Rancang Bangun Mesin Pendingin Adsorpsi Tenaga Surya Dengan Adsorben Karbon Aktif Granular Dan Adsorbat Metanol
BA B 2
T INJ A UA N PUST A K A
2.1 T eori Umum A dsorpsi
A dsorpsi atau juga yang biasa disebut dengan penyerapan, adalah suatu
proses yang terjadi ketika fluida (cairan ataupun gas) terikat pada suatu padatan
atau cairan (zat penyerap, absorbat) pada permukaannya. Sedangkan absorpsi
adalah penyerapan fluida oleh fluida lainnya dengan membentuk suatu larutan.
Definisi lain menyatakan adsorpsi sebagai suatu peristiwa penyerapan pada
lapisan permukaan atau antar fasa dimana molekul dari suatu materi terkumpul
pada bahan pengadsorpsi atau adsorben.
A dsorpsi dibedakan menjadi dua jenis, yaitu adsorpsi fisika (disebabkan
oleh gaya V an Der Waals (penyebab terjadinya kondensasi gas untuk membentuk
cairan) yang ada pada permukaan adsorben) dan adsorpsi kimia (terjadi antara zat
yang diserap dengan adsorben, banyaknya zat yang teradsorbsi tergantung pada
sifat khas zat padatnya yang merupakan fungsi tekanan dan suhu).
Elemen utama dari mesin ini terdiri dari kolektor panas (adsorbent bed),
kondensor, dan evaporator. A dsorber mempunyai peran yang sama seperti
kompresor di sistem pendingin tradisional. Prinsip kerja dari sistem adsorpsi
diilustrasikan dengan diagram Clayperon pada gambar 2.1.[1]
4
Universitas Sumatera Utara
[1]
Gambar 2.1 Diagram Clayperon pada Sistem Pendingin Siklus A dsorpsi
A dapun proses yang terjadi pada gambar 2.1 adalah sebagai berikut:
1. Proses Pemanasan (Pemberian Tekanan)
Proses pemanasan dimulai dari titik A dimana adsorben berada
pada temperatur rendah T A dan tekanan rendah Pe (tekanan evaporator).
Pada proses ini adsorbat masih berbentuk uap adsorpsi.
2. Proses Desorpsi
Proses desorpsi berlangsung pada waktu panas diberikan dari titik
B ke C sehingga adsorber mengalami peningkatan temperatur yang
menyebabkan timbulnya uap desorpsi. Sehingga, adsorbat yang berada
pada adsorben dalam bentuk gas mengalir ke kondensor untuk mengalami
proses kondensasi menjadi cair dan mengalir ke kondensor.
3. Proses Pendinginan (Penurunan Tekanan)
Proses pendinginan berlangsung dari titik C ke D, adsorber
melepaskan panas dengan cara didinginkan sehingga suhu di adsorber
turun dan diikuti oleh penurunan tekanan dari tekanan kondensasi ke
tekanan evaporasi.
4. Proses A dsorpsi
Proses adsorpsi berlangsung dari titik D ke A , A dsorber terus
melepaskan panas sehingga adsorber mengalami penurunan temperatur
dan tekanan yang menyebabkan timbulnya uap adsorpsi. A dsorbat dalam
bentuk uap dihasilkan dari proses penyerapan kalor oleh adsorbat dari air
yang ada disekitar evaporator sebesar kalor laten penguapan adsorbat
tersebut.
2.2
Komponen – Komponen Mes i n Pendi ngi n Tenaga Sur y a
2.2.1 Kol ek t or Sur y a
5
Universitas Sumatera Utara
K olektor surya dapat didefinisikan sebagai sistem perpindahan panas yang
menghasilkan energi panas dengan memanfaatkan radiasi sinar matahari sebagai
sumber energi utama. K etika cahaya matahari menimpa absorber pada kolektor
surya, sebagian cahaya akan dipantulkan kembali ke lingkungan, sedangkan
sebagian besarnya akan diserap dan dikonversi menjadi energi panas, lalu panas
tersebut dipindahkan kepada fluida yang bersirkulasi di dalam kolektor surya
untuk kemudian dimanfaatkan guna berbagai aplikasi. [2]
K olektor surya pada umumnya mempunyai komponen yang terdiri dari:
1. Cover
Berfungsi untuk mengurangi rugi panas secara konveksi ke lingkungan.
2. Absorber
Berfungsi untuk menyerap panas dari radiasi cahaya matahari.
3. K anal
Berfungsi sebagai saluran transmisi fluida kerja.
4. Isolator
Berfungsi meminimalisir kehilangan panas secara konduksi dari absorber
menuju lingkungan.
5. F rame
Berfungsi sebagai struktur pembentuk dan penahan beban kolektor.
Terdapat tiga jenis kolektor surya yang diklasifikasikan ke dalam Solar
Thermal Collector System dan juga memiliki korelasi dengan pengklasifikasian
kolektor surya berdasarkan dimensi dan geometri dari receiver yang dimilikinya.
[2]
1. F lat Plate Collectors (K olektor Plat Datar)
K olektor surya merupakan sebuah alat yang digunakan untuk
memanaskan
fluida
kerja
yang
mengalir
kedalamnya
dengan
mengkonversikan energy radiasi matahari menjadi panas. Fluida yang
6
Universitas Sumatera Utara
dipanaskan berupa cairan minyak , oli, dan udara kolektor surya plat datar
mempunyai temperatur keluaran dibawah 95°C. dalam aplikasinya
kolektor plat datar digunakan untuk memanaskan udara dan air.
K euntungan utama dari sebuah kolektor surya plat datar adalah
bahwa 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. [2]
Struktur kolektor plat datar:
1. Glazing
Untuk melindungi komponen di dalam kolektor dari dampak
lingkungan. Penutup ini harus dibuat dari kaca yang dikeraskan dan
memiliki co-efisien transmisi tinggi.
2. Absorber Plate
Pelat absorber menyerap energi matahari dan mengubahnya
menjadi energi panas. A bsorber terbuat dari bahan konduktivitas
tinggi seperti tembaga dengan lapisan selektif di atasnya untuk
penyerapan maksimum radiasi matahari dan emisi radiasi
inframerah minimal.
3. F low Tubes
Cairan yang mengalir melalui kolektor mengumpulkan panas dari
pelat absorber. Perpindahan panas akan terjadi terutama melalui
proses konduksi dan konveksi. Oleh karena itu, tabung harus
terbuat dari bahan konduktivitas tinggi seperti tembaga.
4. Insulation
7
Universitas Sumatera Utara
Isolasi termal mengurangi hilangnya panas yang tidak diinginkan
dari bagian belakang dan samping kolektor. Isolasi juga harus
mampu menahan suhu maksimum pelat absorber.
5. Header
Header merupakan jalan utama fluida untuk didistribusikan ke flow
tubes.
Gambar F lat Plate Collector (K olektor Plat Datar) dapat dilihat pada
gambar 2.2.
Gambar 2.2 F lat Plate Collector [3]
2. Concentrating Collector
J enis ini dirancang untuk aplikasi yang membutuhkan energi panas
pada temperature antara 100°C – 400°C. K olektor surya jenis ini mampu
memfokuskan energi radiasi cahaya matahari pada suatu receiver, sehingga
dapat meningkatkan kuantitas energi panas yang diserap oleh absorber.
Spesifikasi jenis ini dapat dikenali dari adanya komponen konsentrator
yang terbuat dari material dengan transmisivitas tinggi. Berdasarkan
komponen absorber-nya jenis ini dikelompokan menjadi dua jenis yaitu
Line F ocus dan Point F ocus.
8
Universitas Sumatera Utara
A gar cahaya matahari selalu dapat difokuskan terhadap tabung
absorber, concentrator harus dirotasi. Pergerakan ini disebut dengan
tracking. Temperatur fluida melebihi 400 C dapat dicapai pada sistem
kolektor ini. [2]
Struktur dari concentrating collector dapat dilihat pada gambar
2.3:
1. Receiver
Berfungsi untuk menangkap panas dari radiasi cahaya matahari.
K adang receiver juga diselimuti dengan kaca tabung transparan
untuk mengurangi heat loss.
2. Concentrate reflective surface
Berfungsi
matahari
untuk mengkonsentrasikan panas radiasi
ke insulated tube yang
berisi
cahaya
refrigeran yang
menghantarkan panas dari kolektor ke boiler.
3. Tracking mechanism
Berfungsi untuk merotasi tabung absorber agar fokus terhadap
cahaya matahari.
Gambar 2.3 Concentrating Collector [4]
9
Universitas Sumatera Utara
3. Evacuated Tube Collector
J enis ini dirancang untuk menghasilkan energi panas yang lebih
tinggi dibandingkan dengan dua jenis kolektor surya sebelumnya.
K eistimewaannya terletak pada efisiensi transfer panasnya yang tinggi
tetapi faktor kehilangan panasnya yang relatif rendah. Hal ini dikarenakan
fluida yang terjebak diantara absorber dan covernya dikondisikan dalam
keadaan vakum, sehingga mampu meminimalisasi kehilangan panas yang
terjadi secara konveksi dari permukaan luar absorber menuju lingkungan.
[5]
K olektor evacuated-tube memiliki sub kategori yang berbeda
berdasarkan bahan yang digunakan dan kebutuhan aplikasi. Masa pakai
evacuated tube bervariasi dari 5 hingga 15 tahun. K arakteristik utama dari
kolektor evacuated tube harus:
1. Mampu bertahan dalam berbagai kondisi lingkungan, seperti hujan debu
dan lain – lain.
2. Mampu mempertahankan variasi suhu yang lebar.
3. Resistensi terhadap kebocoran pada setiap bagian dari sistem.
4. Stabil dan tahan lama.
5. Mudah diinstal.
6. Efisiensi dalam konversi energi.
Gambar evacuated tube collector dapat dilihat pada gambar 2.4
10
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.4 Evacuated Tube Collector [6]
2.2.1.1 K oefisien K erugian (
)
Panas hilang dari bagian atas pelat penyerap karena konveksi ala dan
karena radiasi ke permukaan dalam dari pelat penutup kaca. Sebagian dari
radiasi itu akan benar-benar melalui penutup kaca, tetapi dalam analisis ini
hal itu akan diabaikan. Panas ini akan dikonduksikan oleh pelat kaca ke
permukaan luarnya. K emudian dipindahkan ke atmosfer luar secara
konveksi dan radiasi. [1]
11
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.5 Perpindahan Panas K olektor Surya Plat Datar [7]
K erugian panas ini dinamai kerugian atas (top loss), dinyatakan
dengan: [8]
=5 (
4 −4 )................................ (2.10)
dimana:
5 = koefisien kerugian atas, 7 ⁄(
m .
K)
4 = temperatur plat (K )
4 = temperatur lingkungan(K )
K ebalikan dari 5 , 1/5 adalah jumlah tahanan terhadap perpindahan
panas dari pelat ke lingkungan yang dinyatakan dengan sirkuit seri-pararel
sederhana dalam gambar 2.6
12
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.6 Sirkuit ekivalen untuk tahanan perpindahan panas
[8]
melalui bagian atas kolektor, )⁄5
Dalam sirkuit ini,
a) h = koefisien konveksi (alam) dalam
b) h = koefisen radiasi (ekivalen) dalam
c) 2
= harga R dari kaca tebal / konduktivitas termal
d) h = koefisien konveksi luar
e) h = koefisien radiasi (ekivalen) luar
Dimana satuan - satuan untuk koefisien konveksi dan koefisien
radiasi adalah W/(m2.K ). K arena dalam suatu sirkuit pararel konduktansikonduktansi
dijumlahkan,
dan dalam suatu sirkuitseri
tahanannya
dijumlahkan, maka tahanan total dapat ditulis: [8]
=
+
+
.............. (2.11)
13
Universitas Sumatera Utara
a) koefisien konveksi alam
K oefisien konveksi alam hi antara pelat-pelat miring yang
dipanasi dari bawah telah dikorelasikan oleh Hollands dkk. untuk
sudut miring lain antara 0o dan 70° yang dinyatakan dalam bilangan
Rayleigh (perbandingan gaya apung terhadap gaya viskos) dan sudut
miring β. K oefisien tersebut dapat dengan mudah dinyatakan dari
sela z, antara pelat penyerap dan penutup kaca, dengan sudut miring
sebagai parameter. [8]
Dan temperatur rata-rata (T m):
4 =
.............................. (2.12)
b) koefisien radiasi dalam (ekivalen) hri
Penukaran panas radiasi antara penyerap dan penutup adalah:
q=
...................................... (2.13)
yang dapat ditulis sebagai fungsi koefisien radiasi ekuivalen hri
sebagai: [8]
q =h
4 −4
................................. (2.14)
dimana:
h =
.............................. (2.15)
c) tahanan termal kaca dinyatakan dengan:
2
= ............................................... (2.16)
14
Universitas Sumatera Utara
dimana:
t = tebal kaca
k = konduktivitas termal
d ) koefisien konveksi luar h dihitung dengan;
h =5.
7+3.
8 6 ................................. (2.17)
dimana:
V = kecepatan angin dalam m/s
e) koefisien radiasi luar ekivalen dapat ditulis:
h
=
.............................. (2.18)
dimana temperatur langit diperkirakan oleh Swinbank adalah:
4
=0.
0552 4
......................... (2.19)
T emperatur luar 4 adalah dalam derajat K elvin (K )
K oefisien kerugian total 5
ditentukan dengan menambahkan
koefisien kerugian bawah dari kolektor pada 5 , atau
5 =5 +5 .................................. (2.20)
2.2.1.2 Persamaan E mpiris untuk K oefisien K erugian Ut
Sebuah persamaan empiris disarankan untuk memperhitungkan ketergantungan
sudut Ut pada kemiringin : [8]
5 =
+
.
+
[
..... (2.28)
.
(
)
]
15
Universitas Sumatera Utara
dimana:
N = jumlah kaca penutup
F=(
1−0.
04h +0.
0005h )
(
1+0.
091. )
C = 250{
1−0.
0044(
β−90o)]
Harga h = 5.
7+3.
86 7 ⁄m .
K
2.2.2 K ondensor
K ondensor adalah alat untuk membuat kondensasi bahan pendingin gas
dari kompresor dengan suhu tinggi dan tekanan tinggi. Kondensor merupakan
jaringan pipa yang berfungsi sebagai pengembunan. Refrigeran yang yang
dipompakan dari kompresor akan mengalami penekanan sehingga mengalir ke
pipa kondensor, kemudian mengalami pengembunan. Dari sini refrigeran yang
sudah mengembun dan menjadi zat cair akan mengalir menuju pipa evaporator.
K ondensor sebagai alat penukar kalor berguna untuk membuang kalor dan
mengubah wujud refrigeran dari uap menjadi cair. Faktor - faktor yang
mempengaruhi kapasitas kondensor adalah:
1.
L uas muka perpindahan panasnya meliputi diameter pipa kondensor, panjang
pipa kondensor, dan karakteristik pipa kondensor.
2.
A liran udara pendinginnya secara konveksi natural atau aliran paksa oleh fan
3.
Perbedaan suhu antara refrigeran dengan udara luar.
4.
Sifat dan karakteristik refrigeran di dalam sistem.
K ondensor ditempatkan di luar ruangan yang sedang didinginkan, agar
dapat melepaskan panas saat mengkondensasi methanol pada proses desorpsi.
Tekanan refrigeran yang meninggalkan kondensor harus cukup tinggi untuk
mengatasi gesekan pada pipa dan tahanan dari alat ekspansi, sebaliknya jika
tekanan di dalam kondensor sangat rendah dapat menyebabkan refrigeran tidak
mampu mengalir melalui alat ekspansi. [9]
16
Universitas Sumatera Utara
2.2.2.1 K lasifikasi K ondensor
Menurut zat yang mendinginkannya, kondensor dapat dibagi menjadi tiga
jenis yaitu: [9]
1. K ondensor Berpendingin Udara (Air Cooled Condenser)
Air Cooled Condenser adalah kondensor yang menggunakan udara sebagai
cooling mediumnya, biasanya digunakan pada sistem berskala rendah dan
sedang dengan kapasitas hingga 20 ton refrigerasi. Air Cooled Condenser
merupakan peralatan A C (Air Conditioner) standard untuk keperluan
rumah tinggal (residental) atau digunakan di suatu lokasi di mana
pengadaan air bersih susah diperoleh atau mahal. Untuk melayani
kebutuhan kapasitas yang lebih besar biasanya digunakan multiple air
cooled condenser. Udara sebagai pendingin kondensor dapat mengalir
secara alamiah atau dialiri paksa oleh fan. K ulkas pada umumnya
menggunakan kondensor berpendingin udara secara alamiah (konveksi
natural) yang umum disebut sebagai kondensor statis. F an dapat
meniupkan udara kearah kondensor dalam jumlah yang lebih besar,
sehingga dapat memperbesar kapasitas pelepasan panas oleh kondensor.
Air Cooled Condenser dapat dilihat pada gambar 2.7.
Gambar 2.7 Air Cooled Condenser [9]
17
Universitas Sumatera Utara
2. K ondensor Berpendingin A ir (Water Cooled Condenser)
K ondensor jenis ini digunakan pada system yang berskala besar untuk
keperluan komersil di lokasi yang mudah memperoleh air bersih.
K ondensor jenis ini menjadi pilihan yang ekonomis bila terdapat suplai air
bersih mudah dan murah.
Pada umumnya kondensor seperti ini berbentuk tabung yang di dalamnya
berisi pipa (tubes) tempat mengalirnya air pendingin. Uap refrigeran
berada di luar pipa tetapi di dalam tabung (shell). K ondensor seperti ini
disebut shell and tube water cooled condenser. A ir yang menjadi panas,
akibat kalor yang dilepas oleh refrigeran yang mengembun, kemudian air
yang telah menjadi panas ini didinginkan di dalam alat yang disebut
menara pendingin (cooling tower). Setelah keluar dari cooling tower, air
menjadi dingin kembali dan disalurkan dengan pompa kembali ke
kondensor. Dengan cara inilah pendingin disirkulasikan. K ondensor jenis
ini biasanya digunakan pada sistem berkapasitas besar. Water cooled
condenser dapat dilihat pada gambar 2.8.
Gambar 2.8 Water Cooled Condenser[9]
3. K ondensor Berpendingin Campuran Udara dan A ir (Evaporative
Condenser)
K ondensor jenis ini merupakan kombinasi dari kondensor berpendingin
udara dan kondensor berpendingin air. K oil kondensor ini diletakkan
18
Universitas Sumatera Utara
berdekatan dengan media pendinginnya yang berupa udara tekan dan air
yang disemprotkan melalui suatu lubang nozzle. K ondensor jenis ini
disebut juga evaporative condenser. K ondensornya sendiri berbentuk
seperti kondensor dengan pendingin air, namun diletakkan di dalam
menara pendingin. Percikan air dari atas menara akan membasahi muka
kondensor jadi kalor dari refrigeran yang mengembun diterima oleh air
dan kemudian diberi pada aliran udara yang mengalir dari bagian bawah
ke bagian atas menara. Sebagai akibatnya air yang telah menjadi panas
tersebut diatas, didinginkan oleh aliran udara, sehingga pada saat air
mencapai bagian bawah menara, air ini sudah menjadi dingin kembali.
Selanjutnya air dingin ini dipompakan ke bagian atas menara demikian
seterusnya. Dalam negara yang bermusim empat, pada musim dingin
sering kali tidak dibutuhkan percikan air dari atas menara, karena udara
sudah cukup dingin dan mampu secara langsung menerima beban
kondensor. Dalam keadaan seperti ini, dikatakan bahwa evaporative
condenser dioperasikan secara kering. Maka evaporative condenser ini
akan berfungsi seperti kondensor berpendingin udara. Gambar evaporative
condenser dapat dilihat pada gambar 2.9.
Gambar 2.9 Evaporative Condenser [9]
19
Universitas Sumatera Utara
2.2.2.2 A nalisis K ondensor
Dua sistem A dan B yang berbeda suhunya, bila dihubungkan satu sama
lain akan terjadi perubahan suhu sampai suhu keduanya sama besar (setimbang).
Perubahan suhu itu terjadi karena aliran panas atau perpindahan dari A ke B atau
sebaliknya. A da suatu pendapat yang menyatakan bahwa aliran panas itu tidak
lain adalah suatu perpindahan energi yang dapat dinyatakan dengan persamaan
sebagai berikut: [9]
1 =m .
c.
∆4 ............................................ (2.29)
dimana:
Q = panas yang diserap atau dikeluarkan (W)
m = massa benda (kg)
c = panas jenis (kJ /kgoC)
∆T = selisih temperatur ( oC)
Pada peristiwa melebur atau meleleh,panas yang diserap atau dikeluarkan
oleh benda yang mengalami perubahan fase tersebut. Demikian juga pada
peristiwa mendidih, mengembun dan sublimasi. Banyaknya panas persatuan
massa benda pada waktu terjadi perubahan fase disebut panas laten (L ).
1 =m .
, .............................................. (2.30)
dimana:
Q = panas yang diserap atau dikeluarkan pada waktu perubahan fase (kJ )
m = massa benda
L = panas laten (kJ /kg)
Perhitungan panas yang dilepas air persatuan massa dapat dirumuskan sebagai
berikut:
: =Cp (
4 −4 )+, +Cp (
4 −4 )........... (2.31)
dimana:
Z = panas yang dilepas air per satuan massa (kJ /kg)
20
Universitas Sumatera Utara
Cpw = panas jenis air (kJ /kg.K )
Cpes = panas jenis es (kJ /kg.K )
L = panas laten yang harus dilepas (kJ /kg)
T 3= temperatur akhir rata – rata es (K )
2.2.3 E vaporator
Evaporator dalam sistem refrigerasi adalah alat penukar kalor yang
memegang peranan penting di dalam siklus refrigerasi, yaitu mendinginkan media
sekitarnya Tujuan sistem refrigerasi adalah untuk membebaskan panas dari fluida
seperti udara, air atau beberapa benda yang lain.
Evaporator diletakkan dibagian unit pendingin dari lemari pendingin dan
akan bersentuhan langsung dengan media yang akan didinginkan, yaitu air. Cairan
metanol akan menguap pada saat temperatur adsorben naik atau pada saat
pemanasan adsorben. Metanol akan mencair dikondensor dan cairannya akan
terkumpul kembali di evaporator, dan malam hari temperatur adsorben akan turun
perlahan – lahan dan akan menyerap metanol. A kibatnya metanol akan menguap
dan menyerap kalor dari sekitarnya sehingga temperatur akan turun. [10]
2.2.3.1 Perpindahan K alor di dalam E vaporator
a. K oefisien Perpindahan K alor
Faktor yang mempengaruhi koefisien perpindahan kalor adalah kecepatan
aliran fluida atau benda yang akan didinginkan, disamping itu makin besar
luas bidang benda yang hendak diinginkan atau dekat dengan bidang
pendingin juga mempengaruhi koefisien perpindahan kalor. Untuk
temperatur penguapan refrigeran, temperatur benda atau fluida yang akan
didinginkan akan dipengaruhi oleh kecepatan aliran dari zat yang hendak
didinginkan. Di dalam evaporator,banyaknya perpindahan kalor dihitung
berdasarkan perbedaan rata- rata temperatur, makin besar perbedaan
temperatur, makin kecil ukuran penukar kalor (luas bidang perpindahan
kalor) yang bersangkutan, namun dalam hal tersebut diatas, temperatur
penguapannya menjadi rendah.
21
Universitas Sumatera Utara
b. K apasitas (Q) Pendingin di dalam Evaporator
K apasitas suatu mesin pendingin ialah kemampuan mesin tersebut untuk
menyerap panas dari benda yang didinginkan, umumnya dinyatakan dalam
kkal/jam atau btu/jam. Satuan lain yang sering dipakai ialah Ton Of
Refrigeration (TR) atau Refrigeration Ton (RT). Satuan ini dihitung
berdasarkan panas pencairan 1 ton es selama 24 jam. Dimana tiap 1 lb es
yang mencair membutuhkan panas 144 btu, maka:
124 =
=288.
000
............... (2.32)
K apasitas mesin pendingin pada umumnya ditentukan tiga hal, yaitu;
jumlah refrigeran yang diuapkan tiap jam, temperatur penguapan
refrigeran di dalam evaporator, jenis refrigeran yang digunakan.
2.2.3.2 J enis E vaporator
Berdasarkan bentuk dan permukaan koilnya, evaporator dibagi menjadi 3
macam, yaitu :
1. Evaporator Pipa Telanjang (Bare Tube Evaporator)
Evaporator ini umumnya terbuat dari tembaga atau baja. Untuk bahan tembaga
biasanya digunakan pada evaporator yang berukuran kecil dimana refrigeran
yang digunakan adalah selain dari ammonia. Sedangkan untuk bahan baja
biasanya digunakan pada evaporator yang berukuran besar dimana refrigeran
yang digunakan adalah ammonia. Gambar bare tube evaporator dapat dilihat
pada gambar 2.10.
22
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.10 Bare Tube Evaporator [11]
2. Evaporator Pelat (Plate Surface Evaporator)
Dalam evaporator jenis ini,piring digunakan sebagai permukaan untuk
pemanasan, bukanlah tabung atau shell penukar kalor. Assembling daripada
piring ini mempunyai kesamaan dengan piring penukar kalor yang dilengkapi
dengan laluan uap dalam jumlah besar. Gambar plat surface evaporator dapat
dilihat pada gambar 2.11.
Gambar 2.11 Plate Surface Evaporator [11]
23
Universitas Sumatera Utara
3. Evaporator Bersirip (F inned Evaporator)
Evaporator bersirip adalah tipe bare tube evaporator yang ditutupi dengan
sirip. K etika fluida (udara atau air) yang akan didinginkan mengalir melalui
bare tube evaporator, terdapat banyak efek pendinginan dari refrigeran yang
terbuang sia-sia karena kurangnya permukaan untuk mentransfer panas dari
cairan ke refrigeran. Fluida cenderung mengalir di antara ruang terbuka dari
tabung dan tidak bersentuhan langsung dengan permukaan kumparan, maka itu
bare tube evaporator menjadi kurang efektif. Sirip pada permukaan luar
dari bare tube evaporator meningkatkan kontak permukaan dari tabung logam
dengan fluida dan meningkatkan laju perpindahan panas, sehingga finned
evaporator lebih efektif dibandingkan dengan bare tube evaporator. Gambar
finned evaporator dapat dilihat pada gambar 2.12.
Gambar 2.12 F inned Evaporator [11]
2.2.4 K alor (Q)
K alor adalah salah satu bentuk energi yang dapat mengakibatkan
perubahan suhu. Pada abad ke 19 berkembang teori bahwa kalor merupakan
fluida ringan yang dapat mengalir dari suhu tinggi ke suhu rendah, jika suatu
benda mengandung banyak kalor, maka suhu benda itu tinggi (panas).
24
Universitas Sumatera Utara
Sebaliknya, jika benda itu mengandung sedikit kalor, maka dikatakan benda itu
bersuhu rendah (dingin). K uantitas energi kalor (Q) dihitung dalam satuan
joules (J ). L aju aliran kalor dihitung dalam satuan joule per detik (J /s) atau
watt (W). L aju aliran energi ini juga disebut daya, yaitu laju dalam melakukan
usaha. [12]
2.2.4.1 K alor L aten
Suatu bahan biasanya mengalami perubahan temperatur bila terjadi
perpindahan kalor antara bahan dengan lingkungannya. Pada suatu situasi
tertentu, aliran kalor ini tidak merubah temperaturnya. Hal ini terjadi bila
bahan mengalami perubahan fasa. Misalnya padat menjadi cair (mencair),
cair menjadi uap (mendidih) dan perubahan struktur kristal (zat padat).
Energi yang diperlukan disebut kalor transformasi. K alor yang diperlukan
untuk merubah fasa dari bahan bermassa m adalah: [12]
1 =, m ........................................ (2.33)
dimana:
1 = kalor laten zat (J )
L e = kapasitas kalor spesifik laten (J /kg)
m = massa zat (kg)
2.2.4.2 K alor Sensibel
Tingkat panas atau intensitas panas dapat diukur ketika panas
tersebut merubahtemperatur dari suatu subtansi. Perubahan intensitas
panas dapat diukur dengan termometer. K etika perubahan temperatur
didapatkan, maka dapat diketahui bahwa intensitas panas telah berubah
dan disebut sebagai panas sensibel. Dengan kata lain, kalor sensibel adalah
kalor yang diberikan atau yang dilepaskan oleh suatu jenis fluida sehingga
temperaturnya naik atau turun tanpa menyebabkan perubahan fasa fluida
tersebut. [12]
1 =m .
C .
∆4 .................................. (2.34)
dimana:
1 = kalor sensibel zat (J )
25
Universitas Sumatera Utara
C p= kapasitas kalor spesifik sensibel (J⁄kg.
K)
∆T = beda temperatur (K )
m = massa benda
2.2.4.3 Perpindahan Panas
Perpindahan panas adalah salah satu dari displin ilmu teknik
termalyang mempelajari cara menghasilkan panas, menggunakan panas,
mengubah panas, dan menukarkan panas di antara sistem fisik.
Perpindahan panas diklasifikasikan menjadi
konduktivitas termal,
konveksi termal, radiasi termal, dan perpindahan panas melalui perubahan
fasa. Sebagai suatu gambaran mengenai tiga cara perpindahan panas dalam
sebuah alat pemanas cairan surya, panas mengalir secara konduktif
sepanjang pelat penyerap dan melalui dinding saluran. K emudian panas
dipindahkan ke fluida dalam saluran dengan cara konveksi. A pabila
sirkulasi dilakukan dengan sebuah pompa, maka kita menyebutnya
konveksi paksa. Pelat penyerap yang panas itu melepaskan panas ke pelat
penutup kaca (umumnya menutupi kolektor) dengan cara konveksi
alamiah dan dengan cara radiasi. [12]
2.2.4.4 Perpindahan Panas K onduksi
Perpindahan panas konduksi adalah proses perpindahan panas dari
daerah yang bersuhu tinggi ke daerah yang bersuhu rendah dalam satu
medium baik itu cair, padat, dan gas ataupun antara medium-medium yang
berlainan yang bersinggungan secara langsung. Setiap benda mempunyai
konduktivitas termal (kemampuan mengalirkan panas) tertentu yang akan
mempengaruhi panas yang dihantarkan dari sisi yang panas ke sisi yang
lebih dingin. Semakin tinggi nilai konduktivitas termal suatu benda,
semakin cepat benda itu akan mengalirkan panas yang diterima dari satu
sisi ke sisi yang lain. Dapat dikatakan bahwa energi dapat berpindah
secara konduksi apabila laju perpindahan kalor berbanding dengan gradien
suhu normal. [12]
q ∂4
~
A ∂x
26
Universitas Sumatera Utara
Panas mengalir secara konduksi dari dareah yang bertemperatur
tinggi ke daerah yang bertemperatur rendah. L aju perpindahan panas
dinyatakan dengan hukum Fourier. [12]
q =−kA
.................................... (2.35)
dimana:
q = laju perpindahan panas
A = luas penampang dimana panas mengalir (m2)
= gradien suhu pada penampang
k = konduktivitas thermal bahan (W/m2K )
Proses perpindahan kalor secara konduksi bila dilihat secara
atomik merupakan pertukaran energi kinetik antar molekul (atom), dimana
partikel yang energinya rendah dapat meningkat dengan menumbuk
partikel dengan energi yang lebih tinggi. Sebelum dipanaskan atom dan
elektron dari logam bergetar pada posisi setimbang. Pada ujung logam
mulai dipanaskan, pada bagian ini atom dan elektron bergetar dengan
amplitudo yang makin membesar. Selanjutnya bertumbukan dengan atom
dan elektron disekitarnya dan memindahkan sebagian energinya. K ejadian
ini berlanjut hingga pada atom dan elektron di ujung logam yang satunya.
K onduksi terjadi melalui getaran dan gerakan elektron bebas. Fourier telah
memberikan sebuah model matematika untuk proses ini. Dalam hal satu
dimensi, model matematikanya yaitu: [12]
∆
1 =−kA
................................................ (2.36)
dimana:
Q = laju aliran energi (W)
A = luas penampang (m2)
∆4 = beda suhu (K )
L = panjang (m)
K = daya hantar konduktivitas termal (W/mK )
27
Universitas Sumatera Utara
2.2.4.5 Perpindahan Panas K onveksi
Perpindahan panas konveksi adalah proses perpindahan energi
panas dengan kerja gabungan dari konduksi panas, penyimpanan, energi
dan gerakan mencampur. Proses terjadi pada permukaan padat (lebih panas
atau dingin) terhadap cairan atau gas (lebih dingin atau panas). Pada
bagian tepi pelat terbentuk suatu daerah dimana pengaruh gaya viskos
semakin meningkat. Gaya - gaya viskos dapat diterangkan dengan
tegangan geser ( ) antara lapisan-lapisan fluida. J ika tegangan ini dianggap
berbanding lurus dengan gradient kecepatan normal, maka dapat
dirumuskan persamaan dasar untuk viskositas: [12]
τ=μ ....................................................... (2.37)
K onstanta proporsional
disebut viskositas dinamik.
1. Bilangan Prandtl (Pr)
Bilangan Prandtl adalah bilangan tanpa dimensi yang merupakan fungsi
dari sifat-sifat fluida. Bilangan Prandtl didefinisikan sebagai perbandingan
viskositas kinematik terhadap difusitas thermal fluida yaitu:
.
0 =
......................................... (2.38)
dimana:
C p = panas spesifik fluida (J /kg.K )
= viskositas fluida (Pa.det)
k = konduktivitas termal (W/m2K )
2. Bilangan Nusselt (Nu)
.
.
=
........................................ (2.39)
dimana:
hc = koefisien konveksi (W/m2K )
D = diameter efektif aliran fluida (m)
k = konduktivitas termal fluida (W/mK )
28
Universitas Sumatera Utara
Banyak rumusan yang telah dikembangkan untuk susunan aliran
tertentu sehingga hubungan antara bilangan Nusselt, Reynolds dan
Prandtl dapat dirumuskan:
.
=C(
2e +0r )
...............................(2.40)
2.2.4.6 Perpindahan Panas R adiasi
Radiasi termal adalah radiasi elektromagnetik yang dipancarkan
oleh suatu benda karena suhunya. A da beberapa jenis radiasi
elektromagnetik, radiasi termal hanyalah salah satu diantaranya. A papun
jenis radiasi itu, ia selalu merambat dengan kecepatan cahaya. A dapun
kecepatan ini sama dengan hasil perkalian panjang-gelombang dengan
frekuensi radiasi. [12]
C =λ
.
v ............................................ (2.41)
dimana:
C = kecepatan cahaya
λ = panjang gelombang
v = frekuensi
Perambatan radiasi termal berlangsung dalam bentuk kuantum kuantum yang diskrit atau farik (discrete), setiap kuantum mengandung
energi sebesar: [12]
%=h.
v ........................................... (2.42)
dimana:
h = 6,625 x 10-34 J .s
v = frekuensi
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: [12]
% =σ4 ................................ (2.43)
dimana:
29
Universitas Sumatera Utara
E b = energi yang diradiasikan persatuan waktu dan persatuan luas
(Watt/m2)
= konstanta Stefan-Boltzmann = 5,669 x 10-8 W/m2.K 2
T = temperatur (K )
Penukaran panas netto secara radiasi termal adalah: [12]
q =σA (
4
−4 ).......................... (2.44)
dimana:
= konstanta Stefan-Boltsman = 5,67 x 108 W/(m2.K 2)
A = luas bidang (m2)
T = temperatur (K )
2.2.5 A dsorben
A dsorben merupakan zat padat yang dapat menyerap partikel fluida
dalamsuatu proses adsorpsi. A dsorben bersifat spesifik dan terbuat dari bahanbahan yang berpori. A da beberapa jenis adsorben yang efektif digunakan untuk
mesin pendingin adsorpsi, antara lain zeolit, silika gel, dan karbon aktif.
Pemilihan jenis adsorben dalam proses adsorpsi harus disesuaikan dengan sifat
dan keadaan zat yang akan diadsorpsi. Dalam pengujian ini jenis adsorben yang
digunakan adalah karbon aktif.
K arbon aktif merupakan suatu bahan berupa karbon armof yang sebagian
besar teridiri atas karbon bebas serta memiliki “permukaan dalam” (internal
surface) sehingga mempunyai kemampuan daya serap yang baik. K arbon aktif
umumnya mengandung senyawa karbon hingga 85% sampai 95%.
K arbon aktif dibagi atas 2 tipe, yaitu karbon aktif sebagai pemucat dan
sebagai penyerap uap. K arbon aktif sebagai pemucat biasanya berbentuk bubuk
yang sangat halus, digunakan dalam fase cair, dan berfungsi untuk memindahkan
zat - zat pengganggu yang menyebabkan warna dan bau yang tidak diharapkan
pada pelarut. Sementara karbon aktif sebagai penyerap uap biasanya berbentuk
granular atau pelet yang sangat keras, digunakan pada fase gas, dan berfungsi
untuk pengembalian pelarut, katalis, dan pemurnian gas.
30
Universitas Sumatera Utara
Sesuai dengan kegunaannya sebagai adsorben, maka karbon aktif di dalam
perdagangan diklasifikasikan sebagai bahan kimia, bukan sebagai bahan energi
seperti halnya arang yang digunakan sebagai bahan bakar. Di pasaran ada dua tipe
bahan kimia yang diperdagangkan, yaitu bahan kimia proanalis dan bahan kimia
teknis. [12]
Bahan kimia pro analis adalah bahan kimia yg memiliki kemurnian sangat
tinggi (>99,5%) dan biasanya digunakan untuk keperluan laboratorium. Bahan
kimia pro analis telah diteliti konsentrasinya secara kuantitatif di laboratorium
tempat bahan kimia itu diproduksi. Untuk penggunaannya biasanya bahan kimia
pro analis digunakan sebagai pereaksi baik itu primer atau sekunder di
laboratorium.
Sedangkan bahan kimia teknis adalah bahan kimia yg tidak memiliki
kemurnian setinggi bahan kimia pro analis dan biasa dipergunakan dalam proses
produksi karena harganya yang relatif jauh lebih murah dari bahan kimia pro
analis. Bahan kimia teknis dihitung kadar / konsentrasinya hanya dengan hitungan
stokiometri tanpa analisa secara kuantitatif. Bahan kimia teknis umumnya hanya
digunakan sebagai larutan penambah atau larutan pembersih. K arbon aktif yang
digunakan dapat dilihat pada gambar 2.13.
Gambar 2.13 K arbon A ktif
31
Universitas Sumatera Utara
K arbon aktif yang digunakan dalam penelitian ini terbuat dari cangkang
kelapa. A dapun sifat dari adsorben karbon aktif yang digunakan dapat dilihat pada
tabel 2.1.
Tabel 2.1 Sifat A dsorben K arbon A ktif [13]
No
1
Sifat A dsorben K arbon A ktif
Massa J enis
Nilai Sifat K arbon A ktif
352,407 – 544,629 m3/kg
2
Pore V olume
0,56 – 1,20 cm3/g
3
Diameter R ata - R ata Pori
4
T emperatur R egenerasi
5
Ukuran K arbon A ktif
15-25 Å
100 - 140 oC
3 mm
2.2.6 R efrigeran
Refrigeran adalah zat yang mengalir dalam mesin pendingin (refrigerasi)
atau mesin pengkondisian udara. Zat ini berfungsi untuk menyerap panas dari
benda atau udara yang didinginkan dan membawanya kemudian membuangnya ke
udara sekeliling di luar benda.
2.2.6.1 Metanol
Untuk terjadinya suatu proses pendinginan diperlukan suatu bahan yang
mudah dirubah bentuknya dari gas menjadi cair atau sebaliknya. Dalam pengujian
kali ini, refrigeran yang dipakai adalah metanol yang dapat dilihat pada gambar
2.14.
32
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.14 Metanol
A dapun sifat Metanol dapat dilihat seperti tabel 2.2:
Tabel 2.2 Sifat Metanol [14]
Sifat Metanol
Massa J enis
787 kg/m3, cair
T itik L ebur
-97.7oC
T itik Didih
64,5oC
K lasifikasi E U
Flammable (F), Toxic (T)
Panas L aten Penguapan
1100 kJ /kg
Metanol juga dikenal sebagai metil alkohol, wood alcohol atau spiritus.
Metanol merupakan bentuk alkohol paling sederhana. Pada keadaan atmosfer,
metanol berbentuk cairan yang ringan, mudah menguap, tidak berwarna, mudah
terbakar dan beracun dengan bau yang khas (berbau lebih ringan dari pada
etanol). Metanol digunakan sebagai bahan pendingin anti beku, pelarut, bahan
33
Universitas Sumatera Utara
bakar dan sebagai bahan aditif bagi etanol industri. Metanol diproduksi secara
alami oleh metabolisme anaerobik oleh bakteri. Hasil proses tersebut adalah uap
metanol (dalam jumlah kecil) di udara.Setelah beberapa hari uap metanol akan
teroksidasi oleh oksigen dengan bantuan sinar matahari menjadi karbon dioksida
dan air.
2.2.7 Siklus A dsorpsi
Siklus adsorpsi dari mesin pendingin tenaga surya ini dapat dilihat pada
gambar 2.15.
Gambar 2.15 Siklus Dasar Refrigerasi A dsorpsi [1]
Pada kondisi awal sistem berada pada tekanan dan temperatur rendah,
adsorben memiliki konsentrasi refrigeran yang tinggi dan vessel lain terdapat
refrigeran dalam bentuk gas (gambar a). Vessel yang terdapat adsorben
dipanaskan yang mengakibatkan naiknya temperatur dan tekanan sistem sehingga
34
Universitas Sumatera Utara
kandungan adsorbat yang ada di dalam adsorben berkurang atau menguap. Proses
berkurangnya kandungan adsorbat pada adsorben pada kasus ini disebut desorpsi.
Refrigeran yang terdesorpsi kemudian terkondensasi sebagai cairan di
dalam labu kedua dengan dikeluarkannya panas ke lingkungan dimana tekanan
dan temperatur sistem masih tinggi (gambar b). Pemanasan pada labu pertama
dihentikan, lalu pada botol labu yang pertama terjadi perpindahan panas ke
lingkungan sehingga tekanan sistem menjadi rendah. Tekanan sistem yang rendah
menyebabkan adsorbat cair pada botol labu yang kedua menguap dan terserap
kebotol pertama yang berisi adsorben. Proses terserapnya adsorbat ke adsorben
pada kasus ini disebut adsorpsi. Proses adsorpsi menghasilkan efek pendinginan
yang terjadi pada botol labu kedua, dimana pada tekanan rendah panas dari
lingkungan diserap untuk menguap adsorbat (d) sampai sistem kembali ke kondisi
awal. [1}
35
Universitas Sumatera Utara
T INJ A UA N PUST A K A
2.1 T eori Umum A dsorpsi
A dsorpsi atau juga yang biasa disebut dengan penyerapan, adalah suatu
proses yang terjadi ketika fluida (cairan ataupun gas) terikat pada suatu padatan
atau cairan (zat penyerap, absorbat) pada permukaannya. Sedangkan absorpsi
adalah penyerapan fluida oleh fluida lainnya dengan membentuk suatu larutan.
Definisi lain menyatakan adsorpsi sebagai suatu peristiwa penyerapan pada
lapisan permukaan atau antar fasa dimana molekul dari suatu materi terkumpul
pada bahan pengadsorpsi atau adsorben.
A dsorpsi dibedakan menjadi dua jenis, yaitu adsorpsi fisika (disebabkan
oleh gaya V an Der Waals (penyebab terjadinya kondensasi gas untuk membentuk
cairan) yang ada pada permukaan adsorben) dan adsorpsi kimia (terjadi antara zat
yang diserap dengan adsorben, banyaknya zat yang teradsorbsi tergantung pada
sifat khas zat padatnya yang merupakan fungsi tekanan dan suhu).
Elemen utama dari mesin ini terdiri dari kolektor panas (adsorbent bed),
kondensor, dan evaporator. A dsorber mempunyai peran yang sama seperti
kompresor di sistem pendingin tradisional. Prinsip kerja dari sistem adsorpsi
diilustrasikan dengan diagram Clayperon pada gambar 2.1.[1]
4
Universitas Sumatera Utara
[1]
Gambar 2.1 Diagram Clayperon pada Sistem Pendingin Siklus A dsorpsi
A dapun proses yang terjadi pada gambar 2.1 adalah sebagai berikut:
1. Proses Pemanasan (Pemberian Tekanan)
Proses pemanasan dimulai dari titik A dimana adsorben berada
pada temperatur rendah T A dan tekanan rendah Pe (tekanan evaporator).
Pada proses ini adsorbat masih berbentuk uap adsorpsi.
2. Proses Desorpsi
Proses desorpsi berlangsung pada waktu panas diberikan dari titik
B ke C sehingga adsorber mengalami peningkatan temperatur yang
menyebabkan timbulnya uap desorpsi. Sehingga, adsorbat yang berada
pada adsorben dalam bentuk gas mengalir ke kondensor untuk mengalami
proses kondensasi menjadi cair dan mengalir ke kondensor.
3. Proses Pendinginan (Penurunan Tekanan)
Proses pendinginan berlangsung dari titik C ke D, adsorber
melepaskan panas dengan cara didinginkan sehingga suhu di adsorber
turun dan diikuti oleh penurunan tekanan dari tekanan kondensasi ke
tekanan evaporasi.
4. Proses A dsorpsi
Proses adsorpsi berlangsung dari titik D ke A , A dsorber terus
melepaskan panas sehingga adsorber mengalami penurunan temperatur
dan tekanan yang menyebabkan timbulnya uap adsorpsi. A dsorbat dalam
bentuk uap dihasilkan dari proses penyerapan kalor oleh adsorbat dari air
yang ada disekitar evaporator sebesar kalor laten penguapan adsorbat
tersebut.
2.2
Komponen – Komponen Mes i n Pendi ngi n Tenaga Sur y a
2.2.1 Kol ek t or Sur y a
5
Universitas Sumatera Utara
K olektor surya dapat didefinisikan sebagai sistem perpindahan panas yang
menghasilkan energi panas dengan memanfaatkan radiasi sinar matahari sebagai
sumber energi utama. K etika cahaya matahari menimpa absorber pada kolektor
surya, sebagian cahaya akan dipantulkan kembali ke lingkungan, sedangkan
sebagian besarnya akan diserap dan dikonversi menjadi energi panas, lalu panas
tersebut dipindahkan kepada fluida yang bersirkulasi di dalam kolektor surya
untuk kemudian dimanfaatkan guna berbagai aplikasi. [2]
K olektor surya pada umumnya mempunyai komponen yang terdiri dari:
1. Cover
Berfungsi untuk mengurangi rugi panas secara konveksi ke lingkungan.
2. Absorber
Berfungsi untuk menyerap panas dari radiasi cahaya matahari.
3. K anal
Berfungsi sebagai saluran transmisi fluida kerja.
4. Isolator
Berfungsi meminimalisir kehilangan panas secara konduksi dari absorber
menuju lingkungan.
5. F rame
Berfungsi sebagai struktur pembentuk dan penahan beban kolektor.
Terdapat tiga jenis kolektor surya yang diklasifikasikan ke dalam Solar
Thermal Collector System dan juga memiliki korelasi dengan pengklasifikasian
kolektor surya berdasarkan dimensi dan geometri dari receiver yang dimilikinya.
[2]
1. F lat Plate Collectors (K olektor Plat Datar)
K olektor surya merupakan sebuah alat yang digunakan untuk
memanaskan
fluida
kerja
yang
mengalir
kedalamnya
dengan
mengkonversikan energy radiasi matahari menjadi panas. Fluida yang
6
Universitas Sumatera Utara
dipanaskan berupa cairan minyak , oli, dan udara kolektor surya plat datar
mempunyai temperatur keluaran dibawah 95°C. dalam aplikasinya
kolektor plat datar digunakan untuk memanaskan udara dan air.
K euntungan utama dari sebuah kolektor surya plat datar adalah
bahwa 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. [2]
Struktur kolektor plat datar:
1. Glazing
Untuk melindungi komponen di dalam kolektor dari dampak
lingkungan. Penutup ini harus dibuat dari kaca yang dikeraskan dan
memiliki co-efisien transmisi tinggi.
2. Absorber Plate
Pelat absorber menyerap energi matahari dan mengubahnya
menjadi energi panas. A bsorber terbuat dari bahan konduktivitas
tinggi seperti tembaga dengan lapisan selektif di atasnya untuk
penyerapan maksimum radiasi matahari dan emisi radiasi
inframerah minimal.
3. F low Tubes
Cairan yang mengalir melalui kolektor mengumpulkan panas dari
pelat absorber. Perpindahan panas akan terjadi terutama melalui
proses konduksi dan konveksi. Oleh karena itu, tabung harus
terbuat dari bahan konduktivitas tinggi seperti tembaga.
4. Insulation
7
Universitas Sumatera Utara
Isolasi termal mengurangi hilangnya panas yang tidak diinginkan
dari bagian belakang dan samping kolektor. Isolasi juga harus
mampu menahan suhu maksimum pelat absorber.
5. Header
Header merupakan jalan utama fluida untuk didistribusikan ke flow
tubes.
Gambar F lat Plate Collector (K olektor Plat Datar) dapat dilihat pada
gambar 2.2.
Gambar 2.2 F lat Plate Collector [3]
2. Concentrating Collector
J enis ini dirancang untuk aplikasi yang membutuhkan energi panas
pada temperature antara 100°C – 400°C. K olektor surya jenis ini mampu
memfokuskan energi radiasi cahaya matahari pada suatu receiver, sehingga
dapat meningkatkan kuantitas energi panas yang diserap oleh absorber.
Spesifikasi jenis ini dapat dikenali dari adanya komponen konsentrator
yang terbuat dari material dengan transmisivitas tinggi. Berdasarkan
komponen absorber-nya jenis ini dikelompokan menjadi dua jenis yaitu
Line F ocus dan Point F ocus.
8
Universitas Sumatera Utara
A gar cahaya matahari selalu dapat difokuskan terhadap tabung
absorber, concentrator harus dirotasi. Pergerakan ini disebut dengan
tracking. Temperatur fluida melebihi 400 C dapat dicapai pada sistem
kolektor ini. [2]
Struktur dari concentrating collector dapat dilihat pada gambar
2.3:
1. Receiver
Berfungsi untuk menangkap panas dari radiasi cahaya matahari.
K adang receiver juga diselimuti dengan kaca tabung transparan
untuk mengurangi heat loss.
2. Concentrate reflective surface
Berfungsi
matahari
untuk mengkonsentrasikan panas radiasi
ke insulated tube yang
berisi
cahaya
refrigeran yang
menghantarkan panas dari kolektor ke boiler.
3. Tracking mechanism
Berfungsi untuk merotasi tabung absorber agar fokus terhadap
cahaya matahari.
Gambar 2.3 Concentrating Collector [4]
9
Universitas Sumatera Utara
3. Evacuated Tube Collector
J enis ini dirancang untuk menghasilkan energi panas yang lebih
tinggi dibandingkan dengan dua jenis kolektor surya sebelumnya.
K eistimewaannya terletak pada efisiensi transfer panasnya yang tinggi
tetapi faktor kehilangan panasnya yang relatif rendah. Hal ini dikarenakan
fluida yang terjebak diantara absorber dan covernya dikondisikan dalam
keadaan vakum, sehingga mampu meminimalisasi kehilangan panas yang
terjadi secara konveksi dari permukaan luar absorber menuju lingkungan.
[5]
K olektor evacuated-tube memiliki sub kategori yang berbeda
berdasarkan bahan yang digunakan dan kebutuhan aplikasi. Masa pakai
evacuated tube bervariasi dari 5 hingga 15 tahun. K arakteristik utama dari
kolektor evacuated tube harus:
1. Mampu bertahan dalam berbagai kondisi lingkungan, seperti hujan debu
dan lain – lain.
2. Mampu mempertahankan variasi suhu yang lebar.
3. Resistensi terhadap kebocoran pada setiap bagian dari sistem.
4. Stabil dan tahan lama.
5. Mudah diinstal.
6. Efisiensi dalam konversi energi.
Gambar evacuated tube collector dapat dilihat pada gambar 2.4
10
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.4 Evacuated Tube Collector [6]
2.2.1.1 K oefisien K erugian (
)
Panas hilang dari bagian atas pelat penyerap karena konveksi ala dan
karena radiasi ke permukaan dalam dari pelat penutup kaca. Sebagian dari
radiasi itu akan benar-benar melalui penutup kaca, tetapi dalam analisis ini
hal itu akan diabaikan. Panas ini akan dikonduksikan oleh pelat kaca ke
permukaan luarnya. K emudian dipindahkan ke atmosfer luar secara
konveksi dan radiasi. [1]
11
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.5 Perpindahan Panas K olektor Surya Plat Datar [7]
K erugian panas ini dinamai kerugian atas (top loss), dinyatakan
dengan: [8]
=5 (
4 −4 )................................ (2.10)
dimana:
5 = koefisien kerugian atas, 7 ⁄(
m .
K)
4 = temperatur plat (K )
4 = temperatur lingkungan(K )
K ebalikan dari 5 , 1/5 adalah jumlah tahanan terhadap perpindahan
panas dari pelat ke lingkungan yang dinyatakan dengan sirkuit seri-pararel
sederhana dalam gambar 2.6
12
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.6 Sirkuit ekivalen untuk tahanan perpindahan panas
[8]
melalui bagian atas kolektor, )⁄5
Dalam sirkuit ini,
a) h = koefisien konveksi (alam) dalam
b) h = koefisen radiasi (ekivalen) dalam
c) 2
= harga R dari kaca tebal / konduktivitas termal
d) h = koefisien konveksi luar
e) h = koefisien radiasi (ekivalen) luar
Dimana satuan - satuan untuk koefisien konveksi dan koefisien
radiasi adalah W/(m2.K ). K arena dalam suatu sirkuit pararel konduktansikonduktansi
dijumlahkan,
dan dalam suatu sirkuitseri
tahanannya
dijumlahkan, maka tahanan total dapat ditulis: [8]
=
+
+
.............. (2.11)
13
Universitas Sumatera Utara
a) koefisien konveksi alam
K oefisien konveksi alam hi antara pelat-pelat miring yang
dipanasi dari bawah telah dikorelasikan oleh Hollands dkk. untuk
sudut miring lain antara 0o dan 70° yang dinyatakan dalam bilangan
Rayleigh (perbandingan gaya apung terhadap gaya viskos) dan sudut
miring β. K oefisien tersebut dapat dengan mudah dinyatakan dari
sela z, antara pelat penyerap dan penutup kaca, dengan sudut miring
sebagai parameter. [8]
Dan temperatur rata-rata (T m):
4 =
.............................. (2.12)
b) koefisien radiasi dalam (ekivalen) hri
Penukaran panas radiasi antara penyerap dan penutup adalah:
q=
...................................... (2.13)
yang dapat ditulis sebagai fungsi koefisien radiasi ekuivalen hri
sebagai: [8]
q =h
4 −4
................................. (2.14)
dimana:
h =
.............................. (2.15)
c) tahanan termal kaca dinyatakan dengan:
2
= ............................................... (2.16)
14
Universitas Sumatera Utara
dimana:
t = tebal kaca
k = konduktivitas termal
d ) koefisien konveksi luar h dihitung dengan;
h =5.
7+3.
8 6 ................................. (2.17)
dimana:
V = kecepatan angin dalam m/s
e) koefisien radiasi luar ekivalen dapat ditulis:
h
=
.............................. (2.18)
dimana temperatur langit diperkirakan oleh Swinbank adalah:
4
=0.
0552 4
......................... (2.19)
T emperatur luar 4 adalah dalam derajat K elvin (K )
K oefisien kerugian total 5
ditentukan dengan menambahkan
koefisien kerugian bawah dari kolektor pada 5 , atau
5 =5 +5 .................................. (2.20)
2.2.1.2 Persamaan E mpiris untuk K oefisien K erugian Ut
Sebuah persamaan empiris disarankan untuk memperhitungkan ketergantungan
sudut Ut pada kemiringin : [8]
5 =
+
.
+
[
..... (2.28)
.
(
)
]
15
Universitas Sumatera Utara
dimana:
N = jumlah kaca penutup
F=(
1−0.
04h +0.
0005h )
(
1+0.
091. )
C = 250{
1−0.
0044(
β−90o)]
Harga h = 5.
7+3.
86 7 ⁄m .
K
2.2.2 K ondensor
K ondensor adalah alat untuk membuat kondensasi bahan pendingin gas
dari kompresor dengan suhu tinggi dan tekanan tinggi. Kondensor merupakan
jaringan pipa yang berfungsi sebagai pengembunan. Refrigeran yang yang
dipompakan dari kompresor akan mengalami penekanan sehingga mengalir ke
pipa kondensor, kemudian mengalami pengembunan. Dari sini refrigeran yang
sudah mengembun dan menjadi zat cair akan mengalir menuju pipa evaporator.
K ondensor sebagai alat penukar kalor berguna untuk membuang kalor dan
mengubah wujud refrigeran dari uap menjadi cair. Faktor - faktor yang
mempengaruhi kapasitas kondensor adalah:
1.
L uas muka perpindahan panasnya meliputi diameter pipa kondensor, panjang
pipa kondensor, dan karakteristik pipa kondensor.
2.
A liran udara pendinginnya secara konveksi natural atau aliran paksa oleh fan
3.
Perbedaan suhu antara refrigeran dengan udara luar.
4.
Sifat dan karakteristik refrigeran di dalam sistem.
K ondensor ditempatkan di luar ruangan yang sedang didinginkan, agar
dapat melepaskan panas saat mengkondensasi methanol pada proses desorpsi.
Tekanan refrigeran yang meninggalkan kondensor harus cukup tinggi untuk
mengatasi gesekan pada pipa dan tahanan dari alat ekspansi, sebaliknya jika
tekanan di dalam kondensor sangat rendah dapat menyebabkan refrigeran tidak
mampu mengalir melalui alat ekspansi. [9]
16
Universitas Sumatera Utara
2.2.2.1 K lasifikasi K ondensor
Menurut zat yang mendinginkannya, kondensor dapat dibagi menjadi tiga
jenis yaitu: [9]
1. K ondensor Berpendingin Udara (Air Cooled Condenser)
Air Cooled Condenser adalah kondensor yang menggunakan udara sebagai
cooling mediumnya, biasanya digunakan pada sistem berskala rendah dan
sedang dengan kapasitas hingga 20 ton refrigerasi. Air Cooled Condenser
merupakan peralatan A C (Air Conditioner) standard untuk keperluan
rumah tinggal (residental) atau digunakan di suatu lokasi di mana
pengadaan air bersih susah diperoleh atau mahal. Untuk melayani
kebutuhan kapasitas yang lebih besar biasanya digunakan multiple air
cooled condenser. Udara sebagai pendingin kondensor dapat mengalir
secara alamiah atau dialiri paksa oleh fan. K ulkas pada umumnya
menggunakan kondensor berpendingin udara secara alamiah (konveksi
natural) yang umum disebut sebagai kondensor statis. F an dapat
meniupkan udara kearah kondensor dalam jumlah yang lebih besar,
sehingga dapat memperbesar kapasitas pelepasan panas oleh kondensor.
Air Cooled Condenser dapat dilihat pada gambar 2.7.
Gambar 2.7 Air Cooled Condenser [9]
17
Universitas Sumatera Utara
2. K ondensor Berpendingin A ir (Water Cooled Condenser)
K ondensor jenis ini digunakan pada system yang berskala besar untuk
keperluan komersil di lokasi yang mudah memperoleh air bersih.
K ondensor jenis ini menjadi pilihan yang ekonomis bila terdapat suplai air
bersih mudah dan murah.
Pada umumnya kondensor seperti ini berbentuk tabung yang di dalamnya
berisi pipa (tubes) tempat mengalirnya air pendingin. Uap refrigeran
berada di luar pipa tetapi di dalam tabung (shell). K ondensor seperti ini
disebut shell and tube water cooled condenser. A ir yang menjadi panas,
akibat kalor yang dilepas oleh refrigeran yang mengembun, kemudian air
yang telah menjadi panas ini didinginkan di dalam alat yang disebut
menara pendingin (cooling tower). Setelah keluar dari cooling tower, air
menjadi dingin kembali dan disalurkan dengan pompa kembali ke
kondensor. Dengan cara inilah pendingin disirkulasikan. K ondensor jenis
ini biasanya digunakan pada sistem berkapasitas besar. Water cooled
condenser dapat dilihat pada gambar 2.8.
Gambar 2.8 Water Cooled Condenser[9]
3. K ondensor Berpendingin Campuran Udara dan A ir (Evaporative
Condenser)
K ondensor jenis ini merupakan kombinasi dari kondensor berpendingin
udara dan kondensor berpendingin air. K oil kondensor ini diletakkan
18
Universitas Sumatera Utara
berdekatan dengan media pendinginnya yang berupa udara tekan dan air
yang disemprotkan melalui suatu lubang nozzle. K ondensor jenis ini
disebut juga evaporative condenser. K ondensornya sendiri berbentuk
seperti kondensor dengan pendingin air, namun diletakkan di dalam
menara pendingin. Percikan air dari atas menara akan membasahi muka
kondensor jadi kalor dari refrigeran yang mengembun diterima oleh air
dan kemudian diberi pada aliran udara yang mengalir dari bagian bawah
ke bagian atas menara. Sebagai akibatnya air yang telah menjadi panas
tersebut diatas, didinginkan oleh aliran udara, sehingga pada saat air
mencapai bagian bawah menara, air ini sudah menjadi dingin kembali.
Selanjutnya air dingin ini dipompakan ke bagian atas menara demikian
seterusnya. Dalam negara yang bermusim empat, pada musim dingin
sering kali tidak dibutuhkan percikan air dari atas menara, karena udara
sudah cukup dingin dan mampu secara langsung menerima beban
kondensor. Dalam keadaan seperti ini, dikatakan bahwa evaporative
condenser dioperasikan secara kering. Maka evaporative condenser ini
akan berfungsi seperti kondensor berpendingin udara. Gambar evaporative
condenser dapat dilihat pada gambar 2.9.
Gambar 2.9 Evaporative Condenser [9]
19
Universitas Sumatera Utara
2.2.2.2 A nalisis K ondensor
Dua sistem A dan B yang berbeda suhunya, bila dihubungkan satu sama
lain akan terjadi perubahan suhu sampai suhu keduanya sama besar (setimbang).
Perubahan suhu itu terjadi karena aliran panas atau perpindahan dari A ke B atau
sebaliknya. A da suatu pendapat yang menyatakan bahwa aliran panas itu tidak
lain adalah suatu perpindahan energi yang dapat dinyatakan dengan persamaan
sebagai berikut: [9]
1 =m .
c.
∆4 ............................................ (2.29)
dimana:
Q = panas yang diserap atau dikeluarkan (W)
m = massa benda (kg)
c = panas jenis (kJ /kgoC)
∆T = selisih temperatur ( oC)
Pada peristiwa melebur atau meleleh,panas yang diserap atau dikeluarkan
oleh benda yang mengalami perubahan fase tersebut. Demikian juga pada
peristiwa mendidih, mengembun dan sublimasi. Banyaknya panas persatuan
massa benda pada waktu terjadi perubahan fase disebut panas laten (L ).
1 =m .
, .............................................. (2.30)
dimana:
Q = panas yang diserap atau dikeluarkan pada waktu perubahan fase (kJ )
m = massa benda
L = panas laten (kJ /kg)
Perhitungan panas yang dilepas air persatuan massa dapat dirumuskan sebagai
berikut:
: =Cp (
4 −4 )+, +Cp (
4 −4 )........... (2.31)
dimana:
Z = panas yang dilepas air per satuan massa (kJ /kg)
20
Universitas Sumatera Utara
Cpw = panas jenis air (kJ /kg.K )
Cpes = panas jenis es (kJ /kg.K )
L = panas laten yang harus dilepas (kJ /kg)
T 3= temperatur akhir rata – rata es (K )
2.2.3 E vaporator
Evaporator dalam sistem refrigerasi adalah alat penukar kalor yang
memegang peranan penting di dalam siklus refrigerasi, yaitu mendinginkan media
sekitarnya Tujuan sistem refrigerasi adalah untuk membebaskan panas dari fluida
seperti udara, air atau beberapa benda yang lain.
Evaporator diletakkan dibagian unit pendingin dari lemari pendingin dan
akan bersentuhan langsung dengan media yang akan didinginkan, yaitu air. Cairan
metanol akan menguap pada saat temperatur adsorben naik atau pada saat
pemanasan adsorben. Metanol akan mencair dikondensor dan cairannya akan
terkumpul kembali di evaporator, dan malam hari temperatur adsorben akan turun
perlahan – lahan dan akan menyerap metanol. A kibatnya metanol akan menguap
dan menyerap kalor dari sekitarnya sehingga temperatur akan turun. [10]
2.2.3.1 Perpindahan K alor di dalam E vaporator
a. K oefisien Perpindahan K alor
Faktor yang mempengaruhi koefisien perpindahan kalor adalah kecepatan
aliran fluida atau benda yang akan didinginkan, disamping itu makin besar
luas bidang benda yang hendak diinginkan atau dekat dengan bidang
pendingin juga mempengaruhi koefisien perpindahan kalor. Untuk
temperatur penguapan refrigeran, temperatur benda atau fluida yang akan
didinginkan akan dipengaruhi oleh kecepatan aliran dari zat yang hendak
didinginkan. Di dalam evaporator,banyaknya perpindahan kalor dihitung
berdasarkan perbedaan rata- rata temperatur, makin besar perbedaan
temperatur, makin kecil ukuran penukar kalor (luas bidang perpindahan
kalor) yang bersangkutan, namun dalam hal tersebut diatas, temperatur
penguapannya menjadi rendah.
21
Universitas Sumatera Utara
b. K apasitas (Q) Pendingin di dalam Evaporator
K apasitas suatu mesin pendingin ialah kemampuan mesin tersebut untuk
menyerap panas dari benda yang didinginkan, umumnya dinyatakan dalam
kkal/jam atau btu/jam. Satuan lain yang sering dipakai ialah Ton Of
Refrigeration (TR) atau Refrigeration Ton (RT). Satuan ini dihitung
berdasarkan panas pencairan 1 ton es selama 24 jam. Dimana tiap 1 lb es
yang mencair membutuhkan panas 144 btu, maka:
124 =
=288.
000
............... (2.32)
K apasitas mesin pendingin pada umumnya ditentukan tiga hal, yaitu;
jumlah refrigeran yang diuapkan tiap jam, temperatur penguapan
refrigeran di dalam evaporator, jenis refrigeran yang digunakan.
2.2.3.2 J enis E vaporator
Berdasarkan bentuk dan permukaan koilnya, evaporator dibagi menjadi 3
macam, yaitu :
1. Evaporator Pipa Telanjang (Bare Tube Evaporator)
Evaporator ini umumnya terbuat dari tembaga atau baja. Untuk bahan tembaga
biasanya digunakan pada evaporator yang berukuran kecil dimana refrigeran
yang digunakan adalah selain dari ammonia. Sedangkan untuk bahan baja
biasanya digunakan pada evaporator yang berukuran besar dimana refrigeran
yang digunakan adalah ammonia. Gambar bare tube evaporator dapat dilihat
pada gambar 2.10.
22
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.10 Bare Tube Evaporator [11]
2. Evaporator Pelat (Plate Surface Evaporator)
Dalam evaporator jenis ini,piring digunakan sebagai permukaan untuk
pemanasan, bukanlah tabung atau shell penukar kalor. Assembling daripada
piring ini mempunyai kesamaan dengan piring penukar kalor yang dilengkapi
dengan laluan uap dalam jumlah besar. Gambar plat surface evaporator dapat
dilihat pada gambar 2.11.
Gambar 2.11 Plate Surface Evaporator [11]
23
Universitas Sumatera Utara
3. Evaporator Bersirip (F inned Evaporator)
Evaporator bersirip adalah tipe bare tube evaporator yang ditutupi dengan
sirip. K etika fluida (udara atau air) yang akan didinginkan mengalir melalui
bare tube evaporator, terdapat banyak efek pendinginan dari refrigeran yang
terbuang sia-sia karena kurangnya permukaan untuk mentransfer panas dari
cairan ke refrigeran. Fluida cenderung mengalir di antara ruang terbuka dari
tabung dan tidak bersentuhan langsung dengan permukaan kumparan, maka itu
bare tube evaporator menjadi kurang efektif. Sirip pada permukaan luar
dari bare tube evaporator meningkatkan kontak permukaan dari tabung logam
dengan fluida dan meningkatkan laju perpindahan panas, sehingga finned
evaporator lebih efektif dibandingkan dengan bare tube evaporator. Gambar
finned evaporator dapat dilihat pada gambar 2.12.
Gambar 2.12 F inned Evaporator [11]
2.2.4 K alor (Q)
K alor adalah salah satu bentuk energi yang dapat mengakibatkan
perubahan suhu. Pada abad ke 19 berkembang teori bahwa kalor merupakan
fluida ringan yang dapat mengalir dari suhu tinggi ke suhu rendah, jika suatu
benda mengandung banyak kalor, maka suhu benda itu tinggi (panas).
24
Universitas Sumatera Utara
Sebaliknya, jika benda itu mengandung sedikit kalor, maka dikatakan benda itu
bersuhu rendah (dingin). K uantitas energi kalor (Q) dihitung dalam satuan
joules (J ). L aju aliran kalor dihitung dalam satuan joule per detik (J /s) atau
watt (W). L aju aliran energi ini juga disebut daya, yaitu laju dalam melakukan
usaha. [12]
2.2.4.1 K alor L aten
Suatu bahan biasanya mengalami perubahan temperatur bila terjadi
perpindahan kalor antara bahan dengan lingkungannya. Pada suatu situasi
tertentu, aliran kalor ini tidak merubah temperaturnya. Hal ini terjadi bila
bahan mengalami perubahan fasa. Misalnya padat menjadi cair (mencair),
cair menjadi uap (mendidih) dan perubahan struktur kristal (zat padat).
Energi yang diperlukan disebut kalor transformasi. K alor yang diperlukan
untuk merubah fasa dari bahan bermassa m adalah: [12]
1 =, m ........................................ (2.33)
dimana:
1 = kalor laten zat (J )
L e = kapasitas kalor spesifik laten (J /kg)
m = massa zat (kg)
2.2.4.2 K alor Sensibel
Tingkat panas atau intensitas panas dapat diukur ketika panas
tersebut merubahtemperatur dari suatu subtansi. Perubahan intensitas
panas dapat diukur dengan termometer. K etika perubahan temperatur
didapatkan, maka dapat diketahui bahwa intensitas panas telah berubah
dan disebut sebagai panas sensibel. Dengan kata lain, kalor sensibel adalah
kalor yang diberikan atau yang dilepaskan oleh suatu jenis fluida sehingga
temperaturnya naik atau turun tanpa menyebabkan perubahan fasa fluida
tersebut. [12]
1 =m .
C .
∆4 .................................. (2.34)
dimana:
1 = kalor sensibel zat (J )
25
Universitas Sumatera Utara
C p= kapasitas kalor spesifik sensibel (J⁄kg.
K)
∆T = beda temperatur (K )
m = massa benda
2.2.4.3 Perpindahan Panas
Perpindahan panas adalah salah satu dari displin ilmu teknik
termalyang mempelajari cara menghasilkan panas, menggunakan panas,
mengubah panas, dan menukarkan panas di antara sistem fisik.
Perpindahan panas diklasifikasikan menjadi
konduktivitas termal,
konveksi termal, radiasi termal, dan perpindahan panas melalui perubahan
fasa. Sebagai suatu gambaran mengenai tiga cara perpindahan panas dalam
sebuah alat pemanas cairan surya, panas mengalir secara konduktif
sepanjang pelat penyerap dan melalui dinding saluran. K emudian panas
dipindahkan ke fluida dalam saluran dengan cara konveksi. A pabila
sirkulasi dilakukan dengan sebuah pompa, maka kita menyebutnya
konveksi paksa. Pelat penyerap yang panas itu melepaskan panas ke pelat
penutup kaca (umumnya menutupi kolektor) dengan cara konveksi
alamiah dan dengan cara radiasi. [12]
2.2.4.4 Perpindahan Panas K onduksi
Perpindahan panas konduksi adalah proses perpindahan panas dari
daerah yang bersuhu tinggi ke daerah yang bersuhu rendah dalam satu
medium baik itu cair, padat, dan gas ataupun antara medium-medium yang
berlainan yang bersinggungan secara langsung. Setiap benda mempunyai
konduktivitas termal (kemampuan mengalirkan panas) tertentu yang akan
mempengaruhi panas yang dihantarkan dari sisi yang panas ke sisi yang
lebih dingin. Semakin tinggi nilai konduktivitas termal suatu benda,
semakin cepat benda itu akan mengalirkan panas yang diterima dari satu
sisi ke sisi yang lain. Dapat dikatakan bahwa energi dapat berpindah
secara konduksi apabila laju perpindahan kalor berbanding dengan gradien
suhu normal. [12]
q ∂4
~
A ∂x
26
Universitas Sumatera Utara
Panas mengalir secara konduksi dari dareah yang bertemperatur
tinggi ke daerah yang bertemperatur rendah. L aju perpindahan panas
dinyatakan dengan hukum Fourier. [12]
q =−kA
.................................... (2.35)
dimana:
q = laju perpindahan panas
A = luas penampang dimana panas mengalir (m2)
= gradien suhu pada penampang
k = konduktivitas thermal bahan (W/m2K )
Proses perpindahan kalor secara konduksi bila dilihat secara
atomik merupakan pertukaran energi kinetik antar molekul (atom), dimana
partikel yang energinya rendah dapat meningkat dengan menumbuk
partikel dengan energi yang lebih tinggi. Sebelum dipanaskan atom dan
elektron dari logam bergetar pada posisi setimbang. Pada ujung logam
mulai dipanaskan, pada bagian ini atom dan elektron bergetar dengan
amplitudo yang makin membesar. Selanjutnya bertumbukan dengan atom
dan elektron disekitarnya dan memindahkan sebagian energinya. K ejadian
ini berlanjut hingga pada atom dan elektron di ujung logam yang satunya.
K onduksi terjadi melalui getaran dan gerakan elektron bebas. Fourier telah
memberikan sebuah model matematika untuk proses ini. Dalam hal satu
dimensi, model matematikanya yaitu: [12]
∆
1 =−kA
................................................ (2.36)
dimana:
Q = laju aliran energi (W)
A = luas penampang (m2)
∆4 = beda suhu (K )
L = panjang (m)
K = daya hantar konduktivitas termal (W/mK )
27
Universitas Sumatera Utara
2.2.4.5 Perpindahan Panas K onveksi
Perpindahan panas konveksi adalah proses perpindahan energi
panas dengan kerja gabungan dari konduksi panas, penyimpanan, energi
dan gerakan mencampur. Proses terjadi pada permukaan padat (lebih panas
atau dingin) terhadap cairan atau gas (lebih dingin atau panas). Pada
bagian tepi pelat terbentuk suatu daerah dimana pengaruh gaya viskos
semakin meningkat. Gaya - gaya viskos dapat diterangkan dengan
tegangan geser ( ) antara lapisan-lapisan fluida. J ika tegangan ini dianggap
berbanding lurus dengan gradient kecepatan normal, maka dapat
dirumuskan persamaan dasar untuk viskositas: [12]
τ=μ ....................................................... (2.37)
K onstanta proporsional
disebut viskositas dinamik.
1. Bilangan Prandtl (Pr)
Bilangan Prandtl adalah bilangan tanpa dimensi yang merupakan fungsi
dari sifat-sifat fluida. Bilangan Prandtl didefinisikan sebagai perbandingan
viskositas kinematik terhadap difusitas thermal fluida yaitu:
.
0 =
......................................... (2.38)
dimana:
C p = panas spesifik fluida (J /kg.K )
= viskositas fluida (Pa.det)
k = konduktivitas termal (W/m2K )
2. Bilangan Nusselt (Nu)
.
.
=
........................................ (2.39)
dimana:
hc = koefisien konveksi (W/m2K )
D = diameter efektif aliran fluida (m)
k = konduktivitas termal fluida (W/mK )
28
Universitas Sumatera Utara
Banyak rumusan yang telah dikembangkan untuk susunan aliran
tertentu sehingga hubungan antara bilangan Nusselt, Reynolds dan
Prandtl dapat dirumuskan:
.
=C(
2e +0r )
...............................(2.40)
2.2.4.6 Perpindahan Panas R adiasi
Radiasi termal adalah radiasi elektromagnetik yang dipancarkan
oleh suatu benda karena suhunya. A da beberapa jenis radiasi
elektromagnetik, radiasi termal hanyalah salah satu diantaranya. A papun
jenis radiasi itu, ia selalu merambat dengan kecepatan cahaya. A dapun
kecepatan ini sama dengan hasil perkalian panjang-gelombang dengan
frekuensi radiasi. [12]
C =λ
.
v ............................................ (2.41)
dimana:
C = kecepatan cahaya
λ = panjang gelombang
v = frekuensi
Perambatan radiasi termal berlangsung dalam bentuk kuantum kuantum yang diskrit atau farik (discrete), setiap kuantum mengandung
energi sebesar: [12]
%=h.
v ........................................... (2.42)
dimana:
h = 6,625 x 10-34 J .s
v = frekuensi
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: [12]
% =σ4 ................................ (2.43)
dimana:
29
Universitas Sumatera Utara
E b = energi yang diradiasikan persatuan waktu dan persatuan luas
(Watt/m2)
= konstanta Stefan-Boltzmann = 5,669 x 10-8 W/m2.K 2
T = temperatur (K )
Penukaran panas netto secara radiasi termal adalah: [12]
q =σA (
4
−4 ).......................... (2.44)
dimana:
= konstanta Stefan-Boltsman = 5,67 x 108 W/(m2.K 2)
A = luas bidang (m2)
T = temperatur (K )
2.2.5 A dsorben
A dsorben merupakan zat padat yang dapat menyerap partikel fluida
dalamsuatu proses adsorpsi. A dsorben bersifat spesifik dan terbuat dari bahanbahan yang berpori. A da beberapa jenis adsorben yang efektif digunakan untuk
mesin pendingin adsorpsi, antara lain zeolit, silika gel, dan karbon aktif.
Pemilihan jenis adsorben dalam proses adsorpsi harus disesuaikan dengan sifat
dan keadaan zat yang akan diadsorpsi. Dalam pengujian ini jenis adsorben yang
digunakan adalah karbon aktif.
K arbon aktif merupakan suatu bahan berupa karbon armof yang sebagian
besar teridiri atas karbon bebas serta memiliki “permukaan dalam” (internal
surface) sehingga mempunyai kemampuan daya serap yang baik. K arbon aktif
umumnya mengandung senyawa karbon hingga 85% sampai 95%.
K arbon aktif dibagi atas 2 tipe, yaitu karbon aktif sebagai pemucat dan
sebagai penyerap uap. K arbon aktif sebagai pemucat biasanya berbentuk bubuk
yang sangat halus, digunakan dalam fase cair, dan berfungsi untuk memindahkan
zat - zat pengganggu yang menyebabkan warna dan bau yang tidak diharapkan
pada pelarut. Sementara karbon aktif sebagai penyerap uap biasanya berbentuk
granular atau pelet yang sangat keras, digunakan pada fase gas, dan berfungsi
untuk pengembalian pelarut, katalis, dan pemurnian gas.
30
Universitas Sumatera Utara
Sesuai dengan kegunaannya sebagai adsorben, maka karbon aktif di dalam
perdagangan diklasifikasikan sebagai bahan kimia, bukan sebagai bahan energi
seperti halnya arang yang digunakan sebagai bahan bakar. Di pasaran ada dua tipe
bahan kimia yang diperdagangkan, yaitu bahan kimia proanalis dan bahan kimia
teknis. [12]
Bahan kimia pro analis adalah bahan kimia yg memiliki kemurnian sangat
tinggi (>99,5%) dan biasanya digunakan untuk keperluan laboratorium. Bahan
kimia pro analis telah diteliti konsentrasinya secara kuantitatif di laboratorium
tempat bahan kimia itu diproduksi. Untuk penggunaannya biasanya bahan kimia
pro analis digunakan sebagai pereaksi baik itu primer atau sekunder di
laboratorium.
Sedangkan bahan kimia teknis adalah bahan kimia yg tidak memiliki
kemurnian setinggi bahan kimia pro analis dan biasa dipergunakan dalam proses
produksi karena harganya yang relatif jauh lebih murah dari bahan kimia pro
analis. Bahan kimia teknis dihitung kadar / konsentrasinya hanya dengan hitungan
stokiometri tanpa analisa secara kuantitatif. Bahan kimia teknis umumnya hanya
digunakan sebagai larutan penambah atau larutan pembersih. K arbon aktif yang
digunakan dapat dilihat pada gambar 2.13.
Gambar 2.13 K arbon A ktif
31
Universitas Sumatera Utara
K arbon aktif yang digunakan dalam penelitian ini terbuat dari cangkang
kelapa. A dapun sifat dari adsorben karbon aktif yang digunakan dapat dilihat pada
tabel 2.1.
Tabel 2.1 Sifat A dsorben K arbon A ktif [13]
No
1
Sifat A dsorben K arbon A ktif
Massa J enis
Nilai Sifat K arbon A ktif
352,407 – 544,629 m3/kg
2
Pore V olume
0,56 – 1,20 cm3/g
3
Diameter R ata - R ata Pori
4
T emperatur R egenerasi
5
Ukuran K arbon A ktif
15-25 Å
100 - 140 oC
3 mm
2.2.6 R efrigeran
Refrigeran adalah zat yang mengalir dalam mesin pendingin (refrigerasi)
atau mesin pengkondisian udara. Zat ini berfungsi untuk menyerap panas dari
benda atau udara yang didinginkan dan membawanya kemudian membuangnya ke
udara sekeliling di luar benda.
2.2.6.1 Metanol
Untuk terjadinya suatu proses pendinginan diperlukan suatu bahan yang
mudah dirubah bentuknya dari gas menjadi cair atau sebaliknya. Dalam pengujian
kali ini, refrigeran yang dipakai adalah metanol yang dapat dilihat pada gambar
2.14.
32
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.14 Metanol
A dapun sifat Metanol dapat dilihat seperti tabel 2.2:
Tabel 2.2 Sifat Metanol [14]
Sifat Metanol
Massa J enis
787 kg/m3, cair
T itik L ebur
-97.7oC
T itik Didih
64,5oC
K lasifikasi E U
Flammable (F), Toxic (T)
Panas L aten Penguapan
1100 kJ /kg
Metanol juga dikenal sebagai metil alkohol, wood alcohol atau spiritus.
Metanol merupakan bentuk alkohol paling sederhana. Pada keadaan atmosfer,
metanol berbentuk cairan yang ringan, mudah menguap, tidak berwarna, mudah
terbakar dan beracun dengan bau yang khas (berbau lebih ringan dari pada
etanol). Metanol digunakan sebagai bahan pendingin anti beku, pelarut, bahan
33
Universitas Sumatera Utara
bakar dan sebagai bahan aditif bagi etanol industri. Metanol diproduksi secara
alami oleh metabolisme anaerobik oleh bakteri. Hasil proses tersebut adalah uap
metanol (dalam jumlah kecil) di udara.Setelah beberapa hari uap metanol akan
teroksidasi oleh oksigen dengan bantuan sinar matahari menjadi karbon dioksida
dan air.
2.2.7 Siklus A dsorpsi
Siklus adsorpsi dari mesin pendingin tenaga surya ini dapat dilihat pada
gambar 2.15.
Gambar 2.15 Siklus Dasar Refrigerasi A dsorpsi [1]
Pada kondisi awal sistem berada pada tekanan dan temperatur rendah,
adsorben memiliki konsentrasi refrigeran yang tinggi dan vessel lain terdapat
refrigeran dalam bentuk gas (gambar a). Vessel yang terdapat adsorben
dipanaskan yang mengakibatkan naiknya temperatur dan tekanan sistem sehingga
34
Universitas Sumatera Utara
kandungan adsorbat yang ada di dalam adsorben berkurang atau menguap. Proses
berkurangnya kandungan adsorbat pada adsorben pada kasus ini disebut desorpsi.
Refrigeran yang terdesorpsi kemudian terkondensasi sebagai cairan di
dalam labu kedua dengan dikeluarkannya panas ke lingkungan dimana tekanan
dan temperatur sistem masih tinggi (gambar b). Pemanasan pada labu pertama
dihentikan, lalu pada botol labu yang pertama terjadi perpindahan panas ke
lingkungan sehingga tekanan sistem menjadi rendah. Tekanan sistem yang rendah
menyebabkan adsorbat cair pada botol labu yang kedua menguap dan terserap
kebotol pertama yang berisi adsorben. Proses terserapnya adsorbat ke adsorben
pada kasus ini disebut adsorpsi. Proses adsorpsi menghasilkan efek pendinginan
yang terjadi pada botol labu kedua, dimana pada tekanan rendah panas dari
lingkungan diserap untuk menguap adsorbat (d) sampai sistem kembali ke kondisi
awal. [1}
35
Universitas Sumatera Utara