Studi Eksperimental Unjuk Kerja Kolektor untuk Mesin Pendingin Siklus Adsorpsi yang Digerakkan Energi Matahari

(1)

STUDI EKSPERIMENTAL UNJUK KERJA KOLEKTOR

UNTUK MESIN PENDINGIN SIKLUS ADSORPSI YANG

DIGERAKKAN ENERGI MATAHARI

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

JANTER NAIBAHO NIM. 070401014

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN


(2)

STUDI EKSPERIMENTAL UNJUK KERJA KOLEKTOR

UNTUK MESIN PENDINGIN SIKLUS ADSORPSI YANG

DIGERAKKAN ENERGI MATAHARI

JANTER NAIBAHO NIM. 070401014

Telah Disetujui Dari Hasil Seminar Skripsi Periode ke 638 pada Tanggal 09 Juni 2012

Pembimbing

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


(3)

STUDI EKSPERIMENTAL UNJUK KERJA KOLEKTOR

UNTUK MESIN PENDINGIN SIKLUS ADSORPSI YANG

DIGERAKKAN ENERGI MATAHARI

JANTER NAIBAHO NIM. 070401014

Telah Disetujui Dari Hasil Seminar Skripsi Periode ke 638 pada Tanggal 09 Juni 2012

Pembanding I, Pembanding II,

Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc Tulus Burhanuddin Sitorus, ST, MT. NIP. 1949 1012 1981 031002 NIP. 1972 0923 2000 121003


(4)

STUDI EKSPERIMENTAL UNJUK KERJA KOLEKTOR

UNTUK MESIN PENDINGIN SIKLUS ADSORPSI YANG

DIGERAKKAN ENERGI MATAHARI

JANTER NAIBAHO NIM. 070401014

Telah disetujui oleh : Pembimbing

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

Penguji I Penguji II

Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc

NIP. 1949 1012 1981 031002 NIP. 1972 0923 2000 121003 Tulus Burhanuddin Sitorus, ST.MT

Diketahui oleh : Departemen Teknik Mesin

Ketua,

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


(5)

KATA PENGANTAR

Puji dan Syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala rahmat dan karuniaNya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.

Skripsi ini adalah salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan dan memperoleh gelar Sarjana Teknik di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun judul skripsi yang penulis kerjakan ini adalah “Studi Eksperimental Unjuk Kerja Kolektor untuk Mesin Pendingin Siklus Adsorpsi yang Digerakkan Energi Matahari”.

Dalam menyelesaikan skripsi ini, penulis banyak sekali mendapat dukungan dari berbagai pihak. Maka pada kesempatan ini penulis ingin menghaturkan ucapan terimakasih yang sebesar-besarnya kepada :

1. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita ST. MT sebagai dosen pembimbing yang telah banyak memberikan bimbingannya kepada penulis dalam menyelesaikan skripsi ini.

2. Bapak Tulus Burhanuddin Sitorus ST. MT yang telah meluangkan waktunya untuk memberikan arahan kepada penulis dalam menyelesaikan skripsi ini. 3. Bapak Ir. Mulfi Hazwi M.Sc yang telah meluangkan waktunya untuk

memberikan arahan kepada penulis dalam menyelesaikan skripsi ini.

4. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri, selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

5. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT. selaku Sekretaris Departemen TeknikMesin Universitas Sumatera

6. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.


(6)

7. Staf Laboratorium Teknik Pendingin, Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara, yang telah membantu pelaksanaan pengujian alat.

8. Orang tua saya St. J. Naibaho dan N. Pasaribu, untuk doa dan kasih sayangnya kepada penulis maupun dukungan moril dan materil.

9. Kakak/lae saya Kristina Citra Yani Naibaho/Nababan, adik-adik saya Ricardo Parulian Naibaho, Rolaston Naibaho, Jonathan Prawira Naibaho, Michael Sharon Naibaho atas semangat dan doanya kepada penulis.

10. Segenap kerabat keluarga yang telah memberikan semangat dan doanya kepada penulis selama menyelesaikan pendidikan S-1.

11. Rekan satu tim, Junius Manurung, Ben Marto Siallagan, atas kerja sama yang baik untuk menyelesaikan penelitian ini.

12. Listi Erawaty Simbolon yang telah banyak memberikan semangat dan doa kepada penulis selama menyelesaikan skripsi ini.

13. Bengkel Global atas kerjasama dalam modifikasi alat penelitian.

14. Seluruh mahasiswa Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Terkhususnya kawan-kawan stambuk 2006 dan 2007, dan masih banyak lagi yang tidak bisa saya sebutkan satu persatu.

Penulis menyadari masih banyak kekurangan-kekurangan di dalam skripsi ini. Oleh karena itu, penulis sangat mengharapkan saran dan kritik yang membangun untuk untuk penyempurnaan skripsi ini. Terimakasih.

Medan, Mei 2012 Penulis, Janter Naibaho NIM. 070401014


(7)

ABSTRAK

Mesin pendingin siklus adsorpsi sangat ramah lingkungan karena menggunakan refrigeran dengan nol bahan perusak ozon (BPO). Jugasangat ekonomis karena dapat digerakkan oleh energi matahari, tidak membutuhkan energi yang mahal seperti energi listrik dan sistem ini tidak terlalu rumit sehingga mudah perawatannya. Salah satu komponen dari mesin pendingin ini adalah generator/adsorber/kolektor. Jenis kolektor yang digunakan adalah plat datar. Luas dari adsorber adalah 0,25 m2 dengan tebal pelat adalah 1 mm. Pada adsorber ini diisi karbon aktif sebanyak 9 kg. Batasan sudut kolektor yang digunakan adalah 00.Adsorber ini juga dilengkapi dengan kaca dua lapis dengan tebal kaca adalah 3 mm, jarak antar kaca 30 mm dan jarak kaca ke adsorber 30 mm.Kaca 2 lapis ini berfungsi sebagai pengumpul radiasi matahari sehingga panas yang diserap tersebut tidak keluar.Adsorber menggunakanpanas ini untuk membangkitkan sistem dengan cara menyerap metanol yang menguap dari evaporator. Temperatur air akan turun seiring dengan turunnya temperatur metanol di evaporator. Pada siang hari terjadi proses desorpsi yaitu adsorber menerima panas matahari dan metanol akan mengalir menuju kondensor dan mencair di evaporator, pada malam hari adsorber didinginkan oleh lingkungan luar sehingga terjadi proses adsorpsi, metanol akan menguap dari evaporator menuju kondensor dan akan diserap adsorber. Variabel yang mempengaruhi sistem mesin pendingin pada adsorber adalah tekanan (Pgenerator) dan temperatur (Tgenerator). Hasil yang didapat dari penelitian ini adalah kolektor dapat menyerap radiasi matahari dengan rata-rata harian jam 07.00-17.00 sebesar 415.56 W/m2 sehingga dapat menurunkan temperatur air menjadi 9,10 oC dengan rata-rata temperatur lingkungan 27,41 oC.

Katakunci: siklus adsorpsi, kolektor plat datar, generator/adsorber, karbon aktif, radiasi matahariproses adsorpsi, proses desorpsi.


(8)

ABSTRACT

Adsorption refrigeration cycle is environmentally friendly because it uses a refrigerant with zero Ozone Depleting Potential (ODP). It’s Also very economical because it can be driven by solar energy, energy that does not require expensive as electric energy and the system is not too complicated so it is easy to maintain. One component of this cooling machine is a generator / adsorber / collector. Type of collector used is a flat plate. Area of adsorber is 0.25 m2 with slab thickness is 1 mm. Adsorber filled with activated carbon as much as 9 kg. Collector angle constraints used is 00. Adsorber is also equipped with two layers of glass with the glass is 3 mm thick, 30 mm distance between the glass and the distance to the adsorber 30 mm glass. The function of 2 layers of glass serves as a collector of solar radiation so that heat is absorbed does not exit. Adsorber using it to generate heat by absorbing system of methanol vapor from the evaporator. Water temperature will decrease inline with decreasing temperature in the evaporator. During the day there is a process that desorption adsorber receives heat of the sun and methanol will flow into the condenser and melts atevaporator, at night adsorber is cooled by the outside environment called the adsorption process, the methanol will evaporate from the evaporator to the condenser and it will be absorbed by the adsorber. Variables that affect the engine cooling system is pressure on the adsorber (Pgenerator) and temperature (Tgenerator). The results of this research is that collector can absorb solar radiation with a daily average of 415.56W/m2 from 07:00 to 17:00, so it can decrease the water temperature to 9.10°C with an average of 27.41°C environmenttemperature.

Keywords: adsorption cycle, a flat plate collector, generator / adsorber, activated carbon, solar radiation, the process of adsorption, desorption process


(9)

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR ... i

ABSTRAK ...iii

DAFTAR ISI ... v

DAFTAR GAMBAR...viii

DAFTAR TABEL...x

DAFTAR SIMBOL...xi

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1.Latar Belakang ... 1

1.2.Manfaat Penelitian ... 2

1.3.Batasan Masalah ... 3

1.4. Tujuan Penelitian ... 2

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 Datar ... 12

2.3.1 Efisiensi Termal ... 13

2.3.3 Benda Kelabu ... 14

2.3.4 Benda Hitam ... 15

2.4 Mesin Pendingin Adsorpsi ... 17

2.4.1.Siklus Ideal Mesin Pendingin Adsorpsi ... 17


(10)

2.5Adsorpsi, Adsorben dan Adsorbat ... 22

2.5.1.Adsorpsi ... 22

2.5.2.Adsorben (Karbon Aktif) ... 28

2.5.3.Adsorbat (Refrigeran-Metanol) ... 30

BAB III METODE PENELITIAN ... 33

3.1. Waktu danTempat ... 33

3.2. Alat dan Bahan ... 33

3.2.1 Alat ... 33

3.2.2 Bahan ... 36

3.3. Variabel Riset ... 36

3.4. Set Up Pengujian ... 37

3.5. Prosedur Penelitian ... 41

BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ... 43

4.1. Data Hasil Pengujian ... 43

4.2. Pengolahan Data ... 44

4.3. Radiasi Matahari dan Temperatur Lingkungan ... 50

4.4. Analisa Grafik pada Adsorber ... 54

4.5 Siklus Ideal Mesin Pendingin Adsorpsi ... 58

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 60

5.1. Kesimpulan ... 60

5.2. Saran ... 60


(11)

LAMPIRAN A Temperatur Adsorber ... 64

LAMPIRAN B Data Temperatur Lingkungan Dan Radiasi Matahari Dari HOBO ... 74

LAMPIRAN C Tabel Termodinamika ... 84

LAMPIRAN D Gambar Penelitian ... 87

LAMPIRAN E Laporan Pengeluaran ... 91


(12)

DAFTAR GAMBAR

Gambar2.1 Tabel Emisivitas Material ... 22

Gambar2.2 Grafik Perbandingan Antara Daya Emisi Benda Hitam Benda Kelabu dengan Daya Emisi Permukaan Nyata ... 24

Gambar2.3 Diagram Tekanan Vs Temperatur Yang Menggambarkan Garis Isosters ... 26

Gambar2.4 Diagram Clayperon pada Sistem Pendingin Siklus Adsorpsi ... 27

Gambar 2.5Adsorption Nomenclature ... 32

Gambar 2.6 Siklus Refrigerasi Adsorpsi (Clapeyron Diagram) ... 34

Gambar 2.7 Bentuk Butiran Karbon Aktif ... 38

Gambar 2.8 Struktur Karbon Aktif ... 39

Gambar 3.1 Pompa Vakum ... 42

Gambar 3.2 AGILENT Sistem Akuisisi Data ... 44

Gambar 3.3 HOBO Micro Station Data Logger ... 45

Gambar 3.4Skema Mesin Pendingin Siklus Adsorpsi ... 48

Gambar 3.5Diagram Alir Proses Penelitian ... 52

Gambar 4.1 Grafik Radiasi dan Temperatur Lingkungan vs Waktu pada Hari Pertama ... 60

Gambar 4.2 Grafik Radiasi dan Temperatur Lingkungan vs Waktu pada Hari Kedua ... 61

Gambar 4.3 Grafik Radiasi dan Temperatur Lingkungan vs Waktu pada Hari Ketiga ... 61

Gambar 4.4 Grafik Radiasi vs Waktu ... 62


(13)

Gambar 4.6 Grafik Adsorber vs Waktu pada Hari Pertama ... 64

Gambar 4.7 Grafik Adsorber vs Waktu pada Hari Kedua ... 65

Gambar 4.8 Grafik Adsorber vs Waktu pada Hari Ketiga ... 66


(14)

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1. Sifat Fisik Refrigeran ... 40 Tabel 3.1. Modifikasi Mesin Pendingin ... 47 Tabel 4.1. Hasil Pengukuran Temperatur, Tekanan dan

Volume Metanol Proses Desorpsi ... 53 Tabel 4.2. Hasil PengukuranTemperatur, Tekanan dan

Volume Metanol Proses Adsorpsi ... 53 Tabel 4.3. Parameter yang Dihitung pada Pengolahan

Data ... 60 Tabel C.1. Nilai Absorpsivitas ... 93 Tabel C.2. Sifat- sifat Logam ... 94


(15)

DAFTAR SIMBOL

Simbol Keterangan

QCool Kalor pendinginan Joule

Satuan

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 m

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

ρ massa jenis kg/cm3


(16)

qu total intensitas radiasi matahari �/m2

1

ε emisivitas dari pelat-pelat penyerap -

2

ε emisivitas dari pelat-pelat kaca -

α harga absorpsivitas -


(17)

ABSTRAK

Mesin pendingin siklus adsorpsi sangat ramah lingkungan karena menggunakan refrigeran dengan nol bahan perusak ozon (BPO). Jugasangat ekonomis karena dapat digerakkan oleh energi matahari, tidak membutuhkan energi yang mahal seperti energi listrik dan sistem ini tidak terlalu rumit sehingga mudah perawatannya. Salah satu komponen dari mesin pendingin ini adalah generator/adsorber/kolektor. Jenis kolektor yang digunakan adalah plat datar. Luas dari adsorber adalah 0,25 m2 dengan tebal pelat adalah 1 mm. Pada adsorber ini diisi karbon aktif sebanyak 9 kg. Batasan sudut kolektor yang digunakan adalah 00.Adsorber ini juga dilengkapi dengan kaca dua lapis dengan tebal kaca adalah 3 mm, jarak antar kaca 30 mm dan jarak kaca ke adsorber 30 mm.Kaca 2 lapis ini berfungsi sebagai pengumpul radiasi matahari sehingga panas yang diserap tersebut tidak keluar.Adsorber menggunakanpanas ini untuk membangkitkan sistem dengan cara menyerap metanol yang menguap dari evaporator. Temperatur air akan turun seiring dengan turunnya temperatur metanol di evaporator. Pada siang hari terjadi proses desorpsi yaitu adsorber menerima panas matahari dan metanol akan mengalir menuju kondensor dan mencair di evaporator, pada malam hari adsorber didinginkan oleh lingkungan luar sehingga terjadi proses adsorpsi, metanol akan menguap dari evaporator menuju kondensor dan akan diserap adsorber. Variabel yang mempengaruhi sistem mesin pendingin pada adsorber adalah tekanan (Pgenerator) dan temperatur (Tgenerator). Hasil yang didapat dari penelitian ini adalah kolektor dapat menyerap radiasi matahari dengan rata-rata harian jam 07.00-17.00 sebesar 415.56 W/m2 sehingga dapat menurunkan temperatur air menjadi 9,10 oC dengan rata-rata temperatur lingkungan 27,41 oC.

Katakunci: siklus adsorpsi, kolektor plat datar, generator/adsorber, karbon aktif, radiasi matahariproses adsorpsi, proses desorpsi.


(18)

ABSTRACT

Adsorption refrigeration cycle is environmentally friendly because it uses a refrigerant with zero Ozone Depleting Potential (ODP). It’s Also very economical because it can be driven by solar energy, energy that does not require expensive as electric energy and the system is not too complicated so it is easy to maintain. One component of this cooling machine is a generator / adsorber / collector. Type of collector used is a flat plate. Area of adsorber is 0.25 m2 with slab thickness is 1 mm. Adsorber filled with activated carbon as much as 9 kg. Collector angle constraints used is 00. Adsorber is also equipped with two layers of glass with the glass is 3 mm thick, 30 mm distance between the glass and the distance to the adsorber 30 mm glass. The function of 2 layers of glass serves as a collector of solar radiation so that heat is absorbed does not exit. Adsorber using it to generate heat by absorbing system of methanol vapor from the evaporator. Water temperature will decrease inline with decreasing temperature in the evaporator. During the day there is a process that desorption adsorber receives heat of the sun and methanol will flow into the condenser and melts atevaporator, at night adsorber is cooled by the outside environment called the adsorption process, the methanol will evaporate from the evaporator to the condenser and it will be absorbed by the adsorber. Variables that affect the engine cooling system is pressure on the adsorber (Pgenerator) and temperature (Tgenerator). The results of this research is that collector can absorb solar radiation with a daily average of 415.56W/m2 from 07:00 to 17:00, so it can decrease the water temperature to 9.10°C with an average of 27.41°C environmenttemperature.

Keywords: adsorption cycle, a flat plate collector, generator / adsorber, activated carbon, solar radiation, the process of adsorption, desorption process


(19)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Perkembangan sistem refrigerasi akhir-akhir ini sangat pesat seiring dengan majunya teknologi. Sistem refrigerasi sendiri berguna untuk mengaturkelembaban udara ataupun penurunan suhu suatu ruangan atau tempat. Kebanyakan teknologi refrigerasi yang dikembangkan adalah mengenai refrigeran yang dipakai ataupun penggerak kompresinya tetapi tetap saja yang dipakai adalah refrigeran dengan jenis clorofluorocarbon (CFC) yang tidak ramah dari lingkungan.

Makin menipisnya lapisan ozon di bumi ini, menginspirasikan negara-negaramaju untuk membuat suatu kesepakatan bersama yang dimanifestasikan dalambentuk Konvensi Wina dan Protokol Montrealtentang perlunya

perlindunganterhadap ozon. Oleh karena itulah Indonesia sebagai negara yang berkembangterdorong untuk ikut berperan aktif mendukung kedua kesepakatan tersebutdengan komitmennya untuk menghentikan penggunaan bahan perusak ozon(BPO) baik untuk kepentingan rumah tangga ataupun industri.

Siklus adsorpsi merupakan siklus yang digunakan untuk memenuhi kebutuhan akan pendinginan sebelum manusia mengenal siklus kompresi uap. Siklus ini mempunyai kelebihan utama yaitu tidak membutuhkan energi yang mahal seperti energi listrik karena dapat digerakkan oleh energi matahari. Sistem pendingin adsorpsi dapat menggunakan panas tingkat rendah dan menggunakan refrigeran dengan nol BPO.


(20)

Pada dasarnya prinsip kerja sistemadsorpsi tidak jauh berbeda dengan sistem pendingin cold storage yang beredar dipasaran saat ini. Perbedaan utamaantara sistem pendingin adsorpsi dengan coldstorage adalah pada penggunaan kompresor dalam sistem pendingin tersebut.Sistem pendingin adsorpsi tidak menggunakan kompresor, dan sebagai gantinyauntuk

menggerakkan refrigerandigunakan energi panas/kalor, dimanakeuntungan menggunakan energi panas/kalor ini adalah sumber energi tersebutbisa didapat dari pemanfaatan panas/kalor dari gas buang hasil pembakaran ataubisa juga dari panas/kalor energi surya. Selain itu keuntungan dari sistempendingin adsorpsi ini adalah tidak adanya komponen yang bergerak dankebebasan untuk memilih refrigeran yang lebih bersahabat dengan lingkungan(B.T. Prasetyo, A. Azis, M. Feidt, and R. Boussehain, 1994). Karena sistemadsorpsi mengambil energi panas/kalor dengan memanfaatkan gas buang darimesin (atau bisa juga energi surya), makasistem ini adalah sistem pendingin yang ramah lingkungan dan relatif murah sebab tidak diperlukan energi tambahan untuk menjalankan sistem

pendingin ini. Selain itu, sistem ini tidak terlalu rumit sehingga mudah perawatannya.

1.2. Manfaat Penelitian

Manfaat dari penelitian ini bagi pengembangan ilmu pengetahuan adalah sebagai perbandingan dan rekomendasi sistem pendingin yang ramah lingkungan dan hemat energi. Meminimalisasi efek pemanasan global dengan cara menggunakan refrigeran nol BPO (Bahan Perusak Ozon).


(21)

Dalam penelitian ini, penulis terkonsentrasi pada komponen kolektor, dimana fungsinya adalah untuk mengumpulkan dan menyerap sinar matahari.Dimana kolektor ini juga berfungsi untuk menyerap methanol dari evaporator melalui karbon aktif yang terdapat di dalamnya, sehingga disebut juga

adsorber. Dan oleh karena kolektor adalah sebagai komponen yang

menggerakkan mesin pendingin siklus adsorpsi, maka bisa dianggap sebagai

generator.

Pembahasan pada penelitian ini akan dibatasi, antara lain:

1) Kolektor dianalisis terpisah dari komponen mesin pendingin siklus adsorpsi yang lain yaitu kondensor dan evaporator.

2) Variabel yang diamati pada pengujian adalah temperatur (T) dan tekanan (P).

3) Adsorben yang digunakan adalah karbon aktif dengan refrigerannya adalah metanol.

4) Massa karbon aktif adalah 8 kg, volume metanol adalah 2 liter dan volume air adalah 1 liter.

5) Batasan sudut kolektor adalah 00.

6) Proses perpindahan panas yang terjadi adalah secara alamiah. 1.4. Tujuan Penelitian

Tujuan penelitian pada skripsi ini, adalah:

1) Melakukan pengujian kolektor sebagai salah satu komponen mesin pendingin siklus adsorpsi.

2) Mendapatkanlaju perpindahan panas secara konduksi, konveksi dan radiasi.


(22)

3) Mengetahui efisiensi kolektor pada sistem pendingin adsorpsi.

1.5. Sistematika Penulisan

Agar penyusunan skripsi ini dapat tersusun dengan baik dan

mempermudah pembaca memahami tulisan ini, maka sistematika penulisan skripsi ini dibagi ke dalam lima bab sebagai berikut:

Bab I Pendahuluan

Berisi latar belakang, tujuan penelitian, manfaat penelitian, batasanmasalah dan sistematika penulisan.

Bab II Tinjauan Pustaka

Berisi tentang teori-teori dasar pengkondisian udara, teknik pendingin, siklus-siklus pendingin yang biasa digunakan dalam pengkondisian udara. Pada tinjauan pustaka juga berisikan tentang teori - teori yang mendasari mesin pendingin siklus adsorpsi.

Bab III Metodologi Penelitian

Berisi mengenai metode penelitian yang dilakukan secara terurut, proses, analisis yang dilakukan untuk pengolahan data.

Bab IV Analisa Data

Berisi tentang data yang diperoleh dari proses pengujian.pada bab ini membahas hasil pengujian. Data yang dianalisa berupa temperatur dan tekanan pada adsorber.


(23)

Bab V Kesimpulan dan Saran

Berisi tentang kesimpulan dari hasil pengujian serta analisa yang dilakukan secara teoritis serta saran untuk penelitian selanjutnya.

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. Suhu efektif pada permukaan besarnya 5760 K. sedang pada inti temperaturnya dapat mencapai lebih kurang 8 x 106 sampai dengan 40 x 106 K.[Lit.12]

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


(24)

matahari mempunyai variasi panjang gelombang dari yang paling panjang (gelombang radio) 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:

2 kalori cm2/menit = 2 langleys/menit = 2 x 104 kalori/m2 menit = 1/3 x 103 kalori/m2 dt. (Lit.2)

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 kW-jam. 2.2. Tinjauan Perpindahan Panas


(25)

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

Jika pada suatu benda terdapat gradient suhu (temperature 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: q Re δq T A x T kA x u τ μ y μ x υ ¥ ¶ ¶ ¶ = -¶ ¶ = ¶ = : δq T A x ¶ ¶ :

Jika dimasukkan konstanta proporsionalitas (proportionality constant) atau tetapan kesebandingan, maka :

q kA T

x ¶ =

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


(26)

kalor (Watt). Konstanta positif k disebut konduktivitas termal atau kehantaran (W/(m.K)) , konstanta positif diberikan agar memenuhi hukum 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 meningkat. Gaya-gaya viskos dapat diterangkan dengan tegangan geser (τ) antara lapisan-lapisan fluida. Jika tegangan ini dianggap berbanding lurus dengan gradient kecepatan normal, maka dapat dirumuskan persamaan dasar untuk viskositas :

u τ μ

y

¶ =

Konstanta proporsional µ 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 oleh kuantitas suatu besaran yang disebut bilangan Reynolds. Untuk aliran melintas pada pelat rata, bilangan Reynold didefenisikan sebagai :

Re μ x

υ ¥ =

Dimana, µεadalah kecepatan aliran bebas (m/s); x adalah jarak dari tepi depan pelat (m); ϑ adalah viskositas kinematik fluida (m2/s)

Transisi dari aliran laminar menjadi turbulen 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


(27)

pada kekasaran permukaan dan tingkat keturbulenan. Tetapi untuk aliran sepanjang pelat selalu turbulen 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. Apabila saluran udara disebabkan oleh sebuah blower,disebut konveksi paksa; apabila disebabkan oleh gradien massa jenis,maka disebut konveksi alamiah.

Pada umumnya,perpindahan panas konveksi dapat dinyatakan dengan hukum pendinginan Newton,sebagai berikut:

(

w s

)

q = hA T - T 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 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. [Lit.1]


(28)

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,

Cλv=

Dimana, C adalah kecepatan cahaya; λadalah panjang gelombang dan ν adalah frekuensi.Perambatan radiasi termal berlangsung dalam bentuk kuantum-kuantum yang diskrit atau farik (discrete), setaip kuantum-kuantum mengandung energi sebesar,

E= hv

Dimana h adalah 6,625 x 10-34 J.s

Bila densitas energi diintegrasikan sepanjang seluruh panjang-gelombang,maka energi total yang dipancarkan sebanding dengan pangkat empat suhu absolut atau sesuai dengan hukum Stefan-Boltzmann :[Lit.2]

4

b EσT=

Dimana, Eb adalah energi yang diradiasikan persatuan waktu dan persatuan luas (Watt/m2), dan σ adalah konstanta Stefan-Boltzmann yang nilainya ( )σ = 5,669x10-8 W/m2. K4.

Penukaran panas netto secara radiasi termal adalah:

(

4 4

)

1 2

q =σA T - T Watt

dimana σ adalah konstanta Stefan-Boltsman,5,67 x 10-8 W/(m2.K4 ); A adalah luas bidang,m2 ,dan temperatur adalah derajat Kelvin pangkat empat,K4.


(29)

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 σ, pangkat empat temperatur permukaan absolute Ts4, dan luas permukaan πds2,

2 4

s s s

Eσπd T= 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 2

R ,dan fluks radiasi pada satu satuan luas dari permukaan bola tersebut yang dinamakan iradiansi,menjadi:

2 4 2

4

s s

σd T

G

R

= 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 =

(

)

(

)

(

)

2 4

2 4

-8W 9 2 3 4

(m .K )

2

11 2

5, 67 ×10 × 1, 39×10 m × 5, 762×10 K

= 1353

4× 1, 5×10 m


(30)

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 Plat Datar

Kolektor surya plat datar mempunyai temperatur keluaran dibawah 95°C. Keuntungan utama dari sebuah kolektor surya plat datar adalah memanfaatkan kedua komponen radiasi matahari yaitu melalui sorotan langsung dan sebaran, tidak memerlukan tracking matahari dan juga karena desainnya yang sederhana, hanya sedikit memerlukan perawatan dan biaya pembuatan yang murah. Pada umumnya kolektor jenis ini digunakan untuk memanaskan ruangan dalam rumah, pengkondisian udara, dan proses-proses pemanasan dalam industri.

Tipe ini dirancang untuk aplikasi yang membutuhkan energi panas pada temperatur di bawah 100°C. Spesifikasi tipe ini dapat dilihat dari absorber-nya yang berupa plat datar yang terbuat dari material dengan konduktivitas termal tinggi, dan dilapisi dengan cat berwarna hitam.

Data radiasi surya pada bidang miring jarang diperoleh : karakteristik dari permukaan di sekitarnya berbeda antara satu tempat dengan yang lainnya, sehingga standarisasi 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.

a. Koefisien radiasi dalam (ekivalen) hri. Penukaran panas radiasi antara penyerap dan penutup adalah :


(31)

4 4

1 2

1 2

σA(T - T )

q =

1 1

+ -1

ε ε

b. Tahanan termal kaca dinyatakan dengan

R(kaca) = t k

Dimana t adalah tebal kaca, m dan k adalah konduktivitas termal W/(m.K) c. Koefisien konveksi luar ho dihitung dengan

ho = 5,7 + 3.8 V dimana V adalah kecepatan angin dalam m/s d. Koefisien radiasi luar ekivalen dapat ditulis sebagai

Hro =

(

4 4

)

c c langit c langit ε σ T - T

T - T W/(m

2 .K)

Dimana temperatur langit diperkirakan oleh Swinbank adalah Tlangit = 0,0552 (Ta3/2)

Temperatur luar Ta adalah dalam derajat Kelvin (K)

2.3.1 Effisiensi termal

a) 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 kemiringan β,

(

)(

)

(

)

1 2 2 t 1 0 1 U 2 1

0, 05 1 0, 33

p a p a

p a

p p

p

T T T T

N

T T h N f

C

N N

g

T N F

s e e e -é ù ê ú

ê ú + +

ê ú

=ê æ ö + ú + é ù

- é ù +

-ç ÷ ê ú

ê ç ÷ ú êë + - úû +

-ê ú

ê è + ø ú ë û


(32)

Dimana :

N = jumlah kaca penutup C = 250[1-0,0044(β-90o)]

F = (1- 0,04 ho + 0,0005ho2)(1+0,091N) Harga ho = 5,7 + 3,8 V W/m2.K

Dimana V adalah kecepatan angin 2.3.2 Benda kelabu

Benda kelabu (gray body) adalah benda yang mempunyai emisivitas monokromatik (òλ) 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 ,absorpsivitas),misalnya,perpindahan panas yang terjadi dalam sebuah kolektor surya adalah perpindahan panas radiasi dari pelat penyerap ke pelat penutup kaca. Untuk pelat-pelat paralel semacam itu,hubungannya sangat bermanfaat

q =

4 4

1 2

1 2

σA(T - T )

1 1

+ -1

ε ε

dimana ε1dan ε2adalah 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


(33)

dalam daerah panjang gelombang yang panjang (inframerah). Kerugian radiasi ini dapat dikurangi sehingga sangat kecil dengan cara 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.

Sumber : [Lit.5]

Gambar 2.1 Tabel Emisivitas Material

2.3.3 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 = σT4 hal ini karena tidak memantulkan sesuatu radiasi. Jadi benda hitam adlah, benda yang menyerap seluruh radiasi yang menompanya. Eb disebut daya emisi (emissive power)


(34)

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 dan menyebabkan suhunya naik atau turun.

Perbandingan daya emisi suatu benda dengan daya emisi benda hitam pada suhu yang sama ialah sama dengan absorpsivitas benda itu. Perbandingan itu disebut emisivitas :

b E E Î =

a

Î =

Sumber : [Lit. 7]

Gambar 2.2. Grafik Perbandingan antara Daya Emisi Benda Hitam dengan Benda Kelabu dengan Daya Emisi Permukaan Nyata


(35)

Gambar 2.2 menunjukkan spektrum radiasi relatif 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 nyata, 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 µm, 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.

2.4. Mesin Pendingin Adsorpsi

2.4.1. Siklus Ideal Mesin Pendingin Adsorpsi

Adsorpsi dan desorpsi merupakan suatu proses yang dapat berlangsung secara reversibel. Adsorpsi merupakan proses exothermic dimana adsorben (padatan) dan adsorbat (fluida) melepaskan panas sehingga menyebabkan penurunan pergerakan molekul adsorbat yang mengakibatkan adsorbat tersebut menempel pada permukaan adsorben dan membentuk suatu lapisan tipis.

Ketika panas diberikan kepada sistem tersebut maka pergerakan molekul adsorbat akan meningkat sehingga pada jumlah panas tertentu akan menghsailkan energi kinetik molekul adsorbat yang cukup untukmerusak gaya van der Waals


(36)

sebagai proses desorpsi, dimana proses ini membutuhkan energi panas sehingga disebut proses endothermic. Jumlah adsorbat yang terkandung didalam adsorban dapat digambarkan oleh garis isosters pada diagram tekanan vs temperatur (Ln P vs -1/T) seperti pada gambar 2.3.

Sumber : Nishio A. FT UI (2008)

Gambar 2.3 Diagram Tekanan vs Temperatur yang Menggambarkan Garis Isosters

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 2.4. Sistem pendingin adsorpsi ini terdiri atas empat proses yang dapat dijelaskan sebagai berikut.


(37)

Sumber : [Lit.10]

Gambar 2.4Diagram Clayperon pada Sistem Pendingin Siklus Adsorpsi 1. Proses Pemanasan (Pemberian Tekanan)

Pada gambar 2.4 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 2.4 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.


(38)

Pada gambar 2.4 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 2.4 menjelaskan proses adsorpsi berlangsung dari titik F ke A, Adsorber terus melepaskan panas sehingga adsorber mengalami penurunan temperatur dan tekanan 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. 2.4.2. Perkembangan Mesin Pendingin Adsorpsi

Perkembangan mutakhir di bidang refrigeran utamanya didorong oleh dua masalah besar dalam lingkungan, yakni lubang ozon dan pemanasan global. Sifat merusak ozon dimiliki oleh refrigeran utama yang digunakan yaitu CFCs

(ChloroFluoro Carbons). (Molina dan Rowland 1974, diacu dalam Indartono

2006). Setelah keberadaan lubang ozon dilapisan atmosfer diverisifikasi secara saintifik, perjanjian internasional untuk mengatur dan melarang penggunaan zat-zat perusak disepakati pada tahun 1987 yang terkenal dengan sebutan Protokol Montreal.

Penggunaan CFCs dan HCFCs (Hydro Chloro Fluoro Carbons) merupakan dua refrigeran utama yang dijadwalkan untuk dihapuskan masing-masing pada tahun 1996 dan 2030 untuk negara – negara maju. Sedangkan untuk negara – Negara berkembang dijadwalkan untuk dihapus (phase- out) pada tahun 2010 (CFCs) dan 2040 (HCFCs) (Powell dalam Indartono, 2006). Pada tahun


(39)

1997, Protokol Kyoto mengatur pembatasan dan pengurangan gas-gas penyebab rumah kaca, termasuk HCFCs.

Munculnya beberapa permasalahan pada refrigerasi siklus kompresi uap dalam dekade belakangan ini membuat para peneliti berusaha memunculkan sistem refrigerasi alternatif yang tidak mengandung permasalahan serupa. Teknologi alternatif tersebut diantaranya adalah refrigerasi sistem adsorpsi padatan (solid adsorption). Sistem adsorpsi padatan ini tidak menggunakan refrigeran yang merusak ozon, serta bisa memanfaatkan matahari dan panas buangan .

Teknik pendinginan adsorpsi merupakan salah satu pilihan dari metode pendinginan yang dapat digunakan jika sumber listrik tidak ada dan sebagai pengganti refrigeran yang tidak ramah lingkungan. Metode pendinginan ini memerlukan sumber energi panas sebagai penghasil siklus pendinginan. Sumber energi tersebut dapat diperoleh dari biomassa, energi radiasi surya, maupun panas buangan.

Perkembangan mesin ini telah dikenal pada tahun 1980 sampai sekarang, dimana M. Pons dan J.J. Guilleminot (1981) membuat alat mesin pendingin dengan menggunakan pasangan Zeolit – air dan pasanganan karbon aktif – metanol. Sokoda dan Suzuki (1984) dan Critoph et al (1988) melakukan studi kinerja siklus adsorpsi untuk pendingin surya. Vichan Tangkengsirin et al (1997) menggunakan pasangan silicagel – air dan sumber panas dari energi surya.

Siegfried Kreussler dan Detlef Bolz melakukan penelitian mesin pendingin solar adsorpsi menggunakan zeolit dan air, diperoleh energi pendingin sebesar 350 kJ/kg zeolit dan COP 8 %. K Sumanthy (1999) melakukan percobaan alat


(40)

pendingin solar energi dengan pasangan karbon aktif -methanol, dan berhasil membuat es sebanyak 4 kg/hari dengan luas kolektor 0,92 m2.

Hildrand C, Dind P., Pons M., Butchter F.(2001), melakukan penelitian pada mesin pendingin menggunakan silica gel – water dengan sumber panas kolektor surya dengan luas 2 m2 mendapatkan harga COP antara 0.10 sampai 0.25. Sedangkan Wang D.C, Xia Z.Z, Zhai H, Wang R.Z dan Dou W.D.(2005), melakukan penelitian mesin pendingin adsorpsi menggunakan silica gel dan air, diperoleh Kapasitas pendinginan dan COP sebesar 7,15 kW dan 0,38.

Beberapa penelitian pada sistem pendingin adsorpsi telah dilakukan di laboratorium Energi dan Elektrifikasi, diantaranya oleh Aep et al, (2002) telah melakukan penelitian mesin pendingin adsorpsi dengan menggunakan silicagel – metanol dengan pembangkitan panas dari listrik, dari hasil penelitian dengan 3 kali pengujian dengan tekanan awal sebesar 5,4 kPa diperoleh temperature evaporator 10 °C dengan pemanasan pada generator sebesar 72°C. Pada saat proses desorpsi yang berlangsung selama 7 jam, temperatur evaporator meningkat menjadi 26 °C dengan lama proses selama 2 jam. Sedangkan pendinginan dengan menggunakan beban pendinginan dan tekanan awal 0.11 kPa (0.88 mmHg) dan suhu evaporator sebesar 24°C menurun menjadi 10°C dan terus meningkat karena adanya beban pendinginan air pada chiller dan berlangsung selama 7 jam yang mencapai 26°C. Pendinginan menghasilkan selisih 1.5 - 2°C perbedaan suhu yang masuk dan keluar dari evaporator.

Selain itu penelitian untuk melihat kinerja alat pendingin adsorpsi juga dilakukan oleh Setiono B, (2005) dimana hasil yang didapatkan menunjukkan besaran temperatur di evaporator 9.7°C pada tekanan 26.1 torr (3.48 kPa) tanpa


(41)

menggunakan beban pendinginan, sedangkan dengan menggunakan beban pendinginan didapatkan suhu evaporator sebesar 13.5°C pada tekanan 38.7 torr (5.16 kPa) dan 13.4°C pada tekanan 45.1 torr (6.01 kPa). Pada percobaan yang dilakukan ini berhasil menurunkan temperatur rata-rata 5°C. Tetapi pada penelitian ini proses awal yang dilakukan adalah proses evaporasi-adsorpsi, kemudian dilanjutkan dengan proses generasi-desorpsi. [Lit.14]

2.5. Adsorpsi, Adsorben, dan Adsorbat 2.5.1. 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. Untuk mengetahui karakteristik yang terjadi dalam proses adsorpsi dapat diilustrasikan dengan gambar 2.5, padatan berpori (pores) yang menghisap (adsorp) dan melepaskan (desorp) suatu fluida disebut adsorben. Molekul fluida yang dihisap tetapi tidak terakumulasi/melekat kepermukaan adsorben disebut adsorptive, sedangkan yang terakumulasi/melekat disebut adsorbat.


(42)

Sumber : Nishio A. FT UI (2008) Gambar 2.5. Adsorption Nomenclature

Pada umumnya proses adsorpsi diklasifikasikan menjadi dua proses yaitu proses adsorpsi secara fisik yang disebabkan oleh gaya van der Waals, dan secara kimia yang disebabkan melalui reaksi kimia antara molekul-molekul adsorbat dengan atom-atom penyusun permukaan adsorben. Jika interaksi antara padatan dan molekul yang mengembun tadi relatif lemah, maka proses itu disebut sebagai adsorpsi fisik. 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, adsorben yang mengadsorpsi secara fisik (karbon aktif, silika gel dan zeolit), adsorben yang


(43)

mengadsorpsi secara kimia (calcium chloride, metal hydrides, dan complex salts ), dan compositeadsorbent adsorben yang mengadsorpsi secara kimia dan fisik.

Proses adsorpsi atau penyerapan adalah fenomena fisik yang terjadi saat molekul-molekul gas atau cair dikontakan dengan suatu padatan dan sebagian dari molekul-molekul tadi mengembun pada permukaan padatan tersebut. Apabila interaksi antara padatan dan molekul yang mengembun tadi relatif lemah, maka proses ini disebut adsorpsi fisik yang terjadi hanya karena gaya van der Waals. Adsorpsi Secara Fisika

Penyerapan yang digolongkan berdasarkan interaksi permukaan adsorben dengan adsorbat dapat dibagi menjadi dua jenis, yaitu penyerapan secara fisika (adsorpsi) dan penyerapan secara kimia (absorpsi).

Pada adsorpsi jenis ini, adsorpsi terjadi tanpa adanya reaksi antara molekul-molekul adsorbat dengan permukaan adsorben. Molekul-molekul 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


(44)

mudah, yaitu dengan cara degassing atau pemanasan pada temperatur 150-200 0C selama 2-3 jam.

Sumber : [Lit.13]

Gambar 2.6. Siklus Refrigerasi Adsorpsi (Clapeyron Diagram)

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 isobarikadsorpsi). Dalam evaporator-kondensor,:2’-3’ panas keluar (kondensasi isobarik);3’-4’-1, efek pendinginan (isosteric refrigerant pendingin diri dan isobarikpenguapan).

Keterangan Gambar:

Pasangan adsorben dan adsorbat untuk adsorpsi fisik salah satunya adalah:

Proses adsorpsi karbon aktif / metanol dankarbon aktif / amonia sama, dan larutan adsorbat akan mengisi dan memenuhi pori-pori adsorben. Adsorpsi biasanya terjadi pada micropores, dimana volume jenis sekitar ) 0,15- 0,50 cm3g-1, dan area permukaansekitar 95% dari luas seluruh permukaan karbon aktif. Fungsi dari Karbon aktif atau serat karbon aktif dengan amonia dan metanol


(45)

besar pori adsorben yang relatif sedang dan besar sebagai penghantar molekul adsorbat ke mikropori.

Karbon aktif - metanol merupakan salah satu yang paling umum digunakan, karena kuantitas adsorpsi besar dan panas adsorpsi rendah, yang sekitar 1800-2000 kJ / kg. Paling utama konsumsi panas dalam fase desorpsi berkaitan dengan panas adsorpsi, nilai nilai yang rendah dari panas adsorpsi bermanfaat bagi COP. Karbon aktif / metanol juga merupakan pasangan kerja yang sesuai untuk menggunakan panas matahari sebagai sumber panas karena suhu desorpsi rendah, dimana sekitar 100 0C.

Suhu yang lebih tinggi dari 120 0C harus dihindari karena menurut Hu, dekomposisi metanol menjadi senyawa lain terjadi di atas suhu ini. Namun, karbon aktif / metanol tidak dapat bekerja secara maksimal di bawah tekanan sub-atmosfer. Perlunya vakum di dalam mesin pada saat menggunakan pasangan ini meningkatkan kompleksitas manufaktur, dan mengurangi keandalan sistem, bahkan sebuah infiltrasi udara kecil dapat mengubah efisiensi mesin.

Pasangan karbon aktif - amonia biasa digunakan. Dibandingkan dengan karbon aktif - metanol,walaupun kedua pasangan memiliki panas adsorpsi yang sama, namun pasangan karbon aktif/ amonia memiliki keuntungan dari tekanan kerja yang lebih tinggi, yaitu sekitar 16 bar di kondensasi temperatur 40 0C. Karena operasi yang lebih tinggi tekanan pasangan karbon aktif/ amonia memiliki kinerja perpindahan massa lebih baik, dan waktu siklus dapat dikurangi.

Keuntungan lain dari karbon aktif/ amonia bila dibandingkan dengan pasangan karbon aktif/ metanol adalah kemungkinan untuk menggunakan sumber panas pada 200 0C atau di atas. Kerugian dari pasangan karbon aktif/ amonia


(46)

berhubungan dengan toksisitas dan bau menyengat dari amonia, ketidakcocokan antara amonia dan tembaga, dan kuantitas adsorpsi siklus yang lebih kecil, jika dibandingkan dengan nilai yang diperoleh dengan pasangan karbon aktif/ metanol, pada kondisi kerja yang sama [Lit.13]

Daya adsorpsi dipengaruhi oleh tiga faktor, yaitu : Faktor-faktor yang Mempengaruhi Adsorpsi

1. Tekanan (P), Tekanan yang dimaksud adalah tekanan adsorbat. Kenaikan tekanan adsorbat dapat menaikan jumlah yang diadsopsi.

2. Temperatur absolut (T), Temperatur yang dimaksud adalah temperatur adsorbat. Pada saat molekul-molekul gas atau adsorbat melekat pada permukaan adsorben akan terjadi pembebasan sejumlah energi yang dinamakan pristiwa exothermic. Berkurangnya temperatur akan menambah jumlah adsorbat yang teradsopsi demikian juga untuk pristiwa sebaliknya. 3. Interaksi Potensial (E), interaksi potensial antara adsorbat dengan dinding

adsorben sangat bervariasi, tergantung dari sifat adsorbat-adsorben. [Nishio A. FT UI 2008]

2.5.2. Adsorben (Karbon Aktif)

Luasnya permukaan spesifik, sangat mempengaruhi besarnya kapasitas penyerapan dari adsorben. Semakin luas permukaan spesifik dari adsorben, maka semakin besar pula kemampuan penyerapannya. Volume adsorben membatasi jumlah dan ukuran pori-pori pembentuk permukaan dalam (internal surface) yang


(47)

menentukan besar atau kecilnya permukaan penyerapan spesifik. Karakteristik adsorben yang dibutuhkan untuk adsorpsi :

1) Luas permukaannya besar, sehingga kapasitas adsorpsinya tinggi. 2) Memiliki aktifitas terhadap komponen yang diadsorp.

3) Memiliki daya tahan guncang yang baik.

4) Tidak ada perubahan volume yang berarti selama proses adsorpsi dan desorpsi.

Pada penelitian ini yang akan digunakan adalah karbon aktif. Adsorben Fisik

Karbon aktif dapat dibuat dari batu bara, kayu, gambut,tulang, kulit kacang dan tempurung kelapa melalui proses pyrolizing dan carburizing pada temperatur 700 sampai 800 °C. Hampir semua adsorbat dapat diserap oleh karbon aktif kecuali air. Aktif karbon dapat ditemukan dalam bentuk bubuk dan granular.

Pada umumnya karbon aktif dapat mengadsorpsi metanol atau amonia sampai dengan 30%, bahkan karbon aktif super dapat mengadsorpsi sampai dua kalinya. Bentuk butiran karbon aktif adalah seperti gambar 2.7.

Sumber : Nishio A. FT UI (2008)


(48)

Struktur dari pori karbon aktif terdiri dari saluran yang tidak teratur, yang memiliki luas pori-pori yang lebih besar pada permukaan butiran, dan area pori sempit dalam butiran. Alasan di atas yang membedakan antara karbon aktif dan jenis lainnya adsorben adalah bentuk permukaan. Seluruh permukaan aktif karbon ditutupi oleh oksida matriks dan oleh beberapa bahan anorganik, dan karena itu karbon aktiv adalah non-polar atau memiliki polaritas lemah. Panas adsorpsi karbon pasangan aktif lebih rendah dari pada jenis lain atau pasangan adsorben fisik.

Karbon aktif jenis serat umumnya digunakan dalam produksi kain, seperti pakaian, tisu, dll. Dibandingkan dengan karbon aktif jenis butiran, serat karbon mempunyai kinerja pindahan panas yang lebih baik. Permukaan karbon aktif jenis serat lebih besar daripada karbon aktif , pori-pori karbon aktif serat lebih seragam daripada karbon aktif, dan kinerja pindahan panas dari karbon aktif serat juga lebih besar dari karbon aktif . Kelemahan dari serat karbon aktif adalah

anisotropicthermal conductivity, dan kontak resistansi termal antara serat yang tinggi terhadap dinding adsorber, bila dibandingkan dengan karbon aktif butiran.Struktur karbon aktif dapat dilihat pada gambar 2.8.


(49)

Sumber : [Lit.13]

Gambar 2.8 Struktur Karbon Aktif 2.5.3. Adsorbat (Refrigeran-Metanol)

Teknologi adsorpsi dapat digunakan tidak hanya untuk AC dan pendinginan tetapi juga untuk meng-upgrade panas dengan transformator termal, dan jenis refrigerant harus dipilih sesuai dengan aplikasi.

Sifat-sifat yang harus dimiliki oleh refrigerant, antara lain : 1) panas penguapan laten tinggi per satuan volume atau unit massa, 2) stabilitas termal,

3) tidak berbahaya terhadap lingkungan 4) nonflammable,

5) tidak berbahaya,

6) saturasi tekanan antara 1 dan 5 atm pada suhu kerja (nilai sempurna akan mendekati 1 atm).

Sayangnya, tidak ada refrigeran yang memiliki semua karakteristik di atas, dan refrigeran yang biasa di pakai untuk sistem pendingin adsorpsi adalah amonia, air dan metanol. Beberapa sifat fisik refrigeran untuk sistem adsorpsi ditunjukkan pada tabel 2.1

Tabel 2.1 Sifat Fisik Refrigeran [Lit.13]

Some Physical of Common Refrigerants for Adsorption Systems

Refrigerant Chemical

Formula

Normal Boiling Point (oC)

Molecular Weight (mol)

Latent heat of vaporization

L (kJ/kgK)

Density

ρ (kg/m3 )

ρ x L

(ml/m3)

Ammonia NH3 -34 17 1368 681 932


(50)

Methanol CH3OH 65 32 1102 791 872

Ethanol C2H5OH 79 46 842 789 665

Refrigeran dengan titik didih di bawah -10 oC pada 1 atm adalahrefrigeran tekanan positif, sedangkan yang lainnyarefrigeran vakum. Ammonia adalah contoh refrigeran tekanan positif, dan dapat digunakan dengan klorida, karbon aktif dan serat karbon aktif. Tekanan saturasi etanol dan metanol adalah sama, tetapi panas latenetanol adalah sekitar 30% lebih rendah dibanding metanol. Metanol biasanya digunakan dengan karbon aktif atau serat karbon aktif. Air dapat dianggap sebagai pendingin yang sempurna, kecuali untuk tekanan saturasi ekstrim yang rendah dan tidak mungkin untuk menghasilkan suhu di bawah 0 0C. Biasanya air dipasangkan dengan gel silika atau zeolit.

Refrigeran yangdigunakan untuk pendinginan pada penelitian ini adalah metanol.

Di banyak hal kemampuan atau performa metanol berada diantara air dan ammonia. Metanol memiliki tekanan penguapan yang lebih tinggi dibandingkan dengan air (meskipun pada tekanan 1 atm), sehingga sangat cocok untuk membuat es. Meskipun demikian pada temperatur lebih dari 120 0C, tekanan menjadi tidak stabil. Untuk temperatur aplikasi lebih dari 200 0C adsorben yang biasa digunakan adalah karbon aktif, silika gel, dan zeolit.


(51)

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Waktu Dan Tempat

Persiapan penelitian dan Penelitian (pengujian) dilakukan pada rentang bulan September 2011 – April 2012. Proses pengumpulan data, pengukuran, dan analisa penelitian ini berlangsung di Laboratorium Teknik Pendingin, Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

3.2 Alat dan Bahan 3.2.1 Alat


(52)

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 : Robinair

Model No. : 15601

Capacity : 142 l/m

Motor h.p. : ½

Volts : 110-115 V / 220-250 V

2. Termokopel, kabel yang dihubungkan dengan alat yang akan diukur suhuya.

3. AGILENT

Alat ukur temperatur yaitu termokopel yang terhubung dengan AGILENT

Sistem Akuisisi Data Spesifikasi:

Daya ( P ) = 35 W Tegangan ( V ) = 250 V


(53)

Jumlah Channel maksimum = 22 Channel

AGILENT Sistem Akuisisi Data mempunyai 8 tombol panel dan sistem kontrol

serta memiliki 3 saluran utama. Alat ini dapat memindai data hingga 250 saluran per detik. Fungsional antara lain pembacaan suhu termokopel, RTD dan termistor, arus listrik AC.

Gambar 3.2 AGILENT Sistem Akuisisi Data

4. HOBO Micro Station Data Logger

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.


(54)

Gambar 3.3HOBO Micro Station Data Logger

Spesifikasi :

1. Ukuran : 8,9 cm x 11,4 cm x 5,4 cm

2. Berat : 0,36 kg

3. Skala Pengoperasian : -200 – 500C dengan baterai alkalin -400 – 700C dengan baterai litium

4. Input Sensor : 3 buah sensor pintar multi channel monitoring

5. Memori Internal : 512K Penyimpanan data nonvolatile flash.

6. Interval Pengukuran : Tidak Terbatas

7. Akurasi Waktu : 0 sampai 2 detik untuk titik data pertama dan ±5 detik untuk setiap minggu pada suhu 25oC

5. Manometer vakum, alat yang digunakan untuk mengetahui tekanan vakum dari mesin pendingin siklus adsorpsi.

3.2.2 Bahan

Adapun bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini antara lain : 1. Karbon aktif (8 kg)


(55)

3. Air (1 liter)

4. Pelat stainless steel (2 m x 2 m) 5. Pipa PVC ½” (0,5 m)

6. Selang karet ¾’’ (1 m)

7. Box busa warna putih (2 buah) 8. Busa 1 lembar (1 m x 1 m) 9. Katup (@ 5 buah)

10. Socket/elbow (@ 5 buah) 11. Pylox hitam dan cat (@1 buah) 12. Selotip (±7 buah)

13. Lem araldite (±20 buah) 14. Isolasi atau lakban (±10 buah)

15. Pelat kaca transparan tebal 3 mm (0,5 m x 0,5 m) 3.3 Variabel Riset

Variabel input dari pengujian yang akan dianalisa antara lain adalah sebagai berikut :

a. Temperatur kolektor b. Radiasi matahari

Dimana akan dihasilkan data variabel output yang diharapkan, yaitu : a. Laju perpindahan panas kolektor

b. Efisiensi kolektor 3.4 Set-up Pengujian

Dalam penelitian mesin pendingin siklus adsorpsi ini, penulis mempunyai tanggung jawab dalam pengujian kolektor sebagai salah satu komponen mesin


(56)

pendingin siklus adsorpsi, perhitungan laju pindahan panas secara konduksi, konveksi, dan radiasi yang terjadi pada kolektor, serta mengetahui performansi kolektor dengan menghitung efisiensi kolektor.

Sebelum dilakukan pengujian terlebih dahulu dilakukan beberapa modifikasi atau penggantian terhadap mesin pendingin sebelumnya.

Tabel 3.1 Modifikasi Mesin Pendingin

Modifikasi Sebelum Sesudah Keterangan

Kolektor

- Terbuat dari stainless steel - Dimensi 0,5m x

0,5 m

- Sama dengan sebelumnya

Penggantian dilakukan karena sudah pecah dan

tidak layak digunakan lagi

Pipa

-Terbuat dari besi - Terdapat

beberapa bengkokan

- Diganti menjadi pvc - Dibuat menjadi lurus (tanpa bengkokan)

Bertujuan untuk mengurangi kehilangan

panas

Evaporator

- Kaca metanol terbuat dari

plastik

- Diganti menjadi kaca transparan dan mempunyai angka ukur

Bertujuan untuk melihat dan mengetahui volume methanol yang diserap

Kotak isolasi

- Terbuat dari sterofoam - Hanya terdapat 1

lapisan

- Sama dengan sebelumnya, - Terdapat 2 lapisan, dan

dibagian dalam ditambah lapisan rockwoll Bertujuan untuk mengurangi kehilangan panas Isolasi pipa - Sebelumnya

tidak ada - Terbuat dari karet gabus

Bertujuan untuk mengurangi kehilangan


(57)

Gambar 3.4 Skema Mesin Pendingin Siklus Adsorpsi

Setelah dilakukan beberapa modifikasi pada mesin pendingin sebelumnya maka mesin pendingin siklus adsorpsi akan terlihat seperti pada gambar 3.4. Skema mesin pendingin siklus adsorpsi ini dengan jelas menggambarkan proses yang terjadi di dalam mesin pendingin tersebut.

Ada 2 proses utama yang terjadi yaitu proses desorpsi dan proses adsorpsi. Proses desorpsi berlangsung pada siang hari dan proses adsorpsi berlangsung pada malam hari. Kedua proses ini terjadi secara alamiah akibat dari perpindahan panas secara konveksi natural.


(58)

Selanjutnya dilakukan penelitian mesin pendingin siklus adsorpsi. 1. Assembling

Assembling dilakukan sebelum pengujian, karena sebelumnya semua komponen masih dalam keadaan terpisah. Komponen dari mesin pendingin dihubungkan/dirangkai antara kolektor, kondensor dan evaporator. Pada pipa sambungan, katup manometer dan baut pada kaca metanol dilem dengan baik untuk menghindari kebocoran.

Metanol sebanyak 2 liter dimasukkan ke dalam evaporator, setelah itu katup masuk methanol ditutup rapat dan dilem kuat supaya tidak bocor. Air sebanyak 1 liter dimasukkan ke dalam wadah air, lalu diisolasi dengan baik untuk mengurangi kehilangan panas.

Wadah air ditempelkan di bawah metanol, lalu dibungkus dengan rapat dengan box isolasi.

2. Pemvakuman

Pemvakuman dilakukan untuk mengetahui apakah mesin pendingin tersebut sudah tidak bocor lagi. Karena syarat berlangsungnya siklus adsorpsi dengan baik adalah pada saat tekanan vakum (-76 cmHg = -1 atm = -101,325 kPa). Setelah dilakukan pemvakuman mencapai tekanan vakum (biasanya tidak pernah mencapai -76 cmHg), alat tersebut dibiarkan selama 2 × 24 jam. Selanjutnya dilihat berapa penurunan tekanannya, untuk mengetahui apakah alat tersebut bocor atau tidak. Jika terjadi kebocoran (tekanannya mencapai 0 atm) maka dilakukan pemeriksaan ulang untuk mengetahui dimana letak kebocoran. Setelah itu


(59)

dilakukan pengeleman supaya tidak bocor. Jika sudah tidak bocor lagi maka dilanjutkan ke tahap selanjutnya.

3. Pemasangan Termokopel

Sebelum dilakukan pengujian maka termokopel harus dipasang, untuk mengetahui distribusi temperatur di komponen-komponen mesin pendingin siklus adsorpsi. Dengan pembagian sebagai berikut :

Kolektor : 5 channel Kondensor : 4 channel Evaporator : 6 channel

Proses perekaman data temperatur menggunakan agilent dilakukan bersamaan dengan pemanasan awal.

4. Pemanasan Awal

Setelah semua komponen tersambung sempurna dan tidak ada kebocoran maka dilakukanpemanasan awal menggunakan lampu listrik 2 × 300 W. Pada saat pemanasan, katup adsorber dibuka dan katup evaporator ditutup. Dimulai pada pukul 09.00 sampai pukul 17.00 WIB. Pemanasan adsorber selama ± 8 jam sampai temperatur bagian bawah kolektor mencapai 120 0

C. Suhu termostat dijaga konstan pada 200 0C. Setelah temperatur bawah kolektor konstan 120 0C, dilakukan pemvakuman adsorber selama 30 menit (lampu tetap hidup) yang berfungsi untuk mengeluarkan gas dan uap air yang terdapat pada karbon aktif. Sebelum pemvakuman berakhir katup evaporator dibuka perlahan-lahan. Metanol akan kelihatan mendidih, dan pemvakuman bisa dihentikan. Setelah pemvakuman, katup adsorber ditutup dan proses dibiarkan berlangsung secara alami.


(60)

Proses perekaman data temperatur tetap dilakukan, data ini sebagai siklus adsorpsi hari pertama.

5. Siklus Adsorpsi

Proses adsorpsi (pada malam hari), dibiarkan temperatur pada adsorber turun seiring dengan turunnya temperatur lingkungan. Pada malam hari dengan turunnya temperatur adsorber, maka karbon aktif akan menyerap metanol sehingga metanol akan menguap pada evaporator dan naik ke karbon aktif. Dengan penguapan metanol ini maka temperatur evaporator punakan turun yang mengakibatkan temperatur air yang ada disekitarnya juga akan turun. Pengukuran tekanan dilakukan pada saat awal siklus adsorpsi

6. Siklus Desorpsi

Proses desorpsi (pada siang hari), kaca kolektor dipasang dan diisolasi dengan sempurna sehingga tidak ada udara yang mengalir pada adsorpsi. Kotak isolasi dipastikan terisolasi dari semua sisi dengan baik. Kemudian adsorber di jemur dibawah matahari. Dengan naiknya temperatur adsorber maka diharapkan terjadi proses desorpsi yaitu metanol akan menguap dan mengalir ke kondensor dan di kondensor uap metanol tersebut mencair dan kembali ke evaporator. Tekanan adsorber dicatat pada saat awal siklus desorpsi.

3.5 Prosedur Penelitian


(61)

Studi Literatur

Buku Referensi, Jurnal, Laporan Skripsi

Sebelumnya, Internet

Hasil Analisa Data Tahapan Persiapan

- Survei alat dan bahan

- Modifikasi dan Assembling

- Pemvakuman Mesin Pendingin

Pengujian Mesin Pendingin

- Pengumpulan Data Hasil Pengujian

Kesimpulan

Selesai Mulai

Kalibrasi Alat Ukur

- Temperatur lingkungan (oC)

- Temperatur kolektor, kondensor, evaporator (oC)

- Tekanan (cmHg)

- Volume metanol

Tidak


(1)

Evaporator

Kondensor

Evaporator dengan menggunakan sirip

Wadah air

Kotak insulasi


(2)

LAMPIRAN E

LAPORAN PENGELUARAN

Laporan pengeluaran dalam pembuatan dan modifikasi alat

Tanggal

Jumlah

Keterangan

Harga

07/10/2011

Transport mobil (angkat alat ke bengkel) Rp 40.000

11/10/2011

1 buah

Katup (valve)

Rp 28.000

17/10/2011

Membuat ruangan untuk termokopel

Rp 300.000

12/10/2011

Besi siku 40

Rp 15.000

12/10/2011

@2 buah

Socket dan Selotip

Rp 10.000

12/10/2011

Roda 4

Rp 30.000

12/10/2011

1 ½ meter

Pipa ½ ‘’

Rp 12.000

12/10/2011

1 buah

Katup

Rp 23.000

12/10/2011

4 buah

Socket

Rp 12.000

12/10/2011

2 buah

Pengikat

Rp 8.000

12/10/2011

1 buah

Lem PVC

Rp 6.000

12/10/2011

2 buah

Selotip

Rp 3.000

14/10/2011

Upah Tukang

Rp 302.000

14/10/2011

1 lembar

Sterefoam Hitam

Rp 120.000

14/10/2011

Kaca Evaporator

Rp 5.000

14/10/2011

6 buah

Baut + Ring plate mur

Rp 4.000

14/10/2011

1 buah

Lem Araldite

Rp 15.000

14/10/2011

1 buah

Lem Goat

Rp 6.000

14/10/2011

1 buah

Engsel

Rp 1.000

15/10/2011

3 buah

Kertas Pasir

Rp 9.000

15/10/2011

1 kaleng

Cat Minyak

Rp 30.000

15/10/2011

1 botol

Tinner

Rp 6.000

15/10/2011

1 buah

Kuas Cat

Rp 6.000

18/10/2011

2 buah

Lem Araldite

Rp 38.000

18/10/2011

Stiker Kaca

Rp 10.000

19/10/2011

Baut

Rp 6.000

19/10/2011

1 buah

Lakban

Rp 15.000

19/10/2011

1 buah

Cutter

Rp 12.000

20/10/2011

2 buah

Pengikat

Rp 5.000

20/10/2011

1 meter

Selang

Rp 40.000

21/10/2011

2 buah

Lem Araldite

Rp 38.000

21/10/2011

1 buah

Katup

Rp 50.000

21/10/2011

1 buah

Penutup Pipa

Rp 5.000

03/11/2011

3 liter

Minyak Tanah

Rp 24.000


(3)

08/11/2011

2 ½ liter

Metanol

Rp 262.000

10/11/2011

2 liter

Minyak Tanah

Rp 16.000

10/11/2011

1 buah

Lakban

Rp 13.000

11/11/2011

Termokopel

Rp 2.000.000

12/11/2011

10cm*10cm Stainless steel

Rp 10.000

12/11/2011

Upah Tukang

Rp 20.000

12/11/2011

1 kaleng

Cat hitam

Rp 10.000

07/12/2011

1 lembar

Stainless Steel

Rp 540.000

07/12/2011

8 kg

Karbon Aktif

Rp 300.000

07/12/2011

Upah Tukang

Rp 300.000

10/12/2011

1 buah

Manometer

Rp 170.000

10/12/2011

3 liter

Minyak Lampu

Rp 24.000

10/12/2011

1 buah

Pylox hitam

Rp 17.000

27/12/2011

1 buah

Lakban

Rp 13.000


(4)

LAMPIRAN F

PERHITUNGAN ANALISA DATA DALAM EXCEL

Rumus Output

Laju perpindahan panas antar kaca kolektor dan plat penyerap

σ (W/m2 K4

) 5.67E-08 q/A = (W/m2

)

T1 (K) 356.53 358.3044521

T2 (K) 303.69

ε1 0.98

ε2 0.84

C β 0 C =

349

ho V 1.03 ho = (W/m2K)

9.614

F ho (W/m2K) 9.614 F =

N 2 0.670065537

Koefisien kerugian puncak pada kolektor dengan sudut 0o

N 2 Ut = (W/m2K)

C 349 2.431137915

Tp (K) 356.53

Ta (K) 303.69

F 0.670065537

ho (W/m2

K) 9.614

σ (W/m2 K4

) 5.67E-08

εp 0.98

εg 0.84

Koefisien konduksi (k) T (K) 330.11 k (untuk stainless steel

AISI 304)

T (K) k = (W/mK)

300 14.9

330.11 15.41187

400 16.6

Laju perpindahan kalor secara konduksi pada adsorber k ( W/mK) 15.41187 qkonduksi = (W/m 2

) A (m2

) 0.25 203590.8027

Ts (K) 356.53

T∞ (K) 303.69

δx (m) 0.001

Laju perpindahan kalor secara konveksi pada adsorber

h (W/m2

K) 10 qkonveksi = (W/m 2

) A (m2

) 0.25 132.1

Tw (K) 356.53

Ts (K) 303.69

Laju perpindahan kalor secara radiasi pada adsorber

ε 0.98 qradiasi = (W/m 2

)

σ (W/m2 K4

) 5.67E-08 123.2728321

A (m2) 0.25

Ta (K) 356.53

Ts (K) 292.14

energi panas total yang diserap oleh adsorber

α 0.98 qT = (W/m

2 ) Gsolar (W/m

2

) 246050.9 37283.70647

qkonduksi (W/m 2

) 203590.8027 qkonveksi (W/m

2

) 132.1

qradiasi (W/m 2

) 123.2728321

Efisiensi kol ekt or qT (W/m

2

) 37283.70647 η = (%)

qs (W/m 2

) 246050.9 15.15284296

Input

Pe ngujian hari I

4 4

1 2

1 2

σA(T - T )

q = 1 1 + -1 ε ε

(

)

(

)

(

)

1

2 2 1 1

2 1

0, 33 0, 05 1

p a p a

p a O

p p

P g

T T T T

N Ut

T T h

C N N f N

T N F

σ ε ε ε − − −     + +   = +    + −    +    + −  + −     + konduksi T q kA x ∂ = − ∂

(

)

konveksi w s

q

=

hA T

T

4 4

radiasi

(

)

q

=

εσ

A T

a

T

s

T

konduksi radiasi

q

=

α

G

solar

q

q

konveksi

q

( ) T

s q q

η

=

o C 250[1= −0, 0044(

β

−90 )]

o

h =5, 7 +3, 8 V

(

2

)

(

( )

)

o o

F 1= − 0, 04 h + 0, 0005h 1+0, 091 N

_ 2

p a

T T


(5)

Rumus Output Laju perpindahan panas antar kaca kolektor dan plat penyerap

σ (W/m2

K4) 5.67E-08 q/A = (W/m2) T1 (K) 347.05 275.6089293

T2 (K) 304.71

ε1 0.98

ε2 0.84

C β 0 C =

349

ho V 1.04 ho = (W/m2K)

9.652

F ho (W/m2K) 9.652 F =

N 2 0.668978212

Koefisien kerugian puncak pada kolektor dengan sudut 0o

N 2 Ut = (W/m2K)

C 349 2.335548925

Tp (K) 347.05

Ta (K) 304.71

F 0.668978212 ho (W/m2K) 9.652 σ (W/m2

K4) 5.67E-08

εp 0.98

εg 0.84

Koefisien konduksi (k) T (K) 325.88 k (untuk stainless steel AISI 304) T k = (W/mK)

300 14.9

325.88 15.33996

400 16.6

Laju perpindahan kalor secara konduksi pada adsorber k ( W/mK) 15.33996 qkonduksi = (W/m 2

)

A (m2) 0.25 162373.4766

Ts (K) 347.05

T∞ (K) 304.71

δx (m) 0.001

Laju perpindahan kalor secara konveksi pada adsorber

h (W/m2K) 10 qkonveksi = (W/m 2

)

A (m2) 0.25 105.85

Tw (K) 347.05

Ts (K) 304.71

Laju perpindahan kalor secara radiasi pada adsorber

ε 0.98 qradiasi = (W/m2) σ (W/m2K4) 5.67E-08 98.29736486

A (m2) 0.25 Ta (K) 347.05

Ts (K) 293.6

energi panas total yang diserap oleh adsorber

α 0.98 qT = (W/m

2

) Gsolar (W/m2) 310651.5 141860.846

qkonduksi (W/m 2

) 162373.4766 qkonveksi (W/m

2

) 105.85 qradiasi (W/m

2

) 98.29736486 Efisiensi kol ekt or qT (W/m

2

) 141860.846 η = (%) qs (W/m2) 310651.5 45.66559184

Pengujian hari II

Input

(

)

(

)

(

)

1

2 2 1 1

2 1

0, 33 0, 05 1

p a p a

p a O

p p

P g

T T T T

N Ut

T T h

C N f

N N

T N F

σ ε ε ε − − −     + +   = + + −     + + − + −     + 4 4 1 2 1 2

σA(T - T )

q = 1 1 + -1 ε ε

(

)(

)

(

)

1

2 2 1 1

2 1

0, 33 0, 05 1

p a p a

p a O

p p

P g

T T T T N

Ut

T T h

C N f

N N

T N F

σ ε ε ε − − −     + +   = +    + −    +   + − + −       + konduksi

T

q

kA

x

= −

(

)

konveksi w s

q

=

hA T

T

4 4

radiasi

(

)

q

=

εσ

A T

a

T

s

T

konduksi radiasi

q

=

α

G

solar

q

q

konveksi

q

(

)

T s

q

q

η

=

o

C 250[1 0, 0044(

=

β

90 )]

o

h =5, 7 +3, 8 V

(

2

)

(

( )

)

o o

F 1

= −

0, 04 h

+

0, 0005h

1

+

0, 091 N

_

2

p a

T

T

pada T

=

+


(6)

Rumus Output Laju perpindahan panas antar kaca kolektor dan plat penyerap

σ (W/m2K4) 5.67E-08 q/A = (W/m2)

T1 (K) 362 406.9163548

T2 (K) 303.48

ε1 0.98

ε2 0.84

C β 0 C =

349

ho V 0.47 ho = (W/m2K)

7.486

F ho (W/m2K) 7.486 F =

N 2 0.733679756

Koefisien kerugian puncak pada kolektor dengan sudut 0o

N 2 Ut = (W/m2K)

C 349 2.438155332

Tp (K) 362

Ta (K) 303.48

F 0.733679756 ho (W/m2K) 7.486 σ (W/m2K4) 5.67E-08

εp 0.98

εg 0.84

Koefisien konduksi (k) T (K) 332.74 k (untuk stainless steel AISI 304) T k = (W/mK)

300 14.9

332.74 15.45658

400 16.6

Laju perpindahan kalor secara konduksi pada adsorber k ( W/mK) 15.45658 qkonduksi = (W/m2)

A (m2) 0.25 226129.7654

Ts (K) 362

T∞ (K) 303.48

δx (m) 0.001

Laju perpindahan kalor secara konveksi pada adsorber

h (W/m2K) 10 q

konveksi = (W/m 2

)

A (m2) 0.25 146.3

Tw (K) 362

Ts (K) 303.48

Laju perpindahan kalor secara radiasi pada adsorber

ε 0.98 qradiasi = (W/m2) σ (W/m2

K4) 5.67E-08 137.7966715 A (m2) 0.25

Ta (K) 362

Ts (K) 291.83

energi panas total yang diserap oleh adsorber

α 0.98 qT = (W/m2)

Gsolar (W/m 2

) 252402.7 20940.78393 qkonduksi (W/m2) 226129.7654

qkonveksi (W/m 2

) 146.3 qradiasi (W/m

2

) 137.7966715

Efisiensi kol ekt or qT (W/m2) 20940.78393 η = (%)

qs (W/m 2

) 252402.7 8.296576831

Pengujian hari III

Input

(

)(

)

(

)

1

2 2 1

1

2 1

0, 33 0, 05 1

p a p a

p a O

p p

P g

T T T T N

Ut

T T h

C N f

N N

T N F

σ

ε ε ε

− − −     + +   = +    + −    +    + −  + −     + 4 4 1 2 1 2

σA(T - T )

q = 1 1 + -1 ε ε

(

)

(

)

(

)

1

2 2 1 1

2 1

0, 33 0, 05 1

p a p a

p a O

p p

P g

T T T T N

Ut

T T h

C N f

N N

T N F

σ

ε ε ε

− − −     + +   = +      + −    +    + −  + −     + konduksi

T

q

kA

x

= −

(

)

konveksi w s

q

=

hA T

T

4 4

radiasi

(

)

q

=

εσ

A T

a

T

s

T

konduksi radiasi

q

=

α

G

solar

q

q

konveksi

q

(

)

T s

q

q

η

=

o

C 250[1 0, 0044(

=

β

90 )]

o

h =5, 7 +3, 8 V

(

2

)

(

( )

)

o o

F 1= − 0, 04 h + 0, 0005h 1+0, 091 N

_

2

p a

T

T

pada T

=

+