PENGUJIAN AWAL PROTOTIPE MESIN PENDINGIN ADSORPSI INTERMITTENT ENERGI SURYA

PENGUJIAN AWAL PROTOTIPE MESIN PENDINGIN ADSORPSI

INTERMITTENT ENERGI SURYA 1) 1)

Nyoman Sugiartha dan I Made Sugina

1 Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Bali, Kampus Bukit Jimbaran, Badung, Bali

E-mail: nyoman.sugiartha@yahoo.co.uk

Abstract

Adsorption cooling machines require thermal energy to produce cooling effect. The thermal energy may come from renewable energy resources, such as solar radiation with abundant availability. Adsorption cooling system is an alternative cooling technology, which having very low demand on electrical energy. Vapour compression cooling systems consume huge electrical energy, thus development of the adsorption cooling system is necessary in an attempt of energy savings. This paper discusses preliminary experimental testing of a solar intermittent adsorption cooling machine to characterise system’s pressure and temperature changes during adsorption cycle. The testing is also focused on investigating minimum temperatures of evaporator and water under no load and water load of 1 kg conditions. The adsorption cooling machine employs granular activated carbon-ethanol as working pair and halogen lamps of 2 x 500 watt as heat source to simulate solar energy.

The test results show that adsorber temperature and pressure peak at 98.3 C

and -63 cmHg and 100.2 C and -62.5 cmHg for no cooling load and water load of 1 kg, respectively. Accordingly, evaporator temperature and pressure

o o

reached the lowest at 15.3 C and -73 cmHg and at 20.1 C of water temperature and -72.5 cmHg for respective load conditions.

Keywords: adsortion cooling machine, intermittent, testing, indoor,

activated carbon-ethanol

Abstrak

Mesin pendingin adsorpsi membutuhkan energi termal untuk menghasilkan efek pendinginan. Sumber energi termal dapat berasal dari energi terbarukan berupa radiasi matahari yang tersedia melimpah. Sistem pendingin adsorpsi adalah salah satu alternatif teknologi pendingin dengan konsumsi energi listrik yang sangat kecil. Tingginya konsumsi energi listrik pada mesin pendingin konvensional dengan siklus kompresi uap mendorong upaya pengembangan mesin pendingin adsorpsi dalam rangka penghematan energi. Makalah ini membahas tentang pengujian eksperimental awal pada prototipe mesin pendingin adsorpsi intermittent energi surya yang dimaksudkan untuk mengetahui karakteristik perubahan temperatur dan tekanan selama siklus adsorpsi berlangsung. Pengujian ini juga dititikberatkan untuk mengetahui temperatur terendah yang mampu dicapai oleh evaporator untuk kondisi tanpa beban pendinginan dan dengan beban air 1 kg. Mesin pendingin menggunakan karbon aktif granular dan etanol sebagai pasangan kerja dan lampu halogen 2 x 500 watt sebagai simulator sumber panas energi surya. Hasil pengujian menunjukkan bahwa temperatur dan tekanan maksimum adsorber mencapai 98.3

PENDAHULUAN

per hari dengan lama penyinaran matahari selama 7-8 jam per harinya (Matias, 2011). Dengan demikian energi matahari memungkinkan untuk dieksploitasi baik untuk keperluan konversi energi termal maupun pembangkitan energi listrik.

per hari. Sedangkan untuk sebagian besar wilayah Bali intensitas radiasi matahari sebesar 6-6.5 kWh/m

Berdasarkan data DEN (2016) potensi energi matahari di Indonesia cukup tinggi dengan intensitas radiasi rata-rata sekitar 4.8 kWh/m

Dorongan untuk memanfaatkan sumber-sumber energi terbarukan yang lebih ramah lingkungan dan murah sebagai pengganti energi fosil tidak dapat terhindarkan saat ini, terlebih untuk aplikasi pengkondisian udara dan refrigerasi. Salah satu yang menjadi perhatian adalah energi matahari. Bagi daerah yang beriklim tropis, ketersediaan energi radiasi matahari begitu melimpah sepanjang tahun. Di sisi lain, ketersediaan energi radiasi matahari ternyata bersamaan dengan waktu beban pendinginan puncak sistem pendingin yaitu pada pada siang hari (Fernandes et al., 2014).

Kata Kunci: mesin pendingin adsorpsi, intermittent, pengujian, indoor,

karbon aktif-etanol

C dan -63 cmHg serta 100.2

C dan -72.5 cmHg.

C dan -73 cmHg untuk kondisi tanpa beban air. Sedangkan untuk kondisi dengan beban air 1 kg temperatur air dan tekanan evaporator terendah mencapai 20.1

C dan -62.5 cmHg, masing-masing untuk kondisi tanpa beban dan dengan beban air. Temperatur dan tekanan evaporator terendah mencapai 15.3

Sistem pendingin adsorpsi adalah salah satu alternatif teknologi pendingin yang dapat memanfaatkan energi termal dari radiasi matahari maupun energi sisa hasil suatu proses. Meskipun performansinya jauh lebih rendah dibandingkan dengan sistem pendingin kompresi uap namun memiliki penghematan energi primer lebih tinggi karena sistem adsorpsi hanya diaplikasikan untuk memanfaatkan energi sisa. Di samping itu sistem kontrol yang sederhana, tidak ada komponen yang bergerak, tidak ada getaran dan penggunaan refrigeran yang tidak polutif adalah beberapa kelebihannya (Wang et al., 2006).

Amonia, air, metanol dan etanol adalah refrigeran ramah lingkungan yang umum dipakai pada sistem pendingin adsorpsi. Etanol tidak bersifat korosif dibandingkan amonia, tidak beracun dan resiko mudah terbakar lebih rendah dibandingkan dengan metanol (Alghoul et al., 2007). Sedangkan zat penyerap atau adsorben adalah karbon aktif, silika gel dan zeolit. Pemilihan pasangan adsorben-refrigeran tergantung pada aplikasinya yaitu untuk pengkondisian udara, penyimpanan bahan makanan atau obat- obatan maupun untuk pembuatan es. Attan et al. (2011) menjelaskan bahwa adsorben karbon aktif fiber memberikan waktu desorpsi/adsorpsi yang lebih cepat dan kapasitas adsorpsi lebih besar per kg adsorben dibandingkan dengan adsorben yang lain.

Beberapa peneliti sudah melakukan pengujian sistem pendingin adsorpsi menggunakan pasangan adsorben berbasis karbon aktif untuk aplikasi penyimpanan makanan dan pembuatan es. Telto dan Critoph (1997) menggunakan pasangan karbon aktif-ammonia dan hasil pengujian prototipe menunjukkan bahwa temperatur evaporator

o o

terendah -18.6 C mampu dicapai pada temperatur desorpsi 108.2

C. Li et al. (2004) menguji eksperimental untuk membandingkan performansi antara karbon aktif-metanol dan karbon-aktif-etanol. Diperoleh bahwa pasangan karbon aktif-metanol mampu menghasilkan es sedangkan karbon aktif-etanol hanya mampu mencapai temperatur air

2-4 C.

Makalah ini membahas tentang uji eksperimental pendahuluan pada sebuah prototipe mesin pendingin adsorpsi intermittent energi surya yang menggunakan karbon aktif- etanol sebagai pasangan kerja. Pengujian dilakukan di dalam ruangan sebelum diaplikasikan di ruang terbuka dengan tujuan untuk mengetahui apakah sistem pendingin adsorpsi dapat bekerja dengan baik. Pengujian dikondisikan untuk operasi tanpa beban pendinginan dan dengan beban air 1 kg. Karakteristik perubahan temperatur dan tekanan pada sistem didentifikasi selama proses desorpsi-kondensasi dan evaporasi-adsorpsi berlangsung. Pengujian juga dititikberatkan untuk mengetahui temperatur terendah yang

METODE PENELITIAN

Alat Uji

Konstruksi prototipe mesin pendingin adsorpsi intermittent energi surya ditunjukkan pada Gambar 1. Prototipe dilengkapi dengan lampu quartz halogen sebagai sumber energi panas dan simulator energi radiasi matahari untuk pengujian kinerja di dalam ruangan. Terdapat 4 (empat) komponen utama yaitu kolektor/adsorber, kondensor, evaporator dan kotak pendingin. Pasangan adsorben-refrigeran adalah karbon aktif-etanol.

Kotak kolektor surya dengan adsorber di dalamnya berfungsi sebagai medium transfer kalor dari radiasi matahari ke adsorber berdasarkan prinsip efek rumah kaca. Adsorber memiliki fungsi yang sama dengan kompresor pada sistem kompresi uap dimana sirkulasi refrigeran berdasarkan proses desorpsi dan adsorpsi antara karbon aktif dan etanol.

Lampu Quartz

Halogen Kolektor Pressure

/Adsorber gauge

Kondensor Katup Pressure

Pengisian gauge

Katup Pengisian Katup

By-Pass Evaporator Kotak

Katup Pendingin utama

Gambar 1. Prototipe mesin pendingin adsorpsi intermittent energi surya

Proses desorpsi merupakan pelepasan etanol dari karbon aktif di dalam adsorber kondensasi, selanjutnya etanol cair dari kondensor mengalir menuju evaporator.

Sedangkan proses adsorpsi adalah diserapnya etanol kembali ke adsorber yang berasal dari dari penguapan etanol di evaporator. Efek pendingin terjadi pada evaporator dengan menyerap kalor dari media yang didinginkan, dalam hal ini udara di dalam kotak pendingin atau air.

Adsorber terdiri dari susunan pipa di dalam pipa yang terbuat dari tembaga dengan ukuran pipa luar OD 41.3 mm dan pipa dalam OD 19.05 mm. Pipa dalam dibuat berpori berdiameter 2 mm di 4 (empat) kwadran penampang sepanjang longitudinal pipa dan dibungkus dengan wire mesh ukuran 1 mm. Kedua pipa disusun konsentrik dengan karbon aktif berada di antara pipa luar dan pipa dalam. Panjang pipa adsorber adalah 0.42 m berjumlah 10 buah disusun vertikal yang dihubungkan dengan sebuah pipa header OD 41.3 mm pada salah satu ujungnya.

Kotak kolektor terbuat dari pelat baja karbon tebal 1.5 mm, berukuran 0.55 m x 0.55 m x 0.175 m dan diisolasi dengan polyurethane setebal 0.04 m di keliling samping dan 0.06 m di bagian bawah. Seluruh permukaan kolektor/adsorber dicat hitam untuk meningkatkan absorptansi adsorber terhadap radiasi sinar matahari. Kemiringan kolektor adalah 9 menghadap ke utara sesuai dengan posisi lintang di Pulau Bali.

Kondensor menggunakan pipa tembaga OD 19.05 mm disusun vertikal berjumlah 5 buah, panjang masing-masing 0.175 m dan 2 buah pipa header horisontal OD 41.3 mm,

panjang 0.32 m. Luas permukaan perpindahan panas sebesar 0.135 m . Pendinginan kondensor menggunakan hembusan udara alami.

Evaporator berbentuk kotak dengan penampang beralur trapesium terbuat dari pelat

tembaga tebal 1.5 mm. Luas permukaan perpindahan panas 0.115 m . Wadah penampung untuk beban air di bagian bawah evaporator kapasitas 2 liter. Kotak pendingin menggunakan kontainer pendingin minuman berkapasitas 12 liter dengan dimensi 0.275 m x 0.205 m x 0.175 m.

Pengujian di Dalam Ruangan

Langkah-langkah dalam pengujian awal kinerja prototipe mesin pendingin adsorpsi

intermittent energi surya di dalam ruangan meliputi:

Setelah proses integrasi atau perakitan komponen dan sistem bebas dari kebocoran maka dilakukan proses degassing yaitu penghilangan gas-gas yang terikat pada karbon aktif selama proses pembuatan yaitu dengan memanaskan adsorber pada temperatur 150- 200 C sambil dilakukan pemvakuman selama 3 jam. Pemanasan dilakukan menggunakan lampu quartz halogen. Tekanan di adsorber dan evaporator diamati agar tercapai tekanan vakum -76 cmHg. Selanjutnya pengisian etanol dilakukan ke dalam sistem melalui pentil pipa saluran pemvakuman dan diamati keseimbangan akhir tekanan sistem. Jumlah volume etanol yang diisikan sebesar 320 ml.

b) Pengujian Pengujian dilakukan di Laboratorium Instrumentasi dan Kontrol, Jurusan Teknik

Mesin, Politeknik Negeri Bali. Sensor termokopel dipasang pada masing-masing komponen utama sebagai berikut: adsorber (3 buah, yaitu di permukaan pipa di ruas bagian kiri, tengah dan kanan), kondensor (2 buah, yaitu di bagian masukan dan keluaran) dan evaporator (3 buah, yaitu di bagian masukan, permukaan bawah dan air).

Pengukuran tekanan menggunakan pressure gauge vakum yang berjumlah 2 buah dan ditempatkan di dekat adsorber dan evaporator. Pengujian menggunakan sumber panas yang berasal dari cahaya lampu quartz berjumlah 2 buah dengan daya listrik masing-masing 500 W dan diletakkan pada posisi 0.35 m di atas permukaan kaca kolektor. Sedangkan pengukuran jumlah etanol yang bersirkulasi tidak dapat dilakukan karena adanya keterbatasan fabrikasi alat ukur.

Pengujian awal kinerja sistem dilakukan untuk kondisi tanpa beban pendinginan dan dengan beban air sebesar 1 kg. Data-data yang diambil adalah tekanan dan temperatur di adsorber, kondensor dan evaporator yang dicatat setiap 10 menit sekali. Pemanasan selama proses desorpsi dihentikan dengan mematikan lampu setelah temperatur adsorber

rata-rata mencapai sekitar 100 C dan selanjutnya selama proses pendinginan dan adsorpsi kaca penutup kolektor dibuka untuk mempercepat laju pendinginan dan adsorpsi etanol di adsorber serta efek pendinginan di evaporator.

HASIL DAN PEMBAHASAN

antara temperatur dan tekanan adsorber untuk kondisi pengujian tanpa beban pendingin dan dengan beban air 1 kg. Diagram tersebut memperlihatkan bahwa siklus proses desorpsi-kondensasi dan adsorpsi-evaporasi pada sistem sudah berlangsung dengan baik. Pada pengujian tanpa beban pendinginan, temperatur dan tekanan adsorber tertinggi

mencapai 98.3 C dan -63 cmHg, tekanan selama proses desorpsi-kondensasi naik drastis dari -72.5 cmHg dan relatif konstan pada -63 cmHg sedangkan tekanan selama proses adsorpsi-evaporasi menurun berangsur-angsur dan relatif konstan pada -73 cmHg. Sementara itu pada pengujian dengan beban air 1 kg diperoleh bahwa temperatur dan

tekanan adsorber mencapai maksimum pada 100.2 C dan -62.5 cmHg, tekanan saat proses desorpsi-kondensasi meningkat drastis dari -72 cmHg dan relatif stabil pada -62.5 cmHg sedangkan tekanan selama proses adsorpsi-evaporasi menurun perlahan dan mencapai kestabilan pada -72.5 cmHg. Jika dibandingkan dengan konsisi tanpa beban maka operasi sistem dengan beban air akan memerlukan input energi termal yang lebih besar untuk melepaskan gas etanol yang terikat oleh karbon aktif pada adsorber sehingga sesuai dengan kaidah termodinamika maka temperatur dan tekanan gas etanol pada adsorber juga menjadi lebih besar.

Lampu off Lampu on Gambar 2. Siklus pendinginan adsorpsi aktual

Gambar 3. Variasi tekanan adsorber terhadap waktu

Gambar 3 menunjukkan variasi tekanan adsorber sebagai fungsi waktu. Pada pengujian tanpa beban pendinginan tekanan adsorber tertinggi sebesar -63 cmHg relatif stabil selama 40 menit sedangkan pada pengujian dengan beban air 1 kg tekanan adsorber sedikit lebih tinggi dan relatif stabil pada -62.5 cmHg selama kurang lebih 30 menit. Secara teoritis, rentang waktu relatif stabilnya tekanan adsorber untuk kedua kondisi tersebut mengindikasikan bahwa telah berlangsung proses kondensasi gas etanol dari ikatan karbon aktif.

Gambar 4. Variasi tekanan evaporator terhadap waktu

Gambar 4 menunjukkan variasi tekanan evaporator sebagai fungsi waktu. Oleh karena katup di antara kondensor dan evaporator diposisikan terbuka selama pengujian maka profil perubahan tekanan pada evaporator mengikuti adsorber dengan kenaikan tekanan sepanjang jalur pemipaan menjadi sebesar ± 0.5 cmHg pada evaporator. Pada pengujian tanpa beban pendinginan, tekanan evaporator relatif stabil pada -73 cmHg selama 50 menit sedangkan pada pengujian dengan beban air 1 kg, tekanan evaporator sedikit lebih tinggi dan relatif stabil pada -72.5 cmHg selama kurang lebih 80 menit. Dapat diperkirakan bahwa proses penguapan cairan etanol pada evaporator sudah berlangsung pada periode tersebut. Energi termal yang lebih besar pada kondisi dengan beban air 1 kg menyebabkan tekanan evaporator lebih besar dibandingkan dengan tanpa beban pendinginan. Hal ini dipengaruhi oleh kondisi hembusan dan temperatur udara ruangan di sekitar kondensor yang relatif sama selama pengujian.

Gambar 5 menunjukkan perubahan temperatur evaporator sebagai fungsi waktu. Temperatur awal evaporator sebelum dilakukan pengujian untuk kedua kondisi hampir sama sekitar 27- 28

C. Pada pengujian tanpa beban pendinginan, temperatur evaporator mencapai terendah pada 15.3 C dalam waktu 120 menit setelah lampu dimatikan, sedangkan pada pengujian dengan beban air 1 kg, pencapaian temperatur evaporator terendah lebih tinggi yaitu 20.1 C dalam waktu 160 menit ke-220 setelah lampu dimatikan. Dengan adanya massa termal oleh air maka kalor dari air akan diserap oleh evaporator dan efek pendinginan tersimpan lebih lama, sedangkan keseimbangan temperatur evaporator dan air yang terjadi menjadi lebih tinggi jika dibandingkan dengan tanpa adanya beban air.

Gambar 5. Variasi temperatur evaporator terhadap waktu Dari kedua pengujian tersebut terlihat bahwa temperatur terendah evaporator belum mampu mencapai temperatur evaporator untuk aplikasi penyimpanan makanan yaitu sekitar 0 C (Allouhi et al., 2015). Untuk mencapai temperatur evaporator tersebut dibutuhkan tekanan evaporator yang lebih rendah sampai dengan ± -74.5 cmHg. Tidak tercapainya tekanan evaporator tersebut kemungkinan disebabkan oleh jumlah pengisian etanol ke dalam sistem yang kurang tepat sehingga tekanan sistem dalam kesetimbangan naik. Salah satu kemungkinan lain adalah laju penyerapan gas etanol oleh karbon aktif di adsorber berjalan sangat lambat karena jumlah pori di pipa bagian dalam adsorber sebagai laluan gas etanol masih kurang banyak. Di samping itu jumlah gas etanol yang bisa ditangkap oleh karbon aktif pada adsorber atau dengan kata lain kapasitas adsorpsi dari pasangan karbon aktif granular-etanol yang digunakan pada prototipe ini kemungkinan jauh lebih kecil dibandingkan dengan kapasitas adsorpsi oleh Tiansuwan et

al . (1998) yang digunakan sebagai basis dalam perhitungan rancangan prototipe.

SIMPULAN

Beberapa hal yang dapat disimpulkan dari makalah ini adalah sebagai berikut:

1. Perubahan temperatur dan tekanan adsorber selama siklus adsorpsi menunjukkan bahwa proses desorpsi-kondensasi dan adsorpsi-evaporasi pada sistem sudah berlangsung dengan baik dan mendekati profil siklus pendingin adsorpsi idealnya dimana proses kondensasi dan evaporasi terjadi pada tekanan adsorber dan tekanan evaporator yang relatif konstan.

2. Temperatur dan tekanan adsorber tertinggi pada pengujian tanpa beban pendinginan mencapai 98.3

C dan -63 cmHg, tekanan selama proses desorpsi-kondensasi naik drastis dari -72.5 cmHg dan relatif konstan pada -63 cmHg sedangkan tekanan selama proses adsorpsi-evaporasi menurun berangsur-angsur dan relatif konstan pada -73 cmHg. Sementara itu pada pengujian dengan beban air 1 kg diperoleh bahwa temperatur dan tekanan adsorber mencapai maksimum pada 100.2

C dan -62.5 cmHg, tekanan saat proses desorpsi-kondensasi meningkat drastis dari -72 cmHg dan relatif perlahan dan mencapai kestabilan pada -72.5 cmHg.

3. Tekanan adsorber tertinggi sebesar -63 cmHg relatif stabil selama 40 menit pada pengujian tanpa beban pendinginan sedangkan pada pengujian dengan beban air 1 kg tekanan adsorber sedikit lebih tinggi dan relatif stabil pada -62.5 cmHg selama kurang lebih 30 menit.

4. Tekanan evaporator relatif stabil pada -73 cmHg selama 50 menit pada pengujian tanpa beban pendinginan sedangkan pada pengujian dengan beban air 1 kg, tekanan evaporator sedikit lebih tinggi dan relatif stabil pada -72.5 cmHg selama kurang lebih 80 menit.

5. Temperatur terendah yang mampu dicapai oleh evaporator untuk kondisi tanpa beban pendinginan adalah sebesar 15.3 C dalam waktu 120 menit setelah lampu dimatikan dan 20.1 C untuk kondisi dengan beban air 1 kg dalam waktu 160 menit setelah lampu dimatikan.

DAFTAR PUSTAKA

Alghoul, M.A., Sulaiman, M.Y., Azmi, B.Z. dan Wahab, MAbd. (2007). Advances on multi-purpose solar adsorption systems for domestic refrigeration and water heating.

Applied Thermal Engineering, 27 : 813–822.

Allouhi, A., Kousksou, T., Jamil, A., El Rhafiki, T. Mourad, Y. dan Zeraouli, Y. (2015).

Optimal working pairs for solar adsorption cooling applications. Energy, 79:235-247. Attan, D., Alghoul, M.A., Saga, B.B., Assadeq, J., Sopian, K. (2011). The role of activated carbon fiber in adsorption cooling cycles. Renewable and Sustainable

Energy Reviews, 15 :1708-1721.

DEN. (2016). Outlook Energi Indonesia 2016, Sekretariat Jendral Dewan Energi Nasional, Kementerian Energi Sumber Daya Mineral (KESDM). Fernandes, M.S., Brites, G.J.V.N., Costa, J.J., Gaspar, A.R., Costa, V.A.F. (2014).

Review and future trends of solar adsorption refrigeration systems. Renewable and Sustainable Energy reviews, 39 :102-123. Li, M., Huang, H.B., Wang, R.Z., Wang, L.L., Cai, W.D., Yang, W.M. (2004).

Experimental study on adsorbent of activated carbon with refrigerant of methanol and ethanol for solar ice maker. Renewable Energy, 29:2235-2244. Matias, D.M. (2011). Low-carbon development in South East Asia, Bonn, West Germany: Germanwatch e.V. Sur, A., & Das, R.K. (2010). Review on solar adsorption refrigeration cycle. Int J Mech Eng Technol, 1(1) :190-226. Telto, Z.T., & Critoph, R.E. (1997). Adsorption refrigerator using monolithic carbon- Tiansuwan, J., Hirunlabh, J. dan Kiatsiriroat, T. (1998). Mathematical model of an activated carbon-ethanol refrigerator. Int J Sci Technol, 3(1):66-71. Wang, R.Z., & Oliveira, R.G. (2006). Adsorption refrigeration-an efficient way to make good use of waste heat and solar energy. Prog Energy Combust Sci, 32(4):424-458.

PENGUJIAN AWAL PROTOTIPE MESIN PENDINGIN ADSORPSI INTERMITTENT ENERGI SURYA