Humidifikasi

Humudifikasi atau pelembaban adalah suatu ilmu yang mempelajari tentang kelembaban uadar (campuran udara dan uap air) dan operasinya meliputi transfer massa suatu phase cairan murni dan suatu gas yang tidak dapat larut dalam cairan tersebut. Satuan kelembaban adalah satuan massa gas bebas uap. Dimana uap adalah bentuk gas dimana komponen juga terdapat sebagai zat cair (komponen A), sedangkan gas adalah komponen hanya terdapat dalam gas saja (komponen B). OLeh karena sifat-sifat campuran gas-uap berubah sesuai dengan tekanan totalnya maka tekanan harus ditetapkan terlebih dahulu. Kecuali bila sudah diasumsikan tekanan total 1 atm atau gas dan uap tersebut memenuhi Hukum Gas ideal. Ada beberapa pengertian dalam perhitungan humidifikasi antara lain :

1.       Kelembaban (Humidity) H

Adalah massa uap yang dibawa oleh satu satuan massa gas bebas uap. Kelembaban hanya tergantung pada tekanan bagian uap di dalam campuran bila tekanan total dibuat tetap. Jika tekanan bagian uap adalah PA atm maka rasio molal antara uap dan gas pada 1 atm adalah . Sehingga kelembaban  :

                                                                                  3.1

dimana MA dan MB adalah berat molekul komponen A dan B.

Kelembaban dihubungkan dengan fraksi mol didalam fase gas oleh persamaan :

                                                                                                            3.2

Oleh karena H/   M_A biasanya kecil dibandingkan dengan 1/MB, y biasanya dianggap berbanding lurus dengan H.

2.       Gas Jenuh

Adalah gas dimana uap  jenuh berada dalam keseimbangan dengan zat cair pada suatu gas. Tekanan bagian uap didalam gas jenuh sama dengan tekanan uap zat cair pada suhu gas. Jika Hs adalah kelembaban jenuh dan PA’ tekanan uap zat cair.

                                                                                                 3.3

3.       Kelembaban relative

Adalah rasio antara tekanan bagian uap dan tekanan uap zat cair pada suhu gas. Besaran ini biasanya dinyatakan dalam persen, sehingga kelembaban 100 % berarti gas jenuh, sedang kelembaban 0 % berarti gas bebas uap.

                                                                                                   3.4

4.       Presentase kelembaban (HA)

Rasio kelembaban nyata (actual) terhadap kelembaban jenuh Hs pada suhu gas, dinyatakan dalam %.

                                                          3.5

Persentase kelembaban pada setiap kelembaban, kecuali pada 0atau 100 %, selalu lebih kecil dari kelembaban relative.

5.       Kalor Lembab (humid heat) cs

Energi kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1^oF atau 1^oC gas, pada 1 lb atau 1 gr gas beserta segala uap yang dikandungnya.

                  Cs = CpB + CpA H                                                                               3.6

Dimana CpB dan CpA adalah kalor spesifikik  gas dan kalor spesifik uap.      

6.       Volume lembab (humid volume)

Volume total satu satuan massa gas bebas uap beserta segala uap yang dikandungnya pada tekanan 1 atm dan T gas.

                                                                                           3.7

Dimana T adalah suhu absolute dalam derajat Rankin, jika dalam satuan SI persamaan 3.7 menjadi :

                                                                           3.8

Dimana VH adalah meter kubik per gram dan T dalam K. Untuk gas bebas uap H=0 dan VH adalah volume spesifik gas tetap. Untuk gas jenuh H =Hs dan VH menjadi volume jenuh (saturated volume)

7.       Titik embun (dew point)

Suhu pendinginan campuran uap-gas (pada kelembaban tetap) agar menjadi jenuh. Titik embun fase gas jenuh sama dengan suhu gas tersebut.

8.       Entalpi total (Hy)

Entalpi satu satuan massa gas ditambah uap yang terkandung didalamnya. Untuk menghitung Hy diperlukan dua keadaan rujukan untuk gas dan uap. Misalkan To adalah suhu acuan yang dipilih untuk kedua komponen, dan entalpi komponen B pada B cair berdasarkan suhu To. Dimisalkan suhu gas adalah T dan kelembaban H. Entalpi total adalah jumlah ketiga factor, yaitu kalor sensible uap, kalor laten zat cair pada To dan kalor sensible gas bebas uap. Sehingga :

      Hy = CpB(T-To) + H λo   +  CpA H (T-To)                                                           3.9

            dimana    λo   ialah kalor laten zat cair pada suhu To.

Dari persamaan 3.6 maka pers 3.9 menjadi :

            Hy = cs (T-To) + H.λo                                                                            3.10

Keseimbangan Fase                                     

Dalam operasi humidifikasi dan dehumidifikasi, fase zat cair adalah komponen tunggal. Tekanan bagian keseimbangan zat terlarut didalam fase gas. Oleh karena itu merupakan fungsi tunggal dari suhu bila tekanan total sistem itu dibuat konstan. Demikian pulapada tekanan sedang, tekanan bagian keseimbangan hamper tidak tergantung pada tekanan total dan dapat dikatakan sama dengan tekanan uap zat cair. Menurut hukum Dalton, tekanan bagian keseimbangan dapat dikonversikan menjadi fraksi mol keseimbangan y_e dalam fase gas. Oleh karena zat cairnya murni, xe selalu satu. Data keseimbangan biasanya disajikan sebagai grafik ye vs suhu pada suatu tekanan total tertentu, seperti terlihat pada grafik 3.1 untuk system udara-air pada 1 atm. Fraksi mol keseimbangan ye dihubungkan dengan kelembaban jenuh oleh persamaan 3.2. Sehingga :

                                                                             3.11

Gambar 3.1. Keseimbangan untuk system udara-air pada 1 atm

Suhu Jenuh adiabatik

Perhatikan proses pada Gambar 3.2. Gas dengan kelembaban awal dan suhu T mengalir secara kontinu melalui kamar siram A. Kamar itu diisolasi sehingga prosesnya adiabatik. Zat cair itu disirkulasikan oleh pompa B dari reservoar pada dasar kamar siram melalui semprot C dan kembali ke dalam reservoir. Gas yang mengalir melalui kamar itu menjadi lebih dingin dan lembab. Suhu zat cair itu akan mencapai suatu suhu keadaan-stedi Ts yang disebut suhu jenuh adiabatik (adiabatic saturation temperature). Kecuali jika gas yang masuk itu jenuh, suhu jenuh adiabatik selalu lebih rendah dari suhu gas-masuk. Jika kontak antara zat cair dan gas itu cukup baik sehingga zat cair dan gas keluar berada dalam keseimbangan, gas yang keluar akan jenuh pada suhu Ts. Oleh karena zat cair yang menguap ke dalam gas itu hilang dari kamar itu, maka diperlukan tambahan zat cair pengganti. Untuk menyederhanakan analisis kita, penambahan zat cair ke dalam reservoar itu diandaikan pada suhu Ts.

Gambar 3.3 Penjenuh adiabatik : A kamar siram, B pompa sirkulasi, C semprot

                  Sekarang kita dapat membuat neraca entalpi pada proses ini. Kerja pompa kita abaikan, dan neraca entalpi kita dasarkan atas suhu dasar Ts. Entalpi zat cair penambah, oleh karena itu, adalah nol, dan entalpi total gas masuk sama dengan gas keluar. Oleh karena total gas keluar berada pada suhu rujukan, entalpinya hanyalah Hsλs, dimana Hs ialah kelembaban jenuh dan λs kalor laten, keduanya pada suhu Ts. Dari Pers. (3.9), entalpi total gas masuk ialah cs(T - Ts) + H λs, dan neraca entalpi menjadi :

                  Cs(T-Ts) + H λs = Hs λs

Atau                                                                       3.12

Grafik kelembaban.

Diagram yang praktis yang menunjukkan sifat-sifat campuran gas permanen dan gas yang mampu-kondensasi disebut grafik kelembaban (humidity chart). Diagram untuk campuran udara dan air pada I atm disajikan pada Gambar 3.5. Grafik ini terdapat dalam berbagai bentuk. Gambar 3.5 didasarkan atas grafik Grosvenor. Pada Gambar 3.5 suhu dipetakan sebagai absis sedang ordinatnya adalah kelembaban. Setiap titik pada grafik itu menunjukkan satu campuran tertentu antara udara dan air. Garis kurva bertanda "lO0%" menunjukkan kelembaban udara jenuh sebagai fungsi suhu udara. Dengan menggunakan tekanan uap air, koordinat titik-titik pada garis ini bisa didapatkan dari Pers.3.3. Setiap titik yang terletak di atas dan sebelah kiri dari garis jenuh itu menunjukkan suatu campuran udara dan air cair. Daerah ini hanya penting untuk memeriksa pembentukan kabuf (fog). Setiap titik yang terletak disebelah bawah garis jenuh menunjukkan udara yang tidak jenuh, dan titik-titik pada sumbu suhu adalah udara kering. Garis-garis lengkung antara garis jenuh dan sumbu suhu yang ditandai dengan persen menunjukkan campuran udara-air pada persen kelembaban tertentu. Sebagaimanate rlihat dari Pers. 3.5, interpolasi lurus antara garis jenuh dan sumbu suhu dapat digunakan untuk menentukan letak garis-garis dengan kelembaban konstan. Garis-garis miring ditarik ke bawah dan ke kanan garis jenuh disebut garis-garis pendinginan adiabatik (adiobatic-cooling lines). Garis-garis ini merupakan pemetaan dari Pers. 3.12., dimana masing-masingnya menunjukkan satu nilai konstan suhu jenuh adiabatik.

Untuk setiap nilai Ts tertentu, Hy dan λs, adalah tetap, dan garis  H vs T dapat kita petakan dengan memberikan nilai-nilai pada H dan menghitung nilai-nilai T yang bersangkutan. Pemeriksaan terhadap Pers. 3.12 menunjukkan bahwa kemiringan garis pendinginan adiabatik, jika digambar pada koordinat yang benar-benar siku-siku, ialah - c_s/λ_s, dan dari Pers. 3.6, kemiringan bergantung pada kelembaban. Pada koor­dinat siku-siku, oleh karena itu, garis-garis pendinginan adiabatik tidaklah lurus dan tidak pula sejajar. Pada Gambar 3.5, ordinatnya telah diubah sedemikian rupa untuk menghasilkan garis adiabatik yang lurus dan sejajar satu sama lain, sehingga memudah­kan interpolasi di antara garis-garis itu. Ujung garis adiabatik pada gambar itu diberi tanda dengan suhu jenuh adiabatik yang bersangkutan.

Pada Gambar 3.5 tertera pula garis-garis mengenai volume spesifik udara kering dan volume jenuh. Kedua garis itu merupakan grafik volume terhadap suhu. Volume dibaca pada skala sebelah kiri. Koordinat titik-titik pada garis dihitung dengan menggunakan Pers. 3.7. Interpolasi antara garis, atas dasar persen kelembaban mem­berikan volume lembab udara tak-jenuh. Demikian pula, hubungan antara kalor lembab cs dan kelembaban juga digambar sebagai satu garis pada Gambar 3.5. Garis ini adalah penggambaran dari Pers. 3.6. Skala untuk cs dicantumkan pada bagian atas diagram.

Penggunaan grafik kelembaban. Manfaat grafik kelembaban sebagai sumber data menge­nai campuran udara-air tertentu dapat ditunjukkan dengan merujuk kepada Gambar 3.4, yang merupakan sebagian dari grafik pada Gambar 3.5. Andaikan bahwa suatu anus tertentu udara yang belum jenuh berada pada suhu T₁’ dan persen ke­lembaban H_A1. Udara ini ditunjukkan oleh titik A pada grafik. Titik ini merupakan titik potong antara garis suhu-tetap T1 dan garis persen-kelembaban tetap  H_A1. Kelembaban H₁ pada udara ditunjukkan oleh titik b, yaitu koordinat kelembaban dari titik a. Titik embun didapatkan dengan mengikuti garis adiabatik melalui titik a sampai keperpotongannya e pada garis 100 persen, dan membaca kelembaban pada titik f pada skala kelembaban. Kadang-kadang interpolasi di antara garis-garis adiabatik itu mungkin diperlukan. Suhu jenuh-adiabatik Ts diberikan oleh titik g. Jika udara semula lalu dijenuhkan pada suhu tetap, kelembaban sesudah penjenuhan didapatkan dengan mengikuti garis suhu-tetap melalui titik a ke titik h pada garis 100 persen dan membaca kelembaban pada titik j.

Volume lembab udara semula didapatkan dengan menentukan letak titik k dan l masing-masing pada kurva volume jenuh dan volume kering, yang sehubungan dengan suhu T1. Titik m didapatkan dengan bergerak di sepanjang garis lk sejauh (H_A/100) kl dari titik l, di mana kl ialah segmen garis antara l dan k. Volume lembab v_H diberikan oleh titik n pada skala volume. Kalor baban udara didapatkan dengan menentukan letak titik o, yaitu perpotongan antara garis kelembaban tetap melalui titik a dan garis kalor lembab dan membaca kalor lembab cs pada titik p pada skala sebelah atas.

Contoh 3.1. Suhu dan titik embun udara yang masuk ke sebuah pengering adalah masing-masing 150 dan 60°F (65,5 dan 15,6°C). Data lain apakah yang dapat dibaca mengenai udara dari grafik kelembaban?

Penyelesaian :

Titik embun ialah koordinat suhu pada garis jenuh yang ber­kaitan dengan Kelembaban udara. Kelembapan jenuh pada suhu 60°F ialah 0,011 lb air per pon (0,011 g/g) udara kering, dan ini merupakan kelembapan udara itu. Dari suhu dan kelembaban udara, kita dapat menentukan letak titik mengenai udara ini pada grafik. Pada H = 0,011 dan T = 150° F, persen kelembaban di­dapatkan, dari interpolasi 5,2 persen. Garis pendinginan adiabatik melalui titik ini memotong garis 100 persen pada 85°F (29,4^oC), dan ini merupakan garis jenuh adiabatik. Kelembaban udara jenuh pada titik ini ialah 0,026 lb air per pon (0₎026 g per gram) udara kering. Kalor lembab udara ialah 0,245 Btu/lb udara kering °F (1_,03 J/g-°C). Volume jenuh pada 150°F adalah 20,7 ft' per pon (1,29 m³ per kilogram) udara kering, dan volume spesifik udara kering pada 150°F ialah 15,35 ft³/lb (0,958m³/kg). Jadi volume lembab :

v_H = 15,35 +0,052(20,7-15,35) =15,63 ft³/lb udara kering (0,978 m³/kg)

Gambar 3.4. Penggunaan Grafik Kelembaban

Suhu Cembul Basah dan Pengukuran Kelembaban

Suhu cembul basah adalah suhu keadaan steadi dan tak keseimbangan yang dicapai bila suatu massa yang kecil daripada zat cair dicelupkan dalam keadaan adiabatic di dalam suatu arus gas yang kontinu. Massa zat cair sedemikian kecil di kelembaban dengan fase gas, sehingga perubahan sifat-sifat gas kecil sekali dan dapat diabaikan, sehingga pengaruh proses ini hanya terbatas pada zat cair saja. Metode peng­ukuran suhu-cembul basah terlihat pada Gambar 3.6.

Gambar 3.6. Prinsip thermometer cembul basah

Sebuah termometer, atau suatu peranti pengukuran suhu yang setara, seperti termokopel, dibalut dengan sumbu, yang dijenuhkan dengan zat cair murni dan dicelupkan di dalam arus gas yang mempunyai suhu tertentu T dan kelembaban H. Andaikan bahwa pada mulanya suhu zat can itu adalah kira-kira sama dengan gas. Oleh karena gas itu tidak jenuh, zat cair lalu menguap dan karena proses itu adiabatik, kalor latennya didapatkan dari pendinginan zat cair. Jika suhu zat cair telah turun sampai di bawah suhu gas, kalor sensibel akan berpindah dari gas ke zat cair. Akhirnya akan tercapai suatu keadaan stedi pada suatu suhu zat cair di mana kalor yang diperlukan untuk menguapkan zat cair dan memanaskan uap sampai ke suhu gas menjadi persis berimbang dengan kalor sensibel yang mengalir dari gas ke zat cair. Suhu ini adalah suhu keadaan stedi, ditandai dengan Tw, dan disebut suhu cembul-basah. Suhu merupakan fungsi dari T dan H.

Untuk mengukur suhu cembul-basah secara teliti, ada tiga hal yang harus diperhati­kan:

1.       Sumbu itu harus basah seluruhnya dan tidak ada bagian sumbu itu yang kering yang berada dalam kontak dengan gas;

2.       Kecepatan gas harus cukup besar sehingga laju aliran kalor radiasi dari lingkungan yang panas ke cembul itu dapat diabaikan ter­hadap laju aliran kalor sensibel yang disebabkan oleh konduksi dan konveksi dari gas ke cembul;

3.       Jika kita harus menambahkan zat cair pengganti ke cembul itu, zat cair yang ditambahkan itu harus berada pada suhu cembul basah. Bila ketiga hal tersebut di­penuhi, maka suhu cembul-basah tidak akan bergantung pada kecepatan gas dalam jangkau laju aliran yang cukup luas.

Suhu cembul-basah mungkin tampak menyerupai suhu jenuh-adiabatik Ts. Memang, untuk campuran udara-air kedua suhu itu hampir sama. Akan tetapi hanyalah kebe­tulan, dan tidak berlaku untuk campuran selain dari campuran udara dan air. Suhu cembul-basah secara mendasar berbeda dari suhu jenuh-adiabatik. Suhu dan kelembaban gas berubah selama berlangsungnya proses tsb, dan titik akhirnya ialah suatu keseimbangan sejati, dan bukan suatu keadaan-stedi yang dinamik. Biasanya bersama dengan cembul basah digunakan thermometer tanpa balut yang mengukur T, yaitu suhu gas nyata, suhu gas tersebut disebut suhu cembul kering (dry bulb temperature).