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.

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.

Prinsip Kerja Pressure Regulating Valve

Pressure Regulating Valve atau biasa disingkat menjadi PRV merupakan sebuah komponen sistem hidrolik maupun pneumatik yang berfungsi untuk mengatur besar tekanan fluida dari sistem sumber tekanan tinggi (seperti pompa, kompresor, atau tangki reservoir) ke sistem pengguna bertekanan rendah. PRV selalu bertugas menjaga tekanan fluida yang nilainya lebih rendah daripada tekanan supply-nya, oleh karena itu tekanan fluida sebelum melewati PRV akan selalu lebih besar daripada tekanan sesudah melewati PRV. Dapat dikatakan PRV berfungsi menurunkan tekanan fluida sehingga sesuai dengan spesifikasi kebutuhan sistem, atau juga untuk kebutuhan keamanan dan keselamatan penggunaan.

 photo A0141FFD-28D2-48C9-A451-1EA7A22F319F.png

Secara garis besar ada dua tipe PRV jika dilihat dari sistem operasionalnya, yakni satu tahap dan dua tahap pressure regulator. Gambar di atas menggambarkan sebuah sistem PRV dengan hanya satu tahap pressure regulator. Nampak pada gambar tersebut beberapa komponen utama PRV seperti inlet dan outlet pressure gauge, membran diafragma, pegas, poppet valve, serta tuas untuk mengatur set point tekanan kerja PRV. Pressure gauge berfungsi sebagai penunjukan nilai tekanan fluida baik pada sisi sumber tekanan maupun sisi keluaran PRV. Diafragma berfungsi untuk menciptakan sebuah ruang kerja fleksibel di dalam PRV yang mampu berubah-ubah volume. Dua pegas pada sistem PRV berfungsi untuk menghasilkan kesetimbangan tekanan, sedangkan Poppet valve berfungsi untuk membuka serta menutup aliran fluida.

Sesuai dengan sedikit gambaran di atas, prinsip kerja Pressure Regulating Valve umumnya hanya menggunakan prinsip-prinsip sistem mekanis dan tidak ada sistem elektris sama sekali. Sekarang mari kita berandai-andai jika tekanan fluida di area outlet turun (area berwarna biru lebih muda), maka yang terjadi adalah ruangan di dalam diafragma akan mengecil karena pegas 1 akan menekan diafragma. Selain itu pegas 1 juga akan menekan poppet valve sehingga akan membuka aliran fluida untuk masuk ke area diafragma. Fluida dapat masuk ke area ini karena memiliki tekanan yang lebih besar dibandingkan dengan tekanan di dalam area diafragma. Pada suatu kondisi tertentu tekanan fluida di dalam area outlet ditambah dengan tekanan dari pegas 2, akan cukup kuat untuk melawan dorongan dari pegas 1 yang memiliki ukuran lebih besar daripada pegas 2. Sehingga kondisi demikian akan menciptakan kesetimbangan yang menyebabkan poppet valve kembali tertutup. Proses tersebut berlanjut demikian seterusnya setiap tekanan di downstream PRV lebih rendah daripada nilai set point yang seharusnya.

 photo 59023F50-B95B-41C5-AB97-6452A6CDF8A3.png

Perbedaan paling mendasar dari PRV dengan dua tahap pressure regulator dibandingkan dengan sistem sebelumnya adalah pada sistem dua tahap ini digunakan pegas serta membran diafragma yang lebih banyak untuk menciptakan sebuah ruang kesetimbangan di dalam PRV (chamber). Pada saat tekanan fluida pada ruangan outlet turun, maka pegas 1 akan menekan diafragma dan poppet valve 1 sehingga fluida bertekanan lebih tinggi di chamber akan masuk ke ruang outlet. Saat tekanan fluida chamber turun karena harus masuk ke ruang outlet, maka proses yang sama terjadi pada pegas 4 yang akan mendorong poppet valve 2 sehingga fluida bertekanan lebih tinggi masuk ke ruang chamber. Saat tekanan fluida outlet sudah sesuai dengan tekanan set point-nya, maka sistem pegas akan membentuk kesetimbangan sehingga kedua poppet valve akan tertutup sempurna.

Dari gambaran di atas nampak dua tipe PRV tersebut memiliki fungsi sama namun untuk penggunaan kondisi yang sedikit berbeda. PRV dengan hanya satu tahap pengaturan tekanan lebih cocok digunakan pada fluida dengan tekanan kerja rendah. Sedangkan PRV dengan dua tahap pressure regulator lebih cocok digunakan untuk fluida bertekanan kerja sangat tinggi.

Credit: Wikipedia: Pressure Regulator