Rancang Bangun Mesin Pendingin Tenaga Surya Dengan Luas Kolektor 0,25 M2

(1)

RANCANG BANGUN MESIN PENDINGIN TENAGA

SURYA DENGAN LUAS KOLEKTOR 0,25 m

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi

Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

ANDIKA RESTU FAUZI

NIM 100421048

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa, atas berkat dan rahmat-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini dengan sebaik-baiknya.

Skripsi ini merupakan salah satu syarat yang harus dilaksanakan mahasiswa untuk menyelesaikan pendidikan agar memperoleh gelar sarjana di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun Tugas Sarjana yang dipilih adalah dalam bidang Termodinamika Teknik dengan judul "RANCANG BANGUN MESIN PENDINGIN TENAGA SURYA DENGAN LUAS KOLEKTOR 0,25 m2 _{". Dalam menyelesaikan Tugas Sarjana} ini, penulis banyak mendapat dukungan dari berbagai pihak. Maka pada kesempatan ini dengan ketulusan hati penulis ingin menghaturkan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :

1. Kedua orang tua dan keluarga tercinta, (Ayah) Ernedy Endang, ST dan (Ibu) Puji Astuty, Spd yang senantiasa memberikan kasih sayang, dukungan, motivasi, dan nasihat yang tak ternilai harganya. Serta kepada adik-adik saya Fadillah Dwi Stiaji dan Agil Abdillah Fauzi .

2. Bapak Tulus Burhanuddin Sitorus, ST, MT, dosen pembimbing yang telah banyak meluangkan waktunya membimbing, memotivasi, dan membantu penulis dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini.

3. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST, MT yang juga banyak membantu dalam memberikan fasilitas alat penelitian dalam perancangan ini

4. Prof.Dr.Ir. Bustami Syam, MSME (Dekan Fakultas Teknik USU), beserta segenap Staf dan Jajarannya.

5. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri, selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU.

(8)

6. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT, selaku sekertaris Departemen Teknik Mesin, Universitas Sumatera Utara.

7. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU.

8. Rekan satu tim Tri Arfandi dan Eka Juanda ginting atas kerja sama yang baik dalam penyelesaian mesin ini

9. Kepada Devita Rianty yang telah banyak memberikan dukungan dan motifasi kepada penulis

10.Seluruh rekan-rekan mahasiswa Departemen Teknik Mesin, teristimewa kepada kawan-kawan seperjuangan Angkatan 2010 dan 2011 yang tidak dapat disebutkan satu persatu yang telah banyak membantu dan memberi masukan yang berguna demi kelengkapan Skiripsi ini.

Penulis menyadari bahwa masih banyak kekurangan baik dalam penulisan maupun penyajian Tugas Sarjana ini. Untuk itu penulis mengharapkan saran - saran yang membangun dari semua pihak demi kesempurnaan Tugas Sarjana ini di kemudian hari.

Akhir kata, dengan segala kerendahan hati penulis memanjatkan doa kepada Tuhan Yang Maha Esa semoga skripsi ini bermanfaat untuk kita semua.

Medan, Juli 2014 Penulis

(9)

9 ABSTRAK

Mesin pendingin tenaga surya ini sedang di kembangkan diseluruh negara yang sedang berkembang. pada pembuatan mesin ini menggunakan biaya yang tidak terlalu besar dan bahan yang di gunakan juga tidak mencemari lingkungan sehingga aman di gunakan dalam kehidupan sehari- hari. Keuntungan dari penggunaan mesin pendingin adsorpsi ini adalah karena pendingin adsorpsi ini dioperasikan dengan menggunakan panas matahari sebagai sumber energi. Dengan pemanfaatan sumber energi tersebut dapat dihasilkan suhu evaporator dibawah 8 °C pada tingkat suhu pemanasan generator 77 °C – 96 °C. Sehingga mesin ini juga sangat cocok di gunakan di daerah – daerah nelayan di karenakan nelayan banyak membutuhkan pendinginan untuk mebawa ikan - ikan tangkapan mereka dalam keadaan segar. Tujuan dari rancang bangun Mesin Pendingin Tenaga Surya ini adalah membuat modelnya yang dilakukan dengan cara mendesain dengan cara melakukan perancangan alat- alat utamanya yaitu Kolektor, Kondensor, dan Evaporator. Setelah di rancang kemudian dilakukan pembuatan masing-masing bagian yang telah di desain. Dalam rancang bangun ini dipilih sisem pendingin adsorpsi dengan menggunakan pasangan karbon aktif, alumina aktif, dan biji besi sebagai bagian dalam kolektor dengan luas 0,25 m2 dan metanol sebagai refrigerant pada evaporator. Pada pembuatan alat yang penting pada mesin pendingin ini, saperti kolektor, kondensor, dan evaporator dengan menggunakan las argon.

Kata kunci : Kolektor, Kondensor, Evaporator, adsorpsi, dan Desorpsi

(10)

10 ABSTRACT

Engine cooling solar power is being developed throughout the developing world. in the manufacture of this machine uses the cost is not too large and the materials used does not pollute the environment so safe to use in everyday life. The advantage of using this adsorption cooling machine is due to the adsorption cooling is operated by using the heat of the sun as an energy source. With the use of these energy sources can be produced evaporator temperature is below 8 ° C at the heating temperature level generator 77 o C - 96 ° C. So this machine is also very suitable for use in area - fishermen fishing in because many require

refrigeration for mebawa fish - catch them in a fresh state. The purpose of design Solar Cooling Machine is making model which is done by designing a way to design the tools its core collector, Condenser and Evaporator. Having designed and then do the manufacture of each piece that has been in the design. In engineering have been sisem cooling adsorption using activated carbon pair, activated alumina, and iron ore as part of the collector with an area of 0.25 m2 and methanol as a refrigerant in the evaporator. In making an important tool in this cooling machine, saperti collector, condenser, and evaporator using argon welding.

(11)

11 DAFTAR ISI

Hal

KATA PENGANTAR ... i

ABSTRAK ... iii

DAFTAR ISI ... v

DAFTAR TABEL ... vii

DAFTAR GAMBAR ... vi

DAFTARNOTASI ... x

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1.Latar Belakang ... 1

1.2. Tujuan perancangan ... 2

1.3. Batasan Masalah ... 2

1.4. Manfaat perancangan ... 2

1.5. Sistematika Penulisan ... 2

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 4

2.1. Sistem Mesin Pendingin Adsorpsi ... 4

2.2. Adsorben ... 5

2.3. Kondensor ... 17

2.3.1. Klasifikasi Ekspansi ... 18

2.3.2. Prinsip Kerja Kondensor ... 21

2.3.3. Adsorpsi ... 22

2.4. Evaporator ... 26

2.4.1. Jenis Evaporator ... 27

2.4.2. Refrigeran ... 33

BAB III METODE PENELITIAN ... 40

3.1. Metode Pelaksanaan Rancang Bangun ... 40

3.2. Tempat Pembuatan ... 41

3.3. Bahan Dan Alat ... 41

3.3.1. Bahan - bahan ... 41

(12)

3.4. Perancangan kolektor ... 52

3.5. Perancangan Kondensor ... 54

3.6. Perancangan Evaporator ... 56

BAB IV PEMBUATAN DAN PENGUJIAN MESIN ... 58

4.1. Pembuatan Mesin ... 58

4.2. Pembuatan Kerangka Mesin Pendingin ... 60

4.3. Pembuatan Kotak Isolasi Adsorber ... 61

4.4. Pembuatan Kaca Penutup ... 63

4.5. Pembuatan Kolektor Surya ... 63

4.6. Pembuatan Kondensor ... 67

4.7. Pembuatan Evaporator ... 68

4.8. Pembuatan Kotak Insulasi ... 71

4.9. Penghitungan Dan Hasil Data ... 71

4.9.1. Analisis Intensitas Radiasi Matahari ... 72

4.9.2. Pengujian ... 73

4.9.2.1. Pengolahan Data ... 74

4.10. Temperatur Lingkungan Dan Matahari ... 83

4.11. Analisa Grafik ... 84

4.11.1.Adsorber ... 84

4.11.2.Kondensor... 87

4.11.3.Evaporator ... 89

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 93

5.1. Kesimpulan ... 93

5.2. Saran ... 94 DAFTAR PUSTAKA

(13)

13 DAFTAR TABEL

Tabel 2.1. Penggolongan adsorben berdasarkan kemampuan menyerap air ... 6

Tabel 2.2. Spesifikasi karbon aktif ... 8

Tabel 3.1. Konduktifitas Bahan ... 53

Tabel 4.1. Data Intensitas Radiasi Matahari Tanggal 10 April 2014 ... 72

Tabel 4.2. Data Intensitas Radiasi Matahari Tanggal 11 April 2014 ... 73

Tabel 4.3. Tekanan dan Temperatur pada proses desorpsi .. ... 73

Tabel 4.4. Tekanan dan Temperatur pada proses adsorpsi ... 74

(14)

14 DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Proses pemanasan kolektor dengan tenaga surya ... 4

Gambar 2.2 Karbon Aktif ... 7

Gambar 2.3 Alumina Aktif ... 11

Gambar 2.4 Biji Besi ... 11

Gambar 2.5 Kondensor Berpendingin Udara ... 19

Gambar 2.6 Kondensor Berpendingin Air ... 20

Gambar 2.7 Kondensor berpendingin campuran udara dan air ... 21

Gambar 2.8 Siklus refrigerasi adsorpsi (Clapeyron diagram)... 24

Gambar 2.9 Adsorpsi kimia ... 25

Gambar 2.10 penyerapan suatu zat oleh zat pengadsorpsi ... 29

Gambar 2.11 Metanol ... 34

Gambar 3.1 Mesin Las ... 45

Gambar 3.2 Mesin Gerinda Tangan ... 48

Gambar 3.3 Thermometer Raksa ... 48

Gambar 3.2 Manometer ... 49

Gambar 3.3 Hobo Micro Station smart sensor ... 50

Gambar 3.4 Pompa Vakum ... 51

Gambar 3.5 Agilent ... 52

Gambar 3.8 Desain Kolektor Surya ... 52

Gambar 3.9 Penampang Kolektor Surya ... 53

Gambar 3.10 Desain Kondensor ... 54

Gambar 3.11 Desain Fin Kondensor ... 55

Gambar 3.12 Desain Evaporator ... 56

Gambar 4.1 Mesin Pendingin ... 58

Gambar 4.2 Eksperimental Pada Proses Desorpsi ... 59

Gambar 4.3 Eksperimental Pada Proses Adsorpsi ... 59

Gambar 4.4 Rangka Mesin Pendingin ... 60

Gambar 4.5 Pengecatan Rangka Mesin ... 61

Gambar 4.6 Kotak Adsorber ... 61

(15)

Gambar 4.8 Kotak Adsorber Dengan Kolektor Di Dalamnya (B) ... 62

Gambar 4.9 Kaca Penutup Kolektor ... 63

Gambar 4.10 Plat Untuk Membuat Kolektor ... 64

Gambar 4.11 Pengelasan Kolektor Surya Dengan Menggunakan Las Argon ... 64

Gambar 4.12 Pemotongan Fin Untuk Dalam Kolektor... 65

Gambar 4.13 Kolektor Surya Dengan Fin Di Dalamnya ... 65

Gambar 4.14 Pengisian Karbon Aktif, Alumina Aktif, Dan Biji Besi Setelah Pengelasan Selesai ... 66

Gambar 4.15 Pemasangan Kawat Kasa ... 66

Gambar 4.16 Pengelasan Kondensor ... 68

Gambar 4.17 Evaporator Bagian Bawah... 69

Gambar 4.18 Evaporator Bagian Dalam ... 69

Gambar 4.19 Pengelasan Evaporator ... 70

Gambar 4.20 Evaporator Tampak Dari Atas ... 70

Gambar 4.21 (a) Kotak Insulasi, (b) Bagian Dalam Kotak Insulasi ... 71

Gambar 4.22 Grafik Radiasi Matahari VS Waktu ... 83

Gambar 4.23 Grafik Temperatur Lingkungan VS Waktu... 84

Gambar 4.24 Grafik Temperatur Adsorber Hari Pertama... 85

Gambar 4.25 Grafik Temperatur Adsorber Hari Kedua ... 86

Gambar 4.26 Grafik Temperatur Adsorber Hari Ketiga ... 87

Gambar 4.27 Grafik Temperatur Kondensor Hari Pertama ... 88

Gambar 4.28 Grafik Temperatur Kondensor Hari Kedua... 88

Gambar 4.29 Grafik Temperatur Kondensor Hari Ketiga ... 89

Gambar 4.30 Grafik Temperatur Evaporator Hari Pertama ... 90

Gambar 4.31 Grafik Temperatur Evaporator Hari Kedua ... 91

(16)

DAFTAR NOTASI

Simbol Keterangan Satuan

COP Coficient Of Performance -

QCool Kalor pendinginan (Joule)

QDrive Kalor kerja (Joule)

∆H Perubahan entalpi (kJ/kg)

CS Perubahan entropi (kJ/kgK)

COA coefficient of amplification -

Cv Kalor spesifik volume tetap ( J/kg. K) Cp Kalor spesifik tekanan tetap (J/kg. K)

QL Kalor laten ( J oule)

Le Kapasitas kalor spesifik laten (J/kg)

m Massa zat (kg )

Qs Kalor sensible (J )

∆T Beda temperatur (K)

Qsp Kapasitas pendinginan spesifik ( kJ/s/m2₎

k Koefisien Konduksi (W/m.K)

h Koefisien Konveksi (W/(m2_K))

∆x Jarak Pusat Adsorben Ke Plat

t Interval Waktu (S)

A Luas Penampang (m2)

Teva Temperatur Evaporator (K)

Tgene Temperatur Generator (K)

q Laju Perpindahan Panas (Watt)

p Tekanan (CmHg)

1 Emisivitas Dari Plat Penyerap

2 Emisivitas Dari Plat Kaca

α Harga Absorpsivitas

ρ Massa Jenis (Kg/cm3₎

η Efisiensi

(17)

9 ABSTRAK

Kata kunci : Kolektor, Kondensor, Evaporator, adsorpsi, dan Desorpsi

(18)

10 ABSTRACT

(19)

17 BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Seperti kita ketahui energi surya dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi panas dan sebagai sumber energi listrik. Salah satu aplikasi dari pemanfaatan energi termal matahari adalah Mesin Pendingin Tenaga Surya. Mesin ini digerakkan oleh tenaga matahari dan tidak menggunakan energi listrik atau energi mekanik sama sekali. Dengan karakteristik iklim cuaca kota Medan, sangat diperlukan pendinginan yang umumnya digunakan untuk pengkondisian udara. Keunggulan utama Mesin ini adalah temperatur regenerasi yang relatif rendah sehingga cocok untuk aplikasi energi surya dan tidak memiliki bagian yang berputar karena semua gerakan fluida memanfaatkan efek alamiah sehingga tidak membutuhkan energi listrik sama sekali.

Kebutuhan akan sistem pendingin di daerah terpencil untuk berbagai kebutuhan seperti pengawetan atau penyimpanan bahan makanan dirasakan semakin meningkat, sementara sistem pendingin konvensional yang ada belum tentu bisa dipakai karena tidak semua daerah terpencil memiliki jaringan listrik, sehingga sistem pendingin tenaga surya sederhana salah satu alternatif untuk pemecahan permasalahan kebutuhan sistem pendingin di daerah terpencil seperti ini.

Salah satu pemanfaatan energi surya untuk sistem pendingin adalah dengan pemanfaatan sistem adsorpsi, pada sistem ini sebagian pengoperasiannya berkaitan dengan pemberian panas pada generator dan tidak membutuhkan daya sehingga lebih ekonomis dan untuk mendapatkan energi panas jauh lebih mudah, salah-satunya dengan memanfaatkan panas dari sinar matahari.

Teknologi kolektor surya jauh lebih sederhana dibandingkan dengan sistem pendingin kompresi uap dan umumnya dapat dibuat dan diperbaiki di industri lokal. Selain kolektor surya sistem pendingin adsorpsi membutuhkan

(20)

refrigeran dan adsorben. Dalam beberapa tahun terakhir penelitian metanol sebagai refrigeran dan karbon aktif sebagai adsorben banyak dilakukan untuk membuat pendingin adsorpsi surya sederhana dengan biaya yang tidak mahal tetapi dapat menghasilkan pendingin tanpa polusi.

1.2. Tujuan Rancang Bangun

Tujuan dilakukan Rancang bangun skiripsi ini adalah: Mendesain dan membuat model Mesin Pendingin Tenaga Surya dengan Luas Kolektor 0,25 m2.

1.3. Batasan Masalah

Dalam penelitian ini, penulis membatasi masalah pada :

1. Perhitungan dimensi kolektor, kondensor dan evaporator 2. Membuat gambar rancangan dengan AUTOCAD

1.4. Manfaat Rancang bangun Manfaat penulisan skripsi ini adalah :

1. Menghasilkan rekomendasi sistem pendingin yang ramah lingkungan dan hemat energi.

2. Sebagai wacana untuk rancang bangun mesin ini lebih lanjut. Agar di peroleh mesin yang lebih sempurna lagi.

1.5. Sistematika Penulisan

Skripsi ini disusun atas beberapa bab dengan garis besar tiap bab sebagai berikut: BAB I PENDAHULUAN

Pada bab ini membahas latar belakang penulisan skripsi, tujuan penulisan, batasan masalah dan manfaat penulisan skripsi.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Pada bab ini membahas teori-teori yang dapat mendukung dan menjadi pedoman dalam penyusunan skripsi. Pada bab ini dibahas refrigerant sintetik dan hidroalumina adsorben dan prinsip kerja mesin pendingin.

(21)

19 BAB III METODOLOGI PENELITIAN

Pada bab ini membahas tentang alat dan bahan yang digunakan dan tahapan-tahapan yang dilakukan dalam pembuatan.

BAB IV HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA

Pada bab ini membahas tentang data yang didapat dari pengujian alat dan perhitungan hasilnya.

BAB V KESIMPULAN

Pada bab ini berisikan tentang kesimpulan dari skripsi yang telah selesai dikerjakan dan saran-saran yang diperlukan untuk memperbaiki hasil penelitian selanjutnya.

Daftar Pustaka

Daftar pustaka berisikan literatur-literatur yang digunakan untuk menyusun laporan ini.

Lampiran

Lampiran berisikan data dari hasil penelitian yang didapatkan dan gambar selama proses pengerjaan alat.

(22)

20 BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Sistem Mesin Pendingin Adsorpsi

Sistem pendinginan adsorpsi mirip dengan siklus pendinginan kompresi uap. Perbedaan utama kedua siklus tersebut adalah gaya yang menyebabkan terjadinya perbedaan tekanan antara tekanan penguapan dan tekanan kondensasi serta cara perpindahan uap dari wilayah bertekanan rendah ke wilayah bertekanan tinggi.

Pada sistem pendingin kompresi uap digunakan kompresor, sedangkan pada sistem pendingin adsorpsi digunakan adsorben dan generator bertekanan rendah, tekanan ditingkatkan dengan pompa dan pemberian panas di generator sehingga adsorben dan generator dapat menggantikan fungsi kompresor secara mutlak kompresi tersebut, sistem pendingin adsorpsi memerlukan masukan energi panas. seperti yang dapat kita lihat pada gambar 2.1 Proses pemanasan kolektor dengantenaga surya.

(23)

Panas sering disebut sebagai energi tingkat rendah (low level energy) karena panas merupakan hasil akhir dari perubahan energi dan sering kali tidak didaur ulang. Pemberian panas dapat dilakukan dengan berbagai cara, seperti menggunakan kolektor surya, biomassa, limbah, atau dengan boiler yangmenggunakan energi komersial. Komponen utama mesin pendingin adsorpsi adalah kolektor, kondensor, dan evaporator.

2.2. Adsorben

Kebanyakan zat pengadsorpsi atau adsorben adalah bahan-bahan yang sangat berpori, dan adsorpsi berlangsung terutama pada dinding-dinding pori atau pada daerah tertentu di dalam partikel itu. Karena pori-pori adsorben biasanya sangat kecil maka luas permukaan dalamnya menjadi beberapa kali lebih besar dari permukaan luar. Adsorben yang telah jenuh dapat diregenerasi agar dapat digunakan kembali untuk proses adsorpsi. Karbon aktif yang merupakan contoh dari adsorpsi, yang biasanya dibuat dengan cara membakar tempurung kelapa atau kayu dengan persediaan udara yang terbatas. Tiap partikel adsorben dikelilingi oleh molekul yang diserap karena terjadi interaksi tarik menarik.

Unjuk Kerja Adsorben

Adsorben dipandang sebagai suatu adsorben yang baik untuk adsorpsi dilihat dari sisi waktu. Lama operasi terbagi menjadi dua, yaitu waktu penyerapan hingga komposisi diinginkan dan waktu regenerasi / pengeringan adsorben. Makin cepat dua varibel tersebut, berarti makin baik unjuk kerja adsorben tersebut.

Penggolongan Adsorben

 Berdasarkan Sifatnya Terhadap Air

Adsorben merupakan bahan yang digunakan untuk menyerap komponen dari suatu campuran yang ingin dipisahkan. Secara umum, hal yang mempengaruhi kinerja adsorben adalah struktur kristalnya (zeolit dan silikat) dan sifat dari molekuladsorben tersebut. Zeolit dalam jumlah yang banyak telah ditemukan baik dalam bentuk sintetis ataupun alami.

(24)

Berikut adalah klasifikasi umum adsorber. dapat kita lihat pada tabel 2.1 Penggolongan Adsorben berdasarkan kemampuan menyerap air

Tabel 2.1 Penggolongan adsorben berdasarkan kemampuan menyerap air

 Berdasarkan Bahannya

Klasifikasi adsorben berdasarkan bahannya dibagi menjadi dua , yaitu:

1. Adsorben Organik

Adsorben organik adalah adsorben yang berasal dari bahan-bahan yang mengandung pati. Adsorben ini digunakan sejak tahun 1979 untuk mengeringkan berbagai macam senyawa. Beberapa tumbuhan yang biasa digunakan untuk adsorben diantaranya adalah ganyong, singkong, jagung, dan gandum. Kelemahan dari adsorben ini adalah sangat bergantung pada kualitas tumbuhan yang akan dijadikan adsorben.

2. Adsorben Anorganik

Adsorben ini mulai dipakai pada awal abad ke-20. Dalam perkembangannya, pemakaian dan jenis dari adsorben ini semakin beragam dan banyak dipakai orang. Penggunaan adsorben ini dipilih karena berasal dari bahan-bahan non pangan, sehingga tidak terpengaruh oleh ketersediaan pangan dan kualitasnya cenderung sama. Dalam penelitian ini, adsorben yang dipakai adalah karbon aktif 4 Kg dan Alumina aktif 4 Kg dan biji besi ukuran 25 mm sebanyak 85 biji.

Jenis Penyusun Struktur

Hidrofobik Polimer Karbon Aktif Moleculer sieve Karbon Silikat

Hidrofolik Silika Gel Zeeolit : 3A(KA),

4A(NaA), 5A(CaA), 13X(NaX)

(25)

23 Karbon aktif

Dalam penelitian ini adsorben yang digunakan adalah karbon aktif. Karbon aktif adalah material yang berbentuk butiran atau bubuk yang berasal dari material yang mengandung karbon misalnya batubara, kulit kelapa, dan sebagainya. Dengan pengolahan tertentu yaitu proses aktivasi seperti perlakuan dengan tekanan dan suhu tinggi, dapat diperoleh karbon aktif yang memiliki permukaan dalam yang luas.

Arang merupakan suatu padatan berpori yang mengandung 85-95% karbon, dihasilkan dari bahan-bahan yang mengandung karbon dengan pemanasan pada suhu tinggi. Ketika pemanasan berlangsung, diusahakan agar tidak terjadi kebocoran udara didalam ruangan pemanasan sehingga bahan yang mengandung karbon tersebut hanya terkarbonisasi dan tidak teroksidasi. Seperti yang terlihat pada gambar 2.4 karbon aktif

Gambar 2.4 karbon aktif

Arang selain digunakan sebagai bahan bakar, juga dapat digunakan sebagai adsorben (penyerap). Daya serap ditentukan oleh luas permukaan partikel dan kemampuan ini dapat menjadi lebih tinggi jika terhadap arang tersebut dilakukan aktifasi dengan bahan-bahan kimia ataupun dengan pemanasan pada temperatur tinggi. Dengan demikian, arang akan mengalami perubahan sifat-sifat fisika dan kimia. Arang yang demikian disebut sebagai arang aktif.

(26)

Dalam satu gram karbon aktif, pada umumnya memiliki luas permukaan seluas 500-1500 m2, sehingga sangat efektif dalam menangkap partikel-partikel yang sangat halus berukuran 0.01-0.0000001 mm. Karbon aktif bersifat sangat aktif dan akan menyerap apa saja yang kontak dengan karbon tersebut. Dalam waktu 60 jam biasanya karbon aktif tersebut manjadi jenuh dan tidak aktif lagi. Oleh karena itu biasanya arang aktif di kemas dalam kemasan yang kedap udara. Sampai tahap tertentu beberapa jenis arang aktif dapat di reaktivasi kembali, meskipun demikian tidak jarang disarankan untuk sekali pakai.

Menurut SII No.0258 -79, arang aktif yang baik mempunyai persyaratan seperti yang tercantum pada tabel 2.2 Spesifikasi karbon akif berikut ini:

Tabel 2.2. Spesifikasi karbon aktif.

Jenis Persyaratan

Bagian yang hilang pada pemanasan 950 °C.

Maksimum 15%

Air Maksimum 10%

Abu Maksimum 2,5%

Bagian yang tidak diperarang Tidak nyata Daya serap terhadap larutan Minimum 20%

Karbon aktif terbagi atas 2 tipe yaitu arang aktif sebagai pemucat dan arang aktif sebagai penyerap uap.

Arang aktif sebagai pemucat

Biasanya berbentuk serbuk yang sangat halus dengan diameter pori mencapai 1000 A0 yang digunakan dalam fase cair. Umumnya berfungsi untuk memindahkan zat-zat penganggu yang menyebabkan warna dan bau yang tidak diharapkan dan membebaskan pelarut dari zat – zat penganggu dan kegunaan yang lainnya pada industri kimia dan industri baru. Arang aktif ini diperoleh dari

(27)

serbuk – serbuk gergaji, ampas pembuatan kertas atau dari bahan baku yang mempunyai densitas kecil dan mempunyai struktur yang lemah.

Arang aktif sebagai penyerap uap.

Biasanya berbentuk granula atau pellet yang sangat keras dengan diameter pori berkisar antara 10-200 A0. Tipe porinya lebih halus dan digunakan dalam fase gas yang berfungsi untuk memperoleh kembali pelarut atau katalis pada pemisahan dan pemurnian gas. Umumnya arang ini dapat diperoleh dari tempurung kelapa, tulang, batu bata atau bahan baku yang mempunyai struktur keras.

Arang aktif yang merupakan adsorben adalah suatu padatan berpori, yang sebagian besar terdiri dari unsur karbon bebas dan masing- masing berikatan secara kovalen. Dengan demikian, permukaan arang aktif bersifat non polar. Selain komposisi dan polaritas, struktur pori juga merupakan faktor yang penting diperhatikan. Struktur pori berhubungan dengan luas permukaan, semakin kecil pori-pori arang aktif, mengakibatkan luas permukaan semakin besar. Dengan demikian kecepatan adsorpsi bertambah. Untuk meningkatkan kecepatan adsorpsi, dianjurkan agar menggunakan arang aktif yang telah dihaluskan. Sifat arang aktif yang paling penting adalah daya serap.

Alumina Aktif

Activated alumina dibuat dari aluminium hidroksida dengan dehydroxylating dengan cara yang menghasilkan bahan yang sangat berpori. Bahan ini dapat memiliki luas permukaan secara signifikan lebih dari 200 meter persegi / g. Senyawa ini digunakan sebagai pengering (untuk menjaga hal-hal kering dengan menyerap air dari udara) dan sebagai filter fluoride, arsenik dan selenium dalam air minum. Ini terbuat dari aluminium oksida (alumina, Al2O3), zat kimia yang sama seperti safir dan ruby (tapi tanpa kotoran yang memberikan orang permata warna mereka).

(28)

Activated alumina digunakan untuk berbagai adsorben dan aplikasi katalis termasuk adsorpsi katalis dalam produksi polyethylene , dalam produksi hidrogen peroksida , sebagai adsorben selektif untuk bahan kimia, termasuk arsenik , fluoride , dalam penghapusan belerang dari aliran gas ( proses Claus Catalyst) .

Digunakan sebagai desiccant , ia bekerja dengan proses yang disebut adsorpsi . Air di udara benar-benar menempel pada alumina sendiri di antara bagian-bagian kecil seperti udara melewati mereka. Molekul air menjadi terperangkap sehingga udara yang kering saat melewati filter . Proses ini reversibel . Jika pengering alumina dipanaskan untuk ~ 200 ° C , ia akan melepaskan air yang terperangkap . Proses ini disebut regenerasi pengering tersebut.

Activated alumina juga banyak digunakan untuk menghilangkan fluoride dari air minum . Di AS , ada program luas untuk fluoridate air minum . Namun, di daerah tertentu , seperti di kawasan Jaipur India , ada cukup fluoride dalam air menyebabkan fluorosis . Filter alumina aktif dapat dengan mudah mengurangi kadar fluoride dari 0,5 ppm menjadi kurang dari 0,1 ppm . Jumlah fluoride kehabisan dari air yang disaring tergantung pada berapa lama air benar-benar menyentuh media alumina filter. Pada dasarnya , semakin alumina di filter , semakin sedikit fluoride akan berada di final , air disaring . Air suhu yang lebih rendah , dan air pH rendah ( air asam ) akan disaring lebih efektif juga. PH yang ideal untuk pengobatan adalah 5,5 yang memungkinkan untuk sampai tingkat removal 95 %.

Alumina aktif , bila digunakan sebagai filter fluoride , dapat diregenerasi dengan larutan alkali ( natrium hidroksida , NaOH ) , asam sulfat ( H2SO4 ) , atau tawas (KAL ( SO4 ) 2 ) . Kapasitas penyerapan fluoride ( FUC ) dari alumina aktif bisa sampai 5000mg/kg. Untuk satu liter simulasi distl.water mengandung 100mg / L fluoride , agitasi 100 rpm bawah mesin uji jar . Tambahkan 10 g AA yang diuji . Setelah satu jam . , Matikan mesin dan mengambil Solun tersebut . Setelah 5 menit , tuang dengan seksama Solun supernatan . dan menentukan

(29)

fluoride . Hitung perbedaan antara asli dan diperlakukan fluoride air concn . Kalikan perbedaan dengan 100 ini akan memberikan kapasitas penyerapan fluoride dari AA dalam mg / kg . Yang mana contoh alumina aktif Dapat kita lihat pada Gambar 2.5 Alumina Aktif.

Gambar 2.5 Alumina Aktif Bijih besi

Biji besi terdiri atas oksigen dan atom besi yang berikatan bersama dalam molekul.Besi sendiri biasanya didapatkan dalam bentuk magnetit (Fe3O4), hematit (Fe2O3), goethit, limonit atau siderit. Bijih besi biasanya kaya akan besi oksida dan beragam dalam hal warna, dari kelabu tua, kuning muda, ungu tua, hingga merah karat anjing Saat ini, cadangan biji besi nampak banyak, namun seiring dengan bertambahnya penggunaan besi secara eksponensial berkelanjutan, cadangan ini mulai berkurang, karena jumlahnya tetap. Sebagai contoh, Lester Brown dari Worldwatch Institute telah memperkirakan bahwa bijih besi bisa habis dalam waktu 64 tahun berdasarkan pada ekstrapolasi konservatif dari 2% pertumbuhan per tahun. Berikut Gambar 2.6 Biji Besi

(30)

28 Kolektor surya plat rata

Data radiasi surya pada bidang miring jarang diperloleh : karakteristik dari permukaan di sekitarnya berbeda antara satu tempat dengan yang lainnya,sehingga standariasasi pengukuran sukar dibuat. Misalnya, data untuk suatu permukaan miring yang menghadap tanah tertutup salju serta menerima komponenen radiasi karena pemantulan, harus dirinci dulu kondisi saljunya, yaitu sifat pantulnya

Karena itu, radiasi total pada suatu permukaan miring biasanya dihitung. Dalam bagian ini dipertimbangkan metode untuk menghitung komponen radiasi pada sutu permukaan miring. Komponen sorotan IbT diperoleh dengan mengubah radiasi sorotan pada permukaan horizontal menjadi masuk normal dengan menggunakan sudut zenith, dan kemudian mendapatkan komponen pada permukaan miring dengan menggunakan sudut masuk. Radiasi sorotan pada permukaan horisontal diperoleh dari selisih antara pengukuran radiasi total dan pengukuran radiasi sebaran untuk suatu lokasi tetentu.

Komponen sebaran pada permukaan miring, IdT , dihitung dari komponen horisontal. Perhitungan dapat dilakukan dengan dua cara: yang pertama dengan menggap radiasi sebaran didistribusi merata; yang kedua,suatu ,metode yang lebih teliti, menggap bahwa sebaran lebih banyak berasal dari daerah langit dekat matahari. Karena untuk kebanyakan daerah, komponen sebaran untuk suatu permukaan horizontal, Id , tidak dapat diperoleh secara terpisah, maka suatu metode perhitungan fraksi sebaran dari radiasi total, Id/I. Komponen yang dipantulkan pada permukaan miring, IrT, dapat segera dihitung apabila reflektansi dari permukaan disekitanya telah diketahui. Radiasi total pada permukaan miring adalah jumlah dari tiga komponen yang diterangkan dengan menggunakan rumus:

IT – IbT + IdT + IrT

(31)

29 Ibn = I

z ∅z

Dimana Ib adalah radiasi sorotan pada permukaan horizontal dan cosØz adalah sudut zenith, untuk permukaan yang dimiringkan dengan sudut β terhadap bidang horizontal, intensitas dari komponen sorotan adalah :

IbT = Ibn cosØT = Ib s ∅� ∅�

Dimana ØT disebut sudut masuk, dan didefenisikan sebagai sudut antara arah sorotan pada sudut masuk normal dan arah komponen tegak lurus ( 90 o_C) pada permukaan miring.

Apabila permukaan dimiringkan dengan sudut β terhadap horizontal, maka hal itu adalah sama dengan apabila bumi diputar denga arah jarum jam sebesar β, dan permukaannya tetap berada pada kedudukan yang sama,. Hubungan antara

cosØz untuk garis lintang ф – β kemudian datap diganti untuk permukaan yang dimiringkan pada garis lintang ф. Karena garis lintang ditentukan dari bidang ekuator, maka kemiringan permukaan megarah ke ekuator, yaitu bahwa permukaan itu dimiringkan ke selatan.

Persamaan untuk sudut ØT , yaitu sudut masuk adalah :

Cos ØT = sin . Sin (ф–β) + cos . Cos (ф–β). Cos ω

Radiasi sorotan IbT pada permukaan miring selanjutnya dapat dihitung dari radiasi sorotan Ib pada sebuah permukaan horizontal,

IbT = Ib si .si ф−� + s . sф−� s � si .si ф+ s . sф s �

(32)

Radiasi sebaran yang disebut juga radiasi langit (sky radiation), adalah radiasi yang diancarkan ke permukaan oleh atmosfer, dank arena itu berasal dari seluruh bagian langit.

Apabila dimisalkan, seperti yang sering terjadi, bahwa radiasi sebaran (langit) didistribusikan merata , maka radiasi sebaran pada permukaan miring dinyatakan dengan:

IdT = � + s �

Dimana β adalah sudut miring dari permukaan miring dan Id menunjukkan besarnya radiasi sebaran. Selain komponen radiasi langsung dan sebaran, permukaan penerima juga mendapatkan radiasi yang dipantulkan dari permukaan yang berdekatan; jumlah radiasi yang dipantulkan tergantung dari reflektansi α dari permukaan yang berdektan itu,dan kemiringan permukaan yang menerima. Radiasi yang dipantulkan per jam, juga disebut radiasi patulan , adalah :

Irt = � � _T+ � − s �

Dimana α =0,20-0,25 untuk permukaan tanpa salju dan 0,7 untuk permukaan lapisan salju.

Prestasi termal kolektor surya pelat rata dijabarkan oleh persamaan effisiensi termal Hottel-Whillier-Bliss. Persamaan tersebut diterapkan secara luas dalam simulasi dan analisa sistem surya. Pemanasan surya pada umumnya terdiri dari selembar bahan konduktif termal yang disebut pelat penyerap yang menyambung pipa-pipa/pembawa cairan pemindah panas. Radiasi surya ditransmisikan melalui penutup yang transparan dan diubah menjadi panas pada pelat penyerap tersebut.

(33)

Panas yang hilang dari bagian atas pelat penyerap karena konveksi alam dan karena radiasi ke permukaan dalam dari pelat penutup kaca,tetapi dalam analisis ini hal itu akan diabaikan. Panas ini dikonduksikan oleh pelat kaca ke permukaan luarnya,kemudian dipindahkan ke atmosfer luar secara konveksi dan radiasi.

Kerugian panas ini dinamai kerugian atas (top loss),dinyatakan dengan:

Ut (tp-ta) W/m2

Dimana Ut disebut koefisien kerugian atas ,W/(m2.K), dan Tp dan Ta masing-masing adalah temperatur pelat dan temperatur lingkungan. Kebalikan dari Ut,1/Ut, adalah jumlah tahanan terhadap perpindahan panas dari pelat ke lingkungan yang dinyatakan dengan sirkuit seri-pararel sederhana.

Dalam sirkuit ini,

h1 = koefisien konveksi (alam) dalam h2 = koefisen radiasi (ekivalen) dalam

R (kaca) = harga R dari kaca,tebal/konduktivitas termal =t/k,m2_.K/W Ho = koefisien konveksi luar

Hro = koefisien radiasi (ekivalen) luar

Dimana satuan-satuan untuk koefisien konveksi dan koefisien radiasi adalah W/(m2.K)

Karena dalam suatu sirkuit pararel konduktansi-konduktansi dijumlahkan, dan dalam suatu sirkuitseri tahanannya dijumlahkan, maka tahanan total dapat ditulis

= ℎ + ℎ + � �� + ℎ + ℎ

koefisien konveksi alam hi antara pelat-pelat miring yang dipanasi dari bawah telah dikorelasikan oleh hollands dan lain-lain untuk sudut miring lain

(34)

antara 0o dan 70+oy yang dinyatakan dalam bilangan Rayleigh (perbandingan gaya apung terhadap gaya viskos) dan sudut miring β1_{. Koefisien tersebut dapat} dengan mudah dinyatakan dari sela z, antara pelat penyerap dan penutup kaca, dengan sudut miring sebagai parameter. Fungsi-fungsi ∅1,∅2 dan ∅3 didefenisikan sebagai berikut:

∅1 =

� + ⁄ _{� �} ⁄ = ��− ��

= � + ⁄

�

Dan temperatur rata-rata (Tm) :

Tm =Tp+Tc/2

koefisien radiasi dalam (ekivalen) hri

Penukaran panas radiasi antara penyerap dan penutup adalah :

q = � � −� � +� −

yang dapat ditulis sebagai fungsi koefisien radiasi ekuivalen hri sebagai

q = hri (Tp-Tc)

dimana:

hri = � ��−�� (_��−_��− )(��−��)

Tahanan termal kaca dinyatakan dengan R(kaca) =

Dimana t adalah tebal kaca, m dan k adalah konduktivitas termal W/(m.K)

(35)

33 ho = 5,7 + 3.8 V

dimana V adalah kecepatan angin dalam m/s Koefisien radiasi luar ekivalen dapat ditulis sebagai

Hro = �� −��

��−�� W/(m 2_.K)

Dimana temperatur langit diperkirakan oleh Swinbank adalah

Tlangit = 0,0552 (Ta2/3₎ Temperatur luar Ta adalah dalam derajat Kelvin (K)

Pelepasan panas sebuah kolektor surya lebih baik sebagai fungsi dari temperatur masuk fluida Ti. Hal ini dapat dilakukan dengan memakai faktor pelepasan panas yang diberilambang FR. Apabila kerugian panas dinyatakan sebagai fungsi temperatur fluida masuk Ti maka kerugian tersebut dinyatakan sebgai :

UL(Ti-Ta)

Dimana Ti selalu lebih kecil dari pada temperatur pelat yang menjadi dasar bagi UL. Maka perolehan panas yang dinyatatakan sebagai fungsi temperatur fluida masuk, menjadi :

FR [(GT ( α) - UL (Ti-Ta)] 2.3. Kondensor

Kondensor berfungsi untuk melepaskan kalor kelingkungan untuk merubah fase refrigerant dari uap bertekanan tinggi menjadi cairan bertekanantinggi atau dengan kata lain pada kondensor ini terjadi proses kondensasi. Refrigerant yang telah berubah menjadi cair tersebut kemudian dialirkan keevaporator melalui pompa

(36)

Kondensor bisa di sebut juga suatu alat untuk terjadinya kondensasi refrigeran uap dari kompresor dengan suhu tinggi dan tekanan tinggi. Kondensor sebagai alat penukar kalor berguna untuk membuang kalor dan mengubah wujud refrigeran dari uap menjadi cair.

Faktor-faktor yang mempengaruhi kapasitas kondensor adalah :

1. Luas muka perpindahan panasnya meliputi diameter pipa kondensor, panjang pipa kondensor dan karakteristik pipa kondensor

2. Aliran udara pendinginnya secara konveksi natural atau aliran paksa oleh fan

3. Perbedaan suhu antara refrigeran dengan udara luar 4. Sifat dan karakteristik refrigeran di dalam sistem

Kondensor ditempatkan di luar ruangan yang sedang didinginkan, agar dapat melepas keluar kepada zat yang mendinginkannya. Tekanan refrigeran yang meninggalkan kondensor harus cukup tinggi untuk mengatasi gesekan pada pipa dan tahanan dari alat ekspasi, sebaliknya jika tekanan di dalam kondensor sangat rendah dapat menyebabkan refrigeran tidak mampu mengalir melalui alat ekspansi.

2.3.1. Klasifikasi Ekspansi

Menurut zat yang mendinginkannya, kondensor dapat dibagi menjadi tiga jenis yaitu:

1. Kondensor berpendingin udara (Air Cooled Condenser)

Air Cooled Condenser adalah kondensor yang menggunakan udara sebagai cooling mediumnya, biasanya digunakan pada sistem berskala rendah dan sedang dengan kapasitas hingga 20 ton refrigerasi. Air Cooled Condenser merupakanperalatan AC (Air Conditioner) standard untuk keperluan rumah tinggal (residental) atau digunakan di suatu lokasi di mana pengadaan air bersih susah diperoleh atau mahal.

(37)

Untuk melayani kebutuhan kapasitas yang lebih besar biasanya digunakan multiple air colled condenser. Udara sebagai pendingin kondensor dapat mengalir secara alamiah atau dialiri paksa oleh fan. Kulkas pada umumnya menggunakan kondensor berpendingin udara secara alamiah (konveksi natural) yang umum disebut sebagai kondensor statis. Fan dapat meniupkan udara kearah kondensor dalam jumlah yang lebih besar, sehingga dapat memperbesar kapasitas pelepasan panas oleh kondensor.

Refrigeran dari kompresor pada suhu dan tekanan tinggi dialirkan ke bagian paling atas kondensor. Di dalam kondensor, refrigeran melepas kalor embunnya sehingga mengembun, wujudnya berubah dari uap menjadi cair. Refrigeran dengan tekanan tinggi ini dialirkan dari bagian bawah kondensor ke saringan dan alat ekspansi. Pelepasan panas ini dapat dirasakan yaitu muka kondensor menjadi hangat.

Kondensor berpendingin udara bentuknya sederhana, tidak memerlukan perawatan khusus. Ini adalah keuntungan dari kondensor berpendingin udara. Sistem refrigerasi yang berkapasitas kurang dari 1 kW umumnya menggunakan kondensor jenis ini. Dapat Kita lihat pada Gambar 2.7 Kondensor berpendingin udara.

Gambar 2.7 Kondensor berpendingin udara 1. Kondensor berpendingin air (Water Cooled Condenser)

(38)

Kondensor jenis ini digunakan pada system yang berskala besar untuk keperluan komersil di lokasi yang mudah memperoleh air bersih. Kondensor jenis ini menjadi pilihan yang ekonomis bila terdapat suplai air bersih mudah dan murah. Pada umumnya kondensor seperti ini berbentuk tabung yang di dalamnya berisi pipa (tubes) tempat mengalirnya air pendingin. Uap refrigeran berada di luar pipa tetapi di dalam tabung (shell). Kondensor seperti ini disebut shell and tube water cooled condenser. Air yang menjadi panas, akibat kalor yang dilepas oleh refrigeran yang mengembun, kemudian air yang telah menjadi panas ini didinginkan di dalam alat yang disebut menara pendingin (cooling tower). Setelah keluar dari cooling tower, air menjadi dingin kembali dan disalurkan dengan pompa kembali ke kondensor. Dengan cara inilah pendingin disirkulasikan. Kondensor jenis ini biasanya digunakan pada sistem berkapasitas besar. Dapat kita lihat seperti Gambar 2.8 Kondensor berpendingin air

Gambar 2.8 Kondensor berpendingin air

2. Kondensor berpendingin campuran udara dan air (Evaporative Condenser) Kondensor jenis ini merupakan kombinasi dari kondensor berpendingin udara dan kondensor berpendingin air. Koil kondensor ini diletakkan berdekatan dengan media pendinginnya yang berupa udara tekan dan air yang disemprotkan melalui suatu lubang nozzle.

(39)

Kondensor jenis ini disebut juga evaporative condenser. Kondensornya sendiri berbentuk seperti kondensor dengan pendingin air, namun diletakkan di dalam menara pendingin. Percikan air dari atas menara akan membasahi muka kondensor jadi kalor dari refrigeran yang mengembun diterima oleh air dan kemudian diberi pada aliran udara yang mengalir dari bagian bawah ke bagian atas menara. Sebagai akibatnya air yang telah menjadi panas tersebut diatas, didinginkan oleh aliran udara, sehingga pada saat air mencapai bagian bawah menara, air ini sudah menjadi dingin kembali. Selanjutnya air dingin ini dipompakan ke bagian atas menara demikian seterusnya. Dalam Negara yang bemusim empat, pada musim dingin sering kali tidak dibutuhkan percikan air dari atas menara, karena udara sudah cukup dingin dan mampu secara langsung menerima beban kondensor. Dalam keadaan seperti ini, dikatakan bahwa evaporative condenser dioperasikan secara kering. Dengan cara ini maka evaporative condenser dioperasikan secara kering. Maka evaporative condenser ini akan berfungsi seperti kondensor berpendingin udara. Seperti yang terihat pada gambar 2.9 Kondensor berpendingin campuran udara dan air

Gambar 2.9 Kondensor berpendingin campuran udara dan air

2.3.2. Prinsip Kerja Kondensor

Uap refrigeran yang keluar dari generator akan memasuki kondensor. Uap yang bersuhu tinggi ini sebelum masuk ke evaporator terlebih dahulu didinginkan

(40)

di kondensor. Panas uap dari refrigeran secara konveksi akan mengalir ke pipa kondensor. Panas akan mengalir ke sirip-sirip kondensor sehingga panas tersebut dibuang ke udara bebas melalui sirip dengan cara konveksi alamiah.

Sehingga untuk memperluas daya konveksi maka luas sirip dirancang semaksimal mungkin. Suhu uap refrigeran didalam kondensor ini akan turun tetapi tekanannya tetap tidak berubah. Bila penurunan suhu gas mencapai titik pengembunannya maka akan terjadi proses pengembunan (kondensasi), dalam hal ini terjadi perubahan wujud gas menjadi liquid yang tekanan dan suhunya masih cukup tinggi (tekanan kondensing).

Proses pendinginan dikondensasikan tersebut menghasilkan refrigeran berbentuk cairan (liquid). Proses kondensasi yang terjadi selama proses percobaan tidak stabil karena menggunakan pendingin udara yang kecepatan udaranya tidak konstan. Jika semakin tinggi kecepatan udara maka pembuangan panas ke udara semakin efektif.

2.3.3. Adsorpsi

Adsorpsi adalah suatu proses yang terjadi ketika suatu fluida (cairan maupun gas) terikat kepada suatu padatan dan akhirnya membentuk suatu film (lapisan tipis) pada permukaan padatan tersebut. Berbeda dengan absorpsi, dimana fluida terserap oleh fuida lainnya dengan membentuk suatu larutan.

Sistem pendingin adsorpsi dapat menggunakan panas tingkat rendah dan menggunakan refrigeran dengan nol ODP dan GWP. Keuntungan dari adsorpsi adalah sebagai berikut :

1. Sistem pendingin adsorpsi dapat didukung oleh sumber dengan kisaran temperatur yang luas. Suhu 50 0_{C sudah dapat digunakan sebagai sumber} panas untuk sistem adsorpsi, tetapi dalam sistem absorpsi sumber harus setidaknya pada 70 o_{C, bahkan jika dua tahap siklus diadsorpsi. Sumber panas} mendekati suhu 500 o_{C dapat digunakan secara langsung dalam adsorpsi tanpa}

(41)

menghasilkan masalah korosi, sedangkan dalam sistem absorpsi, korosi akan mulai terjadi pada suhu di atas 200 oC.

2. Sistem pendingin adsorpsi cocok untuk kondisi dengan getaran yang kuat, seperti di perahu nelayan dan lokomotif, tapi pada sistem absorpsi karena bahan penyerapnya (absorben) dalam bentuk cairan mengalami masalah karena absorben dapat mengalir dari generator ke evaporator atau dari absorber ke kondensor. Ketika absorben berpindah, refrigeran menjadi tercemar dan sistem tidak dapat bekerja secara normal.

3. Sistem adsorpsi jauh lebih sederhana dibandingkan dengan sistem absorpsi. Sebagai contoh, dalam sistem adsorpsi NH3-H2O, peralatan dephlegmate harus digabungkan ke dalam sistem karena titik didih air mirip dengan amonia.

Walaupun adsorpsi biasanya dikaitkan dengan perpindahan dari suatu gas atau cairan ke suatu permukaan padatan, perpindahan dari suatu gas ke suatu permukaan cairan juga terjadi. Substansi yang terkonsentrasi pada permukaan didefinisikan sebagai adsorbat dan material pada mana adsorbat terakumulasi didefinisikan sebagai adsorben.

Pada dasarnya adsorben dibagi menjadi tiga yaitu :

1. Adsorben yang mengadsorpsi secara fisik (karbon aktif, silika gel dan zeolit)

2. Adsorben yang mengadsorpsi secara kimia (calcium chloride, metal hydrides dan complex salts )

3. Adsorben yang mengadsorpsi secara kimia dan fisik (composite adsorbent)

1. Adsorben yang mengadsorpsi secara fisik (karbon aktif, silika gel dan zeolit) Pada adsorpsi jenis ini, adsorpsi terjadi tanpa adanya reaksi antara molekul-molekul adsorbat dengan permukaan adsorben. Molekul-molekul

(42)

adsorbat terikat secara lemah karena adanya gaya van der Waals. Adsorpsi ini relatif berlangsung cepat dan bersifat reversibel (reversible). Karena dapat berlangsung di bawah temperatur kritis adsorbat yang relatif rendah, maka panas adsorpsi yang dilepaskan juga rendah. Adsorbat yang terikat secara lemah pada permukaan adsorben, dapat bergerak dari suatu bagian permukaan ke bagian permukaan lain. Peristiwa adsorpsi fisika menyebabkan molekul-molekul gas yang teradsorpsi mengalami kondensasi. Besarnya panas yang dilepaskan dalam proses adsorpsi fisika adalah kalor kondensasinya Proses adsorpsi fisik terjadi tanpa memerlukan energi aktivasi, sehingga proses tersebut membentuk lapisan jamak (multilayers) pada permukaan adsorben. Ikatan yang terbentuk dalam adsorpsi fisika dapat diputuskan dengan mudah, yaitu dengan cara degassing atau pemanasan pada temperatur 150-200 0_{C selama 2-3 jam. Seperti yang terlihat} pada gambar 2.10 Siklus refrigerasi adsorpsi (clapeyron diagram).

Gambar 2.10 Siklus refrigerasi adsorpsi (Clapeyron diagram)

Keterangan Gambar :

Dalam adsorber 1-2, panas masuk (pemanasan isosteric); 2-3, panas masuk (pemanasan isobarik dan desorpsi); 3-4, panas keluar (pendinginan isosteric) 3-4-1, panas keluar (pendinginan dan isobarik adsorpsi).

Dalam evaporator – kondensor 2‟- 3‟ panas keluar (kondensasi isobarik); 3‟-

4‟-1, efek pendinginan (isosteric refrigerant pendingin diri dan isobarik penguapan).

(43)

2. Adsorben yang mengadsorpsi secara kimia (calcium chloride, metal hydrides dan complex salts )

Untuk adsorpsi kimia antara adsorben dan refrigeran, kekuatan pasang kerja adsorpsi kimia umumnya meliputi fungsi kompleksasi, koordinasi, hidrogenasi dan oksidasi. Siklus adsorpsi kimia mencakup empat proses dibagi menjadi dua fase dekomposisi, kondensasi, evaporasi dan sintesis yang ditunjukkan dalam Gambar 2.11

Gambar 2.11 Adsorpsi kimia titik 1, dekomposisi (Desorpsi); titik 2 kondensasi; titik 3 penguapan; butir 4, sintesis (Adsorpsi)

3. Adsorben yang mengadsorpsi secara kimia dan fisik (composite adsorbent)

Pasangan kerja utama adsorpsi komposit adalah silika gel / klorida / air. Adsorben komposit dengan silika gel biasanya dihasilkan aditif klorida. pasangan kerja Klorida/ air, misalnya CaCl2/H2O, bukan merupakan adsorpsi padat karena CaCl2 mencair setelah menyerap sejumlah air, tetapi kuantitas adsorpsi tertinggi CaCl2/H2O sekitar enam kali nilai yang didapat dengan silika gel.

Menurut Aristov et al, karakteristik adsorpsi dari adsorben komposit silika gel dapat dimodifikasi dengan:

a. mengubah struktur pori silika gel. b. mengubah jenis garam.

(44)

42 2.4. Evaporator

Evaporator dalam sistem refrigerasi adalah alat penukar kalor yang memegang peranan penting di dalam siklus refrigerasi, yaitu mendinginkan media sekitarnya Tujuan sistem refrigerasi adalah untuk membebaskan panas dari fluida seperti udara, air atau beberapa benda yang lain.

Evaporator diletakkan dibagian unit pendingin dari lemari pendingin dan akan bersentuhan langsung dengan media yang akan didinginkan, yaitu air. Cairan metanol akan menguap pada saat temperatur adsorben naik atau pada saat pemanasan adsorben. Metanol akan mencair dikondensor dan cairannya akan terkumpul kembali di evaporator, dan malam hari temperatur adsorben akan turun perlahan – lahan dan akan menyerap metanol. Akibatnya metanol akan menguap dan menyerap kalor dari sekitarnya sehingga temperatur akan turun.

Perpindahan Kalor Didalam Evaporator

 Koefisien Perpindahan Kalor

Faktor yang mempengaruhi koefisien perpindahan kalor adalah kecepatan aliran fluida atau benda yang akan didinginkan, disamping itu makin besar luas bidang benda yang hendak diinginkan atau dekat dengan bidang pendingin juga mempengaruhi koefisien perpindahan kalor. Untuk temperatur penguapan refrigeran, temperatur benda atau fluida yang akan didinginkan akan dipengaruhi oleh kecepatan aliran dari zat yang

hendak didinginkan.Di dalam evaporator, banyaknya perpindahan kalor dihitung berdasarkan perbedaan rata- rata temperatur, makin besar perbedaan temperatur, makin kecil ukuran penukar kalor (luas bidang perpindahan kalor) yang bersangkutan, namun dalam hal tersebut diatas, temperatur penguapannya menjadi rendah.

(45)

43 Kapasits (Q) Pendingin di dalam Evaporator

Kapasitas suatu mesin pendingin ialah kemampuan mesin tersebut untuk menyerap panas dari benda yang didinginkan, umumnya dinyatakan dalam Kkal/jam atau Btu/jam. Satuan lain yang sering dipakai ialah Ton Of Refrigeration (TR) atau Refrigeration Ton (RT). Satuan ini dihitung berdasarkan panas pencairan 1 ton es selama 24 jam.

Dimana tiap 1 lb es yang mencair membutuhkan panas 144 btu, maka :

1RT = x / = .

1RT = = . � / �

Kapasitas mesin pendingin pada umumnya ditentukan tiga hal, yaitu; jumlah refrigeran yang diuapkan tiap jam, temperatur penguapan refrigeran didalam evaporator, jenis refrigeran yang digunakan.

2.4.1. Jenis Evaporator

Berdasarkan bentuk dan permukaan koilnya, evaporator dibagi menjadi 3 macam, yaitu :

1. Evaporator Pipa Telanjang ( Bare Tube Evaporator ) 2. Evaporator Pelat ( Plate Surface Evaporator )

3. Evaporator Bersirip ( Finned Evaporator)

Berdasarkan bentuk dan penggunaannya, evaporator dibagi menjadi beberapa macam, yaitu :

1. Evaporator jenis expansi kering

Cairan refrigeran yang diexpansikan melalui katup expansi pada waktu masuk ke evaporator sudah dalam keadaan campuran cair dan uap, sehingga keluar dari evaporator dalam kering.

(46)

Karena sebagian besar evaporator terisi oleh uap refrigeran , maka perpindahan kalor yang terjadi tidak begitu besar, jika dibandingkan dengan keadaan dimana refrigeran dimana evaporator terisi oleh refrigeran cairan. Evaporator jenis ini tidak memerlukan cairan refrigeran dalam jumlah yang besar, disamping itu jumlah minyak pelumas yang tertinggal di dalam evaporator sangat kecil. Jumlah refrigeran yang masuk kedalam evaporator dapat diatur oleh katup expansi sehingga semua refrigeran meningggalkan evaporator dalam bentuk uap jenuh, dan bahkan dalam keadaan superpanas.

2. Evaprator jenis super basah

Evaporator jenis setengah basah adalah evaporator dengan kondisi refrigeran diantara diantara evaporator jenis expansi kering dan evaporator jenis basah. Dalam evaporator jenis ini, selalu terdapat refrigeran cair dalam pipa penguapnya. Oleh karena itu, laju perpindahan kalor dalam evaporator jenis setengah basah lebih tinggi dari pada yang dapat diperoleh pada jenis expansi kering, tetapi lebih rendah dari pada yang diperoleh pada jenis basah.

Pada jenis basah expansi kering, refrigeran masuk dari bagian atas dari koil sedangkan pada evaporator jenis setengah basah, refrigeran dimasukkan dari bagian bawah koil evaporator.

3. Evaporator jenis basah

Dalam evaporator jenis basah, sebagian dari jenis evaporator terisi oleh cairan refrigeran. Proses penguapannya terjadi seperti pada ketel uap. Gelelmbung refrigeran yang terjadi karena pemanasan akan naik, pecah pada permukaan cair atau terlepas dari permukaannya. Sebagian refrigeran kemudian masuk ke dalam akumulator yang memisahkan uap dari cairan maka refrigeran yang ada dalam bentuk uap sajalah yang masuk ke dalam kompresor. Bagian refrigeran cair yang dipisahkan didalam akumulator akan masuk kembali kedalam evaporator, bersama – sama dengan refrigeran (cair) yang berasal dari kondensor.

(47)

Tabung evaporator terisi oleh cairan refrigeran. Cairan refrigeran meyerap kalor dari fluida yang hendak di dinginkan ( air larutan garam), yang mengalir di dalam pipa uap refrigeran yang terjadi dikumpulkan di bagian atas dari evaporatorsebelum masuk kekompresor. Tinggi permukaan cairan refrigeran yang ada di dalam evaporator diatur oleh pelampung. Jumlah refrigeran yang dimasukkan ke dalam tabung evaporator di sesuaikan dengan beban pendingin.

Adsorpsi adalah proses dimana satu atau lebih unsur-unsur pokok dari suatu larutanfluida akan lebih terkonsentrasi pada permukaan suatu padatan tertentu (adsorbent).Dengan cara ini, komponen-komponen dari suatu larutan, baik itu dari larutan gasataupun cairan, bisa dipisahkan satu sama lain (Treybal, 1980).

Adsorpsi melibatkan proses perpindahan massa dan menghasilkan kesetimbangan distribusi dari satu ataulebih larutan antara fasa cair dan partikel. Pemisahan dari suatu larutan tunggal antaracairan dan fasa yang diserap membuat pemisahan larutan dari fasa curah cair dapatdilangsungkan. sperti yang terlihat pada gambar 2.12

Gambar 2.12 penyerapan suatu zat oleh zat pengadsorpsi.

Fasa penyerap disebut sebagai adsorben. Bahan yang banyak digunakan sebagaiadsorben adalah karbon aktif, molecular sieves dan silika gel. Permukaan adsorben padaumumnya secara fisika maupun kimia heterogen dan energi ikatan sangat mungkin berbeda antara satu titik dengan titik lainnya. Pada praktiknya,

(48)

proses adsorpsi bisadilakukan secara tunggal namun bisa pula merupakan kelanjutan dari proses pemisahan dengan cara distilasi.

Jenis-Jenis Adsorpsi 1. Adsorpsi Fisik

Adsorpsi fisik adalah adsorpsi yang terjadi akibat gaya interaksi tarik-menarik antara molekul adsorben dengan molekul adsorbat. Adsorpsi ini melibatkan gaya-gaya

Van der Wals (sebagai kondensasi uap). Jenis ini cocok untuk proses adsorpsi yang membutuhkan proses regenerasi karena zat yang teradsorpsi tidak larut dalam adsorben tapi hanya sampai permukaan saja.

2. Adsorpsi Kimia

Adsorpsi kimia adalah adsorpsi yang terjadi akibat interaksi kimia antara molekul adsorbendengan molekul adsorbat. Proses ini pada umumnya menurunkan kapasitas dari adsorben karena gaya adhesinya yang kuat sehingga proses ini tidak reversibel.

3. Kinetika Adsorpsi

Kinetika adsorpsi berhubungan dengan laju reaksi. Hanya saja, kinetika adsorpsi lebih khusus, yang hanya membahas sifat penting dari permukaan zat.[4]. Kinetika adsorpsi yaitu laju penyerapan suatu fluida oleh adsorben dalam suatu jangka waktu tertentu. Kinetika adsorpsi suatu zat dapat diketahui dengan mengukur perubahan konsentrasi zat teradsorpsi tersebut. Kinetika adsorpsi dipengaruhi oleh kecepatan adsorpsi. Kecepatan adsorpsi dapat didefinisikan sebagai banyaknya zat yang teradsorpsi per satuan waktu. Kecepatan atau besar kecilnya adsorpsi dipengaruhi oleh beberapa hal, diantaranya :

 Macam adsorben

 Macam zat yang diadsorpsi (adsorbate)

(49)

 Konsentrasi zat yang diadsorpsi (adsorbate)

 Temperatur

Kesetimbangan Adsorpsi

Fasa kesetimbangan antara cairan dan fasa yang diserap oleh satu atau lebih komponen dalam proses adsorpsi merupakan faktor yang menentukan di dalam kinerja proses adsorpsi tersebut. Dalam hampir semua proses, faktor ini jauh lebih penting daripada laju perpindahan. Peningkatan kapasitas stoikiometrik adsorben memiliki pengaruh yang lebih besar daripada peningkatan laju perpindahan.

Isoterm Adsorpsi

Isoterm adsorpsi adalah hubungan yang menunjukkan distribusi adsorben antara fasa teradsorpsi pada permukaan adsorben dengan fasa ruah saat kesetimbangan pada temperatur tertentu. Ada tiga jenis hubungan matematik yang umumnya digunakan untuk menjelaskan isoterm adsorpsi.

Isoterm Brunauer, Emmet, and Teller (BET)

Isoterm ini berdasar asumsi bahwa adsorben mempunyai permukaan yang homogen. Perbedaan isoterm ini dengan Langmuir adalah BET berasumsi bahwa molekul-molekul adsorbat bisa membentuk lebih dari satu lapisan adsorbat di permukaannya.

Isoterm Freundlich

Untuk rentang konsentrasi yang kecil dan campuran yang cair, isoterm adsorpsi dapat digambarkan dengan persamaan empirik yang dikemukakan oleh Freundlich. Isoterm ini berdasarkan asumsi bahwa adsorben mempunyai permukaan yang heterogen dan tiap molekul mempunyai potensi penyerapan yang berbeda-beda. Persamaan ini merupakan persamaan yang paling banyak digunakan saat ini. Persamaannya adalah:

(50)

� = �

Dengan :

x = banyaknya zat terlarut yang teradsorpsi (mg) m = massa dari adsorben (mg)

C = konsentrasi dari adsorbat yang tersisa dalam kesetimbangan k = konstanta adsorben

Dari persamaan tersebut, jika konstentrasi larutan dalam kesetimbangan diplot sebagai ordinat dan konsentrasi adsorbat dalam adsorben sebagai absis pada koordinat logaritmik, akan diperoleh gradien n dan intersep k. Dari isoterm ini, akan diketahui kapasitas adsorben dalam menyerap air. Isoterm ini akan digunakan dalam penelitian yang akan dilakukan, karena dengan isoterm ini dapat ditentukan efisiensi dari suatu adsorben.

Prinsip Kerja Siklus Adsorpsi

Siklus adsorpsi menggunakan dua jenis zat yang umumnya berbeda, zat pertama disebut penyerap sedangkan yang kedua disebut refrigeran. Proses adsorpsi dipengaruhi tingkat tekanan yang bekerja pada sistem, yaitu tekanan rendah yang meliputi proses penguapan di evaporator dan penyerapan di adsorben dan tekanan tinggi yang meliputi proses pembentukan uap di generator dan pengembunan di kondensor.

Efek pendinginan yang terjadi merupakan akibat dari kombinasi proses pengembunan dan penguapan kedua zat pada kedua tingkat tekanan tersebut. Proses yang terjadi di evaporator dan kondensor sama dengan yang terjadi pada siklus kompresi uap. Siklus adsorpsi dioperasikan oleh kalor karena hampir sebagian besar operasi berkaitan dengan pemberian kalor untuk melepaskan uap refrigeran.

Generator menerima kalor dan membuat uap dan membuat uap refrigeran terpisah dari adsorben menuju ke kondensor, pada kondensor terjadi pelepasan kalor ke lingkungan sehingga fasa refrigeran berubah dari uap menjadi cair, ketika

(51)

memasuki evaporator temperaturnya akan berada di bawah temperatur lingkungan. Pada komponen evaporator inilah terjadi proses pendinginan suatu produk dimana kalornya diserap oleh refrigeran untuk selanjutnya menuju adsorben.

2.4.2. Refrigeran

Untuk terjadinya suatu proses pendinginan diperlukan suatu bahan yang mudah dirubah bentuknya dari gas menjadi cair atau sebaliknya untuk mengambil panas dari evaporator dan membuangnya di kondensor. Karakteristik termodinamika refrigerant antara lain meliputi temperature penguapan, tekanan penguapan, temperatur pengembunan. Untuk keperluan suatu jenis pendinginan (misal untuk pendinginan udara atau pengawet beku) diperlukan refrigeran dengan karakteristik termodinamika yang tepat. Adapun syarat-syarat untuk refrigerant adalah :

1. Tidak dapat terbakar atau meledak bila tercampur dengan udara, pelumas dan sebagainya.

2. Tidak menyebabkan korosi terhadap bahan logam yang dipakai pada sistem mesin pendingin.

3. Mempunyai titik didih dan kondensasi yang rendah.

4. Perbedaan antara tekanan penguapan dan tekanan penguapan (kondensasi) harus sekecil mungkin.

5. Mempunyai panas laten penguapan yang besar, agar panas yang diserap evaporator yang sebesar-besarnya.

6. Konduktivitas thermal yang tinggi.

Dalam pembuatan mesin pendingin ini bahan refrigeran yang digunakan adalah metanol. Metanol dipilih karena memiliki kelebihan sebagai berikut :

1. Pada tekanan atmosfir metanol berbentuk cairan yang ringan, mudah menguap dibandingkan dengan air meskipun pada tekanan 1 atm.

(52)

50 3. Tidak korosif terhadap besi atau baja.

4. Dapat dgunakan sistem absorpsi dan kompresi.

Secara fisik Metanol merupakan cairan bening, berbau seperti alkohol, dapat bercampur dengan air, etanol, chloroform dalam perbandingan berapapun, hygroskopis, mudah menguap dan mudah terbakar dengan api. Contoh metanol dapat kita lihat pada gambar 2.13

Gambar 2.13 Metanol

Spesikasi metanol yang di gunakan dalam penelitian adalah sebagai berikut:

Rumus molekul : CH3OH

Produksi : Merck KGaA Jerman Index No. : 603-001-00-X

Kemurnian : 99.9 % Keasaman : 0,0002 meq/g Massa molar : 32.04 g/mol

Density (ρ) : 0,791- 0793 g/cm3 Titik didih : 64-65 0C

Titik leleh : -97,8 0C Kelarutan dalam air : Sangat larut

(53)

Viskositas : 0.59 Mpa pada suhu 20 0C

Kalor (Q)

Kalor adalah salah satu bentuk energi yang dapat mengakibatkan perubahan suhu. Pada abad ke 19 berkembang teori bahwa kalor merupakan fluida ringan, yang dapat mengalir dari suhu tinggi ke suhu rendah, jika suatu benda mengandung banyak kalor, maka suhu benda itu tinggi (panas). Sebaliknya, jika benda itu mengandung sedikit kalor, maka dikatakan benda itu bersuhu rendah (dingin).Kuantitas energi kalor (Q) dihitung dalam satuan joules (J). Laju aliran kalor dihitung dalam satuan joule per detik (J/s) atau watt (W). Laju aliran energi ini juga disebut daya, yaitu laju dalam melakukan usaha.

Kalor Laten

Suatu bahan biasanya mengalami perubahan temperatur bila terjadi perpindahan kalor antara bahan dengan lingkungannya. Pada suatu situasi tertentu, aliran kalor ini tidak merubah temperaturnya. Hal ini terjadi bila bahan mengalami perubahan fasa. Misalnya padat menjadi cair (mencair), cair menjadi uap (mendidih) dan perubahan struktur kristal (zat padat). Energi yang diperlukan disebut kalor transformasi.Kalor yang diperlukan untuk merubah fasa dari bahan bermassa m adalah:

� = � Dimana :

QL = Kalor laten zat (J)

Le = Kapasitas kalor spesifik laten (J/kg) m = Massa zat (kg)

Kalor sensibel

Tingkat panas atau intensitas panas dapat diukur ketika panas tersebut merubah temperatur dari suatu subtansi. Perubahan intensitas panas dapat diukur dengan termometer. Ketika perubahan temperatur didapatkan, maka dapat

(54)

diketahui bahwa intensitas panas telah berubah dan disebut sebagai panas sensible. Dengan kata lain, kalor sensibel adalah kalor yang diberikan atau yang dilepaskan oleh suatu jenis fluida sehingga temperaturnya naik atau turun tanpa menyebabkan perubahan fasa fluida tersebut.

Qs= m.Cp.∆T Dimana :

Qs = Kalor sensibel zat (J)

Cp = Kapasitas kalor spesifik sensibel (J/kg. K) .T = Beda temperatur (K)

Perpindahan Kalor

Bila dua benda atau lebih terjadi kontak termal maka akan terjadi aliran kalor dari benda yang bertemperatur lebih tinggi ke benda yang bertemperatur lebih rendah, hingga tercapainya kesetimbangan termal.

Proses perpindahan panas ini berlangsung dalam 3 mekanisme, yaitu : 1. konduksi,

2. konveksi 3. radiasi.

1. Konduksi

Proses perpindahan kalor secara konduksi bila dilihat secara atomik merupakan pertukaran energi kinetik antar molekul (atom), dimana partikel yang energinya rendah dapat meningkat dengan menumbuk partikel dengan energi yang lebih tinggi. Sebelum dipanaskan atom dan elektron dari logam bergetar pada posisi setimbang. Pada ujung logam mulai dipanaskan, pada bagian ini atom dan elektron bergetar dengan amplitudo yang makin membesar.

Selanjutnya bertumbukan dengan atom dan elektron disekitarnya dan memindahkan sebagian energinya. Kejadian ini berlanjut hingga pada atom dan elektron di ujung logam yang satunya. Konduksi terjadi melalui getaran dan

(55)

gerakan elektron bebas. Fourier telah memberikan sebuah model matematika untuk proses ini. Dalam hal satu dimensi, model matematikanya yaitu:

Q= − �∆

Dimana :

Q = laju aliran energi (W) A = luas penampang (m2) .t = beda suhu (K)

L = panjang (m)

k = daya hantar (konduktivitas) termal (W/mK)

Persamaan untuk laju perpindahan kalor konduksi secara umum dinyatakan dengan bentuk persamaan diferensial di bawah ini :

Qx=- kA � �

Dimana : dT/dx = Laju perubahan suhu T terhadap jarak dalam arah aliran panas x

2. Konveksi

Apabila kalor berpindah dengan cara gerakan partikel yang telah dipanaskan dikatakan perpindahan kalor secara konveksi. Bila perpindahannya dikarenakan perbedaan kerapatan disebut konveksi alami (natural convection) danbila didorong, misal dengan fan atau pompa disebut konveksi paksa (forced convection). Besarnya konveksi tergantung pada :

Luas permukaan benda yang bersinggungan dengan fluida (A). Perbedaan suhu antara permukaan benda dengan fluida (.T). koefisien konveksi (h)

Persamaan laju perpindahan kalor secara konveksi telah diajukan oleh Newton pada tahun 1701 yang berasal dari pengamatan fisika.

(56)

Qc = hcA ( ts – tf) Dimana :

hc = koefisien konveksi (W/m2oC) ts = suhu permukaan (°C)

tf = suhu fluida (°C)

Beberapa parameter yang telah diuji dan mengenal bentuk korelasi yang banyak digunakan untuk menentukan koefisien konveksi (hc) yaitu :

Bilangan Reynold (Re)

Bilangan Reynold digunakan sebagai kriteria untuk menunjukkan aliran fluida itu laminer dan turbulen. Untuk bilangan Re < 2300 dikatakan aliran laminar; Re > 2300 dikatakan aliran turbulen:

Re= �. . � Dimana :

ρ = rapat massa (kg/m3)

v = kecepatan aliran fluida (m/s) D = diameter aliran fluida (m) µ = viskositas fluida (Pa.det)

Bilangan Prandtl (Pr)

Bilangan Prandtl adalah bilangan tanpa dimensi yang merupakan fungsi dari sifat-sifat fluida. Bilangan Prandtl didefinisikan sebagai perbandingan viskositas kinematik terhadap difusitas thermal fluida yaitu:

Pr = �.� Dimana :

Cp = panas spesifik fluida (J/kg.K) µ = viskositas fluida (Pa.det)

(57)

55 Bilangan Nusselt (Nu)

Nu=ℎ�.

Dimana :

hc = koefisien konveksi (W/m2K) D = diameter efektif aliran fluida (m) k = konduktifitas thermal fluida (W/mK)

Banyak rumusan yang telah dikembangkan untuk susunan aliran tertentu sehingga hubungan antara bilangan Nusselt, Reynolds dan Prandtl dapat dirumuskan :

Nu = C (Ren) (Prm)

3. Radiasi

Perpindahan energi secara radiasi berlangsung akibat foton-foton dipancarkan dengan arah, fase dan frekuensi yang serampangan dari suatu permukaan ke permukaan lain. Pada saat mencapai permukaan lain, foton yang diradiasikan juga diserap, dipantulkan atau diteruskan (ditransmisikan) melalui permukaan tersebut. Untuk benda hitam, radiasi termal yang dipancarkan per satuan waktu per satuan luas pada temperatur T kelvin adalah :

E = e. T4 Dimana =

: konstanta Boltzmann : 5,67 x 10-8_{W/ m}2_K4_.

(58)

56 BAB III

METODE PENELITIAN

3.1. Metode Pelaksanaan Rancang Bangun

Dalam pelaksaan penelitian ini dilakukan kegiatan-kegiatan yang meliputi tahapan yaitu:

Tidak Study Literatur

Perancangan Mesin Pendingin Tenaga Surya

pembuatan Kondensor pembuatan Adsorber

/ Kolektor

pembuatan Evaporator Tahapan Persiapan, Survey dan pembelian Alat Dan Bahan

Uji Mesin Adsorpsi Karbon Aktif,

Assembling Mesin Pendingin Mulai

(59)

57 3.2.Tempat pembuatan

Pembuatan Mesin Pendingin Tenaga Surya dengan Luas Kolektor 0,25 m2 dilakukan di bengkel di kota Binjai.

3.3.Bahan dan alat 3.3.1. Bahan-bahan

1. Pelat stainless steel

Ada pun bahan utama dalam pembuatan mesin pendingin ini kita banyak menggunakan Plat Stainless steel dengan tebal 1mm sebanyak 1 lembar. Alasan menggunakan plat ini karena plat ini di buat dari logam paduan dari beberapa unsur logam dengan komposisi tertentu. sehingga di dapatkan sifat baru dari logam tersebut yang lebih kuat, lebih tahan terhadap terhadap korosif dan sifat unggul lainnya.

Selain itu energy kalor yang di serap juga lebih baik, karena seperti yang kita ketahui energy kalor pada zat padat dihantarkan melalui dua mekanisme berikut:

a. melalui angkutan electron bebas yang bergerak di dalam struktur kisi-kisi bahan, disamping dapat mengangkut muatan listrik, dapat pula membawa energy kalor dari daerah yang bersuhu tinggi ke daerah yang bersuhu rendah. Elektron ini disebut juga Gas elekttron.

b. Melalui Getaran kisi (phonon), yang mana pada mekanisme ini energy berpindah sebagai energy getaran dalam struktur kisi bahan. Getaran kisi-kisi adalah gelombang tetap (standing waves) yang bergerak melalui material dengan kecepatan suara (Eckert, E.R.G., 1972)

2. Katup/valve 4 buah

Yang mana pada mesin pendingin ini menggunakan katup/ valve

½” sebanyak 4 buah yang terdapat pada adsorber dan pada pipa evaporator. Yang mana kegunaan dari katup tersebut adalah pada saat pemvacuman

(60)

58 3. Manometer vacuum

Pada mesin pendingin ini juga terdapat Manometer Vacuun sebanyak dua buah, yang di letakkan di pipa pada evaporator dan pada absorber, yang mana fungsi dari manometer ini adalah untuk mengetahui tekanan pada saat pemvacuuman terjadi sehingga kita dapat mengetahui mesin pendingin tersebut bocor atau tidak.

4. Karbon aktif

Karbon aktif ini adalah salah satu bahan untuk pembuatan kolektor, karena pada kolektor di isi 13 Kg karbon aktif tadi. karena karbon aktif merupakan adsorben yang paling umum di gunakan untuk proses adsorpsi karena kapasitas adsorpsinya yang tinggi. Kapasitas adsorpsi dari karbon aktif tidak hanya bergantung pada luas permukaan, tetapi juga pada struktur pori internal, karakteristik permukaan, dan adanya gugus fungsi pada permukaan pori, sehingga panas yang di serap lebih baik.

5. Alumina aktif

Alumina aktif digunakan untuk berbagai macam aplikasi adsorben dan katalis termasuk adsorpsi katalis dalam produksi polyethylene , dalam produksi hidrogen peroksida , sebagai adsorben selektif untuk bahan kimia, termasuk arsenik , fluoride , dalam penghapusan belerang dari aliran gas ( Claus proses Catalyst ) .

Alumina aktif juga banyak digunakan untuk menghilangkan fluoride dari air minum. Di AS ada program luas untuk fluoridate air minum. Namun di daerah tertentu, seperti daerah Jaipur India, ada cukup fluoride dalam air menyebabkan fluorosis. Filter alumina aktif dapat dengan mudah mengurangi kadar fluoride dari 0,5 ppm sampai kurang dari 0,1 ppm. Jumlah fluoride kehabisan dari air yang disaring tergantung pada berapa lama air benar-benar menyentuh media filter alumina . Pada dasarnya, semakin alumina di filter, semakin sedikit fluoride bias

(61)

mencapai akhir, air disaring. Suhu air yang lebih rendah, dan air pH rendah (air asam) akan disaring lebih efektif juga. pH yang ideal untuk pengobatan adalah 5.5 yang memungkinkan sampai tingkat penghapusan 95 % .

6. Biji besi ukuran 25mm

Biji Besi ini akan di letakkan di dalam kolektor bersamaan dengan karbon aktif dan alumina aktif. yang berfungsi untuk penyerapan panas yang di dapat dari sinar matahari, sehingga panas yang di serap menjadi maksimal.

7. Methanol 3,5 liter

Seperti yang sudah di bahas pada bab sebelumnya, bahwa methanol ini di gunakan sebagai refrigerant yang akan di masukkan ke dalam evaporator

8. Pipa stainless steel 1" dan pipa ½ " 1 Batang

pipa stainless steel ini di gunakan dalam pembuatan kondensor. di gunakan pipa yang terbuat dari stainless steel karena uap yang dihasilkan oleh panas dan penguapan methanol itu mengandung cairan, maka nya di gunakan pipa jenis ini agar menghindari karat yang terkena cairan tadi dan cairan dari sekitar sperti hujan dan lain-lain sehingga mesin dapat bertahan lama.

9. Selang karet 1 meter

Selang karet ini di gunakan untuk menyambungkan pipa kolektor ke kondensor dan dari kondensor ke evaporator.

10.Busa 1 lembar 1x 1 meter

Busa ini di gunakan pada box kolektor, setelah box kolektor selesai di buat, di dalam box di lapisi dengan busa. fungsi busa ini adalah agar panas yang di dapat tidak keluar dari kotak kolektor

(62)

60 11.Lem araldite

Lem araldite ini di gunakan untuk menempel bekas las agar meminimalisir kebocoran yang terjadi pada kolektor, kondensor, da evaporator. Lem araldite ini terdiri dari 2 macam yaitu lem berwarna merah dan berwarna biru. Sedangkan lem yang digunakan pada mesin ini adalah lem araldite yang warna merah karena lem yang berwarna merah lebih cepat mengering.

12.Papan

Papan ini di gunakan untuk membuat kotak tempat kolektor akan di letakkan. fungsinya adalah agar panas yang di serap tidak terbuang, sedangkan papan yang di gunakan adalah dari kayu kelapa.

13.Paku ½ "

Paku ini di gunakan dalam pembuatan kotak kolektor.

14.kaca tebal 3 mm

Setelah kotak kolektor selesai di buat dan di beri busa tadi, kemudian kilektor di masukkan ke dalam. lalu di tutup dengan kaca yang tebalnya 3mm. fungsi dari kaca ini adalah untuk menjaga agar panas yang didapat dari sinar matahari tidak terbuang.

15.Pelat besi siku 50 x 50 x 5

Plat besi suku ini di gunakan dalam pembuatan rangka mesin. besi siku di potong beberapa bagian, kemudian di las dan di bentuk sesuai dengan gambar.

16.Cat hitam

Setelah selesai rangka di buat, kemudian di cat dengan warna hitam.

(63)

61 17.Gelas ukur 1 buah

Gelas ukur ini untuk memasukan refrigerant kedalam evaporator agar sesuai dengan takran yang di inginkan

18.Isolasi pipala

Isolasi pipa ini di gunakan untuk pemasangan manometer vacuum ke pipa out let dan inlet yang terdapat di kolektor dan evaporator agar tidak terjadi kebocoran di sambungan tempat manometer vacum di pasangkan.

19.Kawat nyamuk

Kawat nyamuk ini di letak kan didalam kolektor setelah karbon aktif, alumina aktif dan biji besi di masukkan, kemudian di tutup dengan kawat kasa agar karbon aktif, alumina aktif dan biji besi tidak terjatuh pada saat kolektor di balik dan di pasangkan ke rangka.

3.3.2. Alat-alat

1. Mesin Las argon – Inverter ( las Argon)

Gambar mesin las argon dapat kita liat pada gambar 3.1

Gambar 3.1 Mesin Las

Merk: :Lakoni

Daya Listrik :900 Watt

Arus Output :10 -120 Ampere Diameter Kawat Las : 2.0 – 4 mm

(64)

Pendingin :Kipas

Duty Cycle :60% (pada 120A), 100% (pada 100A)

Argon adalah unsur kimia dalam tabel periodik yang memiliki simbol Ar dan nomor atom 18. Gas mulia ke-3, di periode 8, argon membentuk 1% dari atmosfer bumi.

σama "argon" berasal dari kata Yunani αργον berarti "malas" atau "yang

tidak aktif", sebuah referensi untuk fakta bahwa elemen hampir tidak mengalami reaksi kimia. Oktet lengkap (delapan elektron) di kulit atom terluar membuat argon stabil dan tahan terhadap ikatan dengan unsur-unsur lainnya. Titik triple suhu 83,8058 K adalah titik tetap yang menentukan dalam Skala Suhu Internasional 1990.

Teknik pengelasan dengan las argon tergolong baru dalam dunia welding. Teknik ini tergolong dalam TIG Welding (Tungsten Inert Gas) yaitu proses pencampuran bersama logam reaktif seperti magnesium dan aluminium. Untuk mengoperasikannya butuh panas stabil. Titik didihnya lebih dari 3.000 derajat celcius. Ini yang menjadikan molekul besi bisa menyatu dan hasil lasnya lebih rata.

Jenis gas pelindung biasanya digunakan untuk las TIG adalah argon , helium , atau kombinasi keduanya. Jika digabungkan, kedua gas dapat menjamin kecepatan pengelasan yang lebih tinggi dan penetrasi pengelasan. Argon paling banyak digunakan dalam pengelasan TIG karena argon lebih berat daripada udara dan menyediakan cakupan yang lebih baik pada saat pengelasan.

Teknik pengelasan argon sering dianggap paling sulit dari semua proses pengelasan umum yang digunakan dalam industri. Karena tukang las harus mempertahankan panjang busur pendek/pakan dan keterampilan yang diperlukan untuk mencegah kontak antara elektroda dan benda kerja

(1)

110

 Refrigeran yang digunakan pada perancangan mesin ini termasuk jenis metanol yang biasa.

 Isolasi pada penelitian ini isolasi yang digunakan terbuat dari busa setebal 10 mm. Untuk penelitian selanjutnya sebaiknya digunakan isolasi yang lebih tebal. Agar suhu dari alat terjaga dari suhu lingkungan.

 Masih terjadi nya kebocoran dari bekas pengelasan, sehingga panas yang di dapat keluar dari kebocoran tersebut.

5.2. Saran

 Karbon aktif komersil yang digunakan sebaiknya harus diketahui karaktersitik dan standarisasi karbon aktif yang digunakan atau sebaiknya langsung dipesan dari pabrik sehingga kualitas karbon aktif yang digunakan lebih terjamin mutunya.

 Kevakuman sistem, dalam hal ini kebocoran pada sistem agar lebih diperhatikan karena proses adsorpsi hanya bisa terjadi jika kolektor dan evaporator dalam keadaan vakum.

 Untuk perancangan kondensor sebaiknya memakai bahan dan teknik pengelasan yang lebih baik dari perancangan mesin ini.

(2)

111

DAFTAR PUSTAKA

[1] ASHRAE.1997. ASHRAE HANDBOOK 1997, Fundamntals, Atlanta, GA [2] Ambarita, Himsar. 2012. Buku Kuliah Teknik Pendingin & Pengkondisian

Udara. Medan

[3] Ambarita, Himsar. 2011. Buku Kuliah Perpindahan Panas Konduksi. Medan

[4] Cengel, Yunus. 2006. Heat and Mass Transfer: A Practical Approach, 2nd_, Mc Graw – Hill

[5] Damanik, Masrin. 2011. Kajian Eksperimental Untuk Mesin Pendingin Siklus Adsorpsi yang Digerakan Energi Surya. USU

[6] Holman, J. P. 1986. Heat Transfer. sixth Edition. Mc Graw – Hill Book. USA

[7] Harris, Norman C. 1953. Solar Energy System Design. Canada

[8] Incropera, F. P., Dewit, Bergan, Lavine. 2006. Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 6th_edition

[9] Jhon H. Leinhard. 2006. A Heat Transfer Textbook. Pholgiston Press: Cambrige, Massachusetts, USA

[10] Koestoer, Raldi Artoni. 2002. Perpindahan Kalor Untuk Mahasiswa Teknik. Jakarta

[11] L. W. Wang, dkk. 2003. Study of the Performance of Actived carbon Methanol adsorption system concerning heat and mass transfer Journal. Journal Of Applied Thermal Enginering. China

(3)

112

[12] Monica Gwadera, Krzysztof Kupiec 2011. Adsorption Cooling as An Effective Method of Waste Heat Utilization.

[13] Purba, Jhon. 2012. Jurnal Ilmiah Teknik Mesin CYLINDER. Volume 1. Unika Atma Jaya: Jakarta

[14] www. id.wikipedia.org/wiki/

(4)

113

LAMPIRAN A

BIAYA PENELITIAN

(5)

114

No Keterangan Jumlah Harga (Rp)

1 Metaanol 6 Liter 700.000

2 Carbon Aktif 6 Kg 210.000

3 Alumina Aktif 6 Kg 720.000

4 Gelas Ukur 1 Buah 150.000

5 Vacum Gauge 4 Buah 440.000

6 Katup 8 Buah 520.000

7 Jaring Kawat 1 Meter 100.000

8 Double naple 4 Buah 100.000

9 Selang Karet 2 Meter 200.000

10 Papan 2 Keping 60.000

11 Socket 8 Buah 200.000

12 Lem Araldite 8 Buah 240.000

13 Kaca Adsorber 1 m x 0,5 m 150.000 14 Stayrofoam + Busa 1 Lembar 150.000 15 Bola Stainless (Mimis) 90 Buah 2.250.000 16 Cat Minyak Hitam 1 Liter 53.000 17 Pembuatan Rangka Mesin

Pendingin Tenaga Surya

1.000.000

18 Pembuatan Kolektor, Kondensor, evaporator + kotak stainless (Ruang Pendingin

(6)

115

Rancang Bangun Mesin Pendingin Tenaga Surya Dengan Luas Kolektor 0,25 M2