Uji Kinerja Mesin Pendingin Tenaga Surya Dengan Luas Kolektor 0.25 m2

UJI KINERJA MESIN PENDINGIN TENAGA SURYA
DENGAN LUAS KOLEKTOR 0.25 m2

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

MUHAMMAD EKA JUANDA GINTING
NIM. 110421055

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2014

Universitas Sumatera Utara

Universitas Sumatera Utara

Universitas Sumatera Utara

Universitas Sumatera Utara

Universitas Sumatera Utara

Universitas Sumatera Utara

Universitas Sumatera Utara

Universitas Sumatera Utara

ABSTRAK
Mesin pendingin siklus adsorpsi yang digerakkan oleh energi surya saat ini
sedang dikembangkan terutama di negara negara berkembang di dunia. Mesin
pendingin siklus adsorpsi disamping membutuhkan biaya yang ekonomis juga
ramah lingkungan. Kebutuhan akan sistem pendingin untuk berbagai macam
kebutuhan konvesional pada daerah terpencil dirasakan semakin meningkat,
sementara sistem pendingin yang sudah ada belum tentu bisa dipakai karena tidak

semua daerah terpencil memiliki jaringan listrik. Untuk itu, dalam penelitian ini
dipilih sistem pendingin adsorpsi dengan menggunakan pasangan karbon aktif dan
metanol yang bahan – bahannya mudah didapat dan tidak menghasilkan polusi,
sehingga menghasilkan sistem . Keuntungan dari penggunaan mesin pendingin
adsorpsi ini adalah sumber energi yang mudah didapat dan tidak adanya
komponen yang bergerak. Mesin pendingin adsorpsi ini dioperasikan dengan
menggunakan panas matahari sebagai sumber energi. Dengan pemanfaatan
sumber energi tersebut dapat dihasilkan suhu evaporator dibawah 10 0C pada

tingkat suhu pemanasan generator 70 C – 90 C.

Kata kunci : Kolektor, kondensor, evaporator, adsorpsi, desorpsi

Universitas Sumatera Utara

ABSTRACT
Adsorption refrigeration cycle driven by solar energy is currently being
developed mainly in developing countries in the world. Adsorption refrigeration
cycle in addition to the economic costs are also environmentally friendly. The
need for cooling systems for a variety of needs perceived conventional in remote

areas is increasing, while the existing cooling system can not be used because not
all remote areas have electricity network. Therefore, in this study selected
adsorption cooling system using a pair of activated carbon and methanol were
materials is easy to obtain and does not produce pollution, resulting in a system.
The advantage of using this adsorption cooling machine is the energy source that
is readily available and the lack of moving parts. Adsorption cooling machine is
operated using solar heat as an energy source. With the use of these energy
sources can be generated evaporator temperature below 10 oC at a rate of heating
temperature generator 70 oC - 90 oC.
Keywords: Collector, Condensor, Evaporator, Adsorption, Desorption

\

Universitas Sumatera Utara

KATA PENGANTAR
Puji dan syukur atas kehadirat Tuhan Yang Maha Esa, atas berkat dan
karuniaNya serta nikmat kesehatan yang diberikanNya sehingga penulis dapat
menyelesaikan Tugas Sarjana ini dengan sebaik-baiknya dan dalam waktu yang
sesingkat-singkatnya.

Tugas Sarjana ini merupakan salah satu syarat yang harus dilaksanakan
mahasiswa untuk menyelesaikan pendidikan agar memperoleh gelar sarjana di
Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun
Tugas Sarjana yang dipilih dengan judul “UJI KINERJA MESIN PENDINGIN
TENAGA SURYA DENGAN LUAS KOLEKTOR 0.25 m2”
Dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini penulis banyak mendapat
dukungan dari berbagai pihak. Maka pada kesempatan ini dengan ketulusan hati
penulis ingin menghaturkan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :
1.

Bapak Tulus Burhanuddin Sitorus, ST. MT, selaku Dosen Pembimbing
yang telah banyak meluangkan waktunya membimbing, memotivasi, dan
membantu penulis dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini.

2.

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

3.

Bapak Prof.Dr.Ir. Bustami Syam, MSME (Dekan Fakultas Teknik USU),
beserta segenap staf dan jajarannya.

4.

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

5.

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

6.

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

Universitas Sumatera Utara

7.

Rekan satu tim Tri Arfandi dan Andika Restu Fauzi atas kerja sama yang
baik untuk menyelesaikan penelitian ini.

9.

Kepada kedua orang tua yang telah banyak memberikan dukungan dan
doa restu kepada penulis dalam menyelesaikan tugas sarjana ini.

10.

Seluruh rekan-rekan mahasiswa Departemen Teknik Mesin, khususnya
kepada kawan-kawan seperjuangan Angkatan 2011 yang tidak dapat
disebutkan satu per satu yang telah banyak membantu dan memberi
masukan yang berguna demi kelengkapan Tugas Sarjana ini, "Solidarity
Forever" .

Penulis menyadari bahwa masih banyak kekurangan baik dalam penulisan

maupun penyajian Tugas Sarjana ini. Untuk itu penulis sangat mengharapkan
saran-saran yang membangun dari semua pihak demi kesempurnaan Tugas
Sarjana ini dikemudian hari.
Akhir kata, dengan segala kerendahan hati penulis memanjatkan doa
kepada Tuhan Yang Maha Esa semoga Tugas Sarjana ini bermanfaat untuk kita
semua.

Medan, Juni 2014
Penulis

Muhammad Eka Juanda Ginting

Universitas Sumatera Utara

DAFTAR ISI
Hal
ABSTRAK ..............................................................................................................i
KATA PENGANTAR ..........................................................................................iii
DAFTAR ISI ......................................................................................................... v
DAFTAR TABEL .............................................................................................viii

DAFTAR GAMBAR ............................................................................................ix
DAFTAR NOTASI ..............................................................................................xi
BAB I PENDAHULUAN......................................................................................1
1.1 Latar Belakang.......................................................................................1
1.2 Tujuan Penelitian..................................................................................2
1.2.1 Tujuan Umum....................................................................................2
1.2.2 Tujuan Khusus...................................................................................2
1.3 Batasan Masalah.......................................................................................2
1.4 Mamfaat Penulisan...................................................................................3
1.5 Sistematika Penulisan..............................................................................3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA...........................................................................5
2.1 Energi Surya.............................................................................................5
2.2 Mesin Pendingin Tenaga Surya Siklus Adsorpsi....................................6
2.3 Adsorben...................................................................................................8
2.3.1 Karbon Aktif......................................................................................8
2.3.2 Alumina Aktif..................................................................................11
2.4 Refrigeran...............................................................................................12
2.4.1 Metanol............................................................................................15
2.4.2 Keamanan Refrigeran....................................................................16
2.5 Komponen Mesin Pendingin Tenaga Surya .........................................17

2.5.1 Kolektor Surya.................................................................................17
2.5.1.1. Efisiensi Sirip.............................................................................21
2.5.1.2 Koefesien Kerugian...................................................................23
2.5.1.3 Faktor Efisiensi.........................................................................26
2.5.1.4. Efisiensi Termal Kolektor Surya............................................27
2.5.2 Kondensor.........................................................................................28
2.5.2.1 Analisis Kondensor....................................................................31
2.5.3 Evaporator........................................................................................32
2.5.3.1 Kalor Laten................................................................................33
2.5.3.2 Kalor sensibel............................................................................34
2.6 Tinjauan Perpindahan Panas................................................................ 34
2.6.1 Perpindahan Panas Konduksi...........................................................35

Universitas Sumatera Utara

2.6.2 Perpindahan Panas Konveksi............................................................37
2.6.3 Perpindahan Panas Radiasi...............................................................39
2.7 Siklus Adsorpsi.......................................................................................42
2.8.1 Prinsip Kerja Siklus Adsorpsi...........................................................42
2.8.2 Performansi Mesin Pendingin Siklus Adsorpsi................................43

BAB III METODOLOGI PENELITIAN.........................................................45
3.1 Metode Penelitian ..................................................................................45
3.2 Tempat dan Waktu .................................................................................46
3.3 Bahan dan Alat ......................................................................................46
3.4 Perancangan Alat Penelitian...................................................................59
3.5 Dimensi Utama Alat Pengujian Adsorpsi ..............................................61
3.5.1 Kolektor.........................................................................................61
3.5.2 Gelas Ukur.....................................................................................62
3.6 Prosedur dan hasil Pengujian Adsorpsi.................................................62
3.7 Perancangan Mesin Pendingin Tenaga Surya....................................68
3.8 Dimensi Utama Alat Penelitian..............................................................69
3.8.1 Kolektor........................................................................................69
3.8.1. Kolektor....................................................................................69
3.8.1.2 Kotak Isolasi kolektor..........................................................71
3.8.1.3 Kaca Penutup..........................................................................72
3.8.2 Kondensor....................................................................................73
3.8.3 Evaporator....................................................................................73
3.8.3.1 Kotak Insulasi.......................................................................74
3.8.3.2 Wadah Penampung Air....................................................75
3.9 Langkah Pembuatan Mesin Pendingin Tenaga Surya........................... 75

3.9.1 Kolektor (Adsorber)...................................................................75
3.9.2 Kondensor....................................................................................77
3.9.3 Evaporator....................................................................................79
3.10 Pelaksanaan Penelitian..........................................................................79
3.10.1 Persiapan Penelitian..................................................................... 79
BAB IV ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN............................................81
4.1 Data Hasil Pengujian..............................................................................81
4.1.1 Hari Pertama...................................................................................81
4.1.2 Hari Kedua......................................................................................82
4.1.3 Hari Ketiga......................................................................................83
4.2 Pengolahan Data.....................................................................................85
4.2.1 Pengujian Hari Pertama..................................................................88
4.2.1.1 Adsorber (Kolektor)..................................................................88

Universitas Sumatera Utara

4.2.1.2 Kondensor.................................................................................91
4.2.1.3 Evaporator.................................................................................93
4.2.2 Pengujian Hari Kedua.....................................................................97
4.2.2.1 Adsorber (Kolektor)..................................................................97
4.2.2.2 Kondensor.................................................................................99
4.2.2.3 Evaporator...............................................................................102
4.2.3 Pengujian Hari Ketiga...................................................................106
4.2.3.1 Adsorber (Kolektor)................................................................106
4.2.3.2 Kondensor...............................................................................108
4.2.3.3 Evaporator...............................................................................111
4.3 Temperatur Lingkungan dan Radiasi Matahari....................................114
4.4 Analisa Grafik.......................................................................................117
4.4.1 Adsorber.....................................................................................117
4.4.2 Kondensor...................................................................................120
4.4.3

Evaporator..................................... ................................... ..122

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN.......................................................126
5.1 Kesimpulan...........................................................................................126
5.2

Saran............................................................... .............................. 127

DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN

Universitas Sumatera Utara

DAFTAR TABEL
Hal
2.1 Sifat Adsorben Karbon Aktif.......................................................................9
2.2 Standar Mutu Karbon Aktif. .....................................................................11
2.3 Sifat Alumina Aktif....................................................................................11
2.4 Sifat Metanol..............................................................................................15
2.5 Konduktivitas termal beberapa bahan kolektor surya tertentu...................22
2.6 Perbandingan Kondensor Berpendingin Udara dan Air.............................31
3.1 Spesifikasi Piranometer.............................................................................54
3.2 Spesifikasi Wind Velocity Sencor...............................................................55
3.3 Spesifikasi Measurement Apparatus..........................................................56
3.4 Spesifikasi T dan RH Smart Sensor...........................................................56
3.5 Data Hasil Pengujian I pada Kolektor........................................................64
3.6 Data Hasil Pengujian I pada Gelas Ukur....................................................65
3.7 Data Hasil Pengujian II pada Kolektor......................................................66
3.8 Data Hasil Pengujian II pada Gelas Ukur..................................................67
4.1 Tekanan dan temperatur pada proses desorpsi hari pertama......................81
4.2 Tekanan dan temperatur pada proses adsorpsi hari pertama......................81
4.3 Tekanan dan temperatur pada proses desorpsi hari kedua.........................82
4.4 Tekanan dan temperatur pada proses adsorpsi hari kedua.........................82
4.5 Tekanan dan temperatur pada proses desorpsi hari ketiga.........................83
4.6 Tekanan dan temperatur pada proses adsorpsi hari ketiga.........................84

Universitas Sumatera Utara

DAFTAR GAMBAR
Hal
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
2.10
2.11
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
3.10
3.11
3.12
3.13
3.14
3.15
3.16
3.17
3.18
3.19
3.20
3.21
3.22
3.23
3.24
3.25
3.26
3.27
3.28

Adsorben karbon aktif.................................................................................8
Alumina aktif.............................................................................................11
Metanol.....................................................................................................14
Flat- Plate Collectors.................................................................................18
Concentrating Collectors...........................................................................19
Evacuated Tube Collectors........................................................................19
Kerugian panas kolektor............................................................................23
Sirkuit ekivalen untuk tahanan perpindahan panas.................................. .25
Perbandingan kondensor berpendingin udara dan air................................30
Perpindahan panas......................................................................................36
Komponen Utama siklus adsorpsi sederhana.............................................41
Pelat stainless.............................................................................................46
Bola Stainless (mimis)...............................................................................47
Pipa Stainless............................................................................................ 47
Rockwool...................................................................................................48
Kaca............................................................................................................48
Plat Besi Siku.............................................................................................49
Papan..........................................................................................................49
Selang Karet...............................................................................................49
Kotak isolasi styrofoam..............................................................................50
Jaring kawat...............................................................................................50
Katup (Valve).............................................................................................51
Lem Araldite..............................................................................................51
Cat Semprot .............................................................................................. 52
Pompa Vakum............................................................................................52
Agilent........................................................................................................53
Hobo Microstation Data Logger............................................................... 54
Manometer ................................................................................................57
Thermometer Raksa...................................................................................58
Gelas Ukur.................................................................................................58
Alat Pengujian Adsorbsi............................................................................59
Alat Pengujian Adsorbsi dengan Gelas Ukur Diisolasi.............................60
Dimensi Utama Alat Pengujian Adsorbsi..................................................61
Dimensi Kolektor Alat Pengujian Adsorbsi...............................................62
Proses Desorpsi Mesin Pendingin Tenaga Surya.......................................68
Proses Adsorpsi Mesin Pendingin Tenaga Surya.......................................69
Dimensi Kolektor Mesin Pendingin Tenaga Surya....................................70
Ruang Bagian Dalam kolektor...................................................................70
Posisi Kolektor pada Kotak Isolasi ...........................................................71

Universitas Sumatera Utara

3.29
3.30
3.31
3.32
3.33
3.34
3.35
3.36
3.37
3.38
3.39
3.40
3.41
3.42
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
4.9
4.10
4.11

Model Kaca Penutup..................................................................................72
Model Kaca Kolektor 2 Lapis....................................................................72
Model Kondensor.......................................................................................73
Model Evaporator.......................................................................................73
Ukuran Evaporator.....................................................................................74
Kotak Insulasi.............................................................................................74
Wadah Penampung Air..............................................................................75
Pengisian Adsorben dan Mimis.................................................................76
Pemasangan Jaring Kawat..........................................................................76
Penyambungan Kolektor............................................................................77
Pembuatan Sirip Kondensor.......................................................................77
Pengelasan Sirip Kondensor......................................................................78
Pengeleman Kondensor..............................................................................78
Pengelasan pipa Kondensor.......................................................................79
Grafik radiasi matahari vs waktu............................................................115
Grafik temperatur lingkungan vs waktu...................................................116
Grafik temperatur adsorber hari pertama................................................117
Grafik temperatur adssorber hari kedua...................................................118
Grafik temperatur adsorber hari ketiga...................................................119
Grafik temperatur kondensor hari pertama..............................................120
Grafik temperatur kondensor hari kedua..................................................121
Grafik temperatur kondensor hari ketiga.................................................122
Grafik temperatur evaporator hari pertama..............................................123
Grafik temperatur evaporator hari kedua.................................................124
Grafik temperatur evaporator hari ketiga.................................................125

Universitas Sumatera Utara

DAFTAR NOTASI
Simbol

Keterangan

Satuan

Qcool

Kalor pendinginan

Joule

Qdrive

H

Kalor kerja

Joule

Perubahan entalpi

kJ/kg

CS

Perubahan entropi

kJ/kg

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

T

Kalor sensibel

J

Beda Temperatur

K

Qsp

Kapasitas pendinginan spesifik

kJ/s/m2

h

Koefesien konveksi

W/(m2k)

A

Luas penampang

m2

x

Jarak pusat adsorben ke plat

k

Koefesien konduksi

W/m.K

t

Interval waktu

S

Teva

Temperatur evaporator

K

Tgene

Temperatur generator

K

q

Laju perpindahan panas

Watt

p

Tekanan

CmHg

2

Emisivitas dari pelat penyerap



Harga absorpsivitas

1


emisivitas dari pelat kaca



Massa jenis

qu

Total intensitas matahari

kg/cm3

Efisiensi
W/m2

Universitas Sumatera Utara