Komponen - komponen Mesin Pendingin Siklus Adsorpsi 1. Kolektor surya tipe plat datar

TINJAUAN PUSTAKA

2.5. Komponen - komponen Mesin Pendingin Siklus Adsorpsi 1. Kolektor surya tipe plat datar

Kolektor surya merupakan tipe alat penukar kalor yang dapat mengubah energi

pada industri tertentu seperti pengeringan [41]. Khusus untuk sistem pendingin adsorpsi agar kolektor mampu bekerja secara optimum maka pada saat penyinaran atau proses desorpsi maka komponen ini harus mampu menghasilkan temperatur kolektor yang maksimum. Namun di saat proses penyinaran selesai, kolektor ini harus mampu mencapai temperatur yang serendah mungkin untuk membuat proses adsorpsi berlangsung sempurna. Dengan kata lain, pada saat proses desorpsi di siang hari maka kerugian kalor yang dilepaskan kolektor harus seminimal mungkin. Tetapi pada saat proses adsorpsi di malam hari maka kolektor harus mampu melepaskan kalor semaksimum mungkin.

Kolektor surya yang digunakan pada penelitian ini adalah tipe plat datar (flat plate collector). Keuntungan utama dari kolektor surya tipe plat datar adalah dengan

memanfaatkan kedua komponen radiasi matahari yaitu melalui sorotan langsung dan sebaran serta desainnya yang sederhana dengan sedikit memerlukan perawatan dan biaya pembuatan yang murah serta umumnya digunakan pada mesin pendingin adsorpsi tenaga matahari [42, 43]. Umumnya kolektor jenis ini digunakan untuk memanaskan ruangan di dalam rumah, pengkondisian udara, dan proses-proses pemanasan dalam industri.

Kaca Penutup

Kayu Styrofoam Rockwoll

Plat adsorber

Qdinding

Qradiasi

Qbawah

Qatas

Celah udara

Gambar 2.6. Penampang kolektor yang digunakan

Prinsip kerja dari kolektor surya tipe plat datar adalah dengan menyerap energi radiasi matahari dan memindahkan radiasi matahari tersebut ke adsorben yang terdapat di dalam kolektor. Radiasi matahari yang jatuh pada kaca penutup sebagian akan langsung dipantulkan, sebagian akan diserap, dan sebagian lagi akan diteruskan ke plat permukaan kolektor. Radiasi yang sampai pada permukaan plat akan diserap oleh plat kolektor. Panas yang diserap oleh plat kolektor digunakan untuk memanaskan adsorben yang terdapat di dalam kolektor. Akibat panas yang diterima dari permukaan kolektor maka adsorbat atau refrijeran yang melekat pada permukaan adsorben akan terpisah dan mengalir menuju kondensor untuk mengalami proses kondensasi. Untuk mengurangi kerugian panas dari sisi dinding maka kolektor surya tersebut diisolasi dengan menggunakan bahan isolator yaitu kayu, styrofoam dan

gambar 2.6. Persamaan yang digunakan untuk mendapatkan efisiensi kolektor surya dapat diuraikan sebagai berikut [9, 44].

a. Menentukan nilai koefisien konveksi pada permukaan luar (h₁)

Untuk menentukan nilai koefisien konveksi pada permukaan luar (h1) maka parameter pertama yang ditentukan dahulu adalah besarnya temperatur film dimana ;

2 T T_f T^L  ^s



(2.16) Dengan menggunakan tabel termodinamika maka akan diketahui sifat fisik udara pada temperatur film tersebut.

Untuk mendapatkan koefisien konveksi pada suatu permukaan yang berlangsung secara konveksi alamiah maka diperlukan beberapa parameter seperti bilangan Grasshof, bilangan Rayleigh dan bilangan Nusselt.

- Menghitung bilangan Grasshof

Bilangan Grasshof dihitung dengan menggunakan persamaan :

3 s

y ) T β(T ρ g

Gr   ^

(2.17)

dimana nilai µ dan  diperoleh dari tabel termodinamika berdasarkan kondisi temperatur udara lingkungan.

- Menghitung bilangan Rayleigh (RaL)

Ra_L = Gr_L x Pr (2.18) - Menghitung bilangan Nusselt (Nux)

N_ux = 0,59 x Ra_L0,25

(2.19) Bentuk persamaan untuk mendapatkan bilangan Nusselt adalah:

k l . Nu_x  h¹

(2.20) Diperoleh besarnya koefisien konveksi h1 adalah sebagai berikut :

l k . h₁  Nu^x

(2.21) b. Menghitung koefisien konveksi permukaan dalam (h2)

Besarnya koefisien konveksi melalui udara dalam kolektor terhadap permukaan plat h2 dapat diketahui dengan mengetahui temperatur udara di dalam kolektor dan temperatur permukaan plat kolektor. Proses yang terjadi berlangsung secara konveksi alamiah sehingga persamaan yang digunakan sama seperti persamaan-persamaan untuk menentukan koefisien konveksi permukaan luar.

c. Menghitung kehilangan panas pada bagian dinding kolektor

Kehilangan panas pada satu sisi dinding kolektor dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :

dengan faktor koefisien kehilangan panas pada permukaan luar :

1 1.A h

(2.23) faktor koefisien kehilangan panas pada permukaan kayu :

2 faktor koefisien kehilangan panas pada permukaan rockwool :

3 faktor koefisien kehilangan panas pada permukaan plat adsorber :

4 faktor koefisien kehilangan panas pada permukaan dalam :

4 2.A h

(2.28) Sehingga besarnya kehilangan panas total pada kedua dinding kolektor adalah sebagai berikut : d. Menentukan kehilangan panas pada sisi bagian bawah kolektor

Pada sisi bagian bawah kolektor dilakukan isolasi untuk meminimalisir kalor yang keluar dari sisi tersebut dimana hal ini tergantung dari bahan isolator yang digunakan.

Besarnya kehilangan kalor pada sisi bagian bawah dapat ditentukan dari persamaan :

 e. Perhitungan kehilangan kalor pada sisi bagian atas kolektor

Ada beberapa parameter yang diperlukan untuk menentukan kehilangan kalor pada sisi bagian atas kolektor diantaranya luas permukaan perpindahan panas, temperatur udara, termperatur permukaan kolektor dan kecepatan angin. Kecepatan angin digunakan untuk menentukan koefisien perpindahan panas angin sehingga nantinya dapat diperoleh koefisien perpindahan panas total. Besarnya kehilangan kalor yang terjadi pada sisi bagian atas kolektor dapat ditentukan dari persamaan :

Qatas = U x A x (Tp – Ta) .(2.31)

dimana koefisien perpindahan panas angin dapat dihitung dari persamaan

0,4 Besarnya faktor empiris 1 diperoleh dari

f = (1 - 0,04 x hw + 0,0005 hw2

) x (1 + 0,091 x N) (2.34) dan faktor empiris 2 adalah

C = 365,9 x (1 - 0,00883 x  + 0,0001298 x ²) (2.35) f. Menentukan kehilangan kalor radiasi

Selanjutnya ditentukan jumlah kalor yang hilang secara radiasi pada bagian permukaan yang dapat ditentukan dari persamaan:

 g. Menentukan kehilangan kalor total

Kehilangan kalor total pada komponen kolektor surya tipe plat datar dapat ditentukan dari

Qtotal = Qdinding + Qbawah + Qatas + Qradiasi (2.37) h. Menentukan efisiensi kolektor surya

Dengan mengetahui parameter-parameter yang telah dijelaskan sebelumnya maka dapat ditentukan besarnya efisiensi kolektor surya dengan menggunakan persamaan [45, 46]: dengan besarnya energi kalor yang digunakan didapatkan dari

Qb = F’ x (Qmasuk - Qtotal) (2.39) Q_masuk = I . A . τ . α (2.40) Nilai τ menyatakan besarnya absorptivitas plat kolektor yang berwarna hitam sebesar 0,98, sedangkan faktor efisiensi kolektor (F’) untuk kolektor tipe plat datar adalah 90%.

2.5.2. Kondensor

Fungsi kondensor adalah mengubah fasa refrijeran metanol dari uap menjadi cair.

Proses perpindahan panas yang terjadi adalah secara konveksi alamiah. Oleh karena

kondensor diharapkan membuang kalor sebesar-besarnya, maka diupayakan kondensor ini tidak terkena radiasi matahari dengan membuat posisi kondensor berada di bawah kolektor.

Kondensor tersebut harus berada di atas evaporator karena fluida refrijeran akan turun ke evaporator akibat gaya berat. Untuk menambah luas bidang perpindahan panas maka pada kondensor ini dipasang sirip (fin). Untuk mengetahui besarnya nilai kalor yang dibuang selama proses kondensasi secara konveksi alami maka perlu diketahui beberapa parameter diantaranya temperatur kondensor saat masuk dan temperatur kondensor saat keluar menuju evaporator.

Dengan mengetahui temperatur kondensor saat masuk dan temperatur kondensor saat keluar menuju evaporator maka akan diperoleh temperatur rata-rata kondensor.

Besarnya nilai temperatur film dapat dhitung dari persamaan:

2 T T_f T^kondensor  ^udara



Dengan menggunakan tabel sifat udara pada temperatur film maka dapat diperoleh nilai parameter konduktivitas termal (W/mK), viskositas dinamik (m²/s), koefisien ekspansi (1/K) dan bilangan Prandtl.

Persamaan-persamaan yang berlaku pada proses perpindahan panas di kondensor adalah sebagai berikut [47, 48].

- Menentukan bilangan Rayleigh

Perlu diketahui bahwa kondensor yang digunakan terdiri dari pipa yang disusun

Besarnya bilangan Rayleigh pada pipa vertikal dapat ditentukan dengan bilangan Prandtl, µ adalah viskositas dinamik (m²/s) dan L adalah panjang pipa vertikal (m).

Besarnya bilangan Rayleigh pada pipa horizontal dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan:

dimana D merupakan diameter pipa yang tersusun secara horizontal.

Untuk menentukan bilangan Rayleigh pada sirip (fin) yang dipasang pada kondensor dengan cara

2 r

dimana As adalah luas penampang sirip (m²) dan p adalah perimeter sirip (m).

- Menentukan bilangan Nusselt

Besarnya bilangan Nusselt untuk pipa yang tersusun secara vertikal adalah

Besarnya bilangan Nusselt untuk pipa yang tersusun secara horizontal adalah

Besarnya bilangan Nusselt untuk sirip dari kondensor adalah

N_UL= 0,54 R_aL^1/6 (2.46) - Menentukan jumlah kalor yang dilepaskan secara konveksi alami

Besarnya kalor yang dilepaskan akibat proses kondensasi secara konveksi alami pada pipa vertikal adalah sebagai berikut:

Q_horizontal = h A_v (T_k - T_) (2.47) dimana nilai koefisien perpindahan panas konveksi ditentukan dari

NuL

h  k (2.48)

Besarnya kalor yang dilepaskan akibat proses kondensasi secara konveksi alami pada pipa horizontal adalah sebagai berikut:

Q_vertikal = h A_h (T_k - T_) (2.49) dimana nilai koefisien perpindahan panas konveksi ditentukan dari

Untuk pemasangan sirip pada kondensor maka besarnya kalor yang dilepaskan selama proses kondensasi adalah

Qsirip = h As (Tk - T) (2.51) dimana nilai koefisien perpindahan panas konveksi ditentukan dari

A N p .

h k (2.52)

Besarnya jumlah kalor total yang dilepaskan selama proses kondensasi adalah

Qtotal = Qvertikal + Qhorizontal + Qsirip (2.53)

2.5.3. Evaporator

Komponen evaporator pada mesin pendingin adsorpsi tenaga surya ini berfungsi juga sebagai wadah refrijeran. Di sini wadah dari refrijeran metanol dibuat berada di atas air yang didinginkan dan dipisahkan oleh plat stainless steel. Proses perpindahan panas yang terjadi di evaporator dapat diuraikan sebagai berikut [47].

Besarnya jumlah kalor sensibel yang diserap oleh plat evaporator adalah

Q_ev = m_ev xC_pex T (2.54) dimana m_ev adalah massa evaporator (kg), C_pe adalah kapasitas kalor jenis plat evaporator (kJ/kg.^oC) dan T merupakan beda temperatur plat maksimum dengan temperatur plat minimum (^oC).

Media yang didinginkan pada pengujian ini adalah air, sehingga kalor yang dihitung adalah besarnya kalor sensibel dari air.

Jumlah kalor sensibel yang diperlukan untuk menurunkan temperatur air dari temperatur maksimum ke temperatur minimum adalah

Qair = Vair x air x Cp-air x (Tair-max - Tair-min) (kJ) (2.55) Besarnya jumlah kalor sensibel yang diserap oleh refrijeran metanol dari dinding evaporator adalah:

Qs - m = Vm x m x Cpm x (Tp max - Tp min) (kJ) (2.56) Besarnya jumlah kalor laten yang diperlukan oleh refrijeran metanol yang menguap adalah

QL - m = Vm-L x m x hfm (kJ) (2.57) dimana Vm-L adalah volume metanol yang menguap, m adalah kerapatan metanol (kg/m³) dan h_fm adalah kalor laten penguapan dari metanol (1155 kJ/kg).

Besarnya jumlah kalor total yang diperlukan dalam proses penurunan temperatur air maksimum ke temperatur air minimum adalah :

Qtotal = Qev + Qair + Qs - m (kJ) (2.58) Nilai efektivitas evaporator merupakan perbandingan antara energi total untuk menurunkan temperatur air dari temperatur maksimum ke temperatur minimum dengan jumlah kalor laten yang diserap metanol selama proses penguapan atau

eva = Qtotal / QL-m (2.59)

Dalam dokumen MESIN PENDINGIN SIKLUS ADSORPSI TENAGA SURYA DENGAN MENGGUNAKAN ADSORBEN ALTERNATIF DAN ADSORBAT METANOL D I S E R T A S I. Oleh (Halaman 47-59)