BAB III METODOLOGI PENELITIAN
3.6. Langkah Pembuatan Mesin Pendingin Adsorpsi
3.6.2. Pembuatan Kotak Insulasi Evaporator
Langkah-langkah dalam pembuatan kotak insulasi evaporator pada penelitian ini adalah sebagai berikut :
1. Siapkan triplek, styrofoam, busa hitam, busa kft, rockwool dan aluminium foil.
2. Bentuk kotak dengan menggunakan triplek.
3. Masukkan material insulasi kedalam kotak sesuai dengan ukuran yang telah direncanakan.
4. Bungkus material insulasi dengan aluminium foil.
Gambar 3.18. Kotak Insulasi Evaporator
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Perancangan Evaporator
Evaporator dalam sistem refrigerasi merupakan alat penukar kalor yang sangat penting dalam siklus refrigerasi yaitu untuk mendinginkan dan untuk membebaskan panas dari fluida seperti udara,air atau beberapa benda yang lain.
Di dalam evaporator terdapat cairan metanol akan menguap pada saat temperatur adsorben naik pada saat pemanasan adsorben. Metanol akan mencair di kondensor dan cairannya akan terkumpul kembali didalam evaporator, dan malam hari temperatur adsorben akan turun secara perlahan-lahan dan akan menyerap metanol.
Didalam penelitian ini perancangan luas evaporator dilakukan untuk mendapatkan panjang dan lebar evaporator sebagai wadah proses refigerasi.
Berikut ini adalah perhitungan dimensi evaporator pada perancangan:
Luas penampang evaporator:
Volume coldbox:
Vcoldbox = p × l × t = 100 × 100 × 50 = 500000 mm3
= 0,5 L
Jadi volume metanol pada evaporator, Vevap total = Vevap − Vcoldbox = 4,046 L − 0,5 L = 3,546 L
Berikut ini merupakan bentuk evaporator yang telah di rancang:
Gambar 4.1. Evaporator
Spesifikasi Evaporator:
a. Material : Aluminium
b. Tebal : 3 mm
c. Dimensi : 170 mm × 170 mm × 240 mm
d. Dimensi pipa : 19 mm × 100 mm (3/4") e. Jumlah pipa : 3 Buah
f. Volume maksimum : 3,5 𝑑𝑚3
4.2 Perancangan Wadah Air (Coldbox)
Berikut merupakan bentuk dan dimensi dari wadah air yang digunakan dalam penelitian ini :
Gambar 4.2. Wadah Air (Coolbox)
Spesifikasi Wadah Airr:
a. Material : Aluminium
b. Tebal : 2 mm
c. Volume : 0,5 𝑑𝑚3
d. Dimensi luar : 100 mm × 100 mm × 50 m
4.3 Perancangan Kotak Insulasi Evaporator
Berikut merupakan bentuk dan dimensi dari kotak insulasi evaporator yang digunakan dalam penelitian ini :
Gambar 4.3. Kotak Insulasi Evaporator
Gambar 4.4. Ruang Bagian Dalam Kotak Insulasi Evaporator
Gambar 4.5. Kotak Insulasi Evaporator Bagian Atas Busa Hitam Styrofoam
Triplek Busa kft
Spesifikasi Kotak Insulasi Evaporator Bagian Atas :
a. Dimensi luar : 326 mm × 326 mm × 296 mm b. Tebal styrofoam : 30 mm
c. Tebal busa hitam : 20 mm d. Tebal busa kft : 30 mm e. Tebal triplek : 8 mm
4.4 Perhitungan Termodinamika
Analisis termodinamika sebuah sistem adsorpsi, tetap menggunakan prinsip-prinsip penerapan hukum kekekalan massa dan hukum kekekalan energi. Intinya adalah menndapatkan entalphy dimasing-masing titik. Pada siklus ini tidak menngunakan kompresor, jika tidak ada kalor yang hilang pada evaporator penerapan hukum pertama pada masing-masing komponen akan memberikan:
Qe= mr. (h1-h4)
Dimana Q (kW) adalah laju aliran panas, mr (kg/s) adalah laju aliran refrijeran dan h (kJ/kg) adalah entalpi pada masing-masing titik. Pada katup ekspansi jika dianggap ekspansi yang terjadi adalah adiabatik maka entalpinya akan sama yaitu h4=h3. Entalpi dapat ditentukan pada masing-masing titik dengan menggunakan tabel properties refrijeran metanol yang tercantum dalam lampiran.
Gambar 4.6 Diagram P-h
Dimana;
Qev : laju aliran panas pada evaporator (kW) Qa : laju aliran panas pada kompresor (kW) Qg : laju aliran panas pada adsorber (kW) Qkd : laju aliran panas pada kondensor (kW)
Panas yang digunakan untuk menjalankan siklus dapat berupa sumber panas kompresor) yang temperaturnya kurang dari 200˚C [21]. Dalam rancangan ini, suhu pendinginan yang diharapkan adalah berkisar 0-8˚C (evaporator) dan penentuan temperatur kondensasi untuk memperingan beban evaporator dalam menguapkan refrijeran. Beban evaporator yang di rancang adalah sebesar 100 W, dimana suhu pada setiap titik diasumsikan sebagai berikut:
Temperatur evaporasi, Te = 0˚C Temperatur kompresor, Ta = 80˚C Temperatur adsorber, Tg = 40˚C Temperatur kondensasi, Tkd = 35C
Dari suhu tersebut maka dapat dihitung nilai entalphi pada setiap titik, menggunakan lampiran dengan cara menginterpolasi .
h,1 = 1210 kJ/kg h,2 = 1084,4 kJ/kg h,3 = h,4 kJ/kg h,4 = 11673 kJ/kg
Menghitung laju aliran massa di evaporator
𝑄e= 𝑚̇ . (h1̇ −ℎ4) 𝑚̇= 𝑄𝑒
ℎ1−ℎ4
= 0,1
1210−1163
= 2,127 . 10-3 kg/s
Besar laju aliran massa pada titik 1,2,3,dan 4 adalah sama.
4.5. Refrijeran Metanol
Laju aliran massa ( m) = 0,14373 kg/s
Temperatur masuk (𝑇𝑖𝑛) = 65℃ (diasumsikan) Temperatur keluar (T𝑜𝑢𝑡) = 35℃ (diasumsikan) Temperatur rata rata sesuai dengan persamaan
T𝑟 = 𝑇𝑖𝑛+T𝑜𝑢𝑡
Sifat metanol pada suhu 50℃.
μ𝑣 =0,000010335 Pa.s
Menghitung laju aliran perpindahan panas pada evaporator:
Pada aliran internal
Luas aliran fluida pada persamaan 2.8
𝐴i𝑎 =π
4 𝐷𝑖2 =π
4 (0,017)2 =2,26. 10−4 m2
Bilangan Reynold pada persamaan 2.6
R𝑒 = Di.mr
μ.Ai
R𝑒 = 0,017.0,14373 0,000010335.2,26
R𝑒=534,311
Pada aliran eksternal
Dengan asumsi kecepatan angin 1 m/s V = ST 4.6. Beban Pendingin Evaporator
Dalam penelitian ini, target metanol hasil dari desorpsi dan adsorpsi yang dihasilkan sebesar 3 liter dalam pengujian satu hari dari pukul 08.00-17.00 dan 17.00-08.00 WIB.
Kalor sensibel yang diperlukan oleh metanol untuk menurunkan suhunya hingga mencapai suhu terendah dihitung dengan rumus:
𝑄𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = 𝑉𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 ρ𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 𝐶𝑝 ∆𝑇 Diasumsikan temperatur pada evaporator :
𝑇𝑖𝑛 = 65℃
T𝑜𝑢𝑡 = 35℃
𝑄𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = 𝑚𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 𝐶𝑝 ∆𝑇
𝑄𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = 2,37kg x 2530 J/kgK (65-35) = 179883 J
Kalor sensibel yang diserap oleh methanol dari air dapat dihitung dengan rumus:
𝑄𝑎𝑖𝑟 = 𝑉𝑎𝑖𝑟 𝜌𝑎𝑖𝑟 𝐶𝑝 ∆𝑇
= 69 ml x 1000 kg/ 𝑚3 x 4180 J/kg℃ (65-35) 𝑄𝑎𝑖𝑟 = 8652,6 J
Kalor sensibel yang diserap oleh permukaan plat alumunium evaporator dapat dihitung dengan rumus:
𝑄𝐴𝑙 = 𝑚𝑎𝑙𝑢𝑚𝑢𝑛𝑖𝑢𝑚 C𝑝 ∆T 𝑄𝐴𝑙 = 2 (900) (65-35) 𝑄𝐴𝑙 = 54000 J
Diasumsikan metanol yang menguap sebesar 1 liter
Untuk mengubah 1 liter metanol maka dibutuhkan energi (𝑄𝐿) sebesar:
Diketahui kalor laten untuk metanol L=1168 kJ/kg
𝑄𝐿 = 𝐿𝑒 𝑥 𝑚
𝑄𝐿 = (1168 kJ/kg) (1 liter) (0,79 kg/l) 𝑄𝐿= 922,72 J
Jadi total kalor yang terpakai pada evaporator sebesar 𝑄𝑡𝑒𝑟𝑝𝑎𝑘𝑎𝑖 = 𝑄𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 + 𝑄𝑎𝑖𝑟 + 𝑄𝐴𝑙
𝑄𝑡𝑒𝑟𝑝𝑎𝑘𝑎𝑖 = 179883 + 8652,6 J + 54000 𝑄𝑡𝑒𝑟𝑝𝑎𝑘𝑎𝑖 = 270968,4 J
Jadi total kalor penguapan pada evaporator sebesar 𝑄𝑝𝑒𝑛𝑔𝑢𝑎𝑝𝑎𝑛= 922,72 J
4.7 Efektifivitas Evaporator
Effisiensi yang didapat dari perancangan didapatkan sebesar:
η𝑒𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑡𝑜𝑟 = 𝑄𝑡𝑒𝑟𝑝𝑎𝑘𝑎𝑖
𝑄𝑝𝑒𝑛𝑔𝑢𝑎𝑝𝑎𝑛
= 𝑄𝑡𝑒𝑟𝑝𝑎𝑘𝑎𝑖
𝑄𝑝𝑒𝑛𝑔𝑢𝑎𝑝𝑎𝑛
= 270968,4 J
922,72 J
= 29 %
4.8 Temperatur Evaporator dan Air yang Didinginkan
Pengaruh temperatur evaporator dan air yang didinginkan ditunjukkan dalam gambar berikut ini.
Gambar 4.7 Grafik Temperatur Evaporator dan Air yang Didinginkan pada Siklus Pertama (2-3 November 2019)
0 5 10 15 20 25 30 35
17.00 18.00 19.00 20.00 21.00 22.00 23.00 00.00 01.00 02.00 03.00 04.00 05.00 06.00 07.00 08.00 09.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00 16.00 17.00
Temperatur (°C)
Waktu
Evaporator
Air
Gambar 4.8 Grafik Temperatur Evaporator dan Air yang Didinginkan pada Siklus Kedua (3-4 November 2019)
Gambar 4.9 Grafik Temperatur Evaporator dan Air yang Didinginkan pada Siklus Ketiga (4-5 November 2019)
Ketiga gambar grafik di atas merupakan perbandingan antara evaporator dan air yang didinginkan pada mesin pendingin adsoprsi pada siklus pertama sampai dengan siklus ketiga
17.00 18.00 19.00 20.00 21.00 22.00 23.00 00.00 01.00 02.00 03.00 04.00 05.00 06.00 07.00 08.00 09.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00 16.00 17.00
Temperatur (°C)
17.00 18.00 19.00 20.00 21.00 22.00 23.00 00.00 01.00 02.00 03.00 04.00 05.00 06.00 07.00 08.00 09.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00 16.00 17.00
Temperatur (°C)
Waktu
Evaporator
Air
4.9 Kekuatan Material
Kekuatan material atau mekanika bahan merupakan perilaku benda akibat tegangan dan regangan. Kekuatan material memprediksi respon struktur akibat beban dan kerentanannya terhadap berbagai mode kegagalan memperhitungkan sifat bahan seperti yield strength, kekuatan maksimum dan modulus young.
Table 4.1 Kekuatan material bahan[17]
Modulus of Elasticity Shear Modulus
Metal Alloy
Modulus young menjelaskan elastisitas tarik atau kecenderungan suatu benda untuk berubah bentuk sepanjang sumbu ketika stress berlawanan yang diaplikasikan sepanjang sumbu itu. Modulus geser menjelaskan kecenderungan suatu objek untuk bergeser (deformasi bentuk pada volume konstan) ketika diveri kekuatan yang berlawanan.
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1. Kesimpulan
Adapun kesimpulan untuk penelitian adalah sebagai berikut:
1. Telah dirancang bangun evaporator sebagai bagian alat dari sebuah mesin pendingin siklus adsorpsi dengan dimesin yang menggunakan ukuran luas penampang coldbox 0.153 m2 , Volume evaporator 0,133 m2 , Volume coldbox 0,5 L sehingga volume metanol pada evaporator sebesar 3 L.
2. Dalam perancangan evaporator menggunakan bahan aluminium dengan modulus elastisitas 10,0.Hasil perancangan evaporator yang telah dirancang memiliki efisiensi efektifitas evaporator sebesar 29 % .
5.2. Saran
1. Penambahan sirip pada evaporator untuk meningkatkan efektifivitas evaporator perpindahan panas evaporator.
2. Diharapkan untuk perancangan selanjutnya agar melakukan variasi pipa evaporator.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Ivand Hintingo, Awaludin Martin. 2014. Unjuk Kerja Sistem Pendingin Adsorpsi dengan Pasangan Karbon Aktif-Metanol Sebagai Adsorben-Adsorbat. Jurnal Online Mahasiswa Fakultas Teknik Universitas Riau.
[2] Weebly. 2014. Evaporative Condensers.
http://agilityrefrigeration.weebly.com/information/evaporative-condenser [3] Safitri, Romadhona. 2016. Pengaruh Konsentrasi Aktivator dan Waktu
Aktivasi Terhadap Kualitas Karbon Aktif dari Pelepah Kelapa Sawit. Karya Tulis Ilmiah. Fakultas Teknik Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Sriwijaya. Palembang.
[4] Islam, M. Parvez, Morimoto, Tetsuo. 2016. Thermodynamic Performance of A Solar Driven Adsorption System.
http://www.researchgate.net/publicartion/309511343_Thermodynamic_Perf ormance_of_A_Solar_Driven_Adsorption_System (diakses)
[5] Stoecker.WJ, Refrigeran dan PengkondisianUdara. Edisi kedua, Erlangga, Jakarta,1992.
[6] L. Wang, R.Z. Wang, R.G. Oliverira. 2007. A Review on Adsorption Working Pairs for Refrigerant, Renewable, and Sustainabel Energy Review.
http//:www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032108000038 (diakses )
[7] Islam, M. Parvez, Morimoto, Tetsuo. 2016. Thermodynamic Performance of A Solar Driven Adsorption System.
http://www.researchgate.net/publicartion/309511343_Thermodynamic _Performance_of_A_Solar_Driven_Adsorption_System (diakses)
[8] Everychina. 2018. High Pressure Resistance Evaporator Tube.
http://regfrigeationtube.shell.everychina.com/p-99280064-high-pressure- resistance-evaporator-tube-condenser-coils-tubing-seamless-steel-pipe-for-beer-cooler.html (diakses)
[9] Brightbubengineering. 2018. Type of Refrigeration Evaporators.
http://www.brightubengineering.com/hvac/61270-types-of-refrigeration-evaporators
[10] Mammoria D. Cita. 2016. Pembuatan Karbon Aktif dari Kulit Durian Sebagai Adsorben Zat Warna dari Limbah cair Tenun Songket dengan Aktivator NaOH. Karya Tulis Ilmiah. Fakultas Teknik Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Sriwijaya. Palembang.
[11] Hendra, Ryan. 2008. Pembuatan Karbon Aktif Berbahan Dasar Batubara Indonesia dengan Metode Aktivasi Fisika dan Karakteristiknya. Skripsi.
Fakultas Teknik Departemen Teknik Mesin Universitas Indonesia. Depok [12] Eric W. Lemmon, dkk, NIST Reference Fluid Thermodynamic and Transport
Properties REFPRO. U.S. Department of Commerce, Maryland, 2010.
[13] Incropera, Frank P at al, Fundamentals of Heat and Mass Transfer, Sixth edition, John Wiley & Sons Inc., New York (2007).
[14] Ahablogweb. 2017. Kalor: Pengertian, Teori, Rumus, Satuan, Perpindahan
http://www.ilmudasar.com/2017/10/Penge-Teori-Rumus-Satuan-Perpindahan-Kalor-adalah.html?m=1
[15] Dubinin, M.M (1975) in progress surface and membrane science (ed D.A cadenhead), academic press, NEW YORK
[16] Ecplaza. 2018. Refrigeration Alumunium Finned Evaporator.
http://www.ecplaza.net/offers/refrigeration-alumunium-finned-evaporator_7724407
[17] Ardra.2006.Daftar Table Modulus Elasticity Aluminium
http://www.ardra.net/ daftar table modulus elasticity – aluminium.
[18] ASHRAE Handbook, ”HVAC Systems and Equipment”, American Society of Heating , Refrigerating and Air Conditioning Engineers, Inc.,2012
[19] The Free Encyclopedia.htm. Unep; 2006, Peralatan Energi Listrik Menara Pendingin, Pedoman Efisiensi Energi Untuk Industri di Asia.
[20] Anwar, Khairil, dkk. Efek Temperatur Pipa Kapiler Terhadap Kinerja Mesin Pendingin. Jurnal Mekanikal, Vol.1 No.1 Januari 2010. Pp. 30- 39.
[21] Cengel, A. Y. 1989. Heat and Mass Transfer A Practical Approach, Third Edition. Mc Graw-Hill, Book Company, Inc: Singapore
LAMPIRAN DATA PENGUJIAN
Tabel A-1 Proses Pemanasan Awal Kolektor (29 Oktober 2019)
Waktu
Tabel A-2 Proses Adsorpsi Pertama (2 November 2019)
04:30 4,04 3,01 320 23,16 96,4 0,6
05:00 3,67 2,51 640 23,18 96,2 0,6
05:30 3,31 2,26 320 23,20 96,2 0,6
06:00 3,63 2,52 600 23,16 96,2 0,6
06:30 3,89 3,16 320 23,28 96,1 11,9
07:00 4,32 3,50 640 23,44 96 41,9
07:30 5,43 4,03 320 23,48 95,9 108,1
08:00 5,57 5,35 620 26,81 96,3 194,4
Tabel A-3 Proses Desorpsi Pertama (3 November 2019)
Tabel A-4 Proses Adsorpsi Kedua (3 November 2019)
04:30 0,12 -0,01 600 24,17 96,2 0,6
05:00 -0,09 -0,52 340 24,12 96,3 0,6
05:30 0,23 -0,21 640 24,00 96,4 0,6
06:00 1,56 0,51 300 23,88 96,7 0,6
06:30 1,89 1,13 600 23,90 96,9 13,1
07:00 2,26 2,54 300 24,36 96,9 45,6
07:30 2,39 3,26 600 24,96 96,3 79,4
08:00 2,87 4,18 300 25,55 95,5 115,6
Tabel A-5 Proses Desorpsi Kedua (4 November 2019)
Tabel A-6 Proses Adsorpsi Ketiga (4 November 2019)
04:30 1,21 0,21 620 24,19 96,8 0,6
05:00 0,89 0,32 320 24,29 96,8 0,6
05:30 1,45 0,21 640 24,31 96,7 0,6
06:00 1,59 0,67 340 24,12 96,9 0,6
06:30 1,67 0,59 620 24,24 97,0 11,9
07:00 2,25 1,13 300 24,77 96,9 36,9
07:30 2,39 2,54 600 25,89 96,5 111,9
08:00 2,89 3,26 320 27,38 95,0 168,1
Tabel A-7 Proses Desorpsi Ketiga (5 November 2019)