Anna's Life as a Mom & Chemical Engineer

Diajukan untuk memenuhi tugas mata kuliah Termodinamika Teknik Kimia II

Dosen :
Desi Nurandini, ST

Disusun Oleh : Kelompok 3
Dwita Ariyanti H1D108702
Pradifta Hernanda H1D109002
Helda Niawanti H1D109003
Melisa Triandini M. H1D109004
Chandra Deasy K. W. H1D109012
Sasqia Orina S. H1D109015
Choir Muizliana H1D109021
Lestari Budiyarti H1D109023
M. Reza Fahrizal H1D109029
Dessy Triutami H1D109034
Aslamiah H1D109040
Etha Nur Fitriana H1D109059


Pompa Panas (The Heat Pump)
Pompa panas, suatu mesin panas yang dapat balik, adalah suatu alat untuk pemanasan rumah dan bangunan komersil sepanjang musim dingin dan pendingin sepanjang musim panas. Dalam musim dingin beroperasi agar dapat menyerap panas dari lingkungan dan menolak panas ke dalam bangunan itu. Refrigerant diuapkan di dalam yang ditempatkan dibawah coil atau didalam udara yang di luar, uap ditekan diikuti oleh pemadatan, panas yang sedang ditransfer ke udara atau air, yang mana digunakan untuk memanaskan bangunan. Kompresi harus pada suatu tekanan bahwa suhu pengembunan dari refrigerant adalah yang lebih tinggi dibanding temperatur yang dibutuhkan bangunan. Biaya instalasi adalah ongkos energi listrik untuk menjalankan kompresor. Jika unit ini mempunyai koefisien unjuk-kerja, QC / W = 4, panas yang tersedia untuk memanaskan rumah QH memadai; sama dengan 5 kali energi masuk kompresor. Faktor ekonomi menyangkut pompa panas sebagai alat pemanas tergantung pada biaya listrik jika dibandingkan dengan biaya bahan bakar seperti minyak nabati dan gas-alam. Pompa panas juga melayani untuk proses pengaturan suhu sepanjang musim panas. Aliran refrigerant secara sederhana dibalikkan, dan panas diserap dari bangunan dan menolak melalui bawah coil atau ke udara luar.
Sebuah pompa panas adalah mesin atau perangkat mengalirkan panas dari satu tempat pada suhu yang lebih rendah ke tempat lain pada suhu yang lebih tinggi menggunakan kerja mekanik atau suhu tinggi sumber panas. Pompa panas memiliki kemampuan untuk memindahkan energi panas dari satu lingkungan ke yang lain. Hal ini memungkinkan panas pompa untuk membawa panas ke dalam ruang hunian, dan mengambilnya kembali. Pompa panas biasa digunakan untuk menghangatkan rumah dan banngunan selama musim dingin dan mendinginkan ruangan saat musim panas. Pada musim dingin pompa panas beroperasi dengan menyerap panas dari lingkungan (udara dan tanah) dan mengalirkan panas tersebut ke dalam ruangan. Sedangkan pada musim panas, pompa panas menyerap panas dalam ruangan dan mengalirkan panas tersebut ke lingkungan (udara luar dan tanah).
Coefficient of performance = Q_H/W
Definisi umum CP = Q_H/W = Q_H/Q_(H-Q_C ) T_H/(T_H-T_C )

Pompa panas merupakan alat yang mentransfer panas dari medium suhu rendah ke suhu tinggi, skematis diperlihatkan pada gambar di bawah ini :


Gambar 1 Pompa panas men-supply panas QH ke area yang lebih hangat

Lemari pendingin dan pompa panas beroperasi pada siklus yang sama tetapi berbeda tujuannya. Tujuan dari kulkas adalah untuk menjaga ruang pendingin pada suhu rendah dengan membuang panas. Pemakaian panas ke media yang bersuhu lebih tinggi hanyalah sebagian dari operasi, bukan objektifitasnya. Tujuan dari pompa panas, adalah untuk mempertahankan ruang panas pada suhu tinggi. Hal ini dilakukan dengan menyerap panas dari sumber bersuhu rendah, seperti air sumur atau udara dingin di luar musim dingin, dan memasok panas ini ke medium bersuhu tinggi seperti rumah pada gambar berikut :

Gambar 2 Aplikasi penggunaan pompa panas

Sebuah kulkas biasa yang ditempatkan dalam jendela rumah dengan pintu terbuka ke udara luar pada musim dingin akan berfungsi sebagai pompa panas. Kulkas akan mencoba untuk mendinginkan udara luar dengan menyerap panas dari udara luar tersebut dan mengalirkan panas yang diserap menuju ke dalam rumah melalui kumparan di balik kulkas tersebut. Ukuran kinerja suatu pompa panas juga dinyatakan dalam koefisien kinerja COPHP.
Hubungan ini menunjukkan bahwa koefisien kinerja suatu pompa panas selalu lebih besar COPR selama COPR adalah bernilai positif. Artinya, sebuah pompa panas akan berfungsi sebagai resistensi pemanas, dan penyediaan energi. Namun, bagian dari QH hilang ke udara luar melalui pipa dan alat lainnya dan nilai COPHP dapat menurun ketika suhu udara luar terlalu rendah. Ketika hal ini terjadi, sistem biasanya beralih ke resistensi modus pemanasan. Kebanyakan pompa panas dalam operasi hari ini memiliki rata-rata musiman COP 2 sampai 3. Kebanyakan pompa panas yang ada menggunakan udara luar dingin sebagai sumber panas di musim dingin, dan alat ini disebut sebagai pompa panas sumber udara. COP pompa panas adalah sekitar 3,0 pada kondisi desain. Sumber air panas pompa tidak cocok untuk cuaca dingin karena efisiensi mereka menurun tajam ketika suhu di bawah titik beku. Dalam kasus tersebut, panas bumi (juga disebut tanah-sumber) panas pompa yang menggunakan tanah sebagai sumber panas dapat digunakan. pompa panas yang bersumber panas bumi membutuhkan penguburan pipa di dalam 1 m sampai 2 m tanah. Pompa panas tersebut lebih mahal, tetapi juga lebih efisien (sampai 45 persen lebih efisien dari pompa panas bersumber udara). COP dari pompa panas bersumber tanah sekitar 4,0.
Sebuah jendela air conditioning unit mendinginkan ruang dengan menyerap panas dari udara ruangan dan pemakaian ke luar. Unit AC yang sama dapat digunakan sebagai pompa panas di musim dingin dengan menginstal mundur.

Dalam mode ini, unit menyerap panas dari luar dingin dan memberikan kepada ruangan. AC sistem yang dilengkapi dengan kontrol yang cepat dan katup membalikkan usaha sebagai pendingin udara di musim panas dan sebagai panas pompa di musim dingin. Kinerja kulkas dan pendingin udara di Amerika Serikat sering dinyatakan dalam peringkat efisiensi energi (EER), yang jumlah panas yang dikeluarkan dari ruang didinginkan dalam Btu untuk 1 (watthour) Wh listrik dikonsumsi.
Sebuah pompa panas menggunakan cairan intermediet yang disebut pendingin. Pendingin ini berfungsi menyerap panas seperti menguap dan melepaskan panas saat terjadi kondensasi. Pompa panas menggunakan evaporator untuk menyerap panas dari dalam ruangan dan menolak panas ini ke luar melalui kondensor.
Salah satu jenis umum dari pompa panas bekerja dengan memanfaatkan sifat fisik yaitu penguapan dan kondensasi cairan dikenal sebagai refrigerant. Kerja fluida dalam keadaan gas memiliki tekanan dan diedarkan melalui sistem oleh kompresor. Di sisi debit kompresor, panas dan uap bertekanan tinggi didinginkan dalam penukar panas yang disebut kondensor, sampai mengembun menjadi cairan dengan tekanan tinggi. Refrigerant kental kemudian melewati suatu alat penurun tekanan seperti katup ekspansi, kapiler tabung, atau suatu extracting perangkat kerja seperti turbin. Refrigerant cair bertekanan rendah kemudian masuk ke dalam evaporator, di mana cairan menyerap panas dan menguap. Refrigerant kemudian kembali ke kompresor dan siklus diulang.
Refrigerant memiliki jangkauan suhu yang cukup tinggi ketika dikompresi, karena hukum kedua termodinamika menyatakan panas mengalir dari fluida dingin ke yang lebih panas. Praktis, ini berarti refrigerant harus mencapai suhu yang lebih besar daripada ambien sekitar penukar panas suhu tinggi. Demikian pula, cairan harus mencapai suhu yang cukup rendah. Panas tidak dapat mengalir dari daerah dingin ke dalam cairan, sehingga cairan harus lebih dingin daripada ambien sekitar penukar panas. Secara khusus, perbedaan tekanan harus cukup besar agar fluida mengembun di sisi panas dan masih menguap di daerah tekanan rendah di sisi dingin. Semakin besar perbedaan suhu, semakin besar perbedaan tekanan yang dibutuhkan, dan akibatnya banyak energi yang diperlukan untuk memampatkan fluida. Jadi seperti halnya dengan semua pompa panas, Koefisien Kinerja (jumlah panas yang dipindahkan per unit kerja input diperlukan) menurun dengan meningkatnya perbedaan suhu.
Jenis yang palang umum dari heat pump adalah air-source heat pump yang mentransfer panas diantara rumahmu dan udara luar. Jika panas menggunakan listrik, maka heat pump dapat menghamat listrik yang digunakan untuk memanaskan tersebut sebanyak 30-40%. Efisiensi yang tinggi dari heat pump juga menghilangkan kelembaban lebih baik daripada central air conditioner standart, menghasilkan pendinginan yang lebih nyaman di musim panas dengan penggunaan energi yang sedikit. Bagaimanapun juga efisiensi dari air-source heat pump sebagai penyedia panas turun secara drastis pada temperatur yang rendah. Secara umum, air-source heat pump tidak cocok dengan cuaca yang dingin, meskipun sistem dibuat untuk menyelesaikan masalah itu.
Untuk perumahan tanpa pipa, air-source heat pump juga ada di dalamversi tanpa pipa yang disebut mini-split heat pump. Sebagai tambahan, tipe khusus dari air-source heat pump disebut “reverse cycle chiller” menghasilkan air panas dan dingin lebih baik daripada udara, membuatnya dapat digunakan dengan sistem radian floor heating dalam mode pemanas. Efisiensi yang lebih tinggi dicapai dengan biotermal (sumber tanah atau sumber air) heat pump, yang mentransfer panas antara rumah dan tanah atau sumber air terdekat. Walaupun mereka membayar lebih untuk pemasangan, biotermal heat pump mempunyai biaya operasi yang rendah karena mengambil keuntungan dari temperatur tanah atau air yang relatif konstan. Bagaimanapun juga pemasangannya tergantung dari ukuran lahan, lapisan bawah dan atas tanah. Sumber tanah atau sumber air heat pump, dapat digunakan dalam kondisi iklim yang lebih ekstrim dibandingkan air-source heat pump. Jenis baru dari heat pump untuk jenis perumahan adalah heat pump absorbsi, dan juga disebut gas-fired heat pump. Heat pump absorbsi menggunakan panas sebagai sumber energinya, dan dapat dioperasikan dengan bermacam-macam sumber panas.

CONTOH SOAL

Contoh 1:
Suatu rumah dimusim dingin membutuhkan pemanas sebesar 30 kJ/s dan pada musim panas membutuhkan pendingin sebesar 60 kJ/s. Pertimbangan instalasi suatu pompa panas untuk mempertahankan suhu pada 20oC pada waktu musim dingin dan 25oC pada musim panas. Ini memerlukan sirkulasi bahan pendingin melalui bagian dalam exchanger coil pada 30oC di musim dingin dan 5oC di musim panas. Di dalam coil tersedia sumber panas pada waktu musim dingin dan pendingin di musim panas. Untuk sepanjang tahun basis suhu 15oC, karakteristik transfer panas dari coil mengharuskan suhu refrigerant 10oC pada waktu musim dingin dan 25oC di musim panas. Berapa kebutuhan power minimum untuk alat pemanas musim dingin dan alat pendingin musim panas?

Penyelesaian :
Kebutuhan power minimum disajikan oleh suatu Pompa Panas Carnot. Untuk peralatan panas musin dingin, rumah coil adalah di suhu yang tinggi TH, dan kebutuhan panas adalah QH = 30 kJ/s. Aplikasi persamaan (5.7) memberi :


Penyerapan panas dalam coil, diberikan oleh persamaan 9.1 :
W = QH – QC = 30 – 28,02 = 1,98 kJ/s
Kebutuhan power ini adalah 1,98 kJ/s

Untuk pendinginan musim panas, QC = 60 kJ/s, dan rumah coil pada suhu yang rendah TC. Kombinasi persamaan (9.2) dan (9.3) dan menghasilkan W :

Jadi kebutuhan power adalah 4,31 kJ/s.

Contoh 2 :
Mengapa harus mempertimbangkan sebuah sistem cycle kombinasi untuk power plant? (Untuk pompa panas dan refrigerator)

Penyelesaian :
Dual siklus atau sistem siklus kombinasi memiliki keuntungan dari perbedaan kecil antara rentang tinggi dan rendah untuk P dan T. panas dapat ditambahkan pada temperatur yang berbeda mengurangi perbedaan antara T sumber energi dan bahan kerja T. bahan kerja tekanan uap pada T diinginkan dapat dikurangi dari nilai yang tinggi dengan penambahkan siklus topping dengan zat yang berbeda atau memiliki tekanan rendah yang lebih tinggi pada suhu sangat rendah.

Contoh 3 :
Sebuah pompa panas memiliki suhu kondensor 50 ° C dan suhu evaporator 0 ° C. Tentukan koefisien kinerja dari pompa panas untuk cairan bekerja pada R-12, R-22, dan amonia.

Penyelesaian :
Ideal heat pump
Tcond = 50oC = T3
Tevap = 0oC = T1


Contoh 4 :
Sebuah unit pompa panas kecil digunakan untuk memanaskan air untuk persediaan air panas. Asumsikan bahwa unit menggunakan R-22 dan beroperasi pada siklus refrigerasi yang ideal. Suhu evaporator 15 ° C dan suhu kondenser adalah 60 ° C. Jika jumlah air panas yang dibutuhkan adalah 0,1 kg / s, tentukan jumlah energi yang disimpan dengan menggunakan pompa panas untuk memanaskan air dari 15° menjadi 60 ° C.

Penyelesaian :
Ideal R-22 Heat pump
T1 = 15oC, T3 = 60oC
Dari Table :
H1 = 255.02 kJ/kg, S2 = S1 = 0.9062 kJ/kg K
P2 = P3 = 2.427 MPa, h3 = 122.18 kJ/kg
Entropy compressor: S2 = S1 => T2 = 78.4oC, H2 = 282.86 kJ/kg
Energy eq. compressor: WC = h2 - h1 = 27.84 kJ/kg
Energy condenser: QH = H2 - H3 = 160.68 kJ/kg
To heat 0.1 kg/s of water from 15oC to 60oC,
QH2O = m.(Δh) = 0.1(251.11 - 62.98) = 18.81 kW
Menggunakan Heat pump :
WIN = QH2O(WC / QH) = 18.81(27.84/160.68) = 3.26 kW
Energi yang disimpan dari 15.55 kW

Contoh 5 :
Heat pump digunakan untuk memanaskan suatu ruangan di dalam rumah dan mempertahankannya pada suhu 20oC. Suatu hari ketika suhu udara luar turun menjadi -2o C, ruangan kehilangan panas sebesar 80.000 kJ/jam. Jika heat pump pada kondisi ini memiliki COF sebesar 0,5 maka tentukan:
a. Daya yang dikonsumsi oleh pompa panas!
b. Panas yang diserap dari udara luar!

Solusi:
COF dari heat pump diketahui:
Daya yang dikonsumsi dan panas yang dicari.
Asumsi: Kondisi operasi steady.

Daya yang dikonsumsi oleh heat pump ditunjukkan pada gambar 6.25,
Ditentukan dari definisi pada koefisien ditunjukkan sebagai berikut:
Wnet,in = QH = 80000 kJ/Jam = 32.000 kJ/jam
COPHP 2,5

Rumah kehilangan panas sebesar 80.000 kJ/jam

Jika suhu dalam rumah dijaga pada suhu konstan 20o C heat pump harus mengirim panas ke dalam rumah sebesawr 80000 kJ/Jam. Maka ratio transfer panas dari luar menjadi:
QL = QH - Wnet,in = 80.000 kJ/jam - 32.000 kJ/jam = 48.000 kJ/jam

Catatan : 48.000 kJ/jam dari 80000 kJ/Jam panas di transfer ke dalam rumah sebenarnya diambil dari udara luar oleh karena itu kita hanya menggunakan 32.000 kJ/jam . energi itu di suplai sebagai kerja elektrik menuju heat pump.

DAFTAR PUSTAKA

Anonim1. 2008. Heat Pump.
http://en.wikipedia.org/wiki/Heat pump
Diakses pada tanggal 2 Mei 2011

Anonim2. 2008. Space Heating Cooling.
http://www.energysavers.gov/your_home/space_heating_cooling
Diakses pada tanggal 2 Mei 2011

Anonim3. 2009. Heat Pump.
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/heatpump.html
Diakses pada tanggal 2 Mei 2011

Yunus E. Cengel & Michael A. Boles, 2002, Thermodynamics An Engineering Approach, Fifth Edition,Yunus A. Cengel and Michael A. Boles, 4th ed., New York: McGraw-Hill.

Smith, J.M. dkk, 2005, Introduction Chemical Engineering Thermodynamics 7nd Edition, New York: McGraw-Hill.


semoga manfaat ^^