POMPA KALOR

Pompa Kalor (Heat Pump) dan Refrigerasi

1. PENGERTIAN

Heat pump atau pompa kalor adalah suatu sistem yang dapat menyerap kalor dari suatu tempat kemudian membuangnya di tempat lain. Pompa kalor dapat digunakan sebagai pendingin jika memanfaatkan sisi penyerapan kalor , inilah yang disebut dengan sistem refrigerasi.  Sebaliknya pompa kalor juga dapat digunakan sebagai pemanas jika memanfaatkan sisi pembuangan kalornya. Contoh sederhana pompa kalor adalah air conditioner. Air conditioner menyerap kalor yang ada diruangan kemudian membuangnya ke luar ruangan.

Untuk memahami prinsip pompa kalor maka analogi pompa air dapat digunakan karena secara prinsip keduanya tidak berbeda. Air secara alami akan mengalir dari tempat yang tinggi ke tempat yang rendah. Untuk mengalirkan air dari tempat yang rendah ke tempat yang tinggi dibutuhkan suatu alat (pompa)  dan usaha/kerja/energi dari luar (mekanik). Dengan menggunakan pompa, maka air yang ada di tempat yang lebih dapat dihisap dan dikeluarkan di tempat yang lebih tinggi.

Pada kalor pun terjadi hal yang sama. Kalor secara alami mengalir/berpindah dari temperatur yang tinggi ke temperatur yang rendah. Tinggi atau rendahnya temperatur merupakan salah satu indikasi besarnya energi kalor yang dimiliki suatu zat. Semakin tinggi temperatur maka semakin tinggi energi kalornya. Untuk memindahkan kalor dari tempat yang temperaturnya lebih rendah maka dibutuhkan sistem pompa kalor. Seperti halnya pompa air, untuk menyerap kalor dan membuang kalor dibutuhkan kerja/usaha/energi dari luar. Biasanya proses pompa kalor digambarkan seperti di bawah ini.



Dimana T_s adalah suhu lingkungan, T_c adalah temperatur pada sisi penyerapan kalor, T_h adalah temperatur pada sisi pembuangan kalor, W adalah kerja dari luar, Q_c adalah kalor yang terserap dan Q_h adalah kalor yang dibuang.

Pada saat tidak ada W yang bekerja maka temperatur T_s, T_c, dan T_h adalah sama (T_s=T_h=Tc) dan tidak ada proses perpindahan kalor diantaranya. Begitu ada kerja W dijalankan maka T_c menjadi lebih rendah dibandingkan dengan T_s. Oleh karena itu energi kalor yang berada di sekitarnya terserap oleh sistem ini. Kalor yang terserap ini dibuang ke sisi Q_h sehingga temperatur T_h menjadi lebih besar dari T_s. Pada keadaan ini maka T_c < T_s < T_h. Hubungan antara kalor yang diserap dan dibuang mengikuti persamaan:

 

 

Untuk menunjukkan sebarapa baik performa dari suatu pompa kalor, maka dikenal dengan istilah COP (Coefficient of Performance) atau dalam bahasa Indonesia disebut dengan koefisien kinerja. COP ini merupakan perbandingan antara output yang digunakan dengan input yang diberikan. Pada pompa kalor, input adalah kerja dan output dapat merupakan penyerapan kalor atau pembuangan kalor. Jika pompa kalor digunakan sebagai pendingin (Refrigerasi) maka output adalah penyerapan kalor. Sebaliknya, jika pompa kalor digunakan sebagai pemanas (heater) maka outputnya adalah pembuangan kalor. Oleh karena itu COP diekspresikan dengan:

 

• Untuk pendingin:

 

oleh karena

 

maka:

 

• Untuk Pemanas

 

 

atau

 

 

Dua jenis sistem pompa kalor yang sudah di komersilkan secara luas adalah sistem refrigerasi kompresi uap (SRKU) dan thermoelectric. SRKU merupakan sistem yang paling banyak ditemui di dalam kehidupan sehari-hari, sepeti Air conditioner (AC) dan lemari es. Keunggulan dari SRKU adalah COPnya yang sangat tinggi. Hal inilah yang menyebabkan teknologi ini belum bisa digantikan oleh teknolgi lain. Walaupun demikian, SRKU membutuhkan banyak komponen dan kurang bisa diterapkan di tempat yang kecil.

Jenis pompa kalor thermoelectric sering dijumpai sebagai pendingin elektronik seperti prosesor. Keunggulan teknologi ini adalah ukurannya yang kecil , sangat mudah diterapkan dan cukup dicatu dengan listrik searah (DC). Namun COPnya masih sangat kecil dibandingkan dengan SRKU.

 

Sebenarnya ada beberapa jenis lain yang dapat digunakan sebagai sistem pompa kalor namun sulit untuk dijumpai dalam kehidupan sehari-hari, yaitu: sistem refrigerasi absorpsi, thermoacoustic, thermomagnetic, dan tabung vortex.

 

1. PRINSIP KERJA POMPA KALOR ( HEAT PUMP)

prinsip kerja heat pumpPompa panas adalah sebuah refrigerator yang digunakan untuk memompa energi termal dari tandon dingin (udara dingin) ke tandon panas (udara panas). Tandon panas merupakan sistem ideal dengan kapasitor panas yang demikian besar sehingga dapat menyerap atau memberikan panas tanpa perubahan temperatur yang berarti.

Sistem pompa kalor itu tidak hanya berfungsi untuk mendinginkan atau mempertahankan temperatur sumber kalor yang rendah. Tetapi juga dapat mengalirkan energi kalor ke suatu benda atau penyerap kalor untuk menaikkan temperatur atau mempertahankan temperaturnya pada tingkat yang tinggi secara baik.

Dalam ilmu termodinamika, refrigerator dan pompa kalor (heat pump) relatif sama. Perbedaannya, terletak hanya pada proses kerjanya. Mesin kalor adalah alat yang berfungsi untuk mengubah energi panas menjadi energi mekanik. Misalnya pada mesin mobil, energi panas hasil pembakaran bahan bakar diubah menjadi energi gerak mobil. Tetapi, dalam semua mesin kalor kita ketahui bahwa pengubahan energi panas ke energi mekanik selalu disertai pengeluaran gas buang, yang membawa sejumlah energi panas.

Dengan demikian, hanya sebagian energi panas hasil pembakaran bahan bakar yang diubah ke energi mekanik. Contoh lain adalah dalam mesin pembangkit tenaga listrik; batu bara atau bahan bakar lain dibakar dan energi panas yang dihasilkan digunakan untuk mengubah wujud air ke uap. Uap ini diarahkan ke sudu – sudu sebuah turbin, membuat sudu – sudu ini berputar. Akhirnya energi mekanik putaran ini digunakan untuk menggerakkan generator listrik. Pada banyak penggunaan, untuk mesin yang sama dapat dipakai sebagai refrigerator dan juga sebagai pompa kalor. Pada beberapa situasi, baik efek pendinginan pada satu tingkat temperatur maupun efek pemanasan pada temperatur lain bisa saja dinginkan, dan dengan demikian sistem akan beroperasi serentak sebagai mesin refrigerasi dan sebagai pompa kalor. Contoh penggunaan pompa kalor Lemari es (Refrigerator) dapat dipandang sebagai mesin kalor yang bekerja terbalik. Mesin kalor mengambil panas dari sebuah wadah panas, mengubahnya sebagian menjadi usaha mekanik, dan membuang selebihnya ke sebuah wadah dingin. Akan tetapi refrigerator mengambil panas dari wadah dingin, kompresornya memberikan input usaha mekanik, dan panas dibuang ke wadah panasnya yakni dilingkungan sekitarnya. Bila untuk menjalankan suatu alat pendingin tidak diperlukan usaha, koefisien kerja (panas yang diambil dibagi oleh usaha yang dilakukan ) akan menjadi tak berhingga. Pengalaman membuktikan bahwa selalu diperlukan usaha untuk memindahkan panas dari benda yang lebih dingin ke benda yang lebih panas.

Ungkapan negatif ini membawa kita kepada ungkapan lain hukum kedua Termodinamika, yaitu : ”Tidak mungkin ada proses yang hasilnya hanya memindahkan panas dari benda yang lebih dingin ke benda yang lebih panas ”. Tinjauan hukum kedua termodinamika tentang mesin kalor : ”Tidak mungkin bagi sebuah mesin panas yang bekerja secara siklis untuk tidak menghasilkan efek lain selain menyerap panas dari suatu tandon dan melakukan sejumlah usaha-usaha yang ekivalen”. Pernyataan tersebut merupakan hasil eksperimen tentang rumusan Kelvin – Planck atau rumusan mesin kalor untuk hukum kedua termodinamika. Penyertaan kata ”siklis” dalam rumusan ini merupakan hal yang penting karena mengubah panas seluruhnya menjadi usaha dalam proses yang non siklus, merupakan hal yang mungkin. Gas ideal yang mengalami ekspansi isotermis dapat melakukan hal ini. Namun, setelah ekspansi itu, gas tidak berada dalam keadaan awalnya. Untuk mengembalikan gas ke keadaan awalnya, usaha harus dilakukan pada gas , dan sejumlah panas yang akan dibuang.

Tinjauan hukum kedua termodinamika tentang refrigerator ”Sebuah refrigerator tak mungkin bekerja secara siklis dengan tidak menghasilkan efek lain diluar transfer panas dari benda dingin ke benda panas”. Walaupun rumusan hukum kedua termodinamika untuk mesin kalor dan refrigerator nampak cukup berbeda, sebenarnya keduanya ekuivalen. Itu berarti, bila salah satu rumusan itu benar, maka rumusan yang lain juga harus benar.

Mesin pendingin itu mempunyai 4 komponen utama yaitu kompresor, kondesor, katup ekspansi dan evaporator. Dengan demikian prinsip kerja dari mesin pompa kalor ini adalah dimulai refrigerator memasuki ke kompresor. Refrigerator meninggalkan kompresor pada temperatur yang relatif tinggi, air dikumpulkan dan kemudian di dinginkan (terjadi pengembunan) atau mengalami kondensasi di kondensor, yang membuang panasnya ke lingkungan. Refrigerator kemudian memasuki tabung kapiler di mana tekanan refrigerator turun derastis. Refrigerator bertemperatur rendah, kemudian memasuki evaporator dimana disini refrigerator menyerap panas dari ruang refrigerasi, pemindahan kalor ini disebabkan oleh kompresornya sehingga terasa sangat panas pada eveporator, dan refrigerator kembali memasuki sebuah kompresor, dimana siklus ini dimulai kembali.

 

1. CARA KERJA HEAT PUMP ATAU POMPA KALOR

Jika berbicara mengenai termodinamika tentunya tidak akan terlepas dari heat pump atau yang juga sering dikenal dengan sebutan Heat Pump. Sesuai dengan namanya, pompa kalor merupakan istilah yang digunakan pada mesin yang berfungsi untuk memindahkan panas. Mesin tersebut memindahkan panas dari suatu sumber atau lokasi ke lokasi yang lain dengan menggunakan kerja mekanis.Teknologi pompa kalor sebagian besar bekerja dengan cara memindahkan panas dari sumber panas yang memiliki temperature rendah ke tempat yang temperaturnya lebih tinggi jual heat pump. Beberapa contoh mesin yang menggunakan prinsip kerja pompa kalor antara lain adalah freezer, lemari es, pendingin ruangan (AC) dan lain sebagainya

.

Pompa kalor pada dasarnya dapat disamakan dengan mesin kalor yang operasinya dilakukan dengan cara terbalik. Salah satu tipe yang paling umum dari heat pump adalah menerapkan sifat fisik pengembunan dan penguapan suatu fluida yang disebut dengan refrigerant. Dalam aplikasi sistem pemanas, pendingin ruangan, dan ventitalasi, pompa kalor mengarah pada alat pendingin kompresi uap yang meliputi saluran pembalik dan penukar panas. Hal ini menjadikan arah aliran panas dapat dibalik. Pompa kalor secara umum mengambil panas dari permukaan atau udara. Beberapa tipe pompa lalor dengan sumber panas udara tidak dapat bekerja dengan baik ketika temperature sudah jatuh di bawah 5 derajat Celsius atau 23 derajat Fahrenheit.

Menurut prinsip hukum kedua termodinamika dijelaskan bahwa panas tidak dapat mengalir secara spontan dari sumber panas yang bertemperatur rendah ke lokasi yang bertemperatur tinggi. Untuk mengalirkan panas, dibutuhkan suatu kerja. Dalam hal mengaplikasikan kerja tersebut pompa kalor tidak sama dengan mesin kalor walaupun pada dasarnya pompa kalor dapat dikatakan sebagai mesin kalor yang memiliki cara kerja terbalik.Mesin kalor bekerja dengan mengalirkan energi dari tempat yang lebih panas menuju ke lokasi yang lebih dingin sehingga menghasilkan fraksi dari proses ini. Sementara itu pompa kalor memerlukan kerja ketika hendak memindahkan energi termal dari tempat yang lebih dingin ke tempat yang lebih panas

Ketika pompa kalor menggunakan kerja untuk memindahkan panas, energi yang berpindah ke tempat yang lebih panas mengandung kalor lebih tinggi dibandingkan sejumlah kalor yang berasal dari sumber dingin. Suatu jenis pompa kalor bekerja dengan mengeksploitasi sifat fisik pengembunan dan penguapan fluida yang dikenal dengan sebutan refrigeran. Fluida yang bekerja dengan keadaan gas diberi tekanan dan disirkulasi akan menuju ke sistem menggunakan kompresor. Di salah satu sisi dari kompresor yaitu ketika gas dalam keadaan panas dan memiliki tekanan tinggi, gas akan didinginkan pada penukar panas yang disebut dengan condenser sampai fluida itu mengembun dalam keadaan tekanan tinggi. Refrigeran yang sudah mengembun lewat alat penurun tekanan yang bisa dilakukan dengan cara memperluas volume saluran atau juga dapat menggunakan penghambat berupa turbin. Setelah itu refrigerant masuk ke sistem yang akan didinginkan.

 

1. FAKTOR PRESTASI

Faktor prestasi adalah perbandingan antara kalora yang dilepaskan dengan

kalora yang diperlukan. Daerah dipanaskan lanjut akan berada di sebelah kanan

garis uap jenuh pada daerah pemanasan lanjut. Gas tekanan tetap pertama kali

akan sedikit turun ke arah kanan dan kemudian tegak lurus garis spesifik

konstan akan miring ke atas ke arah kanan garis volume spesifik yang lebih

tinggi akan ditentukan pada tekanan jenuh tersebut. Prestasi pompa kalor

dinyatakan dengan faktor prestasi bila induk prestasi didefinisikan sebagai

jumlah komoditi yang diinginkan dibagi dengan jumlah pengeluaran faktor prestasi:

 

 

Sebenarnya semua sistem refrigerant adalah pompa kalor, karena sistem

tersebut menyerap energi kalor pada tingkat suhu yang rendah dan

membuangnya setingkat suhu yang tinggi akan tetapi diantara pemakaian

sistem refrigerator telah dikembangkan suatu sistem yang memanfaatkan kalor

yang dilepaskan di kondensor untuk pemanasan. Jadi tidak dibuang ke

atmosfer. Ada kegunaan tertentu dimana pompa kalor melakukan pendinginan

sekaligus pemanasan dalam waktu yang bersamaan ini adalah sesuatu keadaan yang menguntungkan.