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.

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.

Refrigerator Magnetik

Refrigerator magnetik adalah sebuah teknologi pendinginan dengan menggunakan efek magnetokalorik. Efek magnetokalorik adalah sebuah fenomena magneto-termodinamik dimana adanya perubahan temperatur pada sebuah material khusus, terjadi akibat ia terekspos oleh perubahan nilai medan magnet. Secara sederhana, sebuah material akan mengalami kenaikan temperatur apabila ia diletakkan di suatu tempat yang mengalami kenaikan besar medan magnet. Demikian pula sebaliknya, temperatur material tersebut akan turun juga apabila kekuatan medan magnet diturunkan. Namun satu hal yang perlu dicatat adalah bahwa kedua konsep tersebut harus terjadi di suatu wadah yang terisolasi sehingga tidak ada proses penyerapan maupun pelepasan kalor, dalam hal ini adalah proses adiabatik. Sehingga kenaikan ataupun penurunan temperatur material akibat perubahan besar medan magnet tersebut terjadi secara alami.

Mirip dengan refrigerator mekanis, proses refrigerator magnetik juga terjadi secara siklik. Total ada empat siklus pada proses refrigerator magnetik: magnetisasi adiabatik, transfer enthalpi isomagnetik, demagnetisasi adiabatik, serta transfer entropis isomagnetik.

Magnetisasi Adiabatik
Sebuah material magnetokalorik, yang bertindak sebagai refrigeran, ditempatkan di sebuah ruangan terisolasi. Selanjutnya ruangan tersebut dikenakan medan magnet sehingga atom-atom material refrigeran mengalami reposisi. Kondisi ini mengakibatkan entropi magnetis dan kapasitas panas material menjadi turun. Karena sistem terisolasi sehingga tidak terjadi perpindahan kalor (adiabatik), serta nilai total entropi tidak berkurang, maka temperatur material refrigeran akan secara alami meningkat.



Transfer Enthalpi Isomagnetik
Kondisi kedua, dengan sistem yang tetap terinduksi medan magnet dalam jumlah yang tidak berubah (isomagnetik), panas yang dikandung oleh refrigeran didinginkan oleh fluida pendingin. Fluida pendingin dapat berupa gas ataupun cairan. Media pendingin yang umum digunakan pada sistem ini yakni gas helium. Besar medan magnet yang dijaga tetap bertujuan untuk mencegah atom-atom refrigeran untuk kembali terreposisi ke posisi semula pada saat panasnya diserap oleh fluida pendingin. Setelah panas refrigeran sepenuhnya terserap oleh fluida pendingin, fluida pendingin selanjutnya dikeluarkan dari sistem.

Demagnetisasi Adiabatik
Selanjutnya, material refrigeran kembali terisolasi untuk menjaga tidak ada kalor yang keluar maupun masuk ke sistem (adiabatik). Pada kondisi demikian, nilai medan magnet diturunkan sehingga energi termal material membuat momen magnetik untuk mengatasi perubahan medan magnet tersebut. Proses inilah yang membuat temperatur refrigeran turun. Transfer energi (dan entropi) terjadi dari entropi termal ke entropi magnetik, menunjukkan adanya perubahan medan magnet sistem.

Transfer Entropi Isomagnetik
Proses siklus selanjutnya adalah dengan menjaga agar besar medan magnetik sistem tidak berubah (isomagnetik), untuk menjaga agar material refrigeran tidak dipanaskan kembali. Lalu dilakukan kontak termal antara lingkungan atau udara yang akan didinginkan, dengan material refrigeran yang sudah dalam kondisi dingin. Karena temperatur refrigeran lebih dingin daripada udara lingkungan yang ingin didinginkan, maka terjadi perpindahan panas dari udara panas ke refrigeran. Proses ini akan menurunkan temperatur udara sehingga terjadi kesetimbangan temperatur antara keduanya. Selanjutnya, proses siklus kembali di mulai dari awal.

Teknik refrigerator magnetik cocok digunakan untuk menghasilkan temperatur lingkungan yang sangat dingin. Jika dibandingkan dengan refrigerator mekanis konvensional, refrigerator magnetik cenderung lebih aman, tidak berisik, lebih sederhana, efisiensi pendinginan yang lebih tinggi, serta tentu saja ramah lingkungan karena tidak menggunakan bahan refrigeran berbahaya seperti CFC pada proses refrigerator mekanis yang merusak ozon.

Satu contoh material yang memiliki efek magnetokalorik tinggi serta cocok digunakan sebagai refrigeran, adalah material gadolinium (Gd) beserta senyawa-senyawa campurannya. Temperatur gadolinium naik saat ia masuk ke area bermedan magnet tertentu, dan temperatur akan turun juga jika ia meninggalkan area medan magnet. Senyawa-senyawa gadolinium yang lazim digunakan untuk refrigeran antara lain adalah Gd5Si2Ge2, Gd5(SixGe1−x)4, dan juga campuran berkomposisi Gd-Bi-Sb (Gadolinium-Bismuth-Antimony).



Refrigerator Termo-elektrik

Sistem pendinginan termo-elektrik termasuk ke dalam mesin kalor material padat yang menggunakan efek Peltier (biasa juga disebut sebagai efek termo-elektrik) untuk menciptakan aliran panas di antara dua material berbeda. Efek termo-elektrik ini memindahkan panas dari satu sisi material ke sisi yang lain, dengan jalan mengkonsumsi energi listrik.

Dua buah material semikonduktor dengan perbedaan kerapatan elektron digunakan sebagai komponen utama mesin kalor termo-elektrik. Dua material yang disebut dengan tipe-n dan tipe-p ini disusun saling paralel, namun saling terhubung secara seri dalam sebuah rangkaian listrik. Keduanya lalu diapit oleh dua buah material konduktor panas di masing-masing sisinya. Ketika tegangan diberikan ke ujung bebas masing-masing semikonduktor, akan terjadi aliran arus DC melintasi sistem, dan mengakibatkan terjadinya perbedaan temperatur. Salah satu sisi plat akan bertemperatur lebih dingin dari ruang sekitarnya sehingga akan menyerap panas yang ada. Panas yang terserap untuk selanjutnya dialirkan ke plat sisi lain yang bertemperatur lebih panas daripada ruang sekitar, sehingga panas tersebut dapat dibuang ke area sekitar yang berfungsi sebagai heat sink.

Sistem pendingin termo-elektrik memiliki efisiensi termal tidak sebaik refrigerator mekanis. Sistem termo-elektrik hanya mampu mencapai efisiensi termal 10-15% saja. Cukup jauh jika dibandingkan dengan pendingin mekanis konvensional yang mampu mencapai efisiensi hingga 40-60%. Refrigerator termo-elektrik hanya mampu menghasilkan diferensial temperatur sebesar 70 derajat saja. Material yang biasa digunakan sebagai semikonduktor termo-elektrik antara lain adalah bismuth telluride, timbal telluride, silikon germanium, dan campuran bismuth-antimony.

Refrigerator Termo-akustik

Model terakhir pompa kalor yang dikenal adalah dengan menggunakan suara. Sedikit terdengar aneh memang, namun memang suara yang keluar dari sebuah speaker dapat digunakan untuk mendinginkan suhu ruangan jika diperlakukan dengan cara dan alat-alat yang tepat. Refrigerator termo-akustik menggunakan sifat-sifat suara untuk dapat memampatkan dan meregangkan udara. Melalui prinsip ini, udara yang termampatkan akan mengalami kenaikan temperatur, sedangkan udara yang turun tekanannya akan turun pula temperaturnya, Sehingga jika dibuat sebuah sistem yang tepatdengan menggunakan fenomena ini, maka sebuah siklus Brayton terbalik akan dapat dibuat.



Komponen-komponen utama dari refrigerator termo-akustik diantaranya adalah sumber suara (speaker), heat exchanger panas dan dingin yang saling mengapit sebuah regenerator atau stack (sebuah bagian yang tersusun atas ruang-ruang paralel kecil), serta sebuah ruang resonator. Komponen-komponen tersebut disusun di dalam sebuah ruang tabung panjang dengan speaker berada di salah satu ujungnya. Pada saat stack diletakkan pada jarak yang tepat di dalam resonator, akan tercipta perbedaan temperatur di kedua sisi stack. Jika kedua sisi stack tersebut dipasangkan heat exchanger, maka perpindahan panas akan dapat diciptakan.

Siklus termodinamika Brayton terbalik dari mesin pendingin ini adalah:

  1. Kompresi adiabatik gas. Udara akan mengalami kenaikan tekanan sekaligus temperatur seiring dengan resonansi frekuensi suara yang terjadi. Suhu di ruangan ini sekarang menjadi lebih tinggi daripada suhu tumpukan logam heat exchanger.
  2. Perpindahan panas isobarik. Panas akan berpindah dari udara terkompresi ke plat heat exchanger. Proses perpindahan panas terjadi pada kondisi tidak ada perubahan tekanan.
  3. Ekspansi adiabatik. Stack akan mengekspansi udara sehingga tekanannya kembali turun. Penurunan tekanan ini akan sekaligus menurunkan temperatur udara sehingga lebih rendah daripada temperatur plat.
  4. Perpindahan panas isobarik. Setelah temperatur udara turun, panas heat exchanger akan berpindah ke udara tanpa terjadi perubahan tekanan, sehingga temperatur udara akan kembali ke temperatur ruang.

Referensi: Wikipedia: Heat Pump, Wikipedia: Magnetic Refrigeration, Wikipedia: Thermoelectric Cooling, Wikipedia: Thermoacoustic Hot Air Engine

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *