Kajian Eksperimental Kolektor Untuk Mesin Pendingin Siklus Adsorpsi Yang Digerakkan Energi Surya

KAJIAN EKSPERIMENTAL KOLEKTOR UNTUK MESIN
PENDINGIN SIKLUS ADSORPSI YANG DIGERAKKAN
ENERGI SURYA

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

]

MASRIN DAMANIK
NIM. 060401079

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2011

Universitas Sumatera Utara

KAJIAN EKSPERIMENTAL KOLEKTOR UNTUK MESIN
PENDINGIN SIKLUS ADSORPSI YANG DIGERAKKAN
ENERGI SURYA

MASRIN DAMANIK
NIM. 06 0401 079

Diketahui / Disahkan :

Disetujui :

Departemen Teknik Mesin

Dosen Pembimbing,

Fakultas Teknik USU
Ketua,

Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri
NIP. 196412241992111001

Tulus Burhanuddin, ST, MT
NIP. 197209232000121003

Universitas Sumatera Utara

KAJIAN EKSPERIMENTAL KOLEKTOR UNTUK MESIN
PENDINGIN SIKLUS ADSORPSI YANG DIGERAKKAN
ENERGI SURYA

MASRIN DAMANIK
NIM. 060401079

Telah Disetujui Dari Hasil Seminar Skripsi
Periode ke 604 pada Tanggal 13 Juli 2011

Pembimbing

Tulus Burhanuddin Sitorus, ST, MT.
NIP. 1972 0923 2000 121003

Universitas Sumatera Utara

KAJIAN EKSPERIMENTAL KOLEKTOR UNTUK MESIN
PENDINGIN SIKLUS ADSORPSI YANG DIGERAKKAN
ENERGI SURYA

MASRIN DAMANIK
NIM. 060401079

Telah Disetujui Dari Hasil Seminar Skripsi
Periode ke 604 pada Tanggal 13 Juli 2011

Pembanding I,

Ir. Syahril Gultom.MT
NIP. 195512101987101001

Pembanding II,

Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc
NIP. 194910121981031002

Universitas Sumatera Utara

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK USU
MEDAN

KARTU BIMBINGAN

TUGAS SARJANA MAHASISWA
Sub. Program Studi
Bidang Studi
Judul Tugas

:
:
:

Diberikan Tgl.
Dosen Pembimbing

:
:

NO

Tanggal

1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.

18-02-2011
21-02-2011
24-02-2011
10-03-2011
21-03-2011
28-03-2011
30-03-2011
10-04-2011
25-04-2011
16-05-2011
30-05-2011
06-06-2011
14-06-2011
24-06-2011
01-07-2011
05-07-2011

NO : 991 / TS / 2011
Konversi Energi
Termodinamika Teknik
Kajian eksperimental kolektor untuk mesin pendingin siklus adsorpsi
yang digerakkan energi surya
18 Februari 2011
Selesai Tgl : 27 Juli 2011
Tulus B. Sitorus,ST.MT
Nama Mhs : Masrin Damanik
N.I.M
: 060401079
Tanda Tangan
Dosen Pemb.

KEGIATAN ASISTENSI BIMBINGAN
Menerima spesifikasi tugas
Survey bahan dan alat penguji adsorpsi methanol
Perancangan alat penguji adsorpsi methanol
Asistensi perancangan alat penguji adsorpsi methanol
Assembling alat penguji adsorpsi methanol
Pengujian alat adsorpsi methanol
Survey dan pemilihan bahan mesin pendingin
Pabrikasi generator dan kolektor
Assembling mesin pendingin
Uji vakum mesin pendingin
Pengujian mesin pendingin
Asistensi laporan
Asistensi laporan
Asistensi laporan
Asistensi laporan
ACC seminar

CATATAN :
1. Kartu ini harus diperlihatkan kepada Dosen
Pembimbing setiap Asistensi.
2. Kartu ini harus dijaga bersih dan rapi.
3. Kartu ini harus dikembalikan ke Jurusan,
bila kegiatan Asistensi telah selesai.

Diketahui,
Ketua Departemen Teknik Mesin
F.T. U.S.U

NIP.

Universitas Sumatera Utara

KAJIAN EKSPERIMENTAL KOLEKTOR UNTUK MESIN
PENDINGIN SIKLUS ADSORPSI YANG DIGERAKKAN
ENERGI SURYA

MASRIN DAMANIK
NIM. 060401079

Telah disetujui oleh :
Pembimbing

Tulus Burhanuddin Sitorus, ST, MT.
NIP. 1972 0923 2000 121003

Penguji I

Penguji II

Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc
NIP. 19491012198103100

Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST.MT
NIP. 1972 0610 200012 1001

Diketahui oleh :
Departemen Teknik Mesin
Ketua,

Dr. Ir. Ing. Ikhwansyah Isranuri
NIP. 1964 1224 1992 111001

Universitas Sumatera Utara

KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, karena berkat rahmat
dan karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul “KAJIAN
EKSPERIMENTAL KOLEKTOR UNTUK MESIN PENDINGIN SIKLUS ADSORPSI YANG
DIGERAKKAN ENERGI SURYA”
Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk mencapai derajat Sarjana

S-1 pada

Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
Untuk penulisan skripsi ini, penulis dan tim telah merancang dan membangun
konstruksi alat penukar kalor tabung cangkang dan melakukan pengujian alat penukar kalor
dengan memanfaatkan air laut sebagai fluida pendingin.
Dalam menyelesaikan skripsi ini, penulis mengucapkan terima kasih kepada :
1. Bapak Tulus B. Sitorus,ST.MT selaku Dosen pembimbing, yang selalu memberikan
bimbingan dan motivasi sehingga penelitian ini dapat selesai.
2. Bapak Dr.Ing. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas
Sumatera Utara.
3. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT. selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin
Universitas Sumatera.
4. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST, MT selaku dosen pembimbing lapangan dan juga
dosen penguji II yang telah banyak meluangkan waktu, memotivasi, dan membantu
penulis dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini.
5. Bapak Ir. Mulfi Hazwi,MSc sebagai dosen penguji I yang telah membimbing penulis dan
memberikan arahan dalam penulisan skripsi.
6. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin, yang telah
membantu segala keperluan yang diperlukan selama penulis kuliah.
7. Staf Laboratorium Teknologi mekanik, Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera
Utara, yang telah membantu pelaksanaan pengujian alat.
8. Kedua orang tua saya, D. Damanik dan S.br Sinaga yang selalu memberikan dukungan
moril dan materil serta kasih sayangnya yang tak terhingga kepada saya.
9. Kak Sanny Roslina Damanik, Bang Sarudin Damanik, Bang Laston Damanik dan Adik
Evrin Damanik yang memberikan dukungan moral maupun moril dalam penyelesaian
penelitian ini.

Universitas Sumatera Utara

10. Rekan satu tim, Marlundu Naibaho, Donny Osmond Samosir, atas kerja sama yang baik
untuk menyelesaikan penelitian ini.
11. Seluruh rekan mahasiswa Teknik Mesin yang telah memberikan bantuannya sehingga
penulis dapat menyelesaikan skripsi ini dan seluruh pihak yang telah membantu selama
penulis kuliah dan menyelesaikan skripsi ini.

Semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi pembaca. Tuhan memberkati.

Medan,

Juni 2011

Penulis,

Universitas Sumatera Utara

ABSTRAK

Mesin pendingin siklus adsorpsi yang digerakkan oleh energi surya saat ini sedang
dikembangkan terutama pada Negara berkembang. Mesin pendingin siklus adsorpsi
disamping membutuhkan biaya yang ekonomis juga ramah lingkungan. Salah satu yang
mempengaruhi kerja dari mesin pendingin ini adalah adsorber/generator/kolektor. Jenis
kolektor yang. Luas dari adsorber adalah 0,25 m2 dengan tebal pelat adalah 1 mm. Pada
adsorber ini diisi karbon aktif sebanyak 8 kg. Adsorber ini juga dilengkapi dengan kaca dua
lapis dengan tebal kaca adalah 3 mm. Kaca ini berfungsi sebagai pengumpul radiasi matahari
sehingga adsorber dapat menyerap radiasi matahari dan mengubahnya menjadi sehingga
panas yang diserap tersebut tidak keluar. Pada siang hari terjadi proses desorpsi yaitu
adsorber menerima panas matahari danterjadi proses desorpsi, pada malam hari adsorber
didinginkan sehingga terjadi proses adsorpsi. Variabel yang mempengaruhi sistem mesin
pendingin pada adsorber adalah tekanan (Pgenerator) dan (Tgenerator)
Kata kunci : proses adsorpsi;

proses desorpsi;

intensitas radisi matahari; kolektor plat datar;

adsorber/generator.

Universitas Sumatera Utara

DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR .................................................................................. .i
DAFTAR ISI ................................................................................................ iii
DAFTAR SIMBOL...........................................................................................v
DAFTAR GAMBAR........................................................................................vii
DAFTAR TABEL.............................................................................................x
ABSTRAK .........................................................................................................xi
BAB I

PENDAHULUAN ......................................................................... 1

1.1. Latar Belakang ................................................................................ 1
1.2. Batasan Masalah ............................................................................. 2
1.3. Tujuan Penelitian ............................................................................ 2
1.4. Manfaat Penelitian........................................................................... 3
1.5. Sistematika Penulisan ..................................................................... 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ............................................................... 5
2.1.Energi Surya .................................................................................... 5
2.2 Tinjauan Perpindahan Panas ............................................................. 6
2.3 Kolektor Surya Pelat Rata ................................................................ 10
2.3.1.Faktor Effisiensi …………………………………………...…..13
2.3.2 Effisiensi Termal Kolektor Surya ............................................. 14
2.4 Prinsip Kerja Mesin Pendingin Yang Digerakkan Energi Listrik ...... 16
2.5 Karbon Aktif .................................................................................... 18
2.5.1.Aktivitasi Kimia..…………………………………………...…..21
2.5.2.Aktivitasi Fisika..…………………………………………...…..21
2.5.3.Adsorpsi………..…………………………………………...…..22
2.5.4.Jenis-jenis Adsorpsi..……………..………………………...…..22
2.5.5.Prinsip Kerja Siklus Adsorpsi ……………………………...…..23
2.5.6.Adsorben…….....…………………………………………...…..24
2.5.7.Refrigerant……...…………………………………………...…..28
2.5.8.Refrigerasi Surya..………………………………………….........30

Universitas Sumatera Utara

BAB III METODE PENELITIAN………………………………………....32
3.1. Metode Pelaksanaan Penelitian ....................................................... 32
3.2. Tempat Penelitian ........................................................................... 33
3.3. Bahan dan Alat ............................................................................... 33
3.4. Perancangan Alat Penelitian ............................................................ 37
3.5. Analisa data Pengujian Alat Adsorpsi ............................................. 38
3.6. Perancangan Mesin Pendingin......................................................... 40
3.6.1.Perancangan Generator dan Kolektor...................................... 40
3.6.2.Dimensi Utama Alat Penelitian............................................... 42
3.6.2.1.Generator dan Kolektor ................................................ 42
3.6.2.2.Kotak Isolasi Adsorber ................................................. 44
3.6.2.3.Kaca Penutup ............................................................... 46
3.6.3.Langkah Perancangan Adsorber ............................................. 47
3.6.4.Pelaksanaan Penelitian ........................................................... 50
3.6.4.1.Persiapan Penelitian ..................................................... 50

BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ............................. 52
4.1. Data Hasil Pengujian ....................................................................... 52
4.2. Pengolahan Data ............................................................................. 53
4.3. Analisa Grafik Pada Adsorber…………..…………………………...54
4.4. Siklus Ideal Sistem Pendingin Dasorpsi .......................................... 61

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ....................................................... 66
5.1. Kesimpulan ..................................................................................... 66
5.2. Saran ............................................................................................... 67

DAFTAR PUSTAKA ................................................................................... 68

LAMPIRAN ................................................................................................. 69

Universitas Sumatera Utara

DAFTAR SIMBOL

Simbol

Keterangan

Satuan

QCool

Kalor pendinginan

Joule

QDrive

Kalor kerja

Joule

∆H

Perubahan entalpi

kJ/kg

∆S

Perubahan entropi

kJ/kgK

Cv

Kalor spesifik volume tetap

J/kg. K

Cp

Kalor spesifik tekanan tetap

J/kg. K

QL

Kalor laten

J

Le

Kapasitas kalor spesifik laten

J/kg

m

Massa zat

kg

Qs

Kalor sensibel

J

ΔT

Beda temperatur

K

Qsp

Kapasitas pendinginan spesifik

kJ/s/m2

h

koefisien konveksi

W/(m2.K)

A

Luas total penampang plat dan fin

m2

∆x

Jarak pusat karbon aktif ke plat

k

Koefisien konduksi

W/mK

t

Interval waktu

S

Tevap

temperatur evaporator

K

Tgene

temperatur generator

K

q

laju perpindahan panas

watt

P

tekanan

CmHg

Universitas Sumatera Utara

ε1

ε2

α

emisivitas dari pelat-pelat penyerap
emisivitas dari pelat-pelat kaca
harga absorpsivitas
massa jenis

(

effisiensi

qu

total intensitas radiasi matahari

kg/cm3

Universitas Sumatera Utara

DAFTAR TABEL
Tabel 3.1. Alat penguji adsorpsi ........................................................................... 31
Tabel 4.1. Tekanan adsorber pada proses desorpsi ................................................ 46
Tabel 4.2. Tekanan adsorber pada proses adsorpsi ................................................ 46
Tabel E.1

Sifat-sifat logam................................................................................... 112

Tabel E.2

Nilai absorpsivitas ............................................................................... 114

Universitas Sumatera Utara

ABSTRAK

Mesin pendingin siklus adsorpsi yang digerakkan oleh energi surya saat ini sedang
dikembangkan terutama pada Negara berkembang. Mesin pendingin siklus adsorpsi
disamping membutuhkan biaya yang ekonomis juga ramah lingkungan. Salah satu yang
mempengaruhi kerja dari mesin pendingin ini adalah adsorber/generator/kolektor. Jenis
kolektor yang. Luas dari adsorber adalah 0,25 m2 dengan tebal pelat adalah 1 mm. Pada
adsorber ini diisi karbon aktif sebanyak 8 kg. Adsorber ini juga dilengkapi dengan kaca dua
lapis dengan tebal kaca adalah 3 mm. Kaca ini berfungsi sebagai pengumpul radiasi matahari
sehingga adsorber dapat menyerap radiasi matahari dan mengubahnya menjadi sehingga
panas yang diserap tersebut tidak keluar. Pada siang hari terjadi proses desorpsi yaitu
adsorber menerima panas matahari danterjadi proses desorpsi, pada malam hari adsorber
didinginkan sehingga terjadi proses adsorpsi. Variabel yang mempengaruhi sistem mesin
pendingin pada adsorber adalah tekanan (Pgenerator) dan (Tgenerator)
Kata kunci : proses adsorpsi;

proses desorpsi;

intensitas radisi matahari; kolektor plat datar;

adsorber/generator.

Universitas Sumatera Utara

BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar belakang
Mesin pendingin pada saat ini semakin banyak dimanfaatkan sesuai dengan kemajuan
teknologi dan meningkatnya taraf hidup. Penggunaan yang umum adalah untuk mengawetkan
makanan. Pada suhu biasa (suhu kamar) makanan cepat menjadi busuk (karena pada
temperatur biasa bakteri akan berkembang cepat). Sedangkan pada suhu 4,4 oC atau 40 F
(suhu yang biasa untuk pendinginan makanan), bakteri berkembang sangat lambat sehingga
makanan akan lebih tahan lama. Jadi disini makanan dapat diawetkan dengan cara
mendinginkannya, (lit.8 hal.1)
Kegunaan lain dari mesin pendigin adalah penyejuk ruangan,pendingin minuman,
untuk membuat es batu, dan lain-lain. Untuk mengawetkan dalam jumlah yang lebih besar
misalnya ditemui pada tempat pemotongan ternak,untuk penyimpanan udang, ikan laut,dan
lain-lain. Juga pada kendaraan pengangkut daging/sayuran/ikan ke tempat-tempat yang jauh
dilengkapi dengan mesin pendingin agar tidak busuk sampai di tempat tujuan. Untuk
terjadinya suatu proses pendinginan diperlukan suatu bahan (refrigeran ) yang mudah dirubah
bentuknya dari gas menjadi cair atau dari cair ke gas untuk mengambil panas dari evaporator
dan membunangya di kondensor.
Kebanyakan

refrigeran

yang

digunakan

adalah

refrigeran

dengan

jenis

clorofluorocarbon (CFC) yang tidak ramah terhadap lingkungan (lit.8,hal.1). Sehingga para
pakar lingkungan hidup semakin gencar memikirkan tentang penipisan lapisan ozon yang
dirusak oleh gas-gas klorine yang dilepaskan manusia maupun melalui proses alami. Bahan
perusak ozon merupakan turunan dari senyawa klor dan bahan karbon seperti
clorofluorocarbon (CFC), banyak digunakan oleh industri maupun dalam rumah tangga. Alat
refrigerasi seperti mesin pendingin ruangan (air conditioner) dan lemari es juga masih

Universitas Sumatera Utara

menggunakan CFC yang terdiri atas R11,R12,R22, yang dapat merusak lapisan ozon jika
terlepas ke udara.R11(CCl2F) paling sering digunakan pada AC sebab memiliki titik didih
yang relative tinggi yaitu 24oC. R12 (CCl2F2), merupakan senyawa kimia group dari methane
memiliki titik didih normal -30oC. Biasanya hanya digunakan pada mesin refrigerasi kecil
karena panas penguapan perjumlah refrigerasi cukup kecil.
R22 (CHF2Cl), refrigeran ini digunakan pada mesin freezer dan sebagainya yang
menghendaki temperatur yang lebih rendah. Titik didihnya -40oC. Panas penguapan per
jumlah refrigeran sedikit lebih baik disbanding dengan R12.

1.2.Tujuan penulisan
Tujuan dilakukan penelitian skripsi ini adalah:
1. Mendisain dan membuat model fisik dari adsorber/generator dan kolektor sebagai
salah satu komponen dari sistem refrigerasi siklus adsorpsi.
2. Menganalisa unjuk kerja dari kolektor
3. Mengetahui effisiensi adsorber pada sistem pendingin adsorpsi

Universitas Sumatera Utara

1.3. Batasan masalah
Dalam penelitian ini, penulis membatasi masalah pada :
1. Perancangan pada kolektor atau adsorber
2. Refrigerant yang dipakai adalah karbon aktif dan methanol
3. Variabel yang diamati pada pengujian adalah temperatur (T) dan tekanan (P)

1.4. Manfaat penulisan
Manfaat penulisan skripsi ini adalah :
1. Menghasilkan rekomendasi sistem pendingin yang ramah lingkungan dan hemat
energi
2. Sebagai wacana dalam sistem refrigerasi yang dapat dilanjutkan untuk penelitian yang
lebih lanjut.

1.5. Sistematika Penulisan
Laporan skripsi ini adalah buku skripsi yang tersusun atas lima (5) bab. Bab I yaitu
pendahuluan, pada bab ini membahas latar belakang penulisan skripsi, tujuan penulisan,
batasan masalah, dan manfaat penulisan ksripsi. Pada bab II yaitu tinjauan pustaka, pada bab
ini membahas teori-teori yang dapat mendukung dan menjadi pedoman dalam penyusunan
skripsi. Pada bab ini dibahas teori tentang perpindahan panas,teori tentang kolektor surya
pelat surya dan prinsip kerja mesin pendingin. Bab III yaitu metodologi, pada bab ini
berisikan metode pelaksanaan skripsi dan juga membahas alat dan bahan yang digunakan.
Bab IV yaitu analisa dan pembahasan, pada bab ini membahas hasil pengujian. Data yang

Universitas Sumatera Utara

dianalisa berupa temperatur dan tekanan pada adsorber. Bab V yaitu kesimpulan dan saran,
pada bab ini membahas tentang kesimpulan hasil dari metodologi, analisa dan pembahasan
dan juga membahas saran.

Universitas Sumatera Utara

BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Energi surya

Matahari adalah suatu bola dari awan gas dengan suhu yang sangat panas. Diameter
bola matahari adalah 1,39 x 109 km,sedangkan jauh rata-rata dengan bumi adalah 1,5 x 1011
km. Matahari berputar pada sumbunya dengan kecepatan sekali putar dalam empat minggu.
Karena matahari terdiri dari kumpulan awan gas dan tidak solid maka bagian ekuatorialnya
berputar sekali dalam 27 hari sedangkan kutub-kutubnya berputar sekali dalam 30 hari (lit.7).
Suhu efektif pada permukaan besarnya 5760 K. sedang pada inti temperaturnya dapat
mencapai lebih kurang 8 x 106 sampai dengan 40 x 106 K.
Suatu teori yang akhir-akhir ini dapat diterima para ahli mengatakan bahwa radiasi
gelombang elektromagnetik merupakan kombinasi dari gelombang elektrik arus bolak-balik
berkecepatan tinggi dengan gelombang medan magnet yang menumbuhkan partikel-partikel
energi dalam bentuk foton. Gelombang energi yang memancar melalui ruangan angkasa
memberikan pancaran radiasi dengan panjang gelombang yang berbeda-beda. Radiasi
gelombang elektromagnetik dikelompokkan pada panjang gelombang yang memberikan
rangsangan energi yang lebih besar dimana semakin pendek panjang gelombang nya semakin
besar energinya. Radiasi yang dipancarkan melalui permukaan matahari mempunyai variasi
panjang gelombang dari yang paling panjang (gelombang radiao) sampai yang paling pendek
(gelombang sinar X dan sinar gamma), (lit.7,hal.290).
Jarak rata-rata antara bumi dengan matahari RBM = 1,49 x1011 ,sedangkan besar rapat radiasi
adalah (literatur 2) :
2 kalori cm2/menit = 2 langleys/menit
2 x 104 kalori/m2 menit

Universitas Sumatera Utara

1/3 x 103 kalori/m2 dt
Matahari memancarkan energi dalam bentuk radiasi ektromagnetik. Radiasi tersebut
hanya sekitar 50% yang dapat diserap oleh bumi. Menurut pengukuran yang dilakukan oleh
badan luar angkasa Amerika Serikat NASA (National Aeronautics

and Space

Administration) melalui misi ruang angkasanya pada tahun 1971,diperoleh data tentang
besaran konstanta matahari yang harganya sama dengan 1353 Watt/m2. Dari besaran tersebut
7,85% atau 105,8 Watt/m2 dipancarkan melalui sinar ultraviolet, 47,33% atau 640.4 Watt/m2
dipancarkan oleh sinar yang dapat dilihat oleh manusia (visible light) dan 44,85% atau 606,8
Watt/m2 dipancarkan oleh sinar infra merah.
Pada dasarnya energi radiasi yang dipancarkan oleh sinar matahari mempunyai besaran yang
tetap (konstan),tetapi karena peredaran bumi mengelilingi matahari dalam bentuk elips maka
besaran konstanta matahari bervariasi antara 1308 Watt/m2 dan 1398 Watt/m2 .Dengan
berpedoman pada luas penampang bumi yang menghadap matahari dan yang berputar
sepanjang tahun, maka energi yang dapat diserap oleh bumi besarnya adalah 751 x 10 kWjam.

2.2. Tinjauan perpindahan panas

Sebagai suatu gambaran mengenai tiga cara perpindahan panas dalam sebuah alat
pemanas, panas mengalir secara konduktif sepanjang pelat penyerap dan melaui dinding
saluran. Kemudian panas dipindahkan ke fluida dalam saluran dengan cara konveksi; apabila
dilakukan dengan sirkulasi dengan sebuah pompa, maka disebut konveksi paksa. Pelat
penyerap yang panas itu melepaskan panas ke pelat penutup kaca (umumnya menutupi
kolektor) dengan cara konveksi alamiah dan dengan cara radiasi.
1. Konduksi

Universitas Sumatera Utara

Jika pada suatu benda terdapat gradient suhu (temperatur gradient), maka akan terjadi
perpindahan energi dari bagian bersuhu tinggi ke bagian yangbersuhu rendah. Dapat
dikatakan bahwa energi berpindah secara konduksi (conduction atau hantaran dan bahwa laju
perpindahankalor itu berbanding dengan gradient suhu normal :

Jika dimasukkan konstanta proporsionalitas (proportionality constant) atau tetapan ke
sebandingan, maka :
q=dimana A adalah luas penampang tegak-lurus pada aliran panas (m2) dT/dx adalah gradien
temperatur dalam arah aliran panas,(K/m) dan q adalah laju perpindahan kalor (Watt).
Konstanta positif k disebut konduktivitas termal atau kehantaran (W/(m.K)) , konstanta
positif diberikan agar memenuhi hokum termodinamika yaitu kalor mengalir ke tempat yang
lebih rendah dalam skala suhu.
2. Konveksi
Pada bagian tepi pelat terbentuk suatu daerah dimana pengaruh gaya viskos semakin
meningkta. Gaya-gaya viskos dapat diterangkan dengan tegangan geser (

antara lapisan-

lapisan fluida. Jika tegangan ini dianggap beebanding lurus dengan gradient kecepatan
normal, maka dapat dirumuskan persamaan dasar untuk viskositas :
=
Konstanta proporsional

disebut viskositas dinamik.

Pada permulaan, pembentukan lapisan batas laminarpada suatu jarak kritis karena
sifat-sifat fluida, gangguan-ganguan kecil pada aliran itu membesar dan mulailah terjadi
proses transsisi hingga akhirnya aliran menjadi turbulen. Karakterstik aliran ini ditentukan

Universitas Sumatera Utara

oleh kuantitas suatu besaran yang disebut bilangan Reynolds. Untuk aliran melintas pada
pelat rata, bilangan Reynld didefenisikan sebagai :
Re =
Dimana,

adalah kecepatan aliran bebas (m/s); x adalah jarak dari tepi depan pelat (m);

adalah viskositas kinematik fluida (m2/s)
Transisi dari aliran laminar mejadi trubulen terjadi apabila Re > 5x105 walaupun untuk tujuan
analisis angka Reynold kritis untuk transisi di atas pelat rata bisa dianggap 5x105, namun
dalam situasi praktis nilai kritis ini sangat bergantung pada kekasaran permukaan dan tingkat
keturbulenan. Tetapi untuk aliran sepanjang pealt selalu trubulen untuk Re

4 x 105. Pada

daerah aliran turbulen, lapisan yang sangat tipis dekat pelat bersifat laminar (laminar
sublayer), dan di sini aksi viskositas dan perpindahan kalor masih pemting. Daerah ini
disebut lapisan buffer (buffer layer). Lebih jauh lagi, aliran menjadi sepenuhnya turbulen, dan
mekanisme utama penukaran kalor dan momentum melibatkan bongkah-bongkah
makroskopik fluida yang bergerak.
Udara yang mengalir di atas suatu permukaan logam panas,misalnya dalam saluran baja
sebuah alat pemanas udara surya,dipanasi secara konveksi. Arabia saluran udara disebabkan
oleh sebuah blower,disebut konveksi paksa; apabila disebabkan oleh gradien massa
jenis,maka disebut konveksi alamiah.
Pada umunya,perpindahan panas konveksi dapat dinyatakan dengan hokum pendinginan
Newton,sebagai berikut:
q = hA (Tw - Ts) watt
dimana h adalah koefisien konveksi,W/(m2.K); A adalah luas permukaan,m2 ; Tw adalah
temperatur dinding; T adalah temperatur fluida,K. Umumnya koefisien konveksi h
dinyatakan dengan parameter tanpa dimenis yang disebut bilangan Nusselt, (menurut nama
dari Wilhelm Nusselt),Nu=hdi/k, dimana k adalah konduktivitas panas. Karena aliran dalam

Universitas Sumatera Utara

pemanas cairan surya itu laminar dan tabung-tabungnya adalah relatif pendek, maka bilangan
Nusselt rata-rata dan karena itu harga –harga h dalam tabung dapat dicari dari grafik bilangan
Nusselt.

3. Radiasi
Radiasi termal adalah radiasi elektromagnetik yang dipancarkan oleh suatu benda karena
suhunya. Ada beberapa jenis radiasi elektromagnetik ,radiasi termal hanyalah salah satu
diantaranya. Apapun jenis radiasi itu, ia selalu merambat dengan kecepatan cahaya, 3x1010
m/s. kecepatan ini sama denga hasil perkalian panjang-gelombang denga frekuensi radiasi,
C=
Dimana, C adalah kecepatan cahaya;

adalah panjang gelombang dan

adalah frekuensi.

Perambatan radiasi termal berlangsung dalam bentuk kuantum-kuantum yang diskrit atau
farik (discrete), setaip kuantum mengandung energi sebesar
E=h
Dimana h adalah 6,625 x 10-34 J.s
Bila densitas energi diintegrasikan sepanjang seluruh panjang-gelombang,maka energy total
yang dipancarkan sebanding dengan pangkat empat suhu absolut atau sesuai dengan hukum
Stefan-Boltzmann :[2]
Eb =
Dimana, Eb adalah energi yang diradiasikan persatuan waktu dan persatuan luas (Watt/m2),
dan

adalah konstanta Stefan-Boltzmann yang nilainya

(

= 5,669x10-8 W/m2. K4.

)

Penukaran panas netto secara radiasi termal adalah:
q = σA T14 − T2 4 Watt

dimana σ adalah konstanta Stefan-Boltsman,5,67 x 108 W/(m2.K4 ); A adalah luas bidang,m2
,dan temperatur adalah derajat Kelvin pangkat empat,K4.

Universitas Sumatera Utara

Penggunaan energi surya meliputi pengaturan kedudukan permukaan pengumpul
(kolektor) pada berbagai sudut dengan bidang horizontal. Sementara pengukuran radiasi
pada permukaan horizontal di banyak tempat sudah dilaksanakan,pemanasan pada
permukaan miring harus dihitung. Lapisan luar matahari yang disebut fotosfer
memancarkan suatu spektrum radiasi yang kontiniu.
Radiasi yang dipancarkan oleh permukaan matahari,Es, adalah sama dengan hasil
perkalian konstanta Stefan-Boltzmann
Ts4, dan luas permukaan πds 2 ,

σ , pangkat empat temperatur permukaan absolute

Es = σπds 2Ts4 W

Dimana

σ

= 5,67 x 10-8 W/(m2.K4), temperatur permukaan Ts dalam K,dan diameter

matahari ds dalam meter.
Pada radiasi ke semua arah, energi yang diradiasikan mencapai luas permukaan bola
dengan matahari sebagai titik tengahnya. Jari-jari (R) adalah sama dengan jarak rata-rata
antara matahari dan bumi. Luas permukaan bola adalah sama dengan 4πR 2 ,dan fluks
radiasi pada satu satuan luas dari permukaan bola tersebut yang dinamakan
iradiansi,menjadi:
G=

σd s2Ts4
4R 2

W/m2

Dengan garis tengah matahari 1,39 x 109 , temperatur permukaan matahari 762 K,dan
jarak rata-rata antara matahari dan bumi sebesar 1,5 x 1011 m, maka fluks radiasi per
satuan luas dalam arah yang tegak lurus pada radiasi tepat di luar atmosfer bumi adalah

G=

(

) (
4 × (1,5 × 10 ) m

)

5,67 × 10 −8 W ( m2 ⋅K 4 ) × 1,39 × 109 m 2 × 5,762 × 103 K 4
2

11 2

2

4

= 1353 W/m2

Universitas Sumatera Utara

Harga G ini disebut kontanta surya,Gsc pengukuran yang baru-baru ini dilakukan oleh
pesawat antariksa telah membenarkan harga Gsc ini,yang kemudian telah diterima oleh
NASA sebagai standar.

2.3. Kolektor surya pelat 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

Universitas Sumatera Utara

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
Intensitas radiasi langsung atau sorotan per jam pada sudut masuk normal Ibn,
Ibn =
Dimana Ib adalah radiasi sorotan pada permukaan horizontal dan cosØz adalah sudut
zenith, untuk permukaan yang dimiringkan dengan sudut

terhadap bidang horizontal,

intensitas dari komponen sorotan adalah :
IbT = Ibn cosØT = Ib
Dimana ØT disebut sudut masuk, dan didefenisikan sebaga sudut antara arah sorotan pada
sudut masuk normal dan arah komponen tegak lurus ( 90 oC) pada permukaan miring.
Apabila permukaan dimiringkan denga sudut

terhadap horizontal, maka hal itu adalah

sama dengan apabila bumi diputar denga arah jarum jam sebesar , dan permukaannya tetap
berada pada kedudukan yang sama,. Hubungan antara cosØz untuk garis lintang
kemudian datap diganti untuk permukaan yang dimiringkan pada garis lintang



. 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 δ. Sin ( – ) + cos δ. Cos ( – ). Cos ω
Radiasi sorotan IbT pada permukaan miring selanjutnya dapat dihitung dari radiasi sorotan Ib
pada sebuah permukaan horizontal,
IbT = Ib





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.

Universitas Sumatera Utara

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

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

dari permukaan yang berdektan itu,dan kemiringan permukaan

yang menerima. Radiasi yang dipantulkan per jam, juga disebut radiasi patulan , adalah :
Irt =
Dimana

(IbT + Id)

=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.
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

Universitas Sumatera Utara

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,
a. h1 = koefisien konveksi (alam) dalam
b. h2 = koefisen radiasi (ekivalen) dalam
c. R(kaca) = harga R dari kaca,tebal/konduktivitas termal =t/k,m2.K/W
d. Ho = koefisien konveksi luar
e. 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
1
1
1
t
=
+ (kaca ) +
U t h1 + h2 k
ho + hro

a. koefisien konveksi alam hi antara pelat-pelat miring yang dipanasi dari bawah telah
dikorelasikan oleh hollands dan lain-lain untuk sudut miring lain antara 0o dan 70+oy
yang dinyatakan dalam bilangan Rayleigh (perbandingan gaya apung terhadap gaya
viskos) dan sudut miring β 1 . Koefisien tersebut dapat dengan mudah dinyatakan dari
sela z, antara pelat penyerap dan penutup kaca, dengan sudut miring sebagai
parameter. Fungsi-fungsi φ1 , φ2 dan φ3 didefenisikan sebagai berikut:

φ1 =

=

357
(Tm + 200)2 / 3 × Tm1/ 2

T p − Tc
50

Universitas Sumatera Utara

1428(Tm + 200 )
Tm2

2/3

=

Dan temperatur rata-rata (Tm) :
Tm =Tp+Tc/2
b. koefisien radiasi dalam (ekivalen) hri
Penukaran panas radiasi antara penyerap dan penutup adalah :
q=

σA(T14 − T24 )
ε1
1

+

ε2
1

−1

yang dapat ditulis sebagai fungsi koefisien radiasi ekuivalen hri sebagai
q = hri (Tp-Tc)
dimana
hri =

σ (T p4 − Tc4 )

 1

 − 1 − 1(T p − Tc )
ε

 p εc


c. Tahanan termal kaca dinyatakan dengan
R(kaca) =

t
k

Dimana t adalah tebal kaca, m dan k adalah konduktivitas termal W/(m.K)
d. Koefisien konveksi luar ho dihitung dengan
ho = 5,7 + 3.8 V
dimana V adalah kecepatan angin dalam m/s
4
)
ε cσ (Tc4 − Tlangit

e. Koefisien radiasi luar ekivalen dapat ditulis sebagai
Hro =

Tc − Tlangit

W/(m2.K)

Dimana temperatur langit diperkirakan oleh Swinbank adalah

Universitas Sumatera Utara

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 (

- UL (Ti-Ta)]

2.3.1 Faktor efisiensi, F

Karena temperatur Tp dari pelat penyerap berubah-ubah sepanjang dan melintang
pelat itu, maka persamaan perolehan panas kolektor dan persamaan efisiensi biasanya
dinyatakan dengan fungsi dari temperatur fluida masuk, yang relative mudah dikontrol dan
diukur selama pengujian dan operasinya. Langkah pertama untuk mencapai hal tersebut
adalah menggunakan effisiensi sirip F.
Perolehan panas melalui lebar sirip (s-d)/2 , adalah :
s−d 

 F [Gt (τα ) − U L (Tb − Tc )]
 2 

Apabila radiasi yang diserap Gt (τα ) untuk sesaat dibuat sama denga nol,maka aliran panas
dapat ditulis sebagai
Tb − Ta
1
U L [(s − d )F + d ]

Universitas Sumatera Utara

Dimana tahanan terhadap aliran panas dalam sirip adalah
1
U L [(s − d )F + d ]

Universitas Sumatera Utara

2.3.2 Effisiensi termal kolektor surya

a) Persamaan efisiensi termal
Perolehan panas atau keluaran berguna dari sebuah kolektor surya pelat rata deberikan
sebagai

FR [GT (τα ) − U L (Ti − Ta )]

Apabila

keluaran

ini

dibagi

dengan

masukan,

yaitu

masukan

radiasi

pada

kolektor,perbandingan yang dihasilkan adalah

 Ti −Ta 

G
 T 

η = FR (τα ) − FRU L 

η didefenisikan sebagai termal kolektor, dan FR UL biasanya hampir konstan dalam daerah
operasi kolektor. Dengan demikian persamaan ini dapat dilihat sebagai bentuk persamaan
lurus y = b = mx, dimana b adalah sumbu-y yang terpotong dan m adalah kemiringan garis

tersebut. FR (τα ) adalah titik potong dan -FRUL adalah kemiringan garis lurus, dengan satuan
absis a (Ti-Ta)/GT .

Karena itu bilangan . FR (τα ) dan -FRUL adalah karakteristik prestasi termal dari kolektor
pelat rata, dan merupakan masukan bagi sejumlah program komputer untuk sistem energi
surya.
b) Persamaan empiris untuk koefisien kerugian Ut
Sebuah persamaan empiris disarankan oleh S.A. Klein dan baru-baru ini dimodifikasi oleh
Agarwal dan Larson untuk memperhitungkan ketergantungan sudut Ut pada kemeringin ,

Ut =

+

Universitas Sumatera Utara

Dimana :
N = jumlah kaca penutup
F = (1- 0,04 ho + 0,0005ho2)(1+0,091N)
C = 250[1-0,0044( -90o)]
Harga ho = 5,7 + 3,8 V W/m2.K
Dimana V adalah kecepatan angin

2.3.3 Benda kelabu
Benda kelabu (gray body) adalah benda yang mempunyai emisivitas monokromatik
) yang tidak bergantung dari panjang-gelombang. emisivitas monokromatik didefenisikan
sebagai perbandingan antara daya emisi=monokromatik benda itu dengan daya emisivitas
monokromatik benda hitam pada panjang-gelombang dan suhu yang sama. Penyerapan
radiasi oleh permukaan ditandai oleh fraksi-fraksi dari jumlah ideal yang dipancarkan ( ε

,emisivitas) dan diserap ( α ,sbsorpsivitas),misalnya,perpindahan panas yang terjadi dalam
sebuah kolektor surya adalah perpindahan panas radiasi dari pelat penyerap ke pelat penutup
kaca. Untuk pelat-pelat pararel semacam itu,hubungannya sangat bermanfaat

q=

σA(T14 − T24 )
ε1
1

+

ε2
1

−1

dimana ε 1 dan ε 2 adalah emisivitas dari pelat-pelat penyerap dan kaca.
Radiasi surya adalah radiasi gelombang pendek yang diserap oleh pelat penyerap sebuah
kolektor surya dan diubah menjadi panas. Oleh sebab itu penyerap panas harus memiliki

harga α yang cukup tinggi dalam batas yang masih praktis. Pelat penyerap,yang menjadi
panas,memancarkan radiasi termal dalam daerah panjang gelombang yang panjang
(inframerah). Kerugian radiasi ini dapat dikurangi sehingga sangat kecil dengan cara

Universitas Sumatera Utara

menggunakan permukaan khusus yang memiliki harga absorpsivitas yang tinggi ( α
tinggi) dalam daerah panjang gelombang pendek (radiasi surya) dan harga emisivitas
yang rendah ( ε rendah) dalam daerah inframerah. Permukaan semacam itu disebut

permukaan selektif. Salah satu diantaranya adalah dengan memberikan warna hitam (cat

hitam) pada permukaan penyerap. Pelat warna hitam memiliki memiliki harga α =0.98

dan ε =0.98.

Gambar 2.1 tabel emisivitas material.[6]

Emisivitas total benda itu dapat dihubungkan dengan emisivitas monokromatik denagan
memperhatikan :
=


E =
Eb =

dλ =

=
Dimana,

adalah daya emisi benda hitam persatuan panjang-gelombang. Jika terdapat

kondisi benda kelabu, artinya

konstan, maka persamaannya menjadi sederhana :

Universitas Sumatera Utara

=
Emisivitas berbagai benda mungkin berbeda menurut panjang gelombang, suhu, dan
kondisi permukaan. Hubungan fungsi untuk

diturunkan oleh Planck dengan menggunakan

konsep kuantum untuk energy elector magnetic. Penurunan itu sekarang biasanya dilakukan
dengan metode termodinamika static dan

ternyata berhubungan dengan densitas energi :

=
=
Dimana, λ adalah panjang gelombang(
W.

4

/m2, C2 adalah 1,4387 x 104

4

), T adalah suhu (K), C1 adalah 3,743 x 108
.K

2.3.4 Benda hitam
Bila seberkas sinar enrgi panas mengenai permukaan suatu benda, maka sebagian
diserap,sebagian dipantulkan dan sebagian lainnya lagi diteruskan melewati benda itu. Benda
hitam memenuhi persamaan Eb =

hal ini karena tidak memantulkan sesuatu radiasi. Jadi

benda hitam adlah, benda yang menyerap seluruh radiasi yang menompanya. Eb disebut daya
emisi (emissive power) benda-hitam. Pada keseimbangan, energi yang diserap benda itu
mesti sama dengan energy yang dipancarkan; sebab,jika tidak,tentu ada energi yang mengalir
masuk atau keluar benda itu danmenyebabkan suhunya naik atau turun. Pada keseimbangan
dapat ditulus:
EA = qiA
Perbandingan daya emisi suatu benda dengan daya emisi benda hitam pada suhu yang sama
ialah sama dengan absorpsivitas benda itu. Perbandingan itu desebut emisivitas

=

Universitas Sumatera Utara

=

Gambar 2.2 grafik perbandingan antara daya emisi benda hitam dengan benda kelabu dengan
daya emisi permukaan nyata
Gambar 2.2 menunjukkan spektrum radiasi relative dan benda hitam pada 3000 F dan
benda kelabu ideal yang sebanding dengan emisivitas 0,6. Juga diberikan kurva yang
menunjukkan tingkah laku kira-kira untuk permukaan yang nyta, yang mungkin sangat
berbeda dari benda hitam ideal maupun benda hitam ideal. Adanya pergeseran titik
maksimum kurva radiasi menjelaskan perubahan warna jika benda dipanaskan. Oleh karena
itu pita panjang gelombang yang dapat dilihat oleh mata terletak 0,3 dan 0,7

, maka hanya

sebagian kecil saja spektrum energi radiasi pada suhu rendah dapat dilihat oleh mata. Ketika
benda dipanaskan,intensitas maksimum digeser kearah panjang-gelombang pendek, dan tanda
pertama yang memperlihatkan adanya kenaikan suhu benda ialah warna merah-tua. Dengan
peningkatan suhu menjadi lebih tinggi, warna itu berubah menjadi merah cerah, kemudian
kuning cerah dan akhirnya putih.
Faktor total energy radiasi yang dipancarkan antara 0 dan λ adalah

Universitas Sumatera Utara

Dapat disesderhankan denganmembagi kedua ruas persamaan dengan T5

Radiasi total yang dipancarkan pada keseluruhan panjang-gelombang adalah

=

2.4. Siklus mesin pendingin adsorpsi
Mesin pendingin ini membutuhkan energi panas yaitu energi radiasi matahari yang
digunakan sebagi energi untuk berlangsungnya proses pendinginan. Siklus pendingin
adsorpsi dapat dilihat pada gambar 2.2. Sistem pendingin adsorpsi ini terdiri atas empat
proses yang dapat dijelaskan sebagai berikut.

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.3 diagram Clayperon pada sisitem pendingin siklus adsorpsi [6]

1. Proses Pemanasan (pemberian tekanan)
Pada gambar 2.3 menjelaskan bahwa proses pemanasan dimulai dari titik A dimana
adsorbent berada pada temperatur rendah TA dan pada tekanan rendah Pe (takanan
evaporator). Proses ini berlangsung pada siang hari,proses AB: Adsorber menerima panas
sehingga temperatur adsorber meningkat dan diikuti oleh peningkatan tekanan dari tekanan
evaporasi menjadi tekanan kondensasi. Selama proses ini tidak ada aliran metanol yang
masuk maupun keluar dari adsorber.
2. Proses desorpsi
Pada gambar 2.3 menjelaskan proses desorpsi berlangsung pada waktu panas diberikan
dari titik B ke D sehingga adsorber mengalami peningkatan temperatur yang menyebabkan
timbulnya uap desorpsi. Sehingga, sehingga adsorbat yang berada pada adsorben dalam
bentuk gas mengalir ke kondensor untuk mengalami proses kondensasi menjadi cair dan
mengalir ke kondensor.
3. Proses pendinginan (penurunan tekanan)
Pada gambar 2.3 menjelaskan proses pendinginan berlangsung dari titik D ke F yang
berlangsung pada malam hari, adsorber melepaskan panas dengan cara didinginkan sehingga
suhu di adsorber turun dan diikuti oleh penurunan tekanan dari tekanan kondensasi ke
tekanan evaporasi.
4. Proses adsorpsi
Pada gambar 2.3 menjelaskan proses adsorpsi berlangsung dari titik F ke A, Adsorber
terus melepaskan panas sehingga adsorber mengalami penurunan temperatur dan tekanan

Universitas Sumatera Utara

yang menyebabkan timbulnya uap adsorpsi. Adsorbat dalam bentuk uap dihasilkan dari
proses penyerapan kalor oleh adsorbat dari air yang ada disekitar evaporator sebesar kalor
laten penguapan adsorbat tersebut.

Universitas Sumatera Utara

BAB III
METODE PENELITIAN
3.1 Metode pelaksanaan penelitian
Dalam pelaksaan penelitian ini dilakukan kegiatan-kegiatan yang meliputi tahapan
yaitu:
Mulai
Tahapan persiapan
Survei lapangan
Perancangan alat adsorpsi karbon aktif-metanol
Pengujian alat adsorpsi karbon aktif-metanol
Perancangan kondensor

Perancangan adsorber / kolektor
Assembling mesin pedingin

Perancangan evaporator

Pengujian mesin pendingin siklus adsorpsi
Analisa data
selesai

3.2 Tempat penelitian
Penelitian dulakukan di laboratorium Teknik pendingin Departemen Teknik Mesin
Universitas Sumatera Utara.
3.3 Bahan dan alat
Bahan-bahan yang digunakan adalah sebagai berikut
1. Pelat stainless steel 2 lembar
2. Katup/valve 5 buah
3. Manometer vakum 3 buah
4. Elbow pvc ½” sebanyak 5 buah
5. Karbon aktif 13 kg
6. Methanol 3,5 liter
7. Pipa pvc ½” 50 cm
8. Selang karet ¾’’ 1 meter
9. Busa 1 lembar 1x 1 meter
10. Lem araldite

Universitas Sumatera Utara

11. Papan 1 lembar
12. Paku 2”
13. Pelat kaca transparan tebal 3 mm
14. Pelat besi siku 5 cm x 5 cm
15. Cat hitam
16. Gelas ukur 1 buah
17. Tabung besi 1 buah
18. Isolasi
19. Tong tempat pemanasan air
20. Kawat nyamuk
21. Balok kayu 2 meter

Alat-alat yang digunakan pada penelitian ini adalah:
1. Pompa vakum, untuk memvakumkan dan mengeluarkan partikel-partikel/kotoran dan
mengeluarkan air dari generator,kondensor dan evaporator

Gambar 3.1 pompa vakum
Spesifikasi:

Merk
Model No.
Capacity
Motor h.p.
Volts

: Robinair
: 15601
: 142 l/m

: 110-115 V / 220-250 V

2. Thermometer raksa

Universitas Sumatera Utara

Spesifikasi:
Max. temperatur
Min. temperatur

: 110 °C
: -10 °C

Gambar 3.2 termometer raksa
3. Agilent
Spesifikasi :
Daya
: 35 Watt
Jumlah termokopel : 20 buah
Volts : 250 volt

Mempunyai 3 saluran utama
Dapat memindai data hingga 250 saluran per detik
Mempunyai 8 tombol panel dan sistem kontrol
Fungsional antara lain pembacaan suhu termokopel, RTD dan termistor, arus listrik
AC

Gambar

3.3 agilent

Universitas Sumatera Utara

Gambar 3.4 termokopel dengan agilent
4. Station data log Hobo Micro Station

HOBO Micro Station adalah sebuah alat pencatat data dari 3 sensor pencatat
microclimates multi channel (Intensitas radiasi matahari, kecepatan, angin, dan
kelembaban relatif). Mikro station ini menggunakan sebuah jaringan yang terhubung
dengan beberapa sensor pintar yang berfungsi untuk melakukan pengukuran. Terdiri
dari Sebuah data logger yang terhubung dengan perangkat komputer dan beberapa
sensor yang dipasang pada sebuah penyangga.

Gambar 3.5 Hobo Micro Station smart sensor
Dengan spesifikasi :
1. Skala Pengoperasian

-200 – 500C dengan baterai alkalin

:

-400 – 700C dengan baterai litium
2.Input Sensor

:

3 buah sensor pintar multi channel monitoring

3.Ukuran

:

8,9 cm x 11,4 cm x 5,4 cm

4.Berat

:

0,36 kg

Universitas Sumatera Utara

5.Memori

:

512K Penyimpanan data nonvolatile flash.

6.Interval Pengukuran

:

1 detik – 18 jam (tergantung pengguna)

7.Akurasi waktu

:

0 sampai 2 detik untuk titik data pertama dan
±5 detik untuk setiap minggu pada suhu 25oC

3.4 Perancangan alat penelitian
Dalam penelitian ini,sebelum kami mempersiapkan mesin pendingin, terlebih dahulu
kami memperisapkan alat penguji siklus adsorpsi.
Dimensi utama alat penguji adsorpsi adalah :
Tabel 3.1 alat penguji adsorpsi
Parameter
Dimensi/kapasitas
Gelas ukur
1 liter
Tabung besi
Panjang 500 mm diameter 203,2 mm/ 5 kg
karbon aktif
Pipa ¾ “
800 mm
Skema alat penguji adsorpsi dapat dilihat pada gambar 3.6 :

Gambar 3.6 Skema alat pengujian adsorpsi
Keterangan :
1. Tabung besi berisi karbon aktif
2. Katup
3. Katup
4. Manometer vakum
5. Gelas ukur berisi methanol
6. Pipa berpori

Universitas Sumatera Utara

3.5 Analisa data pengujian alat adsorpsi
Dalam pengujian alat ini dilakukan pemanasan dengan menggunakan kompor.
Tabung besi yang berisi karbon aktif dimasukkan kedalam wadah yang berisi air,kemudian
air tersebut dipanaskan selama 8 jam dan dijaga temperatur air konstan. Pemanasan in
dilakukan bertujuan supaya karbon aktif yang di dalam tabung tersebut panas ,sehingga
setelah karbon aktif dipanaskan diharapkan karbon aktif tersebut mampu menyerap methanol.

Gambar 3.7 Alat pengujian metanol
Pemanasan dilakukan dari jam 11 dan temperatur air maksimum adalah 93

O

C.

Setelah dilakukan pemanasan selama 8 jam kemudian pada pukul 19.00 Wib dilakukan
pemvakuman dengan pompa vakum selama 20 menit, pada saat pemvakuman katup antar
gelas ukur dan tabung karbon aktif ditutup. Pada saat pemvakuman methanol diisi pada gelas
ukur sebanyak 1

Dokumen yang terkait

Dokumen baru