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.

How to Calculate Boiler Efficiency

Boiler efficiency is a quantity that indicates the relationship between input energy entering the boiler with output energy produced by the boiler. However, the efficiency of the boiler can be defined in three ways:

  1. Combustion Efficiency
  2. Thermal Efficiency
  3. Fuel-Efficiency Steam (Fuel-to-Steam)

Combustion boiler efficiency generally describes the ability of a burner to burn the entire fuel into the boiler combustion chamber (furnace). The efficiency of this type is calculated from the amount of fuel that does not burn along with the amount of air combustion air (air excess). Burning boiler can be said to be efficient if there is no remaining fuel in the end outlet of boiler combustion chamber, so does the number of residual air.
To obtain high combustion efficiency, burner and boiler combustion chamber must be designed as optimal as possible. On the other hand differences in the use of fuels also affect the efficiency of combustion. It is known that liquid fuel and gas (LNG and HSD) produce higher combustion efficiency than solid fuels such as coal.

boiler efficiency

Calculating the combustion efficiency of the boiler is not difficult, we just need to reduce the total amount of heat energy released by thermal energy burning that passes out through the stack (chimney) divided by the total heat energy.

      \eta_{combustion}=\dfrac {Q_{in}-Q_{losses}}{Q_{in}}\times100\%

Where:

      \eta_{combustion} : boiler combustion efficiency (%)

      Q_{in} : The total heat of combustion energy (calories; Joule)

      Q_{losses} : Heat energy passing out through the chimney (calories; Joule)

The only difficult thing in calculating the combustion efficiency is how to pursuit the optimal number. Combustion efficiency is characterized by the overall fuel burning in the combustion chamber. While the control parameters are used to ensure the overall fuel burning, is the amount of air combustion (air excess) coming out through the stack. The more the amount of air excess coming out through the chimney, then the more likely the amount of unburned fuel can pass through the chimney. But you should remember that the more the amount of excess water passing through the chimney, the amount of heat energy escaping the rest of airborne is also growing. Therefore there is an optimum number of excess amounts of air, so that the boiler combustion efficiency can obtain the most optimal number.

 photo IMG_2264.png

Appears in the graph illustration above that the higher the amount of air (oxygen) passing through the stack, the smaller amount of fuel including carbon monoxide burned imperfectly. But as we have discussed above, the higher the amount of air excess, so the combustion efficiency chart is going to go back down, since the heat energy was coming away with the rest of the air. Then certainly there is an optimum value of the air excess to obtain the best combustion efficiency. As an illustration, the optimum value of air excess to the combustion of natural gas is 5 to 10%, liquid fuel at the rate of 5 to 20%, and 15 to 60% for coal combustion.

Boiler thermal efficiency shows how the performance in terms of its function as a heat exchanger. The efficiency calculation will show how effective the transfer of heat energy from the combustion process of fuel into the air. However, the efficiency calculation is not very accurate, because it does not account for the loss of heat radiation and convection that are not absorbed by water. In addition, the calculation of the thermal efficiency of the boiler cannot be used for economic analysis, because these calculation doesn’t take notice carefully the amount of fuel consumed. On this basis we will not discuss more about the calculation of the thermal efficiency of the boiler.

Sistem-Sistem Pendukung Pendingin Hidrogen pada Generator

Seperti yang sudah kita bahas pada artikel sebelumnya bahwa hidrogen memiliki berbagai parameter yang lebih baik dibandingkan udara jika digunakan sebagai media pendingin pada generator. Sifat konduktifitas termal yang lebih tinggi serta density yang lebih ringan menjadikan hidrogen lebih efisien dalam mendinginkan generator. Namun demikian sifatnya yang sangat mudah terbakar menjadikannya perlu pengelolaan khusus agar penggunaannya sebagai media cooler tidak berbahaya. Disamping sebagai fungsi kontrol agar proses pendinginan berlangsung efisien, beberapa sistem pendukung yang sudah sedikit kita singgung pada artikel sebelumnya juga berfungsi untuk mencegah resiko kebakaran tersebut. Pada kesempatan kali ini, kita akan membahas lebih detail mengenai sistem-sistem tersebut.

 photo 79844377-ECAD-4BF3-95D2-90705B821585.jpg

Sistem Supply Hidrogen

Sistem pertama yang kita bahas adalah sistem supply hidrogen. Sistem ini berfungsi sebagai jalur untuk memasukkan hidrogen ke dalam generator pada saat pengisian awal, sekaligus ia akan menjaga tekanan hidrogen di dalam generator agar selalu berada di atas nilai yang ditentukan. Satu hal yang menarik adalah, hidrogen sangat dilarang untuk mengalami kontak langsung dengan udara. Sehingga pada saat pengisian hidrogen awal dimana generator masih berisikan udara, digunakan gas inert tertentu yang berfungsi untuk 'mengusir' udara dari dalam generator sebelum gas utama yakni hidrogen masuk ke dalam generator. Demikian pula pada saat proses pembuangan hidrogen dari generator, gas inert akan mengusir hidrogen terlebih dahulu sebelum akhirnya udara dimasukkan ke dalamnya. Gas inert yang paling umum digunakan untuk proses ini adalah gas karbon dioksida. Untuk mendukung proses yang biasa dikenal dengan istilah gassing-degassing ini, sistem supply hidrogen dilengkapi dengan purity meter yang dapat membaca purity hidrogen di dalam udara, sekaligus purity karbon dioksida di dalam udara.

 photo F0BC7E97-5638-459C-916B-4CE9027E2D1F_1.gif

Gambar di atas adalah sebuah gambaran sederhana sistem supply hidrogen untuk generator. Pada proses pengisian awal hidrogen, generator masih dipenuhi udara. Untuk membuang udara dibutuhkan gas CO2 sebagai inert. Gas CO2 yang memiliki massa jenis lebih berat daripada udara, masuk melalui sisi bawah generator dan mendorong udara ke jalur pembuangan (venting) yang berada di bagian atas generator. Setelah persentase jumlah CO2 terhadap udara berada di atas 99%, barulah hidrogen dapat dimasukkan ke dalam generator. Karena massa jenis hidrogen lebih ringan daripada CO2, maka injeksi hidrogen dilakukan melalui sisi atas generator dan CO2 dikeluarkan melewati sisi bawah. Injeksi dilakukan hingga persentase hidrogen terhadap CO2 mencapai angka di atas 99%. Setelah itu injeksi hidrogen terus dilakukan hingga mencapai tekanan tertentu sesuai dengan spesifikasi generator.

 photo CAFEBD5B-53E3-48CF-8F04-C69E9BEA4CE6.jpg

Saat generator dalam kondisi normal memproduksi listrik, sistem supply hidrogen ini juga bertugas untuk menjaga besar tekanan hidrogen agar selalu berada di angka yang seharusnya. Komponen pressure regulating valve menjadi ujung tombak untuk tugas tersebut. Besar tekanan hidrogen di dalam generator sangat krusial keberadaannya, sebab ia berhubungan secara langsung dengan kurva kapabilitas generator. Nampak pada gambar kurva di atas bahwa penurunan tekanan hidrogen di dalam generator, akan menggeser kurva menjadi berukuran lebih kecil. Hal tersebut berarti jika tekanan hidrogen di dalam generator sedikit saja turun, maka kemampuan generator untuk memproduksi listrik akan turun juga. Memahami fenomena ini cukup sederhana sebenarnya, mengingat gas hidrogen yang bersifat kompresibel maka jika di dalam sebuah ruangan berukuran tetap tekanan ditingkatkan, maka kuantitas hidrogen sebagai pendingin generator akan semakin banyak. Begitu pula sebaliknya jika tekanan hidrogen turun maka dapat dikatakan jumlah media pendingin generator menjadi lebih sedikit, tentu saja hal tersebut berakibat langsung terhadap performa generator. Untuk itulah menjaga tekanan hidrogen di dalam generator agar selalu berada di angka yang seharusnya menjadi mutlak untuk dilakukan.