M009-1 SIMULASI NUMERIK KINERJA SISTEM REFRIGERASI ADSORPSI

  

SIMULASI NUMERIK KINERJA SISTEM REFRIGERASI ADSORPSI

_{1) 2)}

Prayudi Roswati Nurhasanah

  1) Dosen Tetap Teknik Mesin STT-PLN Jakarta

  

email

  2) Dosen Tetap Teknik Mesin STT-PLN Jakarta

  

email

Abstrak

  

Reduksi emisi gas efek rumah kaca, peningkatan konsumsi energi fosil, dan munculnya lubang ozon

merupakan salah satu isu penting dari pemanasan global. Konservasi energi merupakan salah satu

alternative untuk menggurangi penggunaan energi fosil. Penggunaan dan pengembangan teknologi

refrigerasi absorsi yang ramah lingkungan. Untuk itu dalam penelitian ini dicoba dibuat suatu simulasi

numerik kinerja sistem refrigerasi yang ditinjau dari karakteristik termodinamika refrigerasi adsorpsi.

Mesin refrigerasi dioperasikan temperature rendah keluar dari generator. Kapasiatas pendingingannya

diasumsikan 2.625 kW. Pada simulasi refrigerasi adsopsi ini didesain pada kondisi adalah T-evav =

_{o o o o} 7,2

  C, T-con = 55

  C, T-ads = 38

  C, T-des = 128

  C. Bed adsorbent didesain berbentuk plat empat

persegi panjang, dan sumber panas dialirkan dari dua sisi. Dari simulasi ini diperoleh hasil setiap 1 kg

ammonia menghasilkan efek refrigerasi 0,627 kW.

  Kata Kunci : refrigerasi adsopsi, konduktivitas termal, temperatur, COP PENDAHULUAN

  Penelitian dan pengembangan teknologi akternatif pada mesin refrigerasi untuk mengatas masalah mesin refrigerasi kompresi uap diantaranya adalah refrigerasi sistem absorpsi, adsorpsi padatan (solid adsorption). Dua keuntungan utama penggunaan siklus absorpsi adalah (1).Siklus ini tidak menggunakan refrigerant yang merusak lapisan ozon dan menimbulkan pemanasan global, dan (2). Siklus ini bisa menggunakan panas buangan, sehingga sangat cocok digunakan dalam siklus kombinasi bersama dengan pembangkitan listrik dan panas/termal.

  Beberapa hasil penelitian yang terkait dengan sistem pendingin tipe adsorpsi yang memenuhi kriteria diatas antara telah dikaji oleh Oertel dan Fisher (1997), bahwa suhu generator _{o o} yang diperlukan untuk menghasilkan suhu evaporator –2 C cukup dengan suhu dibawah suhu 90 C sehingga mudah dibangkitkan dengan sumber-sumber energi terbarukan yang bersih dan tidak mencemarkan lingkungan [01]. Sumber panas gas buang dari hasil proses industri, dari pembangkit atau pembakaran dalam mesin merupakan salah satu sumber energi. Metcalf (2005) melaporkan bahwa simulasi dengan program MATLAB untuk siklus adsorpsi untuk pompa kalor dengan menggunakan dua-bed regenerative, bed generator berbentuk plat penukar panas dan pasangan karbon aktif-ammonia. Karbon aktif yang digunakan type LM279 yang dibuat oleh Sutchlitle Spekman yang mempunyai ketebalan 2.65 mm, dan massa 1.0 kg Model hanya dapat memperkirakan maksimum COP yang dicapai adalah 0.6 [13]. Berdasarkan hasil penelitian Saha dkk, dengan menggunakan dengan mengunakan adsorbent silica gel Fuji Silysia dan fiber karbon aktif (ACF) type A-10, A-15,A-20 dari Unitika, disimpulkan bahwa kapasitas adsorpsi karbon aktif lebih besar daripada silica gel untuk aplikasinya pada system refrigerasi adsorpsi.

  Mengacu pada pendapat Critoph, masih rendahnya kinerja sistem refrigerasi adsorpsi (COP), sumber panas yang diperlukan untuk memanaskan generator dapat diperoleh dengan mudah, maka masih terbuka luas untuk dilakukan penelitian dan pengembagannya, baik secara simulasi maupun ekperimental. Tujuan utama dari penilitian ini adalah membuat simulasi distribusi temperatur dan kinerja refrigerasi adsorpsi karbon aktif-amonia. Dipilihnya pasangan karbon aktif- amonia ini sebagai pasangan fluida kerja karena karbon aktif terbukti memiliki kapasitas adsorpsi cukup bear dari pada silica gel, karbon aktif-ammonia memiliki sifat non-tonic dan ramah lingkungan. Desain bed genaratornya dipilih berbentuk plat empat persegi panjang, dengan desain seperti ini diharapkan memiliki perpindahan panas yang tinggi antara fluida dan bed genarator

  STUDI PUSTAKA Sistem Refrigerasi Adsorpsi Diagram skematik sistem refrigerasi adsorpsi diperlihatkan pada Gambar 2.1, berikut ini.

Gambar 2.1. Skematik Sistem Refrigerasi Adsorpsi

  Pada Gambar 2.1, memperlihatkan skema mesin adsorpsi yang terdiri dari kondensor, evaporator dan generator-adsorber. Siklus pada sistem itu terdiri atas siklus kondensasi-desorpsi dan siklus evaporasi-adsorpsi. Pada gambar Q (heat input) adalah jumlah perpindahan panas yang _G diperlukan oleh generator, Q A (heat rejection) adalah perpindahan panas dari absorber, W Pump kerja yang diperlukan pompa, Q C adalah perpindahan panas dari kondenser, dan Q E adalah panas yang diserap oleh evaporator. Penukar kalor yang terdapat di dalam siklus absorpsi berfungsi untuk meningkatkan temperatur larutan sebelum memasuki generator, sehingga bisa menghemat energi.

  Kinerja Sistem Refrigerasi Adsorpsi

  Untuk melihat unjuk kerja dari unit pendingin, secara teoritis dapat dilihat nilai koefisien kinerjanya (COP). Indeks prestasi ini tidak sama dengan efisiensi. Indeks performance i ni disebut dengan koefisien peformansi atau COP (coefficient of performance). COP didefinisikan sebagai efektivitas pendinginan dibagai dengan pasokan energi yang dibutuhkan.

  Q

  ref

  COP

  (1)

  = Q Q Q H

  1

  2 3 des Dimana Q-ref adalah efek rifregerasi, Q1 kesetimbangan panas sensible adsorbent, Q2, panas sensibel generator, Q3 panas sensibel refrigerant, dan H-Des adalah panas laten desesorpsi. Besarnya fraksi panas sensibel digunakan pendekatan persamaan rumus Dubinin Asthakov.

  Kesetimbangan Adsorpsi

  Model sederhana dari adsorpsi pada permukaan dimana lokasi adsorpsi diambil yang digunakan untuk menjelaskan adsorpsi amoonia dalam karbon aktif digunakan pendekatan persamaan Dubinin-Astakhov. (RZ Wang) Persamaan Dubinin-Astakhov biasanya digunakan untuk menjelaskan adsorpsi methanol atau ammonia pada aktif karbon, air pada zeolite, dimana persamaan yang digunakan adalah :

  n  

  T     x x k

  (2)

  = exp − −

  1

    T

    s

     

  dimana x masing-masing menyatakan volume dan massa adsorpsi pada temperature T dan tekanan

  p , dalam bentuk volume adsorbed cair (1/kg) dan massa adsorbed cair (kg/kg) per unit massa adsorbent.

  Pemodelan Matematika

  Salah satu pendekatan yang dapat digunakan untuk menyelesaikan persamaan diferensial parsial dari distribuasi temperatur adalah menggunakan metode numerik. Untuk itu diperlukan diskritiasasi numerik. Dalam penelitian ini temperatur yang hendak dicari adalah temperature pada bed generator, yang digunakan sebagai indikator temperatur kondensasi, dan proses desorpsi. Untuk kasus satu dimensi, node yang diamati 5 titik. Node 0, dan node 4 adalah node yang berbatasan dengan plat, dan node 2 node pada titik tengah generator. Temperatur T , T ^{1 , T 2 , T 3 , dan} T ^{4 masing-masing menyatakan temperatur pada node 0, 1, 2, 3 dan 4. Jarak antara node} diasumsikan sama dinyatakan dengan x . Temperatur pada node-node dalam generator dihitung

  ∆

  dari persamaan,

  1 p

• p p p

  T Fo ( T T ) (

  1

  2 Fo ) T (3)

  = −

  1 n

  1 −

• n n n

  temperature T ^{1 ,T 2 ,danT 3 dihitung dengan rumus :}

  1 p p p T Fo ( T T ) (

• p

  1

  2 Fo ) T (4)

  = − + +

  1

  2

  1

• p 1 p

  p p

  T Fo ( T T ) (

  1

  2 Fo ) T (5)

  = −

  2

  1

  3

  2

  1 p p p T Fo ( T T ) (

• p

  1

  2 Fo ) T (6)

  = − + +

  3

  2

  4

3 Sedangan temperatur generator yang berbatasan dengan dinding plat yakni T dan T

  ^{4 dihitung} dengan rumus :

  1 p p

• p

  2 T

  2 Bi T ) (

  1

  2 Fo

  2 Fo Bi ) T (7)

  = − − n

m

m

• T Fo (
• p

  1 ∞ −

  p 1 p p p

  2 T

  2 Bi T ) (

  1

  2 Fo

  2 Fo Bi ) T (8)

  = − − ∞

• T Fo (

1 Dengan persamaan (4) – (8), selanjutnya disusun sebuah sistem persamaan linier untuk menghitung temparatur generator.

METODE PENELITIAN

  Metode penelitian ini diawali dengan melakukan kajian dan studi pustaka. Studi pustaka dilakukan adalah studi literature yang berhubungan dengan sistem refrigerasi kompresi uap, sistem refrigerasi adsorpsi, konsep perpindahanan panas konduksi, konveksi, transient, pemodelan numerik dan pemodelan dengan program komputer melalui text book, karya ilmiah, jurnal nasional dan internasional, baik melalui media elektronik maupun majalah-majalah ilmiah. Hasil dari studi literatur ini digunakan untuk menentukan menentukan desain adsorbat-adsorbent, desain dimensi generator adsorbent, parameter-parameter kesetimbanagn adsorpsi, dan bahan analisis perbandingan karakteristik termodinamika. Parameter yang digunakan karbon aktif berjenis butiran, ukuran mesk 14 s.d 28, dengan ketebalan 4mm, Kerapatannya, =700 kg/m3,

  ρ

  konduktivitas termal antara, k ^{1 =0.3W/m.K, k 2 =0.5 W/m.K,k 3 =0.7 W/m.K dan Kapasitas panas} spesifik, cp=0.93kJ/kg.K:3.3.2. Sedangkan pertimbangan digunakannya ammonia (NH ^{3 ) sebagai} refrigerant-adsorbat adalah Ammonia dapat menguap (boiling) pada temperatur rendah -33,34 C dan membeku pada temperatur -77,7C. Ammonia dapat dicampur dengan air, dimana dalam larutan itu ammonia dapat diuapkan dengan cara pemanasan. Amonia cair mempunyai enthalpy evaporasi 23.2 kJ/mol.Ammonia mempunyai sifat non-tonic dan ramah lingkungan.

  Tahapan-tahapan yang dilakukan untuk membuat formulasi model matematikanya adalah sebagai berikut (1) menentukan/menduga koefisien perpindahan panas menyeluruh antara dinding plat dan karbon aktif, yang didahului dengan menghitung koefisien perpindahan panas konveksi. (2). Menentukan titik-titik pengamatan pada desain generator-adsorber, dan menentukan diskretisasi persamaan diferensial pada titik-titik dalam generator adsorber, pada batas kondisi syarat batas batas, dan (3) menyusun sistem persamaan linier dari distribusi temperatur, yang didahului dengan menentukan nilai angka Biot dan Fourier. Asumsi-asumsi yang digunakan adalah konduktivitas termal karbon aktif dan temperatur fluida diketahui.

  HASIL DAN PEMBAHASAN Simulasi konvergen Model Matemetika

  Distribusi temperatur pada generator pada t=300 detik disajikan pada gambar berikut ini

  Dari gambar 3.1. terlihat pula pada saat t=300 detik untuk konduktivitas termal k=0,3, pada proses desorpsi dengan temperature fluida yang berbeda menghasilkan pola yang sama, yakni temperatur di dalam generator lebih rendah dari pada temperature di daerah yang dekat dengan dinding generator, dan pada saat yang sama semakin besar temperature fluida semakin besar pula temperature pada daerah yang dekat dengan dinding generator. Hal ini dapat dikatakan model matemtika konvergen, model yang lain identik.

  Simulasi Desorpsi Ammonia

  Simulasi grafik distribusi konsentrasi ammonia dalam generator adsorber simulasi grafk waktu desorpsi untuk k yang berbeda disajikan pada gambar berikut ini, Dari gambar 3.2. diatas menunjukan bahwa semakin besar temperatur udara luar, waktu desorpsi semakin lam, dan untuk ka meningkat waktu desorpsi semakin cepat. Akan tetapi ada perbedaan waktu antara evaporasi dan desorpsi.

  Simulasi COP

  Besarnya efek pendinginan pada kJ untuk k dan temperature fluida yang berbeda disajikan pada tabel berikut ini.Simulasi besarnya efek pendinginan dalam kJ menurut temperature generator maksimum disajikan pada gambar 3.3. berikut ini.

  Besarnya panas total yang dibutuhan (Q-input) secara keseluruhan untuk masing-masing k yang disajikan pada Gambar 3.4. berikut ini.

  Sebagaimana telah dijelaskan bahwa untuk menilai konerja system refrigerasi adsorpsi digunakan indikator COP. Simulasi COP berdasarkan data dalam kJ menurut temperature generator disajikan pada Gambar 3.5. berikut ini.

  Guna melihat panas sensibel mana yang paling dominan dan berpengaruh yang dibutuhkan dapat diperoleh dengan cara membandingkan ke empat jenis panas input yang dibutuhkan. Dari Gambar 3.4, terlihat bahwa jenis panas input yang paling banyak dibutuhkan pada proses desorpsi dan adsorpsi adalah panas sensibel dari generator, dimana panas sensible generator sangat dipengeraruhi oleh temperatur generator dan konduktivitas termal adsorbent. Dari Gambar 3.4., menunjukkan bahwa semakin besar konduktivitas termal panas yang dibutuhkan semakin menurun. Dan jika temperatur naik, panas yang dibutuhkan juga meningkat. Dari Gambar 3.5 terlihat bahwa terdapat dua parameter yang berpengaruh pada panas input total yakni temperature generator dan kondukvitas termal adsorbent, artinya panas total yang dibutuhkan berbanding lurus dengan temperature generator dan konduktivitas termal adsorbent.

  KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan 1.

  Model matematika yang disusun berdasarkan persamaan konduksi transien, dari hasil simulasi menunjukkan bahwa model matematikanya konvergen

  2. Semakin besar konduktivitas termal, waktu desorpsi semakin cepat, dan adanya perbedaan yang cukup signifikan antara waktu proses evaporasi dan waktu siklus desorpsi.

  3. Efek refrigerasi yang dihasilkan dipengaruhi oleh harga konduktivitas termal, tetapi dipengaruhi oleh Temperatur Generator, dan efek refrigerasi yang dihasilkan untuk 1 kg ammonia adalah 0,627 kW.

  4. Temperatur generator tinggi maka panas yang dibutuhkan meningkat sedangkan harga konduktivitas termal meningkat maka jumlah panas yang dibutuhkan menurun.

  Saran

  Simulasi numerik ini didasarkan pada pendekatan model perpindahan panas satu dimensi, untuk mendapatkan hasil yang optimal ada baiknya dicoba untuk model perpindahan panas dua dimensi.

DAFTAR PUSTAKA

  Abdullah, Komaruddin; Purwanto, Y, Aris; Rofiq, A, dan Saepuluyun, Aep, Pendinginan adsorpsi

  sebagai pendinginan tambahan untuk penyimpanan sayuran tropis, Pusat Penelitian

  Lingkungan Hidup, PPLH-IPB, Juni 2003

  

Cengel, Yunus A; Turner, Robert H, Fundamentals of Thermal-Fluid Sciences, McGraw-

Hill Higher Education, 2001

  Critoph, RE dan Z Tamainot-Telto, Efficiency V Cooling Power in a Modular Carbon Ammonia

  Adsorption chiller : Simulation and Validation, International Sorption Heat Pump

  Conference, Denver CO USA, ISHPC-054-2005, June 2005 Dawoud, Belal, A Hybrid Solar-Assisted Adsorption Cooling Unit for Vaccine Storage,

  International Sorption Heat Pump Conference, Denver CO USA, ISHPC-055-2005, June, 2005

  Hoffman, Joe D, Numerical Methods for Engineers and and Scientists, Second Edition Revised and Expanded, Marcel Dekker, New York, 2001

Khan, MZI; Sultana, S; Akasiwa, A; Kashiwagi, T, Numerical Simulation of Advanced

  Adsoption Refrigeration Chiller with Mass Recovery, Journal of Naval Architecture and Marine Engineering, Desember, 2006,

  Metcalf, Stepen J, Simulation of the Effect of Generation Heat Transfer Parameters on Power

  Density and Efficiency in Multiple-bed Regenerative Carbon-Ammonia Sorption Heat Pumps, International Sorption Heat Pump Conference, Denver CO USA, ISHPC-061-2005,

  June, 2008

  Patankar, Suhas V, Numerical Heat Transfer and Fluid Flow, Tyalor and Francis, 1980

  Wang, Wen; Wang, Ruzhu, Numerical Simulation of Intermittent Operations and Startup on

  Adsorpsion Refrigeration, International Sorption Heat Pump Conferebce, Denver USA, ISHPC-047-2005.