TINJAUAN PUSTAKA
2.4. Mesin Pendingin Siklus Adsorpsi
Kebutuhan terhadap sistem pendingin dan proses refrijerasi cukup meningkat di seluruh dunia saat ini. Hampir 1,5 milyar peralatan sistem pendingin saat ini beroperasi di seluruh dunia dan lebih dari 95 juta terdapat pada bidang industri dan transportasi. Peralatan-peralatan pendingin tersebut mengkonsumsi 10 hingga 30%
kebutuhan energi dunia dengan kecenderungannya semakin meningkat setiap tahun [18]. Saat ini sangat diperlukan sistem pendingin yang dapat mengurangi konsumsi energi dunia dan salah satu diantaranya adalah sistem pendingin adsorpsi. Sistem pendingin adsorpsi merupakan sebuah metode pendinginan yang hemat energi dan ramah lingkungan yang dapat memanfaatkan energi termal yang bersifat low grade [19, 20]. Sistem refrijerasi dengan menggunakan konsep siklus adsorpsi ini telah menarik minat para peneliti dan mengalami peningkatan sejak tahun 1990-an.
Keuntungan dari mesin pendingin adsorpsi yang digerakkan oleh tenaga surya adalah ketiadaan bagian-bagian yang berputar sehingga tidak menimbulkan keributan, perawatan sederhana, tidak menimbulkan masalah korosi, ramah lingkungan, dan sebagai alternatif untuk membantu kehidupan manusia terutama di daerah yang tidak terjangkau listrik [21, 22]. Proses adsorpsi merupakan suatu fenomena permukaan dimana inti dari proses adsorpsi biasanya suatu medium padat berpori yang menyediakan permukaan yang sangat luas dan volume pori yang besar sehingga memiliki kapasitas adsorpsi yang besar [23, 24]. Untuk siklus adsorpsi, medium yang digunakan sebagai pengadsorpsi (adsorbent) dapat dibagi menjadi dua bagian utama, yaitu adsorpsi fisik (physical adsorption) dan adsorpsi kimia (chemical adsorption) [25]. Adsorpsi fisik disebabkan oleh gaya Van der Walls antara molekul adsorben dan
adsorbat [26, 27]. Adsorben ini dapat menyerap adsorbat karena memiliki porositas yang tinggi, dan menempatkannya dalam pori-porinya. Adsorpsi kimia disebabkan oleh reaksi kimia antara adsorben dan adsorbat. Transfer elektron, pembentukan dan pemutusan ikatan kimia selalu terjadi pada adsorpsi kimia [28].
Adsorben fisik yang umum digunakan pada refrijerasi adsorpsi adalah adalah karbon aktif butiran (granular activated carbon), karbon aktif fiber (activated carbon fiber), silika gel, dan zeolit [29]. Karbon aktif dibuat dari material yang banyak mengandung karbon antara lain dari kayu, batubara, limbah penyulingan minyak, dan cangkang kelapa. Sebagai refrijeran atau adsorbat, pasangan yang umum untuk karbon aktif adalah metanol, etanol, amonia, dan air [30, 31]. Umumnya digunakan refrijeran metanol dengan pertimbangan antara lain mudah diperoleh, relatif murah, kalor penguapan yang relatif tinggi, titik didih yang rendah dan mempunyai sifat adsorpsi yang baik dengan karbon aktif [32]. Sebagai langkah awal telah dilakukan studi literatur hasil-hasil penelitian tentang pasangan karbon aktif dan metanol sebagai siklus refrijerasi yang telah dipublikasikan secara internasional. Sistem mesin pendingin siklus adsorpsi terdiri dari kolektor, kondensor, dan evaporator. Komponen dari mesin pendingin adsorpsi tenaga surya dapat dilihat pada gambar 2.4.
Evaporator Kondensor
Katup
Refrijeran
Air
Kotak diisolasi Proses Desorpsi
Evaporator Kondensor
Katup
Refrijeran
Es
Proses Adsorpsi
konveksi alamiah
Siang hari Malam hari
Gambar 2.4. Komponen mesin pendingin adsorpsi tenaga surya
Di dalam kolektor diisi dengan adsorben yang massa optimumnya berkisar 20 - 26 kg/m2 [33]. Kolektor ini harus tertutup, tidak tembus udara luar dan memiliki pipa penghubung yang menjadi laluan refrijeran masuk dan keluar dari kolektor. Secara ringkas maka prinsip kerja proses desorpsi dan adsorpsi dapat dijelaskan pada siklus pendingin adsorpsi seperti tampak pada gambar 2.5.
1
Desorpsi
Pevap
2 3
4
Pkond
Ln P
-1/T
T1 T4 T3
Adsorpsi
T2
Gambar 2.5. Siklus mesin pendingin adsorpsi
Keterangan ringkas dari siklus mesin pendingin adsorpsi adalah sebagai berikut.
1. Proses pemanasan (heating) dari titik 1 ke titik 2
Pada kondisi ini, adsorben yang terdapat di dalam kolektor dipanaskan oleh radiasi surya hingga tekanannya mencapai tekanan uap adsorbat sehingga memungkinkan terjadinya pelepasan uap adsorbat dari permukaan adsorben.
2. Proses desorpsi dari titik 2 ke titik 3
Pada proses desorpsi, setelah kondisi titik 2 tercapai maka penambahan panas dari radiasi surya menyebabkan terjadinya pelepasan uap adsorbat.
Selanjutnya adsorbat dalam fasa uap mengalami proses kondensasi di kondenser dan masuk menuju ke evaporator.
3. Proses pendinginan (cooling) dari titik 3 ke titik 4
Pada proses pendinginan, tingkat intensitas radiasi surya mengalami penurunan. Hal ini menyebabkan tekanan maupun temperatur kolektor dan adsorben yang terdapat di kolektor ikut menurun. Proses pendinginan ini terjadi secara konveksi alamiah dan dipengaruhi oleh kondisi udara lingkungan.
4. Proses adsorpsi dari titik 4 ke titik 1
Pada kondisi malam hari, tekanan dan temperatur kolektor serta adsorben semakin menurun hingga tekanannya mencapai tekanan uap adsorbat sehingga membuat adsorben akan menyerap adsorbat kembali. Hal ini akan dimulainya proses adsorpsi. Pada proses adsorpsi, cairan adsorbat yang ada di dalam evaporator akan mengalami proses penguapan. Dalam proses penguapan tersebut maka adsorbat menyerap kalor yang terdapat pada dinding evaporator sebesar kalor latennya. Hal ini menyebabkan terjadinya proses pendinginan (cooling effect) di komponen evaporator. Pada hari berikutnya proses ini akan berulang kembali.
Dengan menggunakan siklus adsorpsi ini, penelitian yang menggunakan pasangan karbon aktif komersial dan metanol sebagai refrijeran yang digerakkan oleh energi matahari telah dipublikasikan dalam beberapa jurnal ilmiah.
Menurut [34, 35] bahwa Pons dan Guillminot merupakan pelopor penelitian di bidang ini yang melakukan perancangan dan pengujian mesin pembuat es yang digerakkan tenaga matahari. Kolektor yang digunakan adalah tipe plat datar dengan luas bidang penyerapan 6 m2 yang mengandung 130 kg karbon aktif dan metanol sebagai refrijeran sebanyak 18 liter. Pada kondisi sinar matahari yang baik dan lokasi
pengujian ada di daerah Orsay, Perancis dimana mereka mengklaim dapat menghasilkan 30 - 35 kg es per hari. Peneliti [36] melakukan pengujian performansi dan analisis mesin pembuat es dengan menggunakan solar kolektor tipe dua plat datar dengan total luas penampang 1,5 m2. Kolektor diisi dengan karbon aktif dan metanol sebagai refrijeran. Pengujian dilakukan di laboratorium dan sinar matahari disimulasikan dengan menggunakan lampu quartz. Dengan total radiasi dari lampu sebesar 28-30 MJ dapat dihasilkan 7-10 kg es. Peneliti [37] melakukan penelitian di Cairo, juga menggunakan pasangan karbon aktif produk lokal dan metanol serta melakukan modifikasi pada kolektor. Hasil yang didapatkan adalah 6,9 kg es /m2 pada musim dingin dan 9,4 kg es /m2 pada musim panas. Kemudian peneliti [38]
melakukan pengembangan mesin pembuat es tanpa menggunakan katup. Kolektornya adalah tipe plat datar dengan luas 1 m2 dan mengandung 19 karbon aktif yang diproduksi di China. Dengan kapasitas penyinaran sebesar 18-22 MJ/m2 diperoleh es sebanyak 5 kg. Peneliti [39, 40] melakukan riset siklus refrijerasi adsorpsi yang bertujuan untuk mengetahui pengaruh kompresi termal satu tingkat dan dua tingkat terhadap performansi mesin pendingin dimana pada penelitian ini digunakan adsorben karbon aktif dan refrijeran HFC-134a.
2.5. Komponen - komponen Mesin Pendingin Siklus Adsorpsi