20
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Sistem Mesin Pendingin Adsorpsi
Sistem pendinginan adsorpsi mirip dengan siklus pendinginan kompresi uap. Perbedaan utama kedua siklus tersebut adalah gaya yang menyebabkan
terjadinya perbedaan tekanan antara tekanan penguapan dan tekanan kondensasi serta cara perpindahan uap dari wilayah bertekanan rendah ke wilayah bertekanan
tinggi. Pada sistem pendingin kompresi uap digunakan kompresor, sedangkan
pada sistem pendingin adsorpsi digunakan adsorben dan generator bertekanan rendah, tekanan ditingkatkan dengan pompa dan pemberian panas di generator
sehingga adsorben dan generator dapat menggantikan fungsi kompresor secara mutlak kompresi tersebut, sistem pendingin adsorpsi memerlukan masukan energi
panas. seperti yang dapat kita lihat pada gambar 2.1 Proses pemanasan kolektor dengantenaga surya.
Gambar 2.1. Proses Pemanasan Kolektor dengan tenaga surya
21
Panas sering disebut sebagai energi tingkat rendah low level energy karena panas merupakan hasil akhir dari perubahan energi dan sering kali tidak
didaur ulang. Pemberian panas dapat dilakukan dengan berbagai cara, seperti menggunakan kolektor surya, biomassa, limbah, atau dengan boiler
yangmenggunakan energi komersial. Komponen utama mesin pendingin adsorpsi adalah kolektor, kondensor, dan evaporator.
2.2. Adsorben
Kebanyakan zat pengadsorpsi atau adsorben adalah bahan-bahan yang sangat berpori, dan adsorpsi berlangsung terutama pada dinding-dinding pori atau
pada daerah tertentu di dalam partikel itu. Karena pori-pori adsorben biasanya sangat kecil maka luas permukaan dalamnya menjadi beberapa kali lebih besar
dari permukaan luar. Adsorben yang telah jenuh dapat diregenerasi agar dapat digunakan kembali untuk proses adsorpsi. Karbon aktif yang merupakan contoh
dari adsorpsi, yang biasanya dibuat dengan cara membakar tempurung kelapa atau kayu dengan persediaan udara yang terbatas. Tiap partikel adsorben dikelilingi
oleh molekul yang diserap karena terjadi interaksi tarik menarik.
Unjuk Kerja Adsorben
Adsorben dipandang sebagai suatu adsorben yang baik untuk adsorpsi dilihat dari sisi waktu. Lama operasi terbagi menjadi dua, yaitu waktu penyerapan
hingga komposisi diinginkan dan waktu regenerasi pengeringan adsorben. Makin cepat dua varibel tersebut, berarti makin baik unjuk kerja adsorben tersebut.
Penggolongan Adsorben
Berdasarkan Sifatnya Terhadap Air Adsorben merupakan bahan yang digunakan untuk menyerap komponen
dari suatu campuran yang ingin dipisahkan. Secara umum, hal yang mempengaruhi kinerja adsorben adalah struktur kristalnya zeolit dan silikat dan
sifat dari molekuladsorben tersebut. Zeolit dalam jumlah yang banyak telah ditemukan baik dalam bentuk sintetis ataupun alami.
22
Berikut adalah klasifikasi umum adsorber. dapat kita lihat pada tabel 2.1 Penggolongan Adsorben berdasarkan kemampuan menyerap air
Tabel 2.1 Penggolongan adsorben berdasarkan kemampuan menyerap air
Berdasarkan Bahannya Klasifikasi adsorben berdasarkan bahannya dibagi menjadi dua , yaitu:
1. Adsorben Organik
Adsorben organik adalah adsorben yang berasal dari bahan-bahan yang mengandung pati. Adsorben ini digunakan sejak tahun 1979 untuk mengeringkan
berbagai macam senyawa. Beberapa tumbuhan yang biasa digunakan untuk adsorben diantaranya adalah ganyong, singkong, jagung, dan gandum. Kelemahan
dari adsorben ini adalah sangat bergantung pada kualitas tumbuhan yang akan dijadikan adsorben.
2. Adsorben Anorganik
Adsorben ini mulai dipakai pada awal abad ke-20. Dalam perkembangannya, pemakaian dan jenis dari adsorben ini semakin beragam dan
banyak dipakai orang. Penggunaan adsorben ini dipilih karena berasal dari bahan- bahan non pangan, sehingga tidak terpengaruh oleh ketersediaan pangan dan
kualitasnya cenderung sama. Dalam penelitian ini, adsorben yang dipakai adalah karbon aktif 4 Kg dan Alumina aktif 4 Kg dan biji besi ukuran 25 mm sebanyak
85 biji. Jenis
Penyusun Struktur
Hidrofobik Polimer Karbon Aktif
Moleculer sieve Karbon Silikat
Hidrofolik Silika Gel
Zeeolit : 3AKA, 4ANaA, 5ACaA,
13XNaX Mordenite, Chabazite, dll
23
Karbon aktif
Dalam penelitian ini adsorben yang digunakan adalah karbon aktif. Karbon aktif adalah material yang berbentuk butiran atau bubuk yang berasal dari
material yang mengandung karbon misalnya batubara, kulit kelapa, dan sebagainya. Dengan pengolahan tertentu yaitu proses aktivasi seperti perlakuan
dengan tekanan dan suhu tinggi, dapat diperoleh karbon aktif yang memiliki permukaan dalam yang luas.
Arang merupakan suatu padatan berpori yang mengandung 85-95 karbon, dihasilkan dari bahan-bahan yang mengandung karbon dengan pemanasan
pada suhu tinggi. Ketika pemanasan berlangsung, diusahakan agar tidak terjadi kebocoran udara didalam ruangan pemanasan sehingga bahan yang mengandung
karbon tersebut hanya terkarbonisasi dan tidak teroksidasi. Seperti yang terlihat pada gambar 2.4 karbon aktif
Gambar 2.4 karbon aktif
Arang selain digunakan sebagai bahan bakar, juga dapat digunakan sebagai adsorben penyerap. Daya serap ditentukan oleh luas permukaan partikel
dan kemampuan ini dapat menjadi lebih tinggi jika terhadap arang tersebut dilakukan aktifasi dengan bahan-bahan kimia ataupun dengan pemanasan pada
temperatur tinggi. Dengan demikian, arang akan mengalami perubahan sifat-sifat fisika dan kimia. Arang yang demikian disebut sebagai arang aktif.
24
Dalam satu gram karbon aktif, pada umumnya memiliki luas permukaan seluas 500-1500 m
2
, sehingga sangat efektif dalam menangkap partikel-partikel yang sangat halus berukuran 0.01-0.0000001 mm. Karbon aktif bersifat sangat
aktif dan akan menyerap apa saja yang kontak dengan karbon tersebut. Dalam waktu 60 jam biasanya karbon aktif tersebut manjadi jenuh dan tidak aktif lagi.
Oleh karena itu biasanya arang aktif di kemas dalam kemasan yang kedap udara. Sampai tahap tertentu beberapa jenis arang aktif dapat di reaktivasi kembali,
meskipun demikian tidak jarang disarankan untuk sekali pakai.
Menurut SII No.0258 -79, arang aktif yang baik mempunyai persyaratan seperti yang tercantum pada tabel 2.2 Spesifikasi karbon akif berikut ini:
Tabel 2.2. Spesifikasi karbon aktif. Jenis
Persyaratan Bagian yang hilang pada pemanasan
950 °C. Maksimum 15
Air Maksimum 10
Abu Maksimum 2,5
Bagian yang tidak diperarang Tidak nyata
Daya serap terhadap larutan Minimum 20
Karbon aktif terbagi atas 2 tipe yaitu arang aktif sebagai pemucat dan arang aktif sebagai penyerap uap.
Arang aktif sebagai pemucat
Biasanya berbentuk serbuk yang sangat halus dengan diameter pori mencapai 1000 A0 yang digunakan dalam fase cair. Umumnya berfungsi untuk
memindahkan zat-zat penganggu yang menyebabkan warna dan bau yang tidak diharapkan dan membebaskan pelarut dari zat
– zat penganggu dan kegunaan yang lainnya pada industri kimia dan industri baru. Arang aktif ini diperoleh dari
25
serbuk – serbuk gergaji, ampas pembuatan kertas atau dari bahan baku yang
mempunyai densitas kecil dan mempunyai struktur yang lemah.
Arang aktif sebagai penyerap uap.
Biasanya berbentuk granula atau pellet yang sangat keras dengan diameter pori berkisar antara 10-200 A0. Tipe porinya lebih halus dan digunakan dalam
fase gas yang berfungsi untuk memperoleh kembali pelarut atau katalis pada pemisahan dan pemurnian gas. Umumnya arang ini dapat diperoleh dari
tempurung kelapa, tulang, batu bata atau bahan baku yang mempunyai struktur keras.
Arang aktif yang merupakan adsorben adalah suatu padatan berpori, yang sebagian besar terdiri dari unsur karbon bebas dan masing- masing berikatan
secara kovalen. Dengan demikian, permukaan arang aktif bersifat non polar. Selain komposisi dan polaritas, struktur pori juga merupakan faktor yang penting
diperhatikan. Struktur pori berhubungan dengan luas permukaan, semakin kecil pori-pori arang aktif, mengakibatkan luas permukaan semakin besar. Dengan
demikian kecepatan adsorpsi bertambah. Untuk meningkatkan kecepatan adsorpsi, dianjurkan agar menggunakan arang aktif yang telah dihaluskan. Sifat arang aktif
yang paling penting adalah daya serap.
Alumina Aktif
Activated alumina
dibuat dari
aluminium hidroksida
dengan dehydroxylating dengan cara yang menghasilkan bahan yang sangat berpori.
Bahan ini dapat memiliki luas permukaan secara signifikan lebih dari 200 meter persegi g. Senyawa ini digunakan sebagai pengering untuk menjaga hal-hal
kering dengan menyerap air dari udara dan sebagai filter fluoride, arsenik dan selenium dalam air minum. Ini terbuat dari aluminium oksida alumina, Al2O3,
zat kimia yang sama seperti safir dan ruby tapi tanpa kotoran yang memberikan orang permata warna mereka.
26
Activated alumina digunakan untuk berbagai adsorben dan aplikasi katalis termasuk adsorpsi katalis dalam produksi polyethylene , dalam produksi hidrogen
peroksida , sebagai adsorben selektif untuk bahan kimia, termasuk arsenik , fluoride , dalam penghapusan belerang dari aliran gas proses Claus Catalyst .
Digunakan sebagai desiccant , ia bekerja dengan proses yang disebut adsorpsi . Air di udara benar-benar menempel pada alumina sendiri di antara
bagian-bagian kecil seperti udara melewati mereka. Molekul air menjadi terperangkap sehingga udara yang kering saat melewati filter . Proses ini
reversibel . Jika pengering alumina dipanaskan untuk ~ 200 ° C , ia akan melepaskan air yang terperangkap . Proses ini disebut regenerasi pengering
tersebut.
Activated alumina juga banyak digunakan untuk menghilangkan fluoride dari air minum . Di AS , ada program luas untuk fluoridate air minum . Namun, di
daerah tertentu , seperti di kawasan Jaipur India , ada cukup fluoride dalam air menyebabkan fluorosis . Filter alumina aktif dapat dengan mudah mengurangi
kadar fluoride dari 0,5 ppm menjadi kurang dari 0,1 ppm . Jumlah fluoride kehabisan dari air yang disaring tergantung pada berapa lama air benar-benar
menyentuh media alumina filter. Pada dasarnya , semakin alumina di filter , semakin sedikit fluoride akan berada di final , air disaring . Air suhu yang lebih
rendah , dan air pH rendah air asam akan disaring lebih efektif juga. PH yang ideal untuk pengobatan adalah 5,5 yang memungkinkan untuk sampai tingkat
removal 95 .
Alumina aktif , bila digunakan sebagai filter fluoride , dapat diregenerasi dengan larutan alkali natrium hidroksida , NaOH , asam sulfat H2SO4 , atau
tawas KAL SO4 2 . Kapasitas penyerapan fluoride FUC dari alumina aktif bisa sampai 5000mgkg. Untuk satu liter simulasi distl.water mengandung
100mg L fluoride , agitasi 100 rpm bawah mesin uji jar . Tambahkan 10 g AA yang diuji . Setelah satu jam . , Matikan mesin dan mengambil Solun tersebut .
Setelah 5 menit , tuang dengan seksama Solun supernatan . dan menentukan
27
fluoride . Hitung perbedaan antara asli dan diperlakukan fluoride air concn . Kalikan perbedaan dengan 100 ini akan memberikan kapasitas penyerapan
fluoride dari AA dalam mg kg . Yang mana contoh alumina aktif Dapat kita lihat pada Gambar 2.5 Alumina Aktif.
Gambar 2.5 Alumina Aktif
Bijih besi
Biji besi terdiri atas oksigen dan atom besi yang berikatan bersama dalam molekul.Besi sendiri biasanya didapatkan dalam bentuk magnetit Fe
3
O
4
, hematit Fe
2
O
3
, goethit, limonit atau siderit. Bijih besi biasanya kaya akan besi oksida dan beragam dalam hal warna, dari kelabu tua, kuning muda, ungu tua,
hingga merah karat anjing Saat ini, cadangan biji besi nampak banyak, namun seiring dengan bertambahnya penggunaan besi secara eksponensial berkelanjutan,
cadangan ini mulai berkurang, karena jumlahnya tetap. Sebagai contoh, Lester Brown dari Worldwatch Institute telah memperkirakan bahwa bijih besi bisa habis
dalam waktu 64 tahun berdasarkan pada ekstrapolasi konservatif dari 2 pertumbuhan per tahun. Berikut Gambar 2.6 Biji Besi
Gambar 2.6 Biji Besi
28
Kolektor surya plat rata
Data radiasi surya pada bidang miring jarang diperloleh : karakteristik dari permukaan di sekitarnya berbeda antara satu tempat dengan yang
lainnya,sehingga standariasasi pengukuran sukar dibuat. Misalnya, data untuk suatu permukaan miring yang menghadap tanah tertutup salju serta menerima
komponenen radiasi karena pemantulan, harus dirinci dulu kondisi saljunya, yaitu sifat pantulnya
Karena itu, radiasi total pada suatu permukaan miring biasanya dihitung. Dalam bagian ini dipertimbangkan metode untuk menghitung komponen radiasi
pada sutu permukaan miring. Komponen sorotan I
bT
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, I
dT
, 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, I
d
, tidak dapat diperoleh secara terpisah, maka suatu metode perhitungan fraksi sebaran dari radiasi total, I
d
I. Komponen yang dipantulkan pada permukaan miring, I
rT
, dapat segera dihitung apabila reflektansi dari permukaan disekitanya telah diketahui. Radiasi total pada permukaan miring
adalah jumlah dari tiga komponen yang diterangkan dengan menggunakan rumus:
I
T
– I
bT
+ I
dT
+ I
rT
Intensitas radiasi langsung atau sorotan per jam pada sudut masuk normal I
bn
,
29
I
bn
=
I z ∅z
Dimana I
b
adalah radiasi sorotan pada permukaan horizontal dan cosØz adalah sudut zenith, untuk permukaan yang dimiringkan dengan sudut
β terhadap bidang horizontal, intensitas dari komponen sorotan adalah :
I
bT
= I
bn
cosØ
T
= I
b s ∅
�
∅
�
Dimana Ø
T
disebut sudut masuk, dan didefenisikan sebagai sudut antara arah sorotan pada sudut masuk normal dan arah komponen tegak lurus 90
o
C pada permukaan miring.
Apabila permukaan dimiringkan dengan sudut β terhadap horizontal, maka
hal itu adalah sama dengan apabila bumi diputar denga arah jarum jam sebesar β,
dan permukaannya tetap berada pada kedudukan yang sama,. Hubungan antara cosØz untuk garis lintang ф – β kemudian datap diganti untuk permukaan yang
dimiringkan pada garis l intang ф. Karena garis lintang ditentukan dari bidang
ekuator, maka kemiringan permukaan megarah ke ekuator, yaitu bahwa permukaan itu dimiringkan ke selatan.
Persamaan untuk sudut Ø
T
, yaitu sudut masuk adalah :
Cos Ø
T
= sin . Sin ф – β + cos . Cos ф – β. Cos ω
Radiasi sorotan I
bT
pada permukaan miring selanjutnya dapat dihitung dari radiasi sorotan I
b
pada sebuah permukaan horizontal,
I
bT
= I
b si
.si ф−� + s . s ф−� s �
si .si ф+ s . s ф s �
30
Radiasi sebaran yang disebut juga radiasi langit sky radiation, adalah radiasi yang diancarkan ke permukaan oleh atmosfer, dank arena itu berasal dari
seluruh bagian langit.
Apabila dimisalkan, seperti yang sering terjadi, bahwa radiasi sebaran langit didistribusikan merata , maka radiasi sebaran pada permukaan miring
dinyatakan dengan:
I
dT
= �
+ s �
Dimana β adalah sudut miring dari permukaan miring dan Id menunjukkan
besarnya radiasi sebaran. Selain komponen radiasi langsung dan sebaran, permukaan penerima juga mendapatkan radiasi yang dipantulkan dari permukaan
yang berdekatan; jumlah radiasi yang dipantulkan tergantung dari reflektansi α
dari permukaan yang berdektan itu,dan kemiringan permukaan yang menerima. Radiasi yang dipantulkan per jam, juga disebut radiasi patulan , adalah :
I
rt
= � �
T
+ �
− s �
Dimana α =0,20-0,25 untuk permukaan tanpa salju dan 0,7 untuk
permukaan lapisan salju.
Prestasi termal kolektor surya pelat rata dijabarkan oleh persamaan effisiensi termal Hottel-Whillier-Bliss. Persamaan tersebut diterapkan secara luas
dalam simulasi dan analisa sistem surya. Pemanasan surya pada umumnya terdiri dari selembar bahan konduktif termal yang disebut pelat penyerap yang
menyambung pipa-pipapembawa cairan pemindah panas. Radiasi surya ditransmisikan melalui penutup yang transparan dan diubah menjadi panas pada
pelat penyerap tersebut.
31
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:
U
t
t
p
-t
a
Wm
2
Dimana U
t
disebut koefisien kerugian atas ,Wm
2
.K, dan T
p
dan T
a
masing-masing adalah temperatur pelat dan temperatur lingkungan. Kebalikan dari U
t
,1U
t
, adalah jumlah tahanan terhadap perpindahan panas dari pelat ke lingkungan yang dinyatakan dengan sirkuit seri-pararel sederhana.
Dalam sirkuit ini,
h1 = koefisien konveksi alam dalam h2 = koefisen radiasi ekivalen dalam
R kaca = harga R dari kaca,tebalkonduktivitas termal =tk,m
2
.KW Ho = koefisien konveksi luar
Hro = koefisien radiasi ekivalen luar
Dimana satuan-satuan untuk koefisien konveksi dan koefisien radiasi adalah Wm
2
.K Karena dalam suatu sirkuit pararel konduktansi-konduktansi dijumlahkan,
dan dalam suatu sirkuitseri tahanannya dijumlahkan, maka tahanan total dapat ditulis
= ℎ + ℎ + �
��� + ℎ + ℎ
koefisien konveksi alam hi antara pelat-pelat miring yang dipanasi dari bawah telah dikorelasikan oleh hollands dan lain-lain untuk sudut miring lain
32
antara 0
o
dan 70+o
y
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
∅
1
, ∅
2
dan ∅
3
didefenisikan sebagai berikut:
∅
1
=
� +
⁄
� �
⁄
=
�
�
− �
�
=
� +
⁄
�
Dan temperatur rata-rata Tm : T
m
=T
p
+T
c
2
koefisien radiasi dalam ekivalen h
ri
Penukaran panas radiasi antara penyerap dan penutup adalah : q =
� � −�
�
+
�
−
yang dapat ditulis sebagai fungsi koefisien radiasi ekuivalen hri sebagai
q = h
ri
T
p
-T
c
dimana: h
ri
=
� �
�
−�
� ��
−
��
− �
�
−�
�
Tahanan termal kaca dinyatakan dengan Rkaca =
Dimana t adalah tebal kaca, m dan k adalah konduktivitas termal Wm.K
Koefisien konveksi luar ho dihitung dengan
33
h
o
= 5,7 + 3.8 V
dimana V adalah kecepatan angin dalam ms Koefisien radiasi luar ekivalen dapat ditulis sebagai
H
ro
=
�
� �
�
−�
� ���
�
�
−�
� ���
Wm
2
.K
Dimana temperatur langit diperkirakan oleh Swinbank adalah
T
langit
= 0,0552 T
a 23
Temperatur luar Ta adalah dalam derajat Kelvin K
Pelepasan panas sebuah kolektor surya lebih baik sebagai fungsi dari temperatur masuk fluida T
i
. Hal ini dapat dilakukan dengan memakai faktor pelepasan panas yang diberilambang F
R
. Apabila kerugian panas dinyatakan sebagai fungsi temperatur fluida masuk T
i
maka kerugian tersebut dinyatakan sebgai :
U
L
T
i
-T
a
Dimana T
i
selalu lebih kecil dari pada temperatur pelat yang menjadi dasar bagi U
L
. Maka perolehan panas yang dinyatatakan sebagai fungsi temperatur fluida masuk, menjadi :
F
R
[G
T
α - U
L
T
i
-T
a
]
2.3. Kondensor