Kelas XII_smk_teknik-mesin-industri_sunyoto

masukGambar ke luarGambar 20.2 Instalasi Turbin air pada aliran sungai pintu masuk air kanalpenstok turbin pipa hisap Gambar 20.3 Instalasi pembangkit listrik tenaga air (Micro Hydro)406

Sebagai contoh pada gambar 20.3 terlihat di bawah wadukdibangun rumah pusat tenaga, di dalam rumah tersebut terdapat turbinpelton dengan sudu-sudunya, yang menerima semprotan air dari nosel-nosel, sehingga roda turbin berputar. Air dari turbin kemudian dialirkanke sungai. Air waduk mempunyai beda tinggi H, sehingga air mempunyaienergi potensial, yang akan mengalir sampai ke turbin air. Pada sudu-sudu turbin, energi aliran diubah menjadi energi mekanik yaitu putaranroda turbin. Apabila roda turbin dihubungan dengan poros generator listik,maka energi mekanik putaran roda turbin diubah menjadi energi listrikpada generator. Dari uraian di atas, dapat ditarik kesimpulan bahwa turbin air akanmengubah energi kinetik air menjadi energi mekanik, yaitu putaran rodaturbin. Pada kondisi aktual, tidak semua energi potensial air dapat diubahmenjadi energi mekanik pada turbin, pasti dalam proses perubahanterdapat kerugian-kerugian. Dari hal tersebut dapat didefinisikan efisiensidari turbin yaitu perbandingan daya pada turbin dengan daya air padawaduk. Adapun perumusannya adalah ; η = daya keluaran mekanik daya air pembangkit waduk Air dari waduk akan mengalir dengan kapasitas tertentu dalamsaluran yang menuju turbin. Pada turbin air terdapat pengaturankapasitas untuk memvariasi kapasitas aliran. Pengaturan kapasitas aliranmasuk turbin dimaksudkan untuk merespon beban dan perubahan head.Perubahan head pada waduk terjadi karena curah hujan tidak samasepanjang tahun. Di Indonesia yang beriklim tropis terdapat dua musimyaitu musim kemarau dan penghujan. Pada musin kemarau head padakondisi paling rendah dan sebaliknya pada musim penghujan head palingtinggi Disamping turbin pelton untuk pembangkitan seperti di atas, dapatdigunakan jenis turbin air lainnya. Dengan menggunakan dasar mekanikafluida kita dapat menentukan energi potensial aliran, daya turbin, dankarakteristik turbin air lainnya.Contoh soal 1Dengan kapasitas tertentu dan head tertentu sebuah pembangkit listriktenaga air mempunyai daya air sebesar P = 180000 KW, sedangkandaya yang dihasilkan turbin adalah P = 160000 KW. Hitung efisiensiturbin tersebut !.Jawab :Efisiensi turbin adalah perbandingan daya turbin dengan daya air. Darirumus efisiensi turbin yaitu 160000KW = 0,888. 180000KW 407

A. Sejarah Turbin Air Orang Cina dan Mesir kuno sudah mengunakan turbin air sebagaitenaga penggerak. Pada gambar 20.4 adalah contoh turbin air palingkuno, biasa dinamai roda air. Roda air dengan poros horizontal dipasangpada aliran sungai, sebagian dari roda air dimasukan ke aliran sungai,sehingga buket-bucket terisi air dan terdorong. Karena dorongan itulahroda air berputar. Karena teknologinya masih kuno, roda air hanyamenghasilkan daya rendah dengan efisiensi rendah. poros roda air roda air bucket -bucketpondasi air sungai Gambar 20.4 Roda air kuno Perkembangan teknologi turbin kelihatan berkembang cepat mulaiabad 18 dan 19. Daya dan efisiensi turbin yang dihasilkan semakin tinggidan sejak saat itu, turbin mulai diproduksi komersial di industri-industri.Pada tahun 1750, J.A. Segner membuat roda jalan dimana roda jalan inimenerima gaya impuls dari jet air sehingga dapat memutar turbin. Padatahun 1824, Burdin orang Prancis, mengenalkan desain turbinnya untukdesertasi, selanjutnya pada tahun 1827, Fourneyron membuat turbindengan diameter roda jalan 500 mm, dapat menghasilkan daya 20 - 30kW [gambar 20.5] poros vertikal sudu pengarah roda jalan Gambar 20.5 Turbin Fourneyron408

Pada tahun 1850, seorang insinyur Inggris yaitu Francismengenalkan teknologi turbinnya, turbin ini kemudian dinamakanmenggunakan namanya yaitu Francis. Turbin francis terdiri dari sudupengarah dan roda jalan, Aliran air masuk turbin melalui sudu pengarah,selanjutnya masuk roda jalan. Pada tahun 1870, Prof Fink memperbaikiturbin francis, yaitu dengan memodifikasi sudu pengarahnya. Sudupengarah dapat diatur untuk merespon kapasitas aliran air yang masukturbin [gambar 20.7 A] Pada tahun 1890, insinyur Amerika yaitu Pelton, mengenalkanturbinnya, yang kemudian dinamakan menggunakan namanya pelton.Prinsip turbin ini berbeda dengan turbin francis, turbin peltonmenggunakan prinsip impuls. Roda jalan pada turbin ini terdiri daribucket-bucket yag akan menerima semprotan air dari nosel-nosel.Karena semprotan air dari nosel, bucket -bucket pada roda jalanmenerima gaya impuls sehingga dapat menghasilkan torsi pada porosturbin [gambar 20.6, 22.7 B] Prof Kaplan pada tahun 1913 membuat turbin untuk beroperasipada head yang rendah. Turbin ini terdiri dari roda jalan dengan suduyang mirip dengan baling baling. Selanjutnya prof Kaplanmengembangkan turbin ini dengan sudu yang dapat diatur. Nama turbinmenggunakan namanya yaitu Turbin Kaplan [gambar 20.7 A]roda peyeimbang bucket -bucket bantalan poroskonstruksi penyangga pengatur nosel nosel Gambar 20.6 Turbin Fourneyron 409

rotor turbin francis A Sudu jalan sudu pengarahporos turbin sudu jalan atau runner turbin pelton B nosel bucket -bucket turbin kaplan C pengatur sudu sudu pengarah sudu jalan atau baling baling Gambar 20.7 Tipe turbin air yang paling populer410

B. Instalasi Pembangkit Tenaga Air Sebelum melakukan pembangunan pusat pembangkit listriktenaga air, diperlukan uji kelayakan terhadap sumber air yang akandimanfaatkan energi potensialnya. Terutama ketersedian head dankapasitas terpenuhi dari bendungan atau waduk untuk beban yangdirancang. Ada beberapa kategori head tersedia yang diklasifikasikansebagai berikut [gambar 20.8]; 1. head tinggi ( lebih dari 240 m) 2. head sedang ( 30 m to 240 m) 3. head rendah ( kurang dari 30 m ) tandon air waduk Dam Dam bendungan turbinarus sungai turbin penstokhead rendah head sedang head tinggi Gambar 20.8 Tingkat head sumber air Setelah mengetahui ketersedian head yang ada, selanjutnyamenentukan jenis turbin dan beban yang terpasang. Beban yangterpasang atau daya ke luaran yang direncankan tidak boleh melampauidari ketersedian energi potensial air, karena efisiensi maksimum operasitidak akan tercapai dan dari segi ekonomis merugikan. Berikut iniklasifikasi dari jenis pembangkit dilihat dari daya ke luaran turbin ; 1. Large-hydro; daya ke luaran sampai 100 MW 2. Medium-hydro; daya ke luaran mulai 15 - 100 MW 3. Small-hydro;daya ke luaran mulai 1 - 15 MW 4. Mini-hydro daya ke luaran mulai 100 kW- 1 MW 5. Micro-hydro ;daya ke luaran sampai dari 5kW - 100 kW 6. Pico-hydro ;daya ke luaran sampai 5kW 411

Adapun bagian bagian yang penting dari instalasi dari pembangkitlistrik tenaga air adalah sebagai berikut [Gambar 20.9] ; A. Pintu air Bagian ini terletak pada pinggir bendung dan akan mengontrol kondisi air yang akan dialirkan. Air yang ke luar harus dijamin bersih dari sampah-sampah seperti batang dan ranting pohon, batu dan kerikil ayau sampai lainnya yang dapat membahayakan instalasi. Pada pintu air juga harus dapat menghentikan laju aliran air, apabila saluran harus dikosongkan. B. Saluran air atau conduit sistem Bagian ini berfungsi menyalurkann air dari bendungan menuju turbin. Bentuk saluran dapat berbentuk saluran terbuka, pressure shaft, tunnel, atau penstock. Saluran ini dibuat dengan cara penggalian atau pengeboran, dindingnya dengan dinding batu. Material penstock dari baja C. Turbin Turbin berfungsi mengubah energi potensial fluida menjadi energi mekanik yang kemudian diubah lagi menjadi energi listrik pada generator. Komponen-komponen turbin yang penting adalah sebagai berikut ; 2 Sudu pengarah, biasanya dapat diatur untuk mengontrol kapasitas aliran yang masuk turbin 2 Roda jalan atau runner turbin, pada bagian ini terjadi peralihan ari energi potensial fluida menjadi energi mekanik 2 Poros turbin, pada poros turbin terdapat runner dan ditumpu dengan 2 bantalan radial dan bantalan axial 2 Rumah turbin, biasanya berbentuk keong atau spiral, berfungsi untuk mengarahkan aliran masuk sudu pengarah 2 Pipa hisap, mengalirkan air yang ke luar turbin ke saluran luar412

waduk atau alran sungai dum atau bendungan rumah turbin penstok turbin pipa hisap saluran buang413 Gambar 20.9 Instalasi turbin air

C. Energi Potensial Aliran Airmuka air energi listrik aliran listrik energi dam ataupotensial bendungan energi turbin kinetik saluran penstok energi mekanik buang generator turbin Gambar 20.10 Perubahan energi pada instalasi turbin air414

Air yang mengalir melalui saluran mempunyai energi dan energitersebut dapat diubah bentuknya [gambar 20.10], adapun perubahanbentuk energinya oleh Bernoulli dirumuskan sebagai berikut ; W = m ⋅ g ⋅ z + m p + m c 2 (Nm) ρ2Jadi selama mengalir, energi potensial dapat berubah bentuk menjadibentuk lainya yaitu energi potensial, energi tekanan, dan energikecepatan.C.1. Head airApabila ruas kanan dan kiri dibagi dengan mg, maka persamaan di atasmenjadi persamaan tinggi jatuh atau head ;H = z + p + c2 = konstan ρ ⋅ g 2g dimana H = tinggi jatuh air atau head total (m) z = tinggi tempat atau head potensial (m) p = tinggi tekan atau head tekan (m) ρ ⋅g c2 = tinggi kecepatan atau head kecepatan (m) 2g Pada tiap saat dan posisi yang ditinjau dari suatu aliran di dalampipa akan mempunyai jumlah energi ketinggian tempat, tekanan, dankecepatan yang sama besarnya. Persamanan Bernoulli umumnya ditulisdalam bentuk persamaan ;z1 + p1 + c12 = z2 + p2 + c 2 ρ⋅g 2g ρ ⋅g 2 2g Arti dari persamaan di atas adalah pada posisi satu pada gambar20.10 aliran air akan mempunyai kecepatan dan tekanan tertentu,perubahan energi terjadi karena terjadi perubahan penampang. Karenaluas penampang menjadi kecil, kecepatan aliran airnya naik, sedangkantekanannya menjadi turun. Jadi posisi dua energi kecepatannya lebihbesar dari pada posisi satu, dan energi tekanan pada posisi 2 lebih kecildibanding posisi satu. 415

D. Prinsip Peralian Energi Aliran Aliran zat cair akan mengalami perubahan energi dai bentuk satukebentuk lainnya. Pada persamaan Bernoulli terlihat aliran mempunyaienergi tempat, tekan dan energi kecepatan. Proses perubahan energidari energi aliran menjadi energi mekanik dapat dilihat pada gambar20.11. Dari gambar tersebut menunjukkan model perubahan ada duacara yaitu prinsip impuls dan prinsip reaksi. Prinsip impuls dapat dijelaskan sebgai berikut. Pada gambar 20.11adalah sebuah papan beroda sehingga dapat berjalan, pada papandipasang sudu. Apabila sudu disemprot air, aliran air akan menumbuksudu dengan gaya impuls F, dan sudu akan terdorong dengan arah yangsama dengan gaya yang bekerja, maka papan akan berjalan searahgaya F. Jadi gerakan papan searah dengan gaya yang beraksi padasudu. Ini adalah prinsip dasar dari turbin impuls. Faksi Freaksi F F impuls atau aksi reaksi c1 c1 c2 c2 Gambar 20.11 Prinsip impuls dan reaksi416

roda jalan pelton runner turbin francis c1 c1 c2buket c2 suduGambar 20.12 Prinsip impuls dan reaksi pada roda jalan pelton danfrancis Prinsip reaksi dapat dijelaskan sebagai berikut. Turbin akanberputar karena dilewati air dari bejana, artinya sudu turbin akan bereaksidengan gaya yang berlawanan arah dengan gaya yang diberikan aliranair.E. Daya Turbin Bila diketahui kapasitas air dan tinggi air jatuh H, dapat ditentukandaya turbin P ( kW) yaitu ; P = Q ⋅ ρ ⋅ g ⋅ H [daya potensial air] dimana P = daya (potensial air) turbin (kW) Q = kapasitas atau debit air (m3/dtk) g = percepatan gravitasi (kg/m2) H = tinggi jatuh air (m) 417

massa aliran dapat dihitung dengan persamaan ; •• m = Q ⋅ ρ dimana m = adalah laju aliran masa ( kg/dtk)perhitungan daya persamaan di atas dapat diubah menjadi • P = m⋅ g ⋅ H atau • P = m⋅ Y Y = kerja spesifik (J/kg) Y = g ⋅ HDaya potensial air pada instalasi apabila dikalikan dengan efisiensi turbinair terpasang maka daya turbin dengan tinggi jatuh air sebesar H adalah P = Q ⋅ ρ ⋅ g ⋅ H.ηt dengan ηT = efisiensi turbindari perumusan terlihat bahwa daya turbin sangat bergantung dari besarkapasitas aliran air dan tinggi jatuh air.c1 c1 = kecepatan absolut masuk u = kecepatan roda turbin c2 = kecepatan absolut ke luarc2 c2u Daya yang dihasilkan dari proses konversi energi pada sudu-suduturbin adalah : P = Q.ρ (. u1c1u − u2c2u ) [daya poros turbin] dengan c1u = kecepatan absolut masuk arah u c2u = kecpatan absolut ke luar arah uapabila daya potensial air dan daya poros tubin bila disamakan akandidapat persamaan : P = Q.ρ.(u1c1u − u2c2u ) = Q ⋅ ρ ⋅ g ⋅ H ⋅ηT (. u1c1u )− u2c2u = g ⋅ H ⋅ηT .H = (u1c1u )− u2c2u [head turbin] gη T Secara sederhana dapat dinyatakan bahwa semakin tinggi tinggijatuh air, dengan kapasitas aliran sama, akan mempuyai energi potensial418

yang lebih besar dibandingkan dengan tinggi jatuh air yang lebih rendah.Logika tersebut juga berlaku sebaliknya, yaitu untuk tinggi jatuh air yangsama, energi potensial yang dimiliki akan lebih besar apabila kapasitasaliran air juga besar. Untuk menentukan luas penampang saluran aliran air masuk turbindapat dihitung dengan persamaan kontinuitas yaitu ; Q = A ⋅ v sehingga A = Q v dimana A = luasan penampang saluaran (m2) v = kecepatan aliran air (m/dtk)Kecepatan aliran air akan besar pada penampang yang semakin kecil,pada kapasitas aliran air yang sama. Adapun kecepatan pancaran airyang ke luar dari nosel (turbin pelton) adalah : c1 = 2gH m/sdiameter pancaran air d = 0,54 Q m H 0,5F. Kecepatan Putar Turbin dan Kecepatan Spesifik Kecepatan putar turbin harus diusahakan setinggi mungkin, karenadengan kecepatan putar turbin yang tinggi ukuran turbin menjadi kecilsehingga lebih menguntungkan. Kecepatan spesifik juga sangat pentingdalam perancangan, karena dengan mengetahui nq kita dapatmenentukan tipe roda turbin . Adapun persamaan nq adalah sebagaiberikut; Q nq = n 4 H 3 dimana nq = kecepatan spesifik (rpm) n = kecepatan putar turbin (rpm) Suatu turbin yang bekerja pada tinggi jatuh dan kapasitas air yangberbeda, dan bekerja pada putaran yang ditentukan, apabila mempunyaikecepatan spesifik yang sama, maka secara geometri bentuk turbintersebut adalah sama. Hubungan antara jumlah nosel dengan keceptan sepesifik adalahsebagai berikut.nq = nqT dimana nqT = kecepatan spesifik pada z nosel (rpm) z z = jumlah nosel terpasang 419

G. Perhitungan Performasi Turbin Turbin air sebagai salah satu alat konversi energi mempunyaibeberapa keunggulan, diantaranya yang paling penting adalah sumberenerginya adalah berlimpah dialam. Tetapi dibandingkan dengan mesinkonversi lainnya turbin air efisiensinya total masih rendah. Hal inidisebabkan karena kehilangan energi pada proses konversi sangatbanyak. Mulai dari saluran-saluran air, diturbin sendira dan faktor-faktorlainnya. Untuk mendapatkan gambaran tentang performasi turbin air dibawah ini diberika contoh perhitungan unjuk kerja dari turbin pelton Sebuah turbin pelton dipasang di sebuah instalasi PLTAmempunyai 4 buah nosel. Adapun data-data yang lainnya adalah : Tinggiair jatuh 500 m, kapasitas alirannya 60 m3/menit, putaran turbin 180 rpm[ f= 60Hz], dan daya yang dihasilkan 160.000 KW,.Periksa apakahpemasangan turbin pelton dengan 4 nosel sudah efektif. dam roda pelton beda tinggi buket generator atau head airnosel air ke luar Gambar 20.13 instalasi PLTA dengan turbin air jenis pelton 6 nosel420

Diketahui : H = 500 m Q = 60 m3/dtk n P = 180 rpm (f = 60Hz) D = 160.000 KW = 4400 mmJawab:Daya air instalasi PLTA P = Q ⋅ ρ ⋅ g ⋅ H = 60x1000x9,8x500 = 294000000WP = 249.000 KWDaya turbin pelton P = 200.000KWEfisiensi instalasi : ηT = 200000 x100 = 80% 249000 c1 c2 c2 c2 tegak lurus u` u = c1/2Perhitungan daya dapat dihitung dengan perumusan P = Q.ρ (. u1c1u − u2c2u )karena c2 tegak lurus dengan arah u maka c2u = 0 ; u = u1 ; jadi P = Q.ρ.u1c1u dengan c1u = c1Menghitung kecepatan pancaran air dari nosel : c1 = 2gH c1 = 2x9.8x500 = 99 m/spada efisiensi maksimum u = c 1/2 u = 99/2 = 49,5 m/s P = Q.ρ.u1c1u = 60x1000x49,5x99 = 294000000 w 421

P = 294000 KWPeriksa kecepatan spesifiknya untuk satu nosel masih didaerah yangdijinkan pada nq = n Q untuk satu nosel nq = nqt 4 H3 nq = nqt = 180 60 = 13,19 4 5003nila nqt = 13,19 di luar daerah yang dijinkan atau turbin akan bekerja tidaknormal dan tidak efektif, untuk itu perlu ditinjau pemakain beberapa nosel,untuk instalasi turbin pelton di atas digunakan jumlah nosel 4 buahseperti terlihat pada gambar 20.13 Untuk 4 nosel nilai nq adalah : nq = nqT z nq = 13,19 = 6,6 4dengan instalasi 4 nosel pada turbin pelton , sangat tidak efektif karena diluar daerah diijinkan karena Hmax terlampaui. Untuk operasi yang normalinstalasi harus dipasang turbin pelton dengan 2 nosel dengan Hmax yangoptimal. Untuk 2 nosel kecepatan spesifiknya adalah nq = 13,19 = 9,3 2putaran turbin : 4 H3 500 0, 75 Q 60 0, 5 n = nq = 9,3 = 127 m/sSoal.1. Hitung efisiensi turbila apabila sbuah instalasi PLTA mempunyai tinggijatuh air 700 m dengan kapasitas alirnya 102 m3/dtk apabila daya turbinyang dihasilkan 250000 KW?2. Periksa apakah instalasi PLTA yang mempunyai H = 700 danmenggunakan 4 buah nosel turbin pelton. Turbin berputar 210 rpm.Efisiensi turbin pelton sebesar 84%. Kapa422

BAB 21 KLASIFIKASI TURBIN AIR Dari perumusan Bernouli, menunjukkan bahwa daya air dari suatualiran mempunyai bentuk energi yang berbeda-beda. Pada prosesperalihan keseimbangan energi antara energi masuk ke mesin tenagadisatu pihak dengan energi mekanis yang dapat diteruskan oleh mesintenaga ditambah energi yang ikut ke luar bersama-sama air buangandipihak lain. Persamaan keseimbangan tinggi jatuh air adalah sebagaiberikut;z1 + p1 + c12 =ηt ⋅ H + z2 + p2 + c 2 ρ⋅g 2g ρ ⋅g 2 2gηt ⋅H = z1 − z2 + p1 − p2 + c12 − c 2 ρ ⋅g 2 2gdari persamaan tersebut, suku sebelah kanan adalah jumlah energi yangdipakai oleh sudu jalan turbin untuk diubah menjadi energi mekanis.generator kincir air aliran air sungai pondasi sluran buang Gambar 21.1 Kincir air Pada gambar 21.1 adalah gambar kincir air. Kincir air adalah jenisturbin air yang paling kuno, sudah sejak lama digunakan olehmasyarakat. Teknologinya sederhana, material kayu dapat dipakai untukmembuat kincir air, tetapi untuk opersi pada tinggi jatuh air yang besar 423

biasanya kincir air dibuat dengan besi. Kincir air bekerja pada tinggi jatuhyang rendah biasanya antar 0,1 m sampai 12 meter, dengan kapasitasaliran yang berkisar antara 0,05 m3/dtk sampai 5 m3/dtk. Dari datatersebut pemakai kincir air adalah di daerah yang aliran airnya tidakbesar dengan tinggi jatuh yang kecil. Putaran poros kincir air berkisarantara 2 rpm sampai 12 rpm.A. Turbin Impuls atau Turbin Tekanan SamaA.1. Turbin pelton Prinsip dari turbin impuls sudah dijelaskan pada kincir air. Turbinimpus bekerja dengan prinsip impuls. Turbin jenis ini juga disebut turbintekanan sama karena aliran air yang ke luar dari nosel, tekanannyaadalah sama dengan tekanan atmosfer. Sebagai contoh pada gambar21.2 adalah turbin pelton yang bekerja dengan prinsip impuls, semuaenergi tinggi dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin dirubahmenjadi energi kecepatan. Pancaran air tersebut yang akan menjadi gayatangensial F yang bekerja pada sudu roda jalan. Kecepatan pancaran airdari nosel adalah sebagai berikut ; c1 = 2 ⋅ g ⋅ H Djarum katup dair tekanantinggi Gambar 21.2 Turbin inpuls dan proses penyemprotan Turbin pelton beroperasi pada tinggi jatuh yang besar [gambar21.4]. Tinggi air jatuh dihitung mulai dari permukaan atas sampai tengah-tengah pancaran air. Bentuk sudu terbelah menjadi dua bagian yangsimetris, dengan maksud adalah agar dapat membalikan pancaran airdengan baik dan membebaslan sudu dari gaya-gaya samping [gambar21.3]. Tidak semua sudu menerima pancaran air, hanya sebagaian -424

bagaian saja scara bergantian bergantung posisi sudut tersebut. Jumlahnoselnya bergantung kepada besarnya kapasitas air, tiap roda turbindapat dilengkapi dengan nosel 1 sampai 6. Adapun penampangkonstruksi sudu jalan dari pelton beserta noselnya dapat dilihat padagambar 21.2 Ukuran-ukuran utama turbin pelton adalah diameter lingkar suduyang kena pancaran air, disingkat diameter lingkaran pancar dandiameter pancaran air. Pengaturan nosel akan menentukan kecepatandari turbin. Untuk turbin-turbin yang bekerja pada kecepatan tinggi jumlahnosel diperbanyak Hubungan antara jumlah nosel dengan keceptansepesifik adalah sebagai berikut.nq = nqT z dimana nqT = kecepatan spesifik pada z nosel (rpm) z = jumlah nosel terpasangPengaturan nosel pada turbin poros vertikal dan horizontal dapat dilihatpada gambar 21.4 dan 23.5 Gambar 21.3 Roda jalan turbin pelton 425

dam roda pelton beda tinggi atau head air buket generatornosel air ke luar Gambar 21.4 Instalasi Turbin Pelton poros horizontal426

air waduk listrik tegangan tinggi bendungan atau dam trafo step up penstokhead air generator roda pelton katup pengatur pembuangan Gambar 21.5 Instalasi turbin pelton poros vertikal buket jarum katup deflektorGambar 21.6 Pengaturan nosel pada turbin pelton 427

A.2. Turbin aliran ossberger Pada turbin impuls pelton beroperasi pada head relatif tinggi,sehingga pada head yang rendah operasinya kurang efektif atauefisiensinya rendah. Karena alasan tersebut, turbin pelton jarang dipakaisecara luas untuk pembangkit listrik skala kecil. Sebagai alternatif turbinjenis impuls yang dapat beroperasi pada head rendah adalah turbinimpuls aliran ossberger atau turbin crossflow. Pada gambar 21.7 adalahturbin crossflow, konstruksi turbin ini terdiri dari komponen utama yaitu ; 1. Rumah turbin 2. Alat pengarah 3. Roda jalan 4. Penutup 5. Katup udara 6. Pipa hisap 7. Bagian peralihan Aliran air dilewatkan melalui sudu sudu jalan yang berbentuksilinder, kemudian aliran air dari dalam silinder ke luar melului sudu-sudu.Jadi perubahan energi aliran air menjadi energi mekanik putar terjadi duakali yaitu pada waktu air masuk silinder dan air ke luar silinder. Energiyang diperoleh dari tahap kedua adalah 20%nya dari tahap pertama. bagian peralihan alat pengarah roda jalan katup udara rumah turbin penutup pipa hisap Gambar 21.7 Konstruksi dari turbin impuls ossberger428

silinder sudu bankipengarah Gambar 21.8 Aliran air masuk turbin ossberger Air yang masuk sudu diarahkan oleh alat pengarah yang sekaligusberfungsi sebagai nosel seperti pada turbin pelton. Prinsip perubahanenergi adalah sama dengan turbin impuls pelton yaitu energi kinetik daripengarah dikenakan pada sudu-sudu pada tekanan yang sama.B. Turbin Reaksi atau Turbin Tekan LebihB.1. Turbin Francis Turbin francis adalah termasuk turbin jenis ini [gambar 21.9].Konstruksi turbin terdiri dari dari sudu pengarah dan sudu jalan, dankedua sudu tersebut, semuanya terendam di dalam aliran air. Air pertamamasuk pada terusan berbentuk rumah keong. Perubahan energiseluruhnya terjadi pada sudu pengarah dan sudu gerak. Aliran air masukke sudu pengarah dengan kecepatan semakin naik degan tekanan yangsemakin turun sampai roda jalan, pada roda jalan kecapatan akan naiklagi dan tekanan turun sampai di bawah 1 atm. Untuk menghindarikavitasi, tekanan harus dinaikan sampai 1 atm dengan cara pemasanganpipa hisap. Pengaturan daya yang dihasilkan yaitu dengan mengatur posisipembukaan sudu pengarah, sehingga kapasitas air yang masuk ke rodaturbin dapat diperbesar atau diperkecil. Turbin francis dapat dipasangdengan poros vertikal dan horizontal [gambar 21.10] 429

Gambar 21.9 Aliran air masuk turbin Francis Gambar 13.8 Gambar 21.10 Instalasi turbin francisB.2. Turbin Kaplan Tidak berbeda dengan turbin francis, turbin kaplan cara kerjanyamenggunakan prinsip reaksi. Turbin ini mempunyai roda jalan yang miripdengan baling-baling pesawat terbang [gambar 21.7]. Bila baling-balingpesawat terbang berfungsi untuk menghasilkan gaya dorong, roda jalanpada kaplan berfungsi untuk mendapatkan gaya F yaitu gaya putar yang430

dapat menghasilkan torsi pada poros turbin. Berbeda dengan roda jalanpada francis, sudu-sudu pada roda jalan kaplan dapat diputar posisinyauntuk menyesuaikan kondisi beban turbin [gambar 21.11]. Turbin kaplan banyak dipakai pada instalasi pembangkit listrktenaga air sungai, karena turbin ini mempunyai kelebihan dapatmenyesuaikan head yang berubah-ubah sepanjang tahun. Turbin kaplandapat beroperasi pada kecepatan tinggi sehingga ukuran roda turbin lebihkecil dan dapat dikopel langsung dengan generator. Pada kondisi padabeban tidak penuh turbin kaplan mempunyai efisiensi paling tinggi, hal inidikarenakan sudu-sudu turbin kaplan dapat diatur menyesuaikan denganbeban yang ada Gambar 11.8 Gambar 21.11 Turbin kaplan dengan sudu jalan yang dapat diatur 431

Gambar 21.12 Instalasi pembangkit dengan turbin kaplanC. Perbandingan Karakteristik Turbin Gambar 21.13 Perbandingan karakteristik Turbin432

Dapat dilihat pada gambar 21.13 terlihat turbin kaplan adalah turbinyang beroperasi pada head yang rendah dengan kapasitas aliran air yangtinggi atau bahkan beroperasi pada kapasitas yang sangat renah. Hal inikarena sudu-sudu trubin kaplan dapat diatur secara manual atau otomatisuntuk merespon perubahan kapasitas Berkebalikan denga turbin kaplan turbin pelton adalah turbin yangberoperasi dengan head tinggi dengan kapasitas yang rendah. Untukturbin francis mempunyai karakteritik yang berbeda dengan lainnya yaituturbin francis dapat beroperasi pada head yang rendah atau beroperasipada head yang tinggi 433

BAB 22 DASAR REFRIGERASI DAN PENGKONDISIAN UDARA Udara panas menyebabkan rasa tidak nyaman untuk beraktifitas.Kondisi akan semakin parah apabila orang bekerja atau beraktifitas didalam ruang yang tertutup dengan sirkulasi udara yang terbatas. Udaradengan kelembaban tinggi dapat menimbulkan rasa tidak nyaman, hal inikarena pada kondisi tersebut orang menjadi mudah berkeringat. Untukmengatasi kondisi tersebut, udara di dalam ruangan harus dikondisikansehingga mempunyai karakteristik yang cocok dengan kondisi tubuhorang yang menempati ruangan. Di dalam suatu ruangan yang udaranya dikondisikan, temperaturdan kelembaban udara dapat dikontrol sampai kondisi dimana penghuniruangan merasa nyaman. Peralatan yang dapat dipakai untukpengkondisian udara biasanya adalah air conditioner (AC), humidifier(pelembab), fan atau blower. Disamping untuk mengontrol temperaturudara, AC dapat digunakan sekaligus untuk sirkulasi sehingga kondisiudara tetap bersih. Fan dan bower hanya digunakan untuk sirkulasi udarasaja. Air conditioner atau alat pengkondisi udara termasuk jenis mesinyang bekerja mengikuti siklus termodinamika yaitu siklus kompresi uapatau daur kompresi uap. Fluida kerja yang dipakai untuk daur ini biasadinamakan refrigeran. Daur kompresi uap diaplikasikan pada mesin-mesin refrigerasi.Sebagai contoh adalah freezer, mesin ini banyak dipakai untukmengkondiskan benda pada suhu rendah. Sebagai contoh bahan panganseperti buah-buahan, sayur-mayur, makanan kaleng, atau lainnya seringditempatkan di dalam freezer supaya lebih awet dan tetap segar. Freezerbanyak dipakai industri makanan atau industri obat untuk pegawetan.A. Klasifikasi Mesin Refrigerasi Mesin refrigerasi berdasarkan cara kerjanya dibagi menjadi tigayaitu ; 1. Mesin refrigerasi daur kompresi uap 2. Mesin refrigersi daur absorpsi 3. Pompa kalor434

Mesin refrigerasi daur kompresi uap banyak dipakai untuk mesinmesin pengkondisi udara skala kecil, fluidanya menggunakan refrigerankhusus [gambar 22.1]. Untuk mesin refrigerasi absorpsi biasanya dipakaiuntuk skala besar pada industri. Fluida kerja yang dipakai ada duamacam yaitu sebagai absorpsi dan fluida sirkulasi. Pompa kalormerupakan jenis mesin refrigasi untuk pemanasan ruangan dengan caramemanfaatkan kalor yang dibuang dari kondensor Udara ruanganTempat Evaporator Pipafreezer kapiler Kondesor Kompresor Gambar 22.1 RefrigeratorB. Penggunaan Mesin refrigerasi secara umum digunakan untuk pengkondisianudara suatu ruangan, rumah atau industri, sehingga setiap orang yangberada pada ruagan tersebut akan merasa nyaman. Berikut ini adalahcontoh penggunaan mesin referigerasi;B.1 Pengkondisian udara untuk industri Pada industri terdapat banyak benda yang dapat menimbulkanpanas seperti mesin-mesin, peralatan komputer, dan jumlah karyawan 435

yang banyak. Hal ini dapat menyebabkan kondisi lingkungan yang tidaksegar, kotor dan lembab. Kelembaban yang tinggi dapat menyebabkanperalatan cepat korosi atau berkarat. Untuk peralatan komputer yangberoperasi pada temperatur di atas normal dapat menimbulaknkerusakan. Pemasangan pengkondisi udara menjadi penting sehinggatemperatur dan kelembaban dapat datur.B.2. Pengkondisian udara untuk Laboratorium Peralatan-peralatan pada laboratorium biasannya harus besih danhigines, tidak boleh terkontaminasi dengan penyakit dan kotoran.Kelembaban udara harus dijaga pada kondisi dimana orang yang bekerjamerasa nyaman dan juga menjamin tidak terjadi kondisi dimanakelembaban cocok untuk perkembangan jamur atau penyebab penyakitlainnya. Kebutuhan pengkondisi udara juga disesuaikan denganfungsinya. Misalkan untuk pengujian peralatan yang akan beropersi suhurendah hingga -20o C.B.3 Pengkondisian udara Ruang Komputer Komputer adalah perangkat yang dapat menjadi sumber panaskarena komponen-komponenannya , sedangkan kalau komputer bekerjapada kondisi dimana udara panas akan terjadi hank. Dengan alasantersebut, pemasangan pengkondisi udara harus tepat. Fungsi utamapada kondisi tersebut adalah mengontrol temperatur.B.4 Instalasi penkondisian udara pada Instalasi power plant Fungsi utama dari pengkondisian udara pada kondisi ini adalahuntuk memperoleh udara nyaman dan bersih. Lingkungan yangcenderung kotor karena polusi dan panas yang berlebih menjadi masalahutama pada power plant. Sebgai contoh pada instalasi pembangkit listriktenaga uap dan gas, dari proses pembakaran dihasilkan gas pembakaranbertemperatur tinggi, sebagian akan hilang kelingkungan yang akanmenyebabkan kenaikan temperatur lingkungan. Karena hal tersebut,pengkondisi udara berfungsi untuk menyetabilkan temperatur sehinggatetap nyaman, terutama pada ruangan tempat pengendali pembangkit.B.5. Pengkondisian udara pada rumah tangga Rumah tinggal berfungsi untuk tempat berkumpulnya anggauta keluarga, tempat menyimpan benda-benda mulai dari bahan makanansampai pakaian. Fungsi utama dari pengkondisi udara pada rumahtangga adalah menjaga temperatur dan kelembaban udara pada kondisiyang dianggap nyaman untuk beristirahat. Pada rumah tangga jugabanyak dipakai mesin pendingin untuk mengawetkan bahan makanandan untuk keperluan pembuatan balok es untuk minuman.436

B.6. Pengkondisian udara untuk Automobil Pada mobil penumpang, pengkondisi udara dipakai untukmengontrol suhu dan kelembaban sehingga udara tetap segar danbersih. Sumber utama beban pendinginan adalah dari radiasi mataharilangsung dan juga dari orang-orang yang mengendarai ataumenumpang. Permasalahan pengkondisian udara biasanya padapenggerak kompresor AC, penggerak ini adalah dari putaran porosengkol, sehingga dapat mengurangi daya dari mesin, terutama padabeban tinggi.B.7. Penyimpanan dan pendistribusian Daging, ikan, sayur mayur dan buah buah sangat mudahmembusuk sehingga diperlukan perlakuan khusus untuk pengawetan.Salah satu metodenya adalah dengan pendinginan. Metode pendinginandimaksudkan untuk membunuh kuman-kuman dan memperlambat prosespenguraian alamiah sehingga dengan proses ini kondisi bahan makanantadi dapat bertahan sampai beberapa bulan. Urutan proses pengawetanbahan makan dengan pendinginan adalah sebagai berikut ; a. Pembekuan Proses pembekuan bahan makanan sampai -30 0C dapat dilakukan dengan cara sebagai berikut ; 2 peniupan dengan kecepatan tinggi kearah timbunan paket makanan 2 pembekuan sentuh, meletakan bahan-makanan diantara pelat- pelat logam 2 pembekuan celup, mencelupkan bahan makanan ke air garam yang bersuhu rendah 2 pembekuan hamparan dengan aliran fluida, paket makanan dihamparkan di atas conveyor kemudian di tiup udara dingin. b. Ruang penyimpanan Ruang atau gudang penyimpanan berguna untuk menyimpan bahan makan setelah pemanenan, karena tidak semua hasil panen dikonsumsi atau dijual. Untuk bahan makanan yang mudah membusuk peyimpanannya harus dengan pendingianan. Untuk menjaga agar tetap awet dan segar, bahan makanan disimpan sampai suhu -20 0C atau lebih rendah lagi. c. Distribusi Setelah proses peyimpanan di dalam gudang, bahan makanan kemudian didistribusikan untuk dijual ke pasar-pasar atau toko-toko. Proses pendistribusian juga harus dilengkapi mesin pendingin, sehingga bahan makanan tidak membusuk. 437

C. Sistem Pengkondisian Udara Teknik pengkondisian udara adalah teknik memidahkan panas dariatau ke suatu rungan sehingga diperoleh temperatur dan kelembabanudara yang diinginkan. Mesin yang dapat melakukan perpindahan ituadalah heat pump. Ada dua macam pompa kalor bergantung darikebutuhan akan panas atau tidak membutuhkan panas. Mesin pompapanas yang menyerap panas dari suhu ruangan kemudian dibuangkelingkungan disebut mesin pendingin. Sedangkan mesin pompa kaloryang menyerap panas dari lingkungan untuk dipakai untuk memanasiiruangan disebut pompa kalor Tujuan dari memindahkan panas dari satu tempat ke tempat lainnyaadalah untuk mengkondisikan udara dengan temperatur dan kelembabanyang pas untuk kenyamanan, atau untuk lainnya seperti pengawetan, danpengeringan. Sebagai contoh ruangan kelas untuk proses belajar mengajar, padamusim panas atau kemarau, ruangan cenderung panas pada waktuproses pengajaran. Beban pendinginan diperoleh dari suhu lingkungan,radiasi matahari, para siswa dan guru. Beban pendinginan paling besardiperoleh dari pemanasan radiasi matahari. Dengan menganalisis beban-beban pendinginan, dapat dibuat rancangan sistem untukmengkondisikan udara di dalam ruangan kelas menjadi nyaman untukproses pengajaran. Seandainya indikasi kenyamanan kelas hanya terpaku padatemperatur saja, misalkan temperatur ruang kelas pada 25 0C yaitu samadengan temperatur di luar kelas, proses pengkondisian udara harusdapat mencapai temperatur tersebut. Sebagai contoh penyelesaiannyaadalah dengan memasang kipas sedemikian hingga sirkulasi udaralancar, ditambah dengan pemasangan tabir matahari pada jendela kacauntuk megurangi efek radiasi panas matahari. Kalau kebutuhan kenyamanan dirasa pada temperatur yang lebihrendah lagi, misalkan pada 18 0C, sehingga harus dipasang airconditioner (AC) yang mampu mengkondisikan udara sampai temperaturtersebut. Jendela-jendela kaca harus dengan tabir matahari ditutup untukmenghindari beban pendinginan yang besar dari radiasi matahari. ACakan bekerja menyerap kalor dari ruangan kelas kemudian dibuangkelingkungan di luar kelas. Karena ruang kalas, sebagian kalor nyadiserap AC, temperaturnya menjadi turun. Biasanya berbarengan denganproses penyerapan kalor kelembaban udara juga ikut berubah karenatemperatur turun, ada sebagian uap air di dalam kelas mengembun,sehingga kadar uap air di dalam ruangan kelas menurun. Dari contohtersebut terlihat bahwa proses pengkondisian udara bukan berarti hanyaproses pendinginan, tetapi proses untuk pencapaian temperatur yangdirasa nyaman bagi pengguna ruangan [gambar 22.4]438

ducting udara segar udara ke luar AC sentarl Gambar 22.2 Instalasi penyegar udara rumahD. Peralatan Pengkondisian udara Dari uraian di atas bahwa sistem pengkondisian udara bertujuanuntuk mencapai kondisi dimana udara ruangan mempunyai temperaturdan kelembaban yang dirasa nyaman bagi pengguni ruangan tersebut.Adapun alat-alat untuk mengkondisikan udara ruangan sampaitemperatur dan kelembaban yang diinginkan adalah sebagai berikut; 2 Koil pendingin. Koil pendingin adalah pipa pipa yang membawa refrigeran dan dilewatkan pada ruangan yang akan didinginkan. Koil pendingin adalah bagian evaporator dari mesin refrigerasi 2 Koil pemanas. Koil pemanas adalah pipa pipa yang membawa refrigeran dan dilewatkan pada saluran udara yang akan dikondisikan. Koil pemanas adalah bagian kondensor dari mesin refrigeasi. 2 Fan atau kipas. Sebagai alat untuk menarik atau mendorong fluida ke luar atau masuk ruangan. Sebagai alat sirkulasi udara. 439

2 Pelembab udara atau humidifier. Pelembab udara adalah alat yang dapat merespon kondisi kelembaban udara sehingga dapat menambah kelembaban udara yang dikondisikan. Alat ini dapat menyemprotkan uap air ke udara untuk meningkatkan kelembaban udara tersebut. 2 Katup-katup dan damper -damper untuk mengontrol aliran udara dan cairan refrigeran 2 Sensor-sensor untuk merespon kondisi udara. Alat tersebut seperti termostat, sensor kecepatan, humidistat, selektor tekanan, freezestat, dan lainnyaE. Beban Pemanasan dan Pendinginan Sebelum melakukan pengkondisian udara di dalam suatu ruangankita harus mengetahui faktor-faktor yang mempengaruhi karakteristikudara di dalam ruangan, terutama dua indikator penting yaitu temperaturudara dan kelembaban udara. Untuk daerah daerah beriklim subtropis yang terdapat musimdingin, kondisi udara dapat dalam keadaan ekstrim, temperatur di bawahnol dan kecendrungan udara kering atau kelembaban udaranya kering.Oleh karena itu, pengkondisian udara ruangan pada daerah beriklimsubtropis pada musim dingin bertujuan untuk pemanasan dan menaikkankelembaban udara sampai pada kondisi udara yang nyaman. Sehinggasemua faktor-faktor yang mempengaruhi proses pemanasan disebutdengan beban pemanasan. Sebagai contoh adalah kondisi ruangan yaitumodel ventilasi, lampu-lampu terpasang, model dari jendela, dan kondisilainnya [gambar 22.3]. Kondisi sebaliknya dengan kondisi daerah subtropis, pada daerahtropis kebanyakan ruangan-ruangan akan mengalami pemanasansepanjang tahun dengan kelembaban udara yang tinggi, oleh karena itupengkondisian udara pada daerah ini diarahkan untuk proses penurunantemperatur dan kelembaban sampai kondisi udara yang dirasa nyaman.Semua faktor yang mempengaruhi proses tersebut di atas disebutdengan beban pendinginan. Sebagai contoh beban pendinginan adalahradiasi panas matahari pada siang hari yang dominan, kondisi yang adadalam ruangan, misalkan peralatan yang dapat menjadi sumber panas,seperti lampu-lampu, peralatan elektronik, kompor masak, oven kue danlainnya yang mengeluarkan panas [gambar 22.3]. Di bawah ini beberapamacam proses perpindahan kalor dari atau ke sebuah bangunan rumah.a. Transmisi, yaitu kehilangan kalor atau perolehan kalor yangdisebabkan oleh beda suhu dari kedua sisi elemen bangunan q = UA(t0 − tt ) Watt denagn UA = 1/Rtot, W/K Rtot = hambatan total K/W440

U = koefisien perpindahan kalor total W/m2.K A = luas permukaan m2 (t0-tt) = beda suhu luar dan dalam, Kb. Panas matahari yaitu perolehan kalor matahari karena rambatanenergi matahari melaui benda tembus atau tidak tembus cahaya. qsg = AIt (τ + Nα ) ( permukaan tembus cahaya) Watt It = intensitas radiasi pada permukaan luar (W/m2) τ = faktor transmisi N = fraksi radiasi yang diserap dan diteruskan ke dalam ruangan α = Faktor penyerapan (absorpsi) qw = U w A(t e − ti ) (permukaan tak tembus cahaya) Watt dengan te = suhu udara matahari Kc. Perembesan udara (infiltrasi) yaitu kehilangan atau perolehan kalorkarena perembesan udara luar ke dalam ruangan yang dikondisikan. ( )o qisensibel = 1,23Q t0 − tt ; ( )o qilatent = 3000 Q W0 − Wt o dengan Q = laju volumetrik udara luar, L/dtk W = rasio kelembaban air terhadap udara kg/kgd. Sumber dalam (internal) yaitu perolehan energi yang disebabkan olehpelepasan energi di dalam ruangan ( lampu-lampu,orang, peralatan, dansebagainya) qlampu = (Fu)( Fb)(CLF) Watt (lampu-lampu) dengan Fu = faktor penggunaan atau fraksi penggunaan lampu yang terpasang Fb = faktor balast untuk lampu-lampu fluerescent = 1,2 untuk fluerescent biasa CLF = faktor beban pendinginan qorang = q perorang xΣorangxCLF (perorang) Untuk perhitungan beban penghangatan faktor faktor utama yangperlu diperhatikan adalah beban penghangatan transmisi termal, danbeban penghangatan perembesan udara (infiltrasi). Sedangkan untukperhitungan beban pendinginan faktor-faktor utama adalah beban sumberinternal (lampu-lampu dan orang), dan beban panas matahari. 441

suhu lingkungan > dalam rumah Q ventilator Q temperatur ruangan yang dikondisikanpermukaa tak tembustembok pemanas AC lampu Q Q jendela kaca di luar rumah masuk Qke luar di dalam rumah Gambar 22.3 Beban pendinginan442

suhu lingkungan rendah di bawah0 0C < dalam rumah Qloss Q temperatur ruangan yang dikondisikanpompa kalor pemanas la mpu Qlampu Qloss dalam rumahpompa kalor kompressor luar rumahGambar 22.4 Beban pemanasan 443

F. Kualitas Udara Setiap mahluk hidup pasti membutuhkan udara untuk hidup,demikian juga kita sebagai manusia, udara sangat penting, mulai banguntidur sampai tidur lagi kita selalu berinteraksi dengan udara lingkunganterutama untuk pernafasan. Dengan alasan tersebut sangatlah pentinguntuk selalu menjaga kualitas dari udara. Salah satu cara dalam teknikpengkondisian udara adalah dengan pemasangan ventilasi pada ruanganruangan. Fungsi ventilasi adalah untuk menyegarkan kondisi lingkungandengan udara segar. Model ventilasi disesuaikan dengan kebutuhan dariruangan yang akan dikondisikan. Untuk ruangan dengan tingkatpengotoran tinggi harus dibedakan dengan ventilasi dengan pengotoranrendah. Perlu diperhatikan juga bahwa ventilasi sangat berpengaruhterhadap beban pengkondisian untuk penghangatan atau pendinginan.Jadi perancangan ventilasi harus cocok dengan kebutuhanpengkondisian. Perumusan model laju pemasukan udara adalah : ooo V = Vr + Vm o dengan V = laju pemasukan udara untuk ventilasi L/dtk o V = laju aliran daur ulang, L/dtk o V m = laju udara luar minimum untuk pengguni tertentu oo o = Vo + Vm E Vr o V o = laju udara luar untuk pengguni tertentu ( merokok/tidak merokok) L/dtk E = efisiensi alat penyingkir pengkotor udara oleh alat pembersihTabel 24.1 Kebutuhan udara luar untuk ventilasiFungsi ruangan Perkiraan kebutuhan udara luar perorang, L/dtk pengguni per 100 Merokok Tidak merokok m2 luas lantaiKantor 7 10 2,5Ruang 60 17,5 3,5pertemuan danruang tungguLoby 30 7,5 2,5444

Soal :1.Tentukan laju ventilasi, laju udara luar dan laju daur ulang pada sebauhgedung pertemuan dari suatu bangunan kantor jika tidak merokokdijinkan. Sebuah alat pembersih diapakai dengan efisiensi E = 70%Diketahui o V m = 3,5 L/dtk o V o = 17,5 L/dtk [ laju kebutuhan udara perorang] E = 60/100 oo o = Vo − Vm E Vr o = 17,5 − 3,5 = 20 L/dtk 70 /100 Vr ooo V = Vr + Vm o V = 20 + 3,5 = 23,5 L/dtkadi kebutuhan laju pemasukan udara untuk ventilasi adalah 23,5 L/dtkperorang2. Tentukan laju udara ventilasi yang diperlukan untuk pengkondisianruangan lobi dimana meroko tidak diijinkan, alat pembersih yang dipakaimempunyai efisiensi E = 80. o V o = 7,5 L/dtk [ laju kebutuhan udara perorang] E = 80% o = 7,5 − 2,5 = 6,25 L/dtk 80 /100 Vr ooo V = Vr + Vm o V = 6,25 + 2,5 =8,75 L/dt per orang 445

BAB 23 SIKLUS KOMPRESI UAPA. Prinsip Kerja Mesin refrigerasi dan pompa kalor adalah mesin yang bekerjamenyerap kalor dari lingkungan bersuhu rendah kemudian dipindahkankelingkungan bersuhu tinggi . Pada gambar 23.1 adalah cara kerja mesintersebutlingkungan hangat Ruang hangat masuk ke luar masuk ke luar Lingkungan dingin ruangpendinginrefrigerator pompa kalor Gambar 23.1 Prinsip dasar dari mesin pendingin dan pemanas446

Refrigerator atau mesin pendingin bekerja dengan menyerap kalorpada suhu rendah ( di dalam ruangan) kemudian dibuang ke suhu yanglebih tinggi ( di luar ruangan). Pompa kalor bekerja dengan menyerapkalor pada suhu rendah ( di luar ruangan) kemudian dibuang ke suhuyang lebih tinggi ( di dalam ruangan). Jadi perbedaan dari kedua sistemtersebut adalah pemanfaatan kalornya. Untuk refrigerator, kalor harusdibuang kelingkungan, tetapi untuk pompa kalor, kalor harus diambil darilingkungan untuk pemanasan.COPHP = efek pemanasan = QH COPRF = efek pndinginan = QL kerja masuk Wnet ,in kerja masuk Wnet ,inCOPHP = COPRF + 1 Mesin refrigerasi ini bekerja menggunakan siklus atau daurkompresi uap, dimana fluida kerjanya disebut dengan refrigeran. Dasardari daur ini dikembangkan dari daur refrigerasi carnot. Secara skematikdaur refrigerasi carnot ini dapat dilihat pada gambar 23.2 dan 25.3 lingkungan hangat lingkungan dingin Gambar 23.2 Daur refrigersi carnot 447

2 Gambar 23.3 Diagram t-s daur refrigerasi carnotProses kerjanya adalah sebagai berikut;1-2 Proses penyerapan kalor QL isotermal oleh refrigeran dari suhu rendah TL2-3 Proses kompresi adiabatis dan temperatur menjadi TH.3-4 Proses pengeluaran kalor QH isotermal oleh refrigeran pada suhu tinggi TH refrigeran berubah fasa dari uap jenuh menjadi cairan jenuh4-1 Proses ekspansi adiabatis sehingga temperatur turun mejadi TLDari proses kerja tersebut dapat dirumuskan koefisien prestasi yangdirumuskan sebagai berikut COPHP ,carnot == TH 1 COPRF ,carnot = 1 TL 1 − TL −1 THB. Daur Refrigerasi Kompresi Uap Daur refrigerasi carnot menghasilkan efisiensi sistem paling tinggisehingga daur ini sering menjadi acuan. Tetapi proses kerja yangmenggunakan daur refrigerasi carnot dalam aplikasinya tidak praktis dansulit untuk diwujudkan. Seperti telah dibahas sebelumnya untuk prosespenyerapan kalor dan pembuangan kalor secara isotermal tidak adamasalah [ proses 1-2 dan 3-4], kondisi ini dapat dibuat tanpa mengalamikesukaran. Penyerapan kalor dengan evaporator dan pembuangan kalordengan kondensor. Kesulitan muncul apabila kita mengkompresi fluidadengan kondisi dua fasa antara cairan dan uap [proses 2-3]. Kemudiankesulitan terjadi juga apabila kita mengekspansi fluida dalam keadaancairan [proses 4-1] Untuk mengatasi permasalahan tersebut dibuat solusi sebagaiberikut;448

2 Proses kompresi 2-3 harus berlangsung pada kondisi uap semua pada kompresor 2 Proses ekpansi 4-1 fluida pada turbin diganti diekspansikan pada katup ekspansiApabila siklus carnot digambar ulang dengan mengubah kedua haltersebut di atas didapat siklus atau daur kompresi uap, diagram skemadan T-S dapat dilihat pada gambar [gambar 23.2 dan 25.3]Proses kerjanya adalah sebagai berikut;1-2 Proses kompresi adiabatis pada kompresor2-3 Proses pengeluaran kalor isobarik pada kondensor3-4 Proses trotling pada katup ekspansi4-1 Proses penyerapan kalor isobarik pada evaporatorDari proses kerja tersebut dapat dirumuskan koefisien prestasi yangdirumuskan sebagai berikutCOPHP == QH COPRF ,carnot = QL W net , in Wnet , in lingkungan hangat katup ekspansi kompresor tempat pendinginan Gambar 23. 4 Daur refrigerasi kompresi uap 449

Cair jenuh Uap jenuhGambar 23.5 Diagram t-s siklus kompresi uap mengembun ekspansi kompresi menguapAir jenuh Uap jenuh Gambar 23.6 Diagram p-h daur kompresi uap Siklus kompresi uap yang telah dibahas di atas adalah sikluskompresi uap ideal, semua proses dianggap mampu balik dan tidak adakerugian. Akan tetapi proses seperti itu tidak dapat dilaksanakan, sebagaicontoh untuk proses kompresi uap pada kompresor tidak mungkin tanpakerugian, karena ada gesekan dan timbul panas selama proses kompresijadi prosesnya tidak adiabatis lagi (1-2’). Proses aliran uap masuk450

evaporator (2-5) dan kondensor (6-8) tidak mungkin tanpa mengalamipressure drop. Adapun siklus aktual dapat dilihat pada gambar sebagaiberikut [gambar 23.7] lingkungan hangat kondensor katup ekspansi kompresor tempat pendinginan pressure dropGambar 23.7 Daur kompresi uap aktual 451

Fluida kerja yang dipakai pada sistem refrigerasi kompresi uapadalah fluida kerja dengan karakteristik khusus yaitu mampu mengembundengan baik, mampu menguap dengan baik dan mempunyai daya serapkalor yang baik. Sifat-sifat ini sangat dibutuhkan karena pas denganjalannya proses sistem daur kompresi uap. Refrigen yang mudahmengembun akan melepas panas yang baik kelingkungan di kondensorPada gambar terlihat refrigen akan melepas panas dalam prosespengembunan sebesar QH, pada akhir proses pengembunan refrigensepenuhnya menjadi cair (titik 3). Sifat penguapan yang baikberpengaruh terhadap kemampuan yang sering dinamakan “efekpendinginan” atau “dampak refrigerasi”, sifat inilah yang paling pentinguntuk pemilihan refrigeran. Pada proses penguapan pada evaporatoradalah proses penyerapan kalor pada “ daerah pendinginan”, pada akhirproses semua refrigeran harus dalm kondisi uap semua (jenuh), jikamasih terdapat cairan akan sangat merugikan pada proses kompresi.C. Peralatan Utama Sistem Refrigerasi Kompresi Uap Peralatan utama yang mendukung sistem daur refrigerasi dapatdijelaskan dengan gambar diagram siklus refrigerasi pada Airconditioning (AC). Adapun komponen komponen utama dari daurkompresi uap pada AC yaitu [1]Kompresor Kompresor adalah sebagai penggerak refrigeran untuk bersirkulasi. [2]Kondensor Kondensor berfungsi untuk membuang kalor dari refrigeran kelingkungan [3]Katup ekspansi Katup ekspansi adalah alat yang berfungsi untuk mengekspansikan refrigeran sehingga tekanannya turun. [4]Evaporator Evaporator adalah tempat dimana kalor dari lingkungan diserap untuk digunakan penguapan refrigeran. Refrigeran cair bertekanan tinggi masuk katup ekspansi, kemudiantekanannya diturunkan sebelum masuk evaporator. Pada evaporatorrefrigeran cair bertekanan rendah menguap dengan menyerap panasdari lingkungan. Uap refrigeran bertekanan rendah kemudian masukkompresor, pada kompresor uap refrigeran dimampatkan sehinggaenerginya bertambah. Uap dengan tekanan tinggi masuk kondensoruntuk diembunkan dengan melepaskan panas ke lingkungan dan darisini prosesnya akan berulang. Secara alamiah semua proses alir terjadi karena ada beda tekan,yaitu dari tekanan lebih tinggi ke tekanan lebih rendah. Jadi tidakmungkin selama refrigeran mengalir tanpa ada penurunan tekanan(pressure drop), hal ini terjadi karena selama mengalir refrigeran banyakkehilangan energi untuk mengatasi hambatan aliran.452

katup ekspansi QL evaporator Tempat udara masuk didinginkankompresor kondensor Gambar 21.8 Kompresor torakQH QH kompresorkondesor katup ekspansiQL evaporator Gambar 23.8 Bagan mesin Air Conditioner 453

D. Refrigeran Fungsi refrigeran pada daur mesin refrigerasi adalah sebagai mediapembawa kalor, yaitu refrigeran pada kondisi tekanan rendah akanmenyerap kalor pada evaporator, kemudian kalor yang diserap akandilepaskan pada kondensor. Sifat paling penting dari pemilihan refrigeranadalah dampak refrigerasinya yaitu jumlah kalor yang dapat diserap padaevaporator per kg nya. Sifat yang lainnya adalah laju aliran uap hisapperkilowattnya, sifat ini akan menentukan pemilihan alat kompresinya. refrigeran Evaporator kondesor Katup ekspansi Tekanan tinggi Tekanan refrigeran rendah Gambar 23.9 Aliran refrigeran di dalam saluran pipaSebagi contoh beberapa refrigeran sebagai berikut ; 2 Udara, penggunaan umum udar sebagai refrigeran adalah di peawat terbang, COP nya rendah 2 Amonia. Instalasi-instalasi bersuhu rendah dan banyak dipakai pada daur refrigerasi absorbsi 2 Refrigeran 12 atau R 12 banyak dipakai pada mesin pendingin rumah tangga dan Ac mobil 2 Refrigeran 22. Karakteristiknya lebih menguntunkan dibandingkan R12 sehingga R 22 banyak dipakai sebagi pengganti R12 untuk mesin refrigerasi Disamping jenis refrigeran yang telah disebutkan di atas, ada satulagu jenis yaitu refrigeran sekunder. Refrigeran sekunder berfungsi untukmenyerap kalor dari komponen-komponen yang didinginkan kemudiandibawa ke evaporator pada sistem refrigerasi. Refrigeran sekundermengalami perubahan suhu selama proses tetapi tidak mengalamiperubahan fasa. Sebagai contoh refrigeran sekunder adalah air, brine(larutan garam) dan larutan anti beku (antifreezes).454

E. Perhitungan Koefisien Unjuk KerjaE.1 COPPenentunan ukuran keefektifan kerja (efisiensi) sistem mesinkonversi energi secara umum biasanya adalah membandingkan antarake luar ( kerja berguna ) dengan masukan ( energi masuk) yaitu :η mke = keluaran (kerja berguna ) energi masukanUntuk aplikasi refrigerasi ukuran kefektifan kerja dari sistem adalahberdasarkan dari tujuan kerja sistem. Pada sistem refrigerasi ke luaranyang diharapkan adalah jumlah panas yang harus dipindahkan ke luarlingkungan yang lebih panas sehingga dari perumusan hukumtermodinamika II perbandingannya sering dinamakan dengan coefesienof performance COP, dirumuskan sebagi berikut :COPHP = QH = h2 − h3 ( mesin panas) W net , in h2 − h1COPRF = QL = h1 − h4 (mesin refrigerasi) Wnet,in h2 − h1E.2 Dampak refrigerasi atau “efek pendinginan” Dampak refrigerasi adalah kemampuan dari sistem untukmelakukan penyerapan panas dari lingkungan, proses ini terjadi padaevaporator, dampak refrigerasi dapat dihitung dengan persamaanDampak refrigerasi = h1 – h4 ( KJ/Kg)E.3. Daya kompresor Daya kompresor adalah daya yang diberikan ke fluida kerja“refrigeran” dengan proses pemampatan. Daya tersebut dipakairefrigeran untuk proses siklus aliran. Daya kompresor dapat dihitungdengan persamaanDaya kompresor = mo (h2 − h1) KWatt odengan m =laju aliran massa refrigeranE.4 Daya refrigerasiDaya refrigerasi didefinisikan sebagai laju kerja pendinginan darisistem refrigerasi. Perhitungan daya refrigerasi adalah kebalikan dariperhitungan COPDaya refrigerasi =1/ COPRF = Wnet,in = h2 − h1 KWatt QL h1 − h4 455