Perbedaan Nuklir Fisi dan Fusi

Tahukah Anda bahwa Matahari sebagai pusat tata surya kita menghasilkan energi yang berlimpah ruah melalui reaksi fusi berantai. Reaksi nuklir fusi ini terjadi di bawah suhu amat sangat tinggi serta pengaruh tekanan gravitasi alami Matahari yang juga amat sangat tinggi. Proses reaksi nuklir tersebut menghasilkan energi panas yang sangat besar sehingga mampu menjadi sumber energi penting bagi Bumi kita.

Akan tetapi mungkin sebagian dari kita bertanya-tanya mengapa jika Matahari menghasilkan energi dari proses reaksi nuklir, namun kita yang berada di Bumi tidak terdampak radiasi nuklirnya? Inilah yang perlu kita luruskan. Karena di dunia sains dikenal ada dua reaksi nuklir yaitu reaksi fisi dan reaksi fusi. Perbedaan yang sangat mendasar dari keduanya adalah jika reaksi fisi adalah pemecahan satu atom menjadi dua, sedangkan reaksi fusi adalah penggabungan dua atom menjadi satu. Namun demikian kedua reaksi nuklir tersebut sama-sama menghasilkan energi samping yang sangat besar.

Mari kita mulai dengan pengertian dari reaksi fisi. Arti kata fisi atau fission dalam Bahasa Inggris berarti sebuah pemisahaan atau pemecahan menjadi bagian-bagian lebih kecil. Nuklir fisi menghasilkan energi dari proses pemecahan atom menjadi atom-atom yang lebih kecil lagi. Penemuan proses nuklir fisi ini justru berawal dari prediksi Albert Einstein bahwa massa benda dapat dikonversikan menjadi energi. Setelah itu di tahun 1939 para ilmuwan mulai bereksperimen, hingga setahun kemudian Enrico Fermi seorang ilmuwan asal Italia berhasil membuat reaktor nuklir pertama di dunia.

Nuclear fission

Nuklir fusi terjadi pada sebuah isotop atom tak-stabil (biasanya sebuah atom dengan jumlah proton yang sama, tetapi memiliki jumlah neutron bervariasi) dibombardir oleh partikel berkecepatan tinggi, biasanya neutron. Neutron-neutron tersebut berakselerasi hingga akhirnya menabrak isotop tak-stabil tersebut, hingga mengakibatkan fisi, pecah menjadi partikel-partikel yang lebih kecil. Selama proses tersebut, neutron dibidikkan ke bagian nukleus (inti) atom sehingga nukleus terpecah membentuk atom-atom baru yang lebih kecil, pecahan neutron, serta radiasi gamma. Pada proses reaksi fisi berantai seperti yang diterapkan di pembangkit listrik tenaga nuklir, pecahan neutron hasil dari reaksi fisi awal akan menumbuk atom uranium lain sehingga ia terpecah dan melepas energi. Reaksi berantai ini akan terus berlanjut hingga bahan bakar habis.

Bahan baku reaksi nuklir fisi yang paling populer adalah Uranium-235. Jika reaksi nuklir fisi atom Uranium tersebut dituliskan ke dalam reaksi kimia maka akan seperti ini:

U-235 + n ===> Ba-144 + Kr-90 + 2n + about 200 MeV

U-235 + n ===> Ba-141 + Kr-92 + 3n + 170 MeV

U-235 + n ===> Zr-94 + Te-139 + 3n + 197 MeV

Sebagian besar atom pecahan proses fisi Uranium adalah atom Barium dan Krypton. Pecahnya atom uranium diikuti dengan lepasnya sejumlah energi sebesar 170 hingga 200 MeV (baca: MegaElektron Volt). Satu MegaElektron Volt setara dengan 1.60217662 × 10-13 Joule.

Selanjutnya mari kita bahas reaksi nuklir fusi. Arti kata fusi atau fussion dalam Bahasa Inggris adalah penggabungan dari beberapa elemen berbeda menjadi satu utuh. Sedangkan pengertian dari istilah reaksi nuklir fusi adalah penggabungan dari inti-inti atom untuk membentuk satu inti atom yang lebih berat, serta diikuti pelepasan energi yang besar. Reaksi fusi terjadi ketika dua isotop atom bermassa rendah, biasanya Hidrogen, berfusi membentuk atom baru, yang biasanya Helium, di bawah tekanan dan temperatur ekstrim.

Reaksi fusi inilah yang dialami oleh Matahari. Isotop-isotop atom Hidrogen yakni Tritium (Hidrogen-3) dan Deuterium (Hidrogen-2) bergabung dibawah tekanan dan temperatur tinggi untuk kemudian membentuk isotop Helium dan neutron. Proses ini akan diikuti pelepasan energi panas yang sangat besar, hingga jika disandingkan dengan reaksi fisi Uranium, nuklir fusi hidrogen menghasilkan energi yang jauh lebih besar.

Berikut adalah bentuk reaksi-reaksi fusi dari isotop-isotop hidrogen yang terjadi di Matahari:

(1) 2
1D
+ 3
1T
4
2He
( 3.5 MeV ) + n0 ( 14.1 MeV )
(2i) 2
1D
+ 2
1D
3
1T
( 1.01 MeV ) + p+ ( 3.02 MeV ) 50%
(2ii) 3
2He
( 0.82 MeV ) + n0 ( 2.45 MeV ) 50%
(3) 2
1D
+ 3
2He
4
2He
( 3.6 MeV ) + p+ ( 14.7 MeV )
(4) 3
1T
+ 3
1T
4
2He
+ n0 + 11.3 MeV
(5) 3
2He
+ 3
2He
4
2He
+ p+ + 12.9 MeV
(6i) 3
2He
+ 3
1T
4
2He
+ p+ + n0 + 12.1 MeV 57%
(6ii) 4
2He
( 4.8 MeV ) + 2
1D
( 9.5 MeV ) 43%
(7i) 2
1D
+ 6
3Li
4
2He
+ 22.4 MeV
(7ii) 3
2He
+ 4
2He
+ n0 + 2.56 MeV
(7iii) 7
3Li
+ p+ + 5.0 MeV
(7iv) 7
4Be
+ n0 + 3.4 MeV
(8) p+ + 6
3Li
4
2He
( 1.7 MeV ) + 3
2He
( 2.3 MeV )
(9) 3
2He
+ 6
3Li
4
2He
+ p+ + 16.9 MeV
(10) p+ + 11
5B
4
2He
+ 8.7 MeV

 

Whatisfusion_2

Satu hal yang perlu diperhatikan adalah bahwa reaksi nuklir fusi tidak menghasilkan limbah radioaktif gamma berbahaya seperti pada reaksi nuklir fisi. Hal inilah yang menjadi salah satu alasan utama para ilmuwan hingga saat ini berlomba-lomba untuk menciptakan reaktor nuklir fusi. Namun pada kenyataannya pembuatan reaktor nuklir fusi memang tidak semudah membangun reaktor nuklir fisi. Kesulitan yang paling mendasar dari pembuatan reaktor nuklir fusi adalah pengkondisian temperatur dan tekanan sangat tinggi. Energi berlimpah serta tak terbatas menjadi alasan utama lain para ilmuwan hingga saat ini terus bereksperimen membuat reaktor nuklir fusi.

Nampak dari pembahasan kita di atas bahwa kedua reaksi nuklir fisi dan fusi sama-sama menghasilkan energi namun memiliki proses yang jauh berbeda. Reaksi fisi adalah pemecahan atom berat menjadi atom-atom yang lebih kecil, sedangkan fusi menggabungkan atom-atom kecil menjadi atom yang lebih berat. Hingga saat ini sumber energi alternatif dari nuklir memang masih dari reaktor-reaktor nuklir fisi. Akan tetapi dengan kemajuan teknologi yang pesat, tidak lama lagi akan lahir reaktor nuklir fusi yang lebih ramah lingkungan dan tentu saja lebih terbarukan.

Referensi:

Cara menghitung efisiensi termal Siklus Rankine sederhana

Siklus Rankine menjadi konsep dasar sebuah pembangkit listrik tenaga uap. Siklus tertutup termodinamika ini tersusun atas empat komponen dasar yakni turbin uap, kondensor, pompa, serta boiler. Siklus berawal dengan dipanaskannya air di dalam boiler sehingga menjadi uap air kering. Selanjutnya uap air superheated ini masuk ke turbin sehingga energi panas di dalam uap air terkonversi menjadi energi gerak. Uap air jenuh yang keluar dari turbin akan melewati kondensor untuk mengalami proses kondensasi sehingga kembali berwujud cair. Dari kondensor, air dialirkan sekaligus ditingkatkan tekanannya oleh sebuah pompa, menuju boiler. Siklus sederhana ini berputar seterusnya sehingga energi panas yang didapatkan dari pembakaran bahan bakar di dalam furnace boiler pada akhirnya terkonversi menjadi energi gerak poros turbin uap.

Secara singkat, beberapa komponen Siklus Rankine akan mengalami perpindahan energi panas serta ada pula yang mengalami perubahan energi gerak. Di dalam boiler akan terjadi proses masuknya energi panas dari luar -- pembakaran bahan bakar -- ke dalam sistem (siklus air - uap air). Sedangkan di dalam kondensor akan terjadi proses pembuangan kalor laten dari uap air jenuh ke media pendingin. Pada turbin uap, karena terjadi konversi energi panas menjadi gerak, maka di komponen ini keluar produk berupa energi mekanis. Terakhir adalah pada komponen pompa, terjadi proses transfer energi gerak dari pompa menjadi tekanan.

Dari penjabaran sederhana ini, serta dengan ketentuan bahwa siklus ini adalah Siklus Rankine ideal tanpa adanya kerugian sama sekali, maka dapat kita buat dua buah rumusan sederhana berikut:

Energi Masuk = Energi Keluar (Hukum Kekekalan Energi)

QBoiler + WPompa = WTurbin + QKondensor

(Eq. 01)

serta,

\eta_{termal}=\dfrac {W_{turbin}-W_{pompa}}{Q_{boiler}}\times 100\%

(Eq. 02)

Persamaan (01) hanya berfungsi sebagai alat untuk memahami proses Siklus Rankine saja. Kita akan berbicara lebih jauh dengan persamaan (02), yakni rumusan perhitungan efisiensi termal Siklus Rankine. Efisiensi termal Siklus Rankine merupakan perbandingan antara energi output siklus (energi gerak turbin) dikurangi energi siklus yang digunakan oleh sistem (energi gerak pompa), dengan energi panas yang masuk ke sistem (energi panas boiler).

Mungkin ada sebagian dari kita yang bertanya-tanya kemanakah energi panas kondensor? Mengapa ia tidak masuk ke perhitungan efisiensi termal?

Energi panas yang dibuang oleh kondensor berbentuk panas laten. Panas laten adalah panas yang dibutuhkan untuk mengubah fase air dari cair menjadi uap air. Pada tekanan atmosfer, panas laten dibutuhkan untuk merubah air menjadi uap pada temperatur konstan 100°C. Temperatur laten akan semakin tinggi seiring semakin tingginya tekanan kerja boiler. Kalor laten inilah yang harus dibuang pada Siklus Rankine melalui kondensor. Pembuangan kalor laten tersebut akan merubah fase uap air kembali ke cair. Dikarenakan panas buangan kondensor tersebut tidak secara langsung berdampak pada unjuk kerja mesin Rankine, maka kalor laten kondensor tidak masuk ke perhitungan efisiensi siklus. Sederhananya, parameter sebuah mesin Rankine dapat dikatakan efisien adalah ketika turbin uap dapat menghasilkan energi gerak sebesar-besarnya dengan konsumsi energi panas boiler dan energi gerak pompa seminimal mungkin.




 photo BF16E8AA-24D2-427D-B69E-F6A0B34CD9D6.jpg
Gambar 1

Sekarang mari kita ambil contoh sebuah sistem PLTU sederhana ideal seperti pada gambar di atas. Sistem tersebut jika digambarkan ke dalam sebuah diagram tekanan-entalpi (P-h), maka akan seperti pada diagram di bawah ini.

 photo 9567376C-876A-4453-8B78-2F387DE5B46F.jpg
Gambar 2

Dari contoh tersebut kita akan menghitung beberapa hal yakni:

  • Daya keluaran turbin serta daya yang dibutuhkan oleh pompa.
  • Energi panas yang dibutuhkan oleh boiler serta yang dibuang melalui kondensor.
  • Efisiensi termal.
  • Debit minimum air pendingin untuk kondensor.

Turbin Uap

Mari kita sedikit berandai-andai di sini! Saya ingin mengajak Anda bertindak seolah-olah sebagai seorang desainer PLTU!

 photo D96509F4-3585-4F80-8B5B-D8F2DAA9D31E.jpg
Gambar 3

Pada contoh kasus di atas misalnya, kita ingin membuat sebuah turbin uap yang mampu mengonversikan energi panas dari uap air dengan spesifikasi tekanan 10 MPa, temperatur 500°C, serta debit sebesar 8 kg/s. Uap yang keluar dari turbin akan memiliki tekanan 20 kPa dengan kualitas uap X=0,9. Mari kita asumsikan selama uap air melewati sudu-sudu turbin, tidak akan terjadi kerugian panas yang keluar maupun masuk sistem (adiabatik), serta fluida tidak mengalami perubahan energi kinetik maupun potensial.




Kita akan menggunakan tabel properti uap air yang ada pada tautan berikut ini. Anda bisa pula menggunakan tabel standard di buku-buku lain yang kesemuanya bisa saya pastikan sama persis.

Pertama mari kita cari berapa nilai kalor (entalpi) dari uap air inlet turbin. Dari halaman yang ada di tautan ini, silahkan Anda memilih tautan selanjutnya yang berjudul Superheated Vapor Properties - (9 MPa - 40 MPa). Selanjutnya tarik garis lurus dari kolom temperatur di sisi paling kiri tabel, hingga bertemu dengan entalpi pada tekanan 10 MPa. Dengan cara ini akan kita dapatkan nilai entalpi (h1) uap inlet turbin sebesar 3375,1 kj/kg. Pengertian sederhananya adalah, uap air kering bertemperatur 500°C dengan tekanan 10 MPa, memilki kandungan energi panas senilai 3375,1 kilo Joule di tiap satu kilogramnya. Energi panas inilah yang ingin dikonversikan menjadi sebesar-besarnya energi kinetik poros turbin.

P1 = 10 MPa

T1 = 500°C

h1 = 3375,1 kJ/kg

Selanjutnya mari kita cari berapa nilai entalpi uap outlet turbin. Kita akan menggunakan tabel uap air saturasi, yang pada tautan ini berjudul Saturation Properties - Pressure Table (1 kPa - 1 MPa). Selanjutnya tarik garis lurus dari kolom tekanan 0,02 MPa (=20 kPa) ke arah kanan sehingga kita dapatkan nilai entalpi fluida (hf) sebesar 251,4 kJ/kg, serta nilai entalpi campuran fluida-gas (hfg) sebesar 2357,5 kJ/kg.

Untuk memudahkan Anda memahami apakah itu hf, hfg, dan hg, maka mari kita telaah perlahan-lahan. hf, hfg, dan hg ditandai pada diagram tekanan-entalpi (gambar 2) dengan sebuah garis lengkung berbentuk kubah. Garis lengkungan sebelah kiri menjadi batas antara fase air dengan fase campuran air-uap air. Sedangkan untuk garis lengkungan kanan menjadi batas antara campuran air -uap air dengan uap kering. Nilai entalpi campuran air-uap air (hfg) adalah nilai entalpi uap air dihitung dari titik entalpi air (hf). Maka jika dijabarkan ke dalam sebuah rumus sederhana akan berbentuk seperti berikut:

hg = hf + hfg

(Eq. 03)

Sekarang pada contoh kasus yang sudah kita tentukan sebelumnya, diketahui bahwa uap air saturasi memiliki nilai X=0,9. Maksudnya adalah terdapat 90% uap air pada 100% campuran air-uap air (uap air basah). Maka dari itu untuk mendapatkan nilai entalpi uap air outlet turbin (titik 2 pada diagram gambar 2) memerlukan rumusan khusus sebagai berikut:

h = hf + (X.hfg)

(Eq. 04)

Melalui persamaan di atas maka kita dapat menentukan nilai entalpi uap keluar dari turbin:

h2 = 251,4 kJ/kg + (0,9 . 2357,5 kJ/kg)

h2 = 2373,15 kJ/kg

Hukum Pertama Termodinamika berbunyi perubahan energi dalam sebuah sistem tertutup, sama dengan jumlah energi panas masuk ke dalam sistem, dikurangi dengan kerja yang diberikan sistem ke lingkungan sekitarnya. Pengertian ini tergambar ke dalam sebuah persamaan dasar berikut:

q - w = Δh + ΔEk + ΔEp

 (Eq. 05)

dimana:

q = Energi panas yang masuk ke dalam sistem

w = Kerja spesifik keluar sistem

Δh = Perubahan entalpi

ΔEk = Perubahan energi kinetik

ΔEp = Perubahan energi potensial

Dengan menggunakan persamaan (Eq. 05), maka kita dapat menghitung berapa besar daya yang dihasilkan oleh turbin uap. Oleh karena sistem turbin uap kita asumsikan tidak terjadi perubahan energi panas, energi kinetik, serta energi potensial fluida, maka untuk komponen Q, ΔEk, serta ΔEp dapat dihilangkan.

q - w = Δh + ΔEkΔEp

- w = h2 - h1

w = h1 - h2

w = 3375,1 kJ/kg - 2373,15 kJ/kg

wturbin = 1001,95 kJ/kg

Selanjutnya kita dapat menghitung daya turbin dengan mengalikan daya spesifik dengan debit uap air masuk turbin.

Wturbin = ṁ . wturbin

(Eq. 06)

Wturbin = 8 kg/s . 1001,95 kJ/kg

Wturbin = 8015,6 kW = 8,02 MW

Kondensor

Uap air jenuh keluar dari turbin (titik 2) akan langsung menuju kondensor untuk dikondensasikan sehingga uap air berubah fase seluruhnya menjadi air. Tekanan uap air masuk ke kondensor diasumsikan sama dengan air keluaran kondensor. Temperatur outlet kondensor diminta agar bisa sebesar 40°C. Untuk kebutuhan desain material kondensor, maka nantinya diharapkan hanya ada perubahan temperatur air pendingin sebesar 10°C saja. Dengan data-data tersebut, kita diminta menghitung kebutuhan debit air pendingin.




 photo 3CD6C081-C951-4A73-8584-1BF16A2B00CE.jpg
Gambar 4

Sebelum bisa menghitung kapasitas kondensor, maka kita harus tahu nilai dari entalpi di titik 3 (h3). Karena pada titik 3 fluida berwujud air, maka kita menggunakan tabel A-4 Saturated water - Temperature table (pada link berikut). Kita tinggal mencari nilai entalpi (hf) air pada temperatur 40°C, sehingga kita dapatkan nilai h3 yakni 167.53 kJ/kg. Dengan diketahuinya nilai entalpi ini maka kita sudah bisa menghitung jumlah energi yang dibuang oleh kondensor menggunakan persamaan (Eq. 05).

q - w = Δh + ΔEkΔEp

qkondensor = h3 - h2

qkondensor = 167,53 kJ/kg - 2373,15 kJ/kg = - 2205,62 kJ/kg

Nilai negatif (-) pada hasil perhitungan di atas berarti fluida membuang panas keluar sistem. Selanjutnya kita dapat menghitung kinerja kondensor menggunakan rumus yang serupa dengan (Eq. 06).

Qkondensor = ṁ . qkondensor

(Eq. 07)

Qkondensor = 8 kg/s . (-2205,62 kJ/kg)

Qkondensor = -17,645 MW

Jika kita mengabaikan semua kerugian perpindahan panas pada kondensor maka:

Qkondensor = -Qwater = -17,645 MW

Untuk menghitung debit air pendingin pada kondensor, sekaligus nanti untuk menghitung daya pompa, maka kita harus hitung nilai perubahan entalpi dengan asumsi fluida bersifat inkompresibel (tidak-mampu-mampat) dengan menggunakan rumus dasar:

h = u + Pv

Setelah dideferensiasi akan menjadi:

dh = du + Pdv + vdP

Nilai dv pada fluida inkompresibel sama dengan nol, dan untuk nilai du adalah sama dengan CwaterdT. Maka:

dh = CwaterdT + vdP

Setelah diintegralkan maka:

Δh = CwaterΔT + vΔP

(Eq. 08)

Selanjutnya kita gunakan rumusan di atas untuk disubstitusikan ke persamaan (Eq. 05), sehingga kita dapatkan:

q - w = Cwater . ΔT + vΔP + ΔEk + ΔEp

 (Eq. 09)

Dengan mengingat tidak ada kerja fluida yang terjadi pada kondensor, tidak ada perubahan energi potensial dan kinetik pada fluida, juga tidak ada perubahan tekanan fluida, maka:

q - w = Cwater . ΔT + vΔPΔEkΔEp

Serta:

Qwater = ṁ . Cwater . ΔT

Dengan Cwater adalah kapasitas kalor spesifik air yang jika kita cari pada tabel A-3 bernilai 4,18 kJ/kg.K. Maka debit air pendingin yang dibutuhkan oleh kondensor adalah sebanyak:

ṁ = \dfrac {17645 kW}{4,18 kJ/kg.K \times 10 K}

ṁ = 422,13 kg/s

Pompa

Pada Siklus Rankine, pompa bertugas untuk menaikkan tekanan fluida (air) sebelum masuk ke boiler. Semakin tinggi tekanan air akan semakin tinggi pula energi panas yang bisa diserap oleh tiap satuan massa fluida.




 photo 0BA557F6-6ED6-432C-A814-1342BC33B2CD.jpg

Pada contoh kasus kita, air inlet pompa memiliki tekanan 20 kPa dan temperatur 40°C. Keluar pompa, air akan bertekanan 10 MPa dengan temperatur konstan 40°C (adiabatik). Dengan spesifikasi tersebut, serta dengan menggunakan tabel A-4 Saturated Water - Temperature Table, pada temperatur 40°C kita akan mendapatkan nilai volume spesifik air (v) yakni sebesar 0,001008 m3/kg. Selanjutnya karena kita mengasumsikan tidak terjadi perubahan energi kinetik dan potensial fluida pada pompa, maka kita persamaan (Eq. 09) dapat kita gunakan untuk menghitung daya pompa:

q - w = Cwater . ΔT + vΔP + ΔEkΔEp

- w = v . (P2 - P1)B

- w = 0,001008 m3/kg . (10000 - 20)kPa

wpompa = -10,05984 kJ/kg

Maka daya pompa yang kita butuhkan adalah sebesar:

Wpompa = ṁ . wpompa

Wpompa = 8 kg/s . -10,05984 kJ/kg

Wpompa = 80,48 kW

Nampak pada hasil perhitungan di atas bahwa pompa membutuhkan sejumlah daya yang sangat kecil jika dibandingkan dengan komponen yang lain, yakni hanya sekitar 1% dari daya yang dihasilkan oleh turbin uap.

Boiler

Boiler menjadi komponen terakhir Siklus Rankine yang akan kita bahas. Komponen ini bertugas mentransfer energi panas dari pembakaran bahan bakar ke air bertekanan sehingga keluar boiler air tersebut berubah fase menjadi uap air kering (superheated). Air masuk boiler memiliki tekanan 10 MPa dengan temperature 40°C. Dengan menggunakan tabel A-4 Saturated Water - Temperature Table, pada temperatur tersebut akan kita ketahui nilai entalpi air bernilai 167,53 kJ/kg. Uap kering keluaran boiler diminta untuk bisa mencapai temperatur 500°C dengan tekanan konstan. Melalui tabel A-6 Superheated Water, akan kita dapatkan nilai entalpi sebesar 3375,1 kJ/kg. Dengan menggunakan persamaan (Eq. 05), kita bisa hitung energi panas spesifik yang dibutuhkan oleh boiler:

q - w = Δh + ΔEkΔEp

qboiler = h1 - h4

qboiler = 3375,1 kJ/kg - 167,53 kJ/kg

qboiler = 3207,57 kJ/kg

 photo 853FFED3-456E-486C-9027-FAE22CDA21CE.jpg

Maka energi kalo boiler adalah:

Qboiler = ṁ . qboiler

Qboiler = 8 kg/s . 3207,57 kJ/kg

Qboiler = 25660,56 kW = 25,66 MW

Efisiensi Termal

Terakhir kita bisa hitung efisiensi termal siklus dengan menggunakan persamaan (Eq. 02):

\eta_{termal}=\dfrac {W_{turbin}-W_{pompa}}{Q_{boiler}}\times 100\%

\eta_{termal}=\dfrac {8015,6 kW-80,48 kW}{25660,56 kW}\times 100\%

\eta_{termal}=30,923\%

Credit: The University of Oklahoma, Wikipedia: Rankine Cycle, Rankine Cycle eCourse, Thermodynamics Properties Table and Chart.

Macam-macam Pompa Kalor

Secara alami, energi panas mengalir dari media bertemperatur tinggi ke media bertemperatur yang lebih rendah. Perpindahan panas alami tersebut dapat berupa konduksi, konveksi, ataupun secara radiasi. Sedangkan untuk dapat memindahkan panas dari media bertemperatur lebih rendah ke media bertemperatur tinggi, membutuhkan usaha khusus sehingga dapat melawan perpindahan panas alami. Untuk dapat melakukan usaha ini dibutuhkan alat khusus bernama pompa kalor (heat pump).

Pompa kalor adalah sebuah alat untuk memindahkan energi panas dari sumber panas, ke media tujuan yang diberi istilah "sungap bahang" (heat sink). Pompa kalor didesain untuk dapat menyerap energi panas dari ruang bersuhu dingin, dan membuangnya ke ruang yang lebih panas. Alat ini akan membutuhkan pasokan daya dari luar sehingga dapat memindahkan energi dari sumber panas ke heat sink.

Salah satu pompa kalor yang cukup familiar dengan kita adalah air conditioning (AC). Namun demikian, AC hanya menjadi salah satu bentuk aplikasi pompa kalor yang memang penggunaannya cukup sering kita temui. Selain AC ada beberapa jenis lain pompa kalor yang dikenal. Pengklasifikasian pompa kalor dilakukan berdasarkan perbedaan prinsip kerjanya. Berikut adalah macam-macamnya:

Refrigerator Mekanis

Refrigerator mekanis atau juga dikenal sebagai pompa kalor mekanis, menggunakan sifat-sifat fluida khusus yang mudah menguap dan terkondensasi. Fluida yang kita kenal sebagai refrigeran ini dibuat untuk melakukan sebuah siklus sehingga ia dapat menyerap panas di udara dingin, dan membuang panas tersebut di udara panas. Refrigeran dikompresi untuk membuatnya lebih panas di area udara panas, dan tekanan refrigeran dilepaskan untuk dapat menyerap panas di lingkungan udara dingin.

 photo BD305482-3F9B-462B-97ED-7191A9C7FC03.gif

Gambar di atas adalah satu siklus sederhana dari sistem refrigerator. Sebuah sistem refrigerator tersusun atas empat komponen utama: kompresor, kondensor, katub ekspansi (biasa disebut juga katub cekik, dan metering device), serta sebuah evaporator. Siklus refrigerator dimulai dengan masuknya refrigeran berfase termodinamika uap jenuh ke sisi inlet kompresor. Melewati kompresor, refrigeran akan terkompresi mengalami kenaikan tekanan, sekaligus akan membuat temperatur juga meningkat. Secara termodinamika, refrigeran panas dan terkompresi ini masuk ke dalam fase uap superheater. Saat berfase uap superheater inilah menjadi saat yang tepat untuk membuang panas yang terkandung di dalam refrigeran ke media pendingin seperti udara atau juga air. Pembuangan panas dari refrigeran tersebut dapat terjadi selain karena dibantu dengan penggunaan kipas, juga karena temperatur uap superheater refrigeran yang memang lebih panas daripada temperatur media pendingin. Proses pembuangan panas ini terjadi di komponen kondensor.

Salah satu sifat unik dari refrigeran adalah volatile, yang berarti memiliki titik didih rendah, serta titik embun yang tinggi. Sifat inilah yang membuat refrigeran mudah mencapai fase superheater saat dikompresi, dan langsung berubah fase ke cair setelah mengalami proses pendinginan di kondensor. Secara termodinamika, fase cair refrigeran ini disebut sebagai fase saturasi liquid. Selanjutnya refrigeran cair ini akan melewati sebuah katub ekspansi sehingga mengalami penurunan tekanan secara tiba-tiba. Penurunan tekanan fluida refrigeran akan mengakibatkan perubahan fase secara adiabatik menjadi uap kembali. Penurunan tekanan refrigeran ini akan diikuti dengan penurunan temperatur refrigeran sehingga ia mencapai suhu yang lebih dingin daripada udara ruangan yang akan didinginkan.

Tidak kesemua refrigeran dapat melewati katub ekspansi pada sistem siklus refrigerator. Hanya sebagian saja yang dapat melewati katub ekspansi. Hal ini terjadi karena fungsi dari katub ini yang memang untuk mengontrol jumlah fluida refrigeran yang dapat melewatinya. Sekaligus pula, katub ekspansi akan menjaga tekanan refrigeran di sisi keluarannya agar tetap lebih rendah daripada tekanan refrigeran di sisi masuk katub. Karena mekanisme inilah sehingga porsi refrigeran yang melewati katub ekspansi mengalami proses flashing (perubahan fase menjadi uap akibat penurunan tekanan lingkungan secara tiba-tiba).

Fluida refrigeran dingin, untuk selanjutnya masuk melewati evaporator. Sebuah kipas akan mensirkulasi udara panas sehingga dapat melewati kisi-kisi evaporator. Di komponen inilah terjadi perpindahan panas dari udara panas ke refrigeran dingin. Proses ini akan membuat udara sirkulasi menjadi dingin, udara inilah yang dibutuhkan di dalam proses refrigerator untuk mendinginkan ruangan. Sedangkan fluida refrigeran akan menjadi lebih panas sehingga kembali menjadi uap jenuh. Untuk memenuhi siklus mesin refrigerator, maka uap jenuh refrigeran ini akan kembali masuk ke kompresor dan melanjutkan siklus sistem.

Sistem pendingin refrigerator mekanis menjadi yang paling umum dan paling banyak penggunaannya. Mulai dari lemari es, pendingin ruangan, pendingin udara di kendaraan, atau bahkan jika siklus digunakan terbalik, maka dapat pula digunakan untuk menghangatkan ruangan di tempat-tempat beriklim dingin.