di gunakan secara berulang selama dibutuhkan.
Tangki yang digunakan adalah berbahan stainless steelvolume 0,5 m3, serta ρair = 999 kg/m3at 15°C dan Cp 4,184 kJ/kgK. Pompa digunakan untuk
mengalirkan air ke sistem alat visualisasi dengan jenis pompa sentrifugal. Untuk variasi temperatur digunakan heater listrik dengan kapasitas 2 x 1500 Watt yang dihubungkan dengan pipa tembaga yang mengelilingi semua tangki serta digunakan pengontrol temperatur untuk menjaga suplai temperatur air konstan.
3.2.2 Perencanaan Saluran Udara dan Alat Proses Pemanasan atau Pendinginan Udara.
Terowongan udara ini berfungsi sebagai tempat mengalirnya udara panas yang akan dimanfaatkan. Terowongan ini tidak dilapisi dengan isolasi karena dengan kecepatan udara yang mengalir maka panas yang keluar dari sistem dapat diabaikan sehingga panas udara di dalam terowongan dapat dipertahankan.
Bahan terowongan dipilih dengan pertimbangan, mudah dibentuk, ringan, dan mempunyai laju korosi yang rendah, sehingga tak diperlukan perawatan yang terlalu rumit, maka dipilihlah pelat aluminium sebagai bahan dari pembuatan terowongan udara.
Udara yang mengalir dalam kanal aliran persegi dengan diameter hidrolik (Dh) dan bilangan
Reynolds (Re) ialah :
Gambar 7 Ukuran terowongan udara masuk dan keluar serta penutupnya
Gambar 8 Terowongan udara masuk dan keluar
Panjang saluran udara yang dibuat mempunyai ukuran yang disesuaikan dengan standar ASHRAE 41.2-1987 terhadap tempat untuk meletakan alat ukur yang digunakan. Pada saat udara yang diukur harus mempunyai kondisi laminar, maka digunakan pengarah (Straightener) dan jaraknya 4Dhmin dari
sumber gangguan (komponen). Dimana D adalah diameter hidrolik dari saluran tersebut.
Meja dudukan peralatan pengujian terbuat dari besi siku dengan lebar 30 mm. Meja ini dibuat sesuai dengan ukuran saluran udara. Meja ini diberi 4 buah roda yang memudahkan untuk memindahkan peralatan dan 2 buah rodanya diberi rem sehingga pada saat pengujian, alat uji tidak bergerak.
Gambar 9 Meja dudukan untuk sistem instalasi fan
Fan yang digunakan untuk menghembuskan udara ke saluran udara adalah fan DC. Tegangan fan dapat diatur dengan beberapa variasi sehingga pada saat pengujian didapatkan aliran udara yang juga
penahan getaran agar getarannya dapat diminimalkan.
Gambar 10 Fan yang digunakan tipe aksial
Adaptor yang digunakan bermerek ”Mashika With Stabilizer”dengan spesifikasi sebagai berikut:
- input : 110 volt – 220 volt
- output : 3 volt – 13,8 volt
Tegangan fan dapat divariasikan, mulai dari 3 volt, 6 volt, 7,5 volt dan 9 volt, sehingga putaran fan dapat diubah-ubah yang menghasilkan laju aliran yang berubah juga.
Komponen penukar kalor jenis aliran silang digunakan untuk proses pendinganan atau pemanasan udara. Air dari resevoar di alirkan ke penukar kalor dan terjadi perpindahan panas ke udara yang mengalir terhadap alat penukar panas ini. Bahannya merupakan tembaga yang diberikan sirip-srip alumanium untuk mempercepat perpindahan panas.
3.2.3 Perencanaan Saluran Udara dan Alat Proses Pelembaban atau Pengurangan Pelembaban Udara.
Pada sistem unit ini ukuran sama dengan kondisi di atas yaitu saluran bujursangkar ukuran 250mm x 250mm. Komponen proses pengkondisian udara terletak pada bahan yang transparan karena diberikan nosen semburan air untuk menambah kandungan air di dalam udara nantinya.
3.2.4 Perencanaan Instrumentasi sistem Alat Visual
Proses pengkondisian udara dapat terlihat dengan menggunakan diagram psikrometrik dengan variabel yang harus diketahui diantaranya adalah temperatur bola kering (Tdb) dan temperatur bola basah (Twb).
Variabel lain seperti kecepatan udara yang mengalir di dalam saluran, temperatur resevoar, tegangan yang diberikan pada fan yang digunakan diperlukan untuk mengetahui karakteristik dari alat yang dibuat ini.
- Alat Ukur Laju Aliran Udara
membaca kecepatan aliran dalam m/s. Debit didapat dengan mengalikan kecepatan dengan luas penampang saluran, sedangkan debit dikalikan massa jenis, merupakan laju aliran massa.
Gambar 11 Alat ukur kecepatan udara (Air Flow Meter)
- Alat Ukur Temperatur.
Termometer yang digunakan yaitu: jenis alkohol dengan skala -10oC - 110oC, dimana telah memenuhi kisaran temperatur yang direncanakan. Termometer ini digunakan untuk bolah basah dan bola kering pada masuk serta keluar sistem saluran udara dan resevoar.
- Alat pengontrol suhu
Dengan menggunakan termostart untuk menjadikan temperatur konstan di dalam resevoar air.
Gambar 12 Posisi alat ukur menurut standar ASHRAE
3.4 Prosedur Pengujian
Pengujian yang dilakukan dilakukan tahap awal untuk mengetahui karakteristik setiap komponen sistem alat yang direncanakan dengan terlebih dahulu membandingkan semua alat ukur temperatur yang diguna dalam pengujian yaitu termokopel digital dengan termometer.
a. Pengujian sistem dengan menggunakan alat untuk proses pemanasan/pendinginan yaitu penukar panas
1. Pasang instalasi sumber energi dari tangki
3. Hidupkan fan dan atur laju aliran yang akan digunakan (vudara) dengan menggunakan alat
ukurair flow meter.
4. Pasang termometer bola basah dan kering pada kedua sisi saluran masuk dan keluar alat penukar panas (Tdbin, Twbout).
5. Setelah temperatur tangki diperoleh, maka buka katup aliran air dan hidupkan pompa sehingga pengambilan data dimulai.
6. Lakukan pengambilan data setiap lima menit dan pada sistem alat visualisasi diperoleh visual kenaikan sifat-sifat udara yang masuk ke alat proses penukar panas.
b. Pengujian sistem dengan menggunakan alat untuk proses pemanasan/pendinginan dan pelembaban yaitu nosel air (water spray)
1. Pasang instalasi tangki dengan memasang pemipaan ke sistem nosel (katup).
2. Hidupkan fan dan atur laju aliran yang akan digunakan (vudara) dengan menggunakan alat
ukurair flow meter.
3. Pasang termometer bola basah dan kering pada kedua sisi saluran masuk dan keluar alat penukar panas (Tdbin, Twbout).
4. Setelah katup aliran air dibuka dan hidupkan pompa sehingga pengambilan data dimulai. 5. Lakukan pengambilan data setiap lima menit dan
pada sistem alat visualisasi diperoleh visual kenaikan sifat-sifat udara yang masuk ke alat proses ini.
Data pengujian a dan b dengan menggunakan program atau diagram psikrometrik maka akan terrlihat proses pengkondisian udara.
4. HASIL DAN PEMBAHASAN
Gambar 13Set-upalat visualisasi proses pengkondisian udara
Gambar 14 Grafik temperatur udara dan kelembaban relatif terhadap waktu pada proses pengkondisian udara dengan
alat penukar kalor (vudara=1,2m/s, 2 -11-2010)
Gambar 15 Grafik temperatur udara dan kelembaban relatif terhadap waktu pada proses pengkondisian udara dengan
alat penukar kalor (vudara=0,73m/s, 3 -11-2010)
Gambar 16 Grafik temperatur udara dan kelembaban relatif terhadap waktu pada proses pengkondisian udara dengan
alat penukar kalor ((vudara=0,28m/s, 4 -11-2010)
Gambar 17 Grafik temperatur udara dan kelembaban relatif terhadap waktu pada proses pengkondisian udara dengan
water spray(vudara=0,73m/s, 5 -11-2010)
Gambar 18 Grafik temperatur udara dan kelembaban relatif terhadap waktu pada proses pengkondisian udara dengan
water spray(vudara=0,73m/s, 6 -11-2010)
Pengujian Karakteristik alat dilakukan seperti terlihat pada ”Gambar (14) sampai dengan ”Gambar (18)”. Pengujian ini dilakukan dengan seting temperatur tangki 70oC dan air panas di alirkan ke sistem penukar panas sehingga terjadi perpindahan panas ke udara melalui alat ini, sehingga terjadi pemanasan udara dan merubah sifat-sifat udara setelah keluar dari alat ini.
Pengujian dilakukan dengan selang waktu lima menit dari saat pompa dihidupkan sampai kondisi stedi. Alat penukar panas tidak dilakukan isolasi agar visualisasi aliran air panas masuk ke sistem penukar panas dapat terlihat sehingga terjadi penurunan temperatur pada alat ini.
Tangki air yang digunakan tidak ditutup sehingga mempunyai tekanan sama dengan lingkungan.
Heaterdiberikan lilitan tembaga untuk memperbesar kontak dengan air sehingga dapat mempercepat pemanasan air di dalam tangki.
Temperatur air akan turun saat dihidupkan kemudian akan mengalami stedi sampai kondisi perpindahan panasnya di alat penukar kalor berlangsung. Perbedaan temperatur tangki dengan temperatur udara yang mengalir keluar sistem adalah 10,6oC.
Laju aliran udara yang mengalir ke sistem akan mempengaruhi sifat udara yang keluar dari proses alat penuakar kalor ini. Selisih nilai kelembaban relatif dan temperatur akan meningkat sebanding dengan penurunan laju aliran udara yang diberikan (vudara=1,2m/s, 0,7m/s, 0,3m/s dengan RH=27,5%,
38%, 46%)
Gambar 19 alat visualisasi proses pengkondisian udara dengan penukar panas dalam diagram psikrometrik pada
pengujian 1 (Heating, Dehumidifying)
dengan penukar panas dalam diagram psikrometrik pada pengujian 2 (Heating, Dehumidifying)
”Gambar (19)” sampai dengan ”Gambar (21)” adalah diagram psikrometrik yang memperlihatkan proses perubahan sifat udara setelah melewati alat proses penukar panas. Pada kondisi tingkat keadaan masuk yang hampir berkondisi sama akan diperoleh peristiwa pemanasan dan penurunan kelembaban (Heating and Dehumidifying) dengan menggunakan alat penukar panas ini.
Gambar 21 alat visualisasi proses pengkondisian udara dengan penukar panas dalam diagram Psikrometrik pada
Pada ”Gambar (22)” kondisi tingkat keadaan masuk pada sistem proses water spray mengalami proses pemanasan dan penurunan kelembaban. Pengujian ini air yang di percikan oleh nosel masih bertemperatur cukup tinggi sehingga terjadi pemanasan. Penambahan kelembaban tidak terlihat karena temperatur masih tinggi tetapi penambahan kandungan air di udara akan terlihat lebih banyak dari pengujian ”Gambar (19)” sampai dengan ”Gambar (21)”. (0,004 dibanding dengan 0,002).
Gambar 23 alat visualisasi proses pengkondisian udara denganwater spraydalam diagram Psikrometrik pada
pengujian 2 (Cooling, Humidifying)
Pada ”Gambar (23)” pengujian dilakukan dengan semprotan nosel (water spray) sehingga diperoleh tingkat keadaan keluar sistem ini menjadi udara yang mempunyai sifat yang berbeda dengan masuk yaitu terjadi pendinginan dan pelembaban (Cooling, Humidifying). pendinginan tidak terlalu ekstrik karena temperatur air yang diberikan tidak panas atau dingin dan semprotan air kecil pada saat pengujian dilakukan.
5 KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
Hasil pengujian dan pembahasan dapat diambil beberapa kesimpulan, yaitu;
1. Alat visualisasi teknik pengkondisian udara yang direncanakan ini dapat mem perlihatkan proses pengkondisian udara dengan menggunakan alat proses penukar kalor dan water spray dengan proses yang dapat dilihat adalah heating, cooling, humidifying, dehumidifying dari udara lingkungan yang dialirkan ke sistem alat ini.
2. Heater yang digunakan dapat menaikan temperatur air di dalam tangki baru sampai
70oC dan memindahkan panasnya melalui alat penukar panas ke udara yang mengalir secara rata-rata berkisar10,6oC sehingga udara dapat dinaikan temperaturnya sebesar ini.
3. Pembuatan saluran secara transparan dapat melihatkan peristiwa aliran dan pengabutan air yang dipercikan ke udara yang mengalir.
4. Salah satu alat proses pengkondisian udara yang ada dan banyak digunakan adalah alat penukar panas dan percikan air dengan nosel yang telah dibuat ini. Sehingga dapat menambah visual penomena proses pengkondisian udara.
5.2 Saran
Alat ini perlu direncanakan sistem pendingin pada tangki air sehingga air yang digunakan dapat bertemperatur rendah sehingga proses pendinginan lebih terlihat pada alat visualisasi.
PUSTAKA
1. Adly Havendry, Rosa. Yazmendra, Hanif,
Kolektor Energi Surya untuk Sistem Pengering Kulit Manis, Jurnal TeknikA Tahun IV, Universitas Andalas, 1997.
2. Rosa. Yazmendra, Hanif & Zulhendri,
Optimasi Udara Panas Keluaran Kolektor Surya, Jurnal Teknik Mesin, Vol.1 No.1 Politeknik Negeri Padang, 2004
3. Rosa. Yazmendra, Maimuzar & Nasrullah,
Rancang Bangun Pengering Gambir dengan Memanfaatkan Energi Surya, Jurnal Teknik Mesin, Vol.3 No.1 Politeknik Negeri Padang, 2006.
4. Rosa. Yazmendra & Rino Sukma, Rancang
Bangun Alat Konversi Energi Surya menjadi Energi Mekanik, Jurnal Teknik Mesin, Vol. 5 No.2 Desember, 2008
5. A. Bejan, G. Tsatsaronis dan M. Moran,
Thermal Design and Optimization, John Wiley & Sons, New York, 1996.
6. C. P. Arora, Refrigeration and Air Conditioning, McGraw-Hill, Singapore, 2000.
7. ASHRAE,Fundamentals Handbook,. 1997.
8. Culp, Archie W. Jr., Prinsip-prinsip Konversi Energi, Erlangga, Jakarta, 1985.
10. Stoecker, Wilbert F., & Jerols, W. Jones,
Refrigerasi dan Pengkondisian Udara, Erlangga, Jakarta, 1992.
CURRICULUM VITAE
Penulis menyelesaikan studi sarjana di Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Andalas tahun 1997 dan tahun 2003 menyelesaikan studi S2 bidang Konversi Energi, Departemen Teknik Mesin di Institut Teknologi Bandung, Sekarang sebagai dosen dan staf Labor Refrigerasi & Pengkondisian Udara di Program Studi Teknik Mesin Politeknik Universitas Andalas, staf pengajar dan pembimbing di program D4 Konservasi Energi,. Email:
