Pengkondisian Udara ( air Conditioner )

2.1       Sejarah Pengkondisian Udara

Awal dari AC (air Conditioner ) sudah dimulai sejak jaman Romawi yaitu dengan membuat penampung air yang mengalir di dalam dinding rumah sehingga menurunkan suhu ruangan , tetapi saat itu hanya orang tertentu saja yang bisa karena biaya membangunnya sangatlah mahal karena membutuhkan air dan juga bangunan yang tidak biasa. Hanya para raja dan orang kaya saja yang dapat membangunnya.

Baru kemudian pada tahun 1820 ilmuwan Inggris bernama Michael Faraday Image menemukan cara baru mendinginkan udara dengan menggunakan Gas Amonia dan pada tahun 1842 seorang dokter menemukan cara mendinginkan ruangan dirumah sakit Apalachicola yang berada di Florida Ameika Serikat. Dr.Jhon Gorrie Image adalah yang menemukannya dan ini adalah cikal bakal dari tehnologi AC (air conditioner) tetapi sayangnya sebelum sempurna beliau sudah meninggal pada tahun 1855.

Willis Haviland Carrier Image seorang Insinyur dari New York Amerika menyempurnakan penemuan dari Dr.Jhon Gorrie tetapi AC ini digunakan bukan untuk kepentingan atau kenyamanan manusia melainkan untuk keperluan percetakan dan industri lainnya. Penggunaan AC untuk perumahan baru dikembangkan pada tahun 1927 dan pertama dipakai disbuah rumah di Mineapolis, Minnesota. Saat ini AC sudah digunakan disemua sektor, tidak hanya industri saja tetapi juga sudah di perkantoran dan perumahan dengan berbagai macam bentuk dari mulai yang besar hingga yang kecil.semuanya masih berfungsi sama yaitu untuk mendinginkan suhu ruangan agar orang merasa nyaman.

2.2       Teori Dasar

Pengkondisian udara adalah pengaturan kondisi udara yang meliputi : Temperatur, kelembaban, Kualitas, dan Sirkulasi. Sistem pengkondisian udara atau Air conditioning system pada dasarnya adalah bagian dari sistem refrigerasi. Ada beberapa definisi yang menjelaskan tentang hakekat dari sistem refrigerasi itu, namun secara umum dapat ditekankan bahwa proses pada sistem refrigerasi adalah bersifat terus menerus (continue) dan menyangkut adanya suatu fenomena pemindahan (transport phenomenon) dari kondisi satu ke kondisi dua dan berlangsung secara siklus / bolak balik.

Siklus Refrigerasi Kompressi Uap

Sistem refrigerasi yang sangat umum diaplikasikan di lapangan adalah sistem siklus kompresi uap atau vapor compression cycle atau siklus pemampatan uap. Media yang digunakan untuk proses ini dinamakan refrigerant. Jenis refrigerant yang digunakan misalnya adalah jenis R-22, R-134a. Jenis refrigerant ini bersifat dapat berubah bentuk sesuai dengan tekanannya yaitu menjadi cair / liquid ataupun menjadi gas pada suatu tekanan tertentu. Saat menjadi gas inilah refrigerant dimampatkan untuk menciptakan tekanannya yang lebih tinggi yang akan berdampak pada naiknya temperatur refrigerant.

Secara skematik, proses refrigerasi nya dapat digambarkan dalam diagram yang dinamakan diagram Mollier yang menggambarkan kondisi yang terjadi pada setiap tekanan pada entalpi nya tersebut.

Terlihat dari gambar skematik, bahwa proses refrigerasi akan mengubah media kerja yaitu refrigerant dari bentuk cair ke bentuk gas (bergerak ke kanan sejajar dengan garis entalpi) dan kemudian kembali lagi berubah bentuk dari bentuk gas ke bentuk cair kembali (bergerak ke kiri sejajar dengan garis entalpi pada tekanan & temperatur yang lebih tinggi dibandingkan pada saat berubahnya menjadi gas) sebagai suatu siklus yang berkelanjutan. Pada tekanan yang lebih tinggi, maka refrigerant akan lebih mudah melepaskan panasnya dan sebaliknya pada tekanannya yang lebih rendah, maka refrigerant akan lebih mudah menyerap / menerima panas. Jika refrigerant menyerap panas dari suatu media di sekitarnya misalnya udara, maka udara yang diserap panasnya itu akan menjadi lebih dingin; nah ini lah yang biasa disebut dengan proses pendinginan.

Tempat terjadinya proses perubahan bentuk refrigerant dinamakan heat exchanger sebagai tempat terjadinya perpindahan panas yaitu saat menerima panas maka heat exchangernya disebut evaporator dimana refrigerant berubah bentuk dari cair menjadi gas dan sebaliknya dari bentuk gas menjadi bentuk cair dan heat exchagernya disebut sebagai condenser.

Sebenarnya komponen utama dari sistem refrigerasi jenis ini adalah:

1. Compressor

2. Condenser

3. Metering device ( Expansion device atau Katup )

4. Evaporator

Kompresor adalah komponen yang merupakan jantung dari sistem refrigerasi. Kompresor bekerja menghisap uap refrigeran dari evaporator dan mendorongnya dengan cara kompresi agar mengalir masuk ke kondenser.

(Kompressor)

Kondenser adalah komponen di mana terjadi proses perubahan fasa refrigeran, dari fasa uap menjadi fasa cair. Dari proses kondensasi (pengembunan) yang terjadi di dalamnya itulah maka komponen ini mendapatkan namanya. Proses kondensasi akan berlangsung apabila refrigeran dapat melepaskan kalor yang dikandungnya. Kalor tersebut dilepaskan dan dibuang ke lingkungan

(Kondensor)

Metering device ( Expansion device atau Katup ). Piranti ini berfungsi seperti sebuah gerbang yang mengatur banyaknya refrigeran cair yang boleh mengalir dari kondenser ke evaporator. Oleh sebab itu piranti ini sering juga dinamakan refrigerant flow controller

(Expansion valve)

Evaporator adalah komponen di mana cairan refrigeran yang masuk ke dalamnya akan menguap. Proses penguapan (evaporation) itu terjadi karena cairan refrigeran menyerap kalor, yaitu yang merupakan beban refrigerasi siste

(Evaporator)

Pada prinsipnya proses kerja dari sistem pengkondisian ini adalah menyangkut tentang PANAS yaitu menambah atau membuang sejumlah panas dari tempat/media yang dikondisikan dan sekali lagi prosesnya adalah terus - menerus sebagai suatu siklus.

Jika media yang dikondisikan adalah udara misalnya untuk proses mendinginkan maka jumlah panas yang terkandung dalam udara yang dikondisikan akan dikurangi; dalam hal ini dapat dikatakan bahwa entalpi dari refrigerant pun dikurangi yang berdampak pada entalpi udara yang berkurang juga dan juga untuk sebaliknya.

Yang perlu diperhatikan / diingat di sini adalah adanya media yang di dinginkan (misalnya udara atau air) dan adanya media yang mendinginkan (biasa disebut sebagai refrigerant / primary refrigerant). Dalam melakukan prosesnya, tentu aja sistem ini sebagai suatu mesin akan membutuhkan energi. Yang umum digunakan adalah energi listrik.

PRINSIP DASAR KERJA AC/PENDINGIN

Sebagaimana disebutkan di atas, kerja AC adalah berupa suatu siklus dengan media kerja yang biasa disebut sebagai refrigerant yang bersirkulasi membentuk siklus tersebut. Refrigerant ini bersifat dapat menyerap panas dan juga dapat membuang panas pada tekanan & temperaturnya masing-masing.

Pada aplikasi di negara tropis / pendingin, maka Refrigerant menyerap panas di evaporator sehingga udara/air/media yang dikondisikan dan ada di sekitar evaporator akan terambil panasnya sehingga menjadi dingin. Panas yang terambil oleh refrigerant itu dibawa ke evaporator melalui hisapan dan dorongan kompressor menuju condenser. Di condenser inilah panas yang terhisap itu dilepaskan karena temperatur refrigerant di condenser ini memang relatif lebih tinggi dari media di sekitar condenser akibat kerja kompressor yang memang menaikkan tekanan yang pada akhirnya menaikkan temperatur. Maka, di condenser ini panas yang terkandung di refrigerant pun terlepas ke udara /media yang ada di sekitar condenser sehingga kandungan panas dalam refrigerant pun kembali berkurang dan kembali ke evaporator lagi melalui metering device dan siap menyerap panas lagi, begitulah seterusnya.

Maka dapatlah dikatakan bahwa dalam hal ini, AC merupakan mesin pemindah panas yaitu dari ruangan yang dikondisikan ke ruang yang tidak dikondisikan. Jumlah panas yang dapat dipindahkan menentukan besarnya kapasitas AC. Hal lain yang dapat dikatakan di sini adalah mengkondisikan media adalah dengan mengatur jumlah panas yang terkandung dalam media tersebut yaitu dengan dikurangi atau ditambah. Misal: untuk mendinginkan udara dalam suatu ruang maka sebagian panas yang terkandung dalam udara di ruang tersebut di serap dan dibuang ke luar ruang. Maka udara dalam ruang pun akan menjadi lebih dingin karena ada sejumlah panas yang sudah "terambil".

Banyaknya panas yang terambil pada satu satuan waktu biasa disebut sebagai kapasitas mesin / unit. Misalnya dalam satuan Btu/H yang menunjukkan banyaknya panas yang diambil atau ditambahkan setiap satu jam lamanya proses pengambilan / penambahan panas. Sedangkan satuan PK (istilah Belanda) atau HP (Istilah Inggris/US) yang biasanya digunakan dalam unit pendingin lebih mengekspresikan tentang kapasitas motor yang digunakan kompressor mesin/unit tersebut untuk bekerja yang erat hubungannya dengan tenaga listrik yang digunakan.

Secara sederhana, seringkali diekspresikan bahwa 1 PK atau 1 HP unit pendingin disetarakan dengan kemampuan unit untuk memindahkan panas sebesar sekitar 9,000 Btu dalam setiap jam-nya. Berarti kalau 3/4 PK, maka jumlah panas yang dapat dipindahkan adalah sekitar 7,000 Btu untuk setiap jam-nya, dst.

2.3       Perkembangan Alat

Sudah banyak  di dunia ini yang menggunakan AC agar suhu ruangan, suhu kamar dan suhu dalam rumah agar tetap stabil dan nyaman untuk tubuh. Maka dari itu berbagai macam jenis AC semakin berdatangan  mulai dari low watt, inverter sampai berplasma.

AC Low Wattage

Daya listrik pada AC Low Wattage sebagian besar dikonsumsi oleh kompresor AC. Teknologi watt kecil menggunakan kompresor yang lebih kecil, sehingga daya listrik lebih kecil. Dan untuk mencapai kemampuan memindahkan panas yang sama (mis : 1 pk = 9000 BTU/hour), salah satu diantaranya adalah dengan memperkuat kipas angin di outdoor unit. Jika volume udara yang ditiup lebih banyak, maka panas yang dibuang juga lebih banyak.

AC konvensional 1 pk pada umumnya memerlukan daya 800 – 880 watt. Sharp Sayonara Panas 3 type AH/AP 9 KHL dengan kapasitas 1 pk hanya 690 watt . Lantas LG dengan Hercules S09LPBX meng claim paling hemat 670 watt.Sang Market Leader kategori AC pernah mencoba dengan ALOWA kapasitas ½ pk, tapi kurang mendapat respons dari pasar. Kini bahkan merk merk dari negara Panda pun (GREE, Chang Hong) ikut meramaikan pasar AC Low Wattage

Dibandingkan AC konvensional, type Low Wattage lebih hemat listrik ± 20% dengan catatan, ada hal-hal yang harus diperhatikan :

Ø  Instalasi pipa AC yang menghubungkan unit indoor dan outdoor < 10 mtr

Ø  Selisih ketinggian antara unit outdoor dan indoor < 3 mtr

Ø  Outdoor lebih berisik

Ø  Laju pendinginan saat pertama dinyalakan lebih lambat

AC Inverter

Teknologi inverter sendiri sudah umum dipakai industri dalam proses produksi dengan tujuan “lebih cepat, lebih hemat dan lebih akurat” (tapi tentu saja harga lebih mahal).Kelebihan tersebut juga berlaku pada AC inverter.

AC inverter menggunakan kompresor dengan arus DC (Direct Current: arus searah), seperti arus listrik yang dihasilkan oleh batu baterai. Berbeda dengan kompresor dengan arus AC (Alternating Current: arus bolak balik) yang mempunyai kecepatan putaran motor yang konstant, motor DC kompresor mempunyai kecepatan putaran yang dapat diatur oleh seberapa besar arus listrik yang diberikan. Bayangkan mobil mainan, dengan baterai baru (arus listriknya kuat) akan ngebut, sementara jika baterainya sudah soak (arus listriknya lemah) jadi pelan.Kata kunci yang kedua adalah regulasi (pengaturan), yaitu mengatur berapa arus listrik yang diberikan kepada kompresor.

Parameternya adalah perbedaan suhu, yaitu antara suhu ruangan yang sebenarnya dan suhu yang kita inginkan (suhu yang tertera di remote AC). Jika perbedaan suhunya besar, maka arus yang diberikan juga besar, supaya kompresor bekerja full power. Bahasa sederhananya, jika kamar belum dingin, ayo dinginkan secepat kamu bisa. Ini adalah kelebihan pertamanya yakni “Lebih Cepat”.

Setelah beberapa saat suhu kamar turun (menjadi lebih dingin), sehingga perbedaan suhunya juga menjadi lebih kecil, maka arus menjadi lebih kecil, supaya kompresor bekerja slow down. Demikian seterusnya, pada akhirnya kompresor bekerja setengah hati dengan penggunaan arus listrik yang minimal. Ini kelebihan kedua “Lebih Hemat”.

AC konvensional menggunakan thermostat untuk menjaga suhu kamar yang kita inginkan. Dalam arti, suhu yang di set sudah tercapai, maka kompresor mati. Setelah beberapa lama kamar menjadi kurang dingin, kompresor menyala kembali. Pada AC inverter dengan regulasinya, kompresor tidak pernah mati-nyala, suhu kamar lebih stabil. Kelebihan ketiga “Lebih Akurat”Sehingga dibandingkan AC konvensional, type AC Inverter lebih hemat listrik ± 60%.

Selain penggunaannya dalam produk customer appliances, teknologi inverter juga digunakan pada bermacam-macam produk yang menggunakan motor, seperti lift, robot, power steering listrik dan sepeda listrik. Selain itu, teknologi ini juga digunakan dalam produk non-motor seperti perangkat memasak elektromagnetik dan lampu neon.

4.1       Jawab Tugas dari Modul

1. Sebutkan dan jelaskan jenis-jenis Freon yang anda ketahui?

1.    Chlorofluorocarbon CFC

2.    Amoniak

3.    Hidrokarbon (propana, etana, etilene dll)

4.    Karbondioksida

5.    Udara

6.    Air

Amoniak

Kelebihan: murah, COP tinggi sehingga biaya operasional rendah, sifat termodinamika bagus, mudah dideteksi apabila terjadi kebocoran, bukan ODS (Ozone Depleting Substance)

Kekurangan: beracun.

Chlorofluorocarbon CFC

Dengan merek dagang Freon, refrigeran jenis ini adalah yang paling banyak dipakai. Tetapi karena sifatnya yang berupa ODS maka pemakaiannya di negara-negara maju sudah sangat dibatasi. Jenis-jenis freon antara lain R-11 (AC dengan kapasitas besar), R-12 (AC dan freezer dalam rumah tangga), R-22 (heat pump dan AC bangunan komersial dan industri besar), R-502 (chiller  supermarket) dll.  Jenis Freon yang bukan ODS adalah R-134a.

Hydrocarbons seperti methane CH4, isobutane C4H10, dan propane C3H8 sering digunakan sebagai bahan bakar dan biasa dijual dalam kemasan kaleng. Methyl klorida CH3Cl juga biasa digunakan sebagaimana CH2Cl2.

Air sebagai refrigerant masih digunakan terus sampai sekarang sebagai media pemindah panas pada sistem air conditioner yang menggunakan cooling tower yang mana bekerja efektif dimana kelembaban lingkungan cukup rendah untuk menghasilkan tingkat penguapan yang bagus. Sistem ini banyak digunakan di Amerika.

Hal-hal yang perlu diperhatikan dalam pemilihan refrigeran:

1.      Temperatur media yang akan didinginkan.

Disini perlu perbedaan temperatur yang cukup antara media dan refrigeran (yang optimal 5~10°C). Misal, untuk mendinginkan media pada temperatur -10°C maka temperatur refrigeran adalah sekitar -20°C.

Hal lain yang perlu diperhatikan adalah tekanan minimum (tekanan dalam evaporator) dalam sistem harus sedikit lebih besar dari tekanan atmosfer untuk mencegah masuknya udara masuk dalam sistem perpipaan. Dengan kata lain refrigeran harus mempunyai tekanan jenuh sedikit lebih besar dari 1 atm pada -20°C (dalam contoh di atas).

2.      Temperatur media dimana panas dibuang

Temperatur ini akan menentukan temperatur minimum refrigeran. Misal, untuk refrigerator rumah tangga maka refrigeran tidak boleh dibawah 40°C (kondisi Indonesia). Juga tekanan jenuh dari refrigeran di kondenser harus dibawah tekanan kritisnya.

2. Jelaskan perbedaan AC KOnvensional ( model lama ), AC Low watt dan AC Inverter

AC Konvensional

AC Konvensional tentu Anda sudah tahu, karena sejak AC dikeluarkan jenis AC ini sudah ada atau istilahnya “Kakek Buyutnya” AC . Namun seiring berkembangnya waktu dan adanya kemajuan teknologi, berbagai varian AC bermunculan diantaranya AC Low Wattage dan AC Inverter.

AC konvensional menggunakan thermostat untuk menjaga suhu kamar yang kita inginkan. Dalam arti, suhu yang di set sudah tercapai, maka kompresor mati. Setelah beberapa lama kamar menjadi kurang dingin, kompresor menyala kembali.

AC Low Watt

Daya listrik pada AC Low Wattage sebagian besar dikonsumsi oleh kompresor AC. Teknologi watt kecil menggunakan kompresor yang lebih kecil, sehingga daya listrik lebih kecil. Dan untuk mencapai kemampuan memindahkan panas yang sama (mis : 1 pk = 9000 BTU/hour), salah satu diantaranya adalah dengan memperkuat kipas angin di outdoor unit. Jika volume udara yang ditiup lebih banyak, maka panas yang dibuang juga lebih banyak.

Dibandingkan AC konvensional, type Low Wattage lebih hemat listrik ± 20% dengan catatan, ada hal-hal yang harus diperhatikan :

        Instalasi pipa AC yang menghubungkan unit indoor dan outdoor < 10 mtr

        Selisih ketinggian antara unit outdoor dan indoor < 3 mtr

        Outdoor lebih berisik

        Laju pendinginan saat pertama dinyalakan lebih lambat

AC Inverter

Pada AC inverter dengan regulasinya, kompresor tidak pernah mati-nyala, suhu kamar lebih stabil. Kelebihan ketiga “Lebih Akurat”Sehingga dibandingkan AC konvensional, type AC Inverter lebih hemat listrik ± 60%.

Beberapa keuntungan yang Anda dapatkan daripada AC Inverter:

        Waktu yang lebih cepat untuk mencapai suhu ruangan yang kita inginkan.

        "Tarikan" pertama pada listrik 1/3 lebih rendah dibandingkan AC yang tidak menggunakan teknologi inverter.

        Lebih hemat energi dan uang karena teknologi ini menggunakan sumber daya yang 30%lebih kecil dibandingkan AC biasa. Beberapa merk air conditioner bahkan mengklaimdapat menghemat listrik hingga 60% dibanding AC tanpa inverter. Dapat menghindari beban yang berlebihan pada saat AC dijalankan.

3. Sebut dan jelaskan jenis-jenis compressor AC yang ada di pasaran?

Ø Kompresor Torak

Kompresor model torak terdiri dari beberapa bentuk gerak torak yakni:

a.tegak lurus                c.aksial            e.menyudut

b.memanjang               d.radial

Untuk menghisap dan menekan zat pendingin dilakukan oleh gerakan torak di dalam silinder kompresor.

Ø Kompresor Rotary

Rotor adalah bagian yang berputar di dalam stator. Rotor terdiri dari dua baling-baling. Langkah hisap terjadi saat pintu masuk mulai terbuka dan berakhir setelah pintu masuk tertutup. Pada waktu pintu masuk sudah tertutup dimulai langkah tekan, sampai katup pengeluaran membuka, sedangkan pada pintu masuk secara bersamaan sudah terjadi langkah hisap, demikan seterusnya.

4. Sebut dan jelaskan macam-macam dan jenis heat exchanger yang anda ketahui

Heat exchanger merupakan alat penukar panas (kalor). Pengertian dalam hal ini komponen dapat di fungsikan sebagai pendingin ataupun pemanas, tergantung tinjauan manfaat yang dimaksudkan.

System penghantaran panas dapat dilakukan melalui media:

Ø  Fluid to fluid heat transfer

Penghantaran sejumlah kalor pada media fluida ke media fluida lain dimana masing-masing memiliki nilai kalor yang berbeda. Contoh: plat to plat heat exchanger dimana masing-masing fluida dipisahkan oleh plat tipis sekaligus sebagai transfer kalor diantara keduanya.

Ø  Air to air heat transfer

Pengahantaran sejumlah kalor pada media udara ke udara  yang mempunyai perbedaan  sejumlah kalor. Contoh : rotary heat exchanger, sejumlah udara panas berhembus pada sisi separo dari komponen  roda besar yang berputar dimana separo sisi yang lain dialiri oleh udara yang lebih dingin. Komponen roda yang berputar merupakan media penukar kalor diantara keduanaya.

Ø  Fluid to air heat transfer

Sistem penghantaran kalor yang dapat berlaku sebaliknya. Contoh: cooling tower, mengunakan media udara segar untuk mendinginkan sejumlah air lewat hembusan yang bersinggungan lansung dengan titik-titik air yang dikucurkan dengan maksud memperluas luasan contac pendinginan.

KESIMPULAN dan SARAN

5.1       Kesimpulan

Siklus refrigerasi adalah siklus kerja yang mentransfer kalor dari media bertemperatur rendah ke media bertemperatur tinggi dengan menggunakan kerja dari luar sistem. Secara prinsip merupakan kebalikan dari siklus mesin kalor (heat engine). Dilihat dari tujuannya maka alat dengan siklus refrigerasi dibagi menjadi dua yaitu refrigerator yang berfungsi untuk mendinginkan media dan heat pump yang berfungsi untuk memanaskan media.

Siklus refrigerasi dapat diklasifikasikan sebagai berikut,

1.      Siklus kompresi uap (vapor compression refrigeration cycle) dimana refrigeran mengalami proses penguapan dan kondensasi, dan dikompresi dalam fasa uap.

2.      Siklus gas (gas refrigeration cycle), dimana refrigeran tetap dalam kondisi gas.

3.      Siklus bertingkat (cascade refrigeration cycle), dimana merupakan gabungan lebih dari satu siklus refrigerasi.

4.      Siklus absorpsi (absorption refrigeration cylce), dimana refrigeran dilarutkan dalam sebuah cairan sebelum dikompresi.

5.      Siklus termoelektrik (thermoelectric refrigeration cycle), dimana proses refrigerasi dihasilkan dari mengalirkan arus listrik melalui 2 buah material yang berbeda.

Kinerja suatu refrigerator dan heat pump dinilai dari besarnya koefisien kinerja (coefficient of performance COP) yang didefinisikan sebagai berikut,

Harga COP_R dan COP_HP umumnya lebih besar dari satu dimana COP_HP = COP_R + 1 untuk suatu rentang tekanan kerja yang sama.

Daftar Pustaka

Diktat Termodinamika Lanjut Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada

Diktat kuliah KONVERSI ENERGI TEKNIK PENDINGIN Oleh : SANTOSO BUDI