BAB IV ANALISA DATA
4.5. Pengolahan Data
Penelitian mesin pendingin siklus adsorpsi tenaga surya ini sudah terlebih dahulu dilakukan di berbagai negara dan beberapa orang dari Departemen Teknik Mesin USU juga telah melakukannya. Oleh karena itu, penelitian ini juga didasari oleh penelitian-penelitian tersebut dan dari hasil penelitian tersebut dapat disimpulkan beberapa hal seperti:
1. Bentuk kolektor yang sering digunakan adalah flat plate dan parabolic evacuated tube, tetapi di antara kedua kolektor tersebut yang paling sering digunakan adalah tipe flat plate karena lebih ekonomis, mudah perawatannya dan cukup efisien.
2. Kondensor yang digunakan adalah kondensor berpendingin udara sehingga proses kondensasinya berlangsung akibat konveksi alami/natural.
3. Evaporator yang digunakan langsung bersentuhan dengan air yang didinginkan (direct cooling).
4. Material utama komponen (kolektor/absorber, kondensor dan evaporator) yang biasa digunakan adalah copper atau bisa juga menggunakan Stainless steel.
5. Pasangan karbon aktif-metanol sudah banyak digunakan dalam penelitian-penelitian terdahulu. Karena temperatur akhir yang diperoleh mampu mencapai temperatur di bawah 0oC. Coefficient of Perfomance (COP) yang dihasilkan juga tinggi.
6. Massa optimum karbon aktif yang akan diisi ke dalam kolektor adalah 20 β 26 kg/m2.
7. Rasio penyerapan efektif terhadap metanol hanya 0,26 kg/kg karbon aktif.
Dengan kata lain, untuk 1 kg karbon aktif hanya mampu menyerap maksimal 26% dari massa karbon aktif yang digunakan.
Berdasarkan kesimpulan-kesimpulan diatas, dijadikan sebagai dasar pada penelitian ini yang dapat dijabarkan sebagai berikut:
1. Kolektor yang digunakan adalah tipe plat datar (flat plate).
2. Kondensor yang digunakan adalah kondensor berpendingin udara dengan penambahan fin berbentuk plat datar horizontal dengan tujuan mempercepat proses perpindahan panas dari kondensor ke udara lingkungan.
3. Evaporator yang digunakan bersentuhan langsung dengan air yang didinginkan. Oleh karena itu, pada bagian bawah evaporator terdapat penambahan fin (berlekuk bentuk trapesium) dengan tujuan memperbesar luas permukaan kontak dinding evaporator dengan air yang didinginkan sehingga mempercepat proses penyerapan panas/kalor dari air. Massa evaporator yang digunakan = 2,3 kg.
4. Material utama komponen (kolektor/absorber, kondensor dan evaporator) yang digunakan adalah Stainless steel dengan pertimbangan lebih ringan dan lebih murah walaupun konduktivitasnya lebih rendah dibandingkan copper namun tetap optimal digunakan pada mesin pendingin siklus adsorpsi.
5. Adsorben yang digunakan adalah karbon aktif biasa/teknis dengan pertimbangan harga yang lebih terjangkau, tersedia banyak dan mud ah
(purity 99,9%). Penggunaan metanol pro-analis ini karena kadar kemurniannya yang tinggi diharapkan mampu optimal diadsorpsi oleh karbon aktif .
6. Untuk kolektor dengan luas permukaan absorber 1m2, maka:
Massa optimum karbon aktif yang digunakan adalah 20kg β 26kg. Pada pengujian sebelumnya, massa karbon aktif yang digunakan adalah 25kg.
Namun untuk meningkatkan efektivitas penyerapan, pada penelitian ini dilakukan pengurangan tebal kolektor setengah dari tebal kolektor sebelumnya dengan membuat ulang kolektor, sehingga massa karbon aktif yang dapat diisi pada kolektor adalah 18,5 kg.
7. Untuk 18,5 kg karbon aktif, maka:
Massa metanol maksimum = 26% x 18,5 kg karbon aktif
= 4,81 kg = 3,79 liter (π = 0,790 kg/liter) 8. Sudut Kemiringan Kolektor 0o.
4.5.1. Pengolahan Data Kolektor
4.5.1.1. Perhitungan Energi Yang Sampai Ke Kolektor
Berikut ini adalah data intensitas radiasi matahari pada pengujian hari I kolektor sudut 0o selama 60 menit dimulai dari pukul 08.00 WIB β 09.00 WIB pada tanggal 22 September 2016.
Tabel 4.11 Data Pengujian Hari I selama 60 menit Waktu Intensitas Radiasi Matahari / Gbn
(W/m2)
08:00 280,6
08:05 288,1
08:10 310,6
08:15 299,4
08:20 315,6
Dari data tabel 4.11 diambil nilai rata β rata intensitas radiasi matahari selama 60 menit sebesar 320,43 W/m2 untuk dilanjutkan ke perhitungan jumlah energi yang sampai ke kolektor.
Tabel 4.12 Hasil Perhitungan Energi yang sampai ke kolektor Waktu
4.5.1.2. Perhitungan Energi yang Diserap Kolektor
Perhitungan energi yang diserap kolektor dapat dihitung dengan menggunakan pers. 2.13 :
dimana :
β ΞΈ1 = sudut datang matahari terhadap bidang vertikal ΞΈ1(12.00) = 0o setiap 1 jam + 15o
* L = tebal kaca = 8 mm = 0,008 m
Dengan menggunakan rumus diatas maka didapat nilai S dari pukul 08.00 β 06.00 WIB dari tanggal 22 β 23 September 2016 seperti pada tabel 4.13 berikut.
Tabel 4.13 Energi yang diserap kolektor
Waktu (WIB) ΞΈ1 ΞΈ2 rβ r|| πr ππ π
08:00 β 09:00 52.5 31.32493 0.001757 0.1320065 0.881634 0.860844 0.758948943 09:00 β 10:00 37.5 23.51107 0.019052 0.076374 0.91035 0.869716 0.791745844 15:00 β 16:00 52.5 31.32493 0.001757 0.1320065 0.881634 0.860844 0.758948943 16:00 β 17:00 67.5 37.25948 0.023588 0.2712493 0.763583 0.851442 0.650146911 17:00 β 18:00 82.5 40.51912 0.341949 0.6363635 0.356296 0.845033 0.301082052 18:00 β 19:00 97.5 40.51912 2.924414 1.5714289 -0.3563 0.845033 -0.30108205
Dari tabel 4.13 diperoleh nilai energi panas total yang diserap oleh kolektor dari pukul 08.00 β 06.00 WIB pada tanggal 22 β 23 September 2016 sebesar S = 10,732 MJ. Dengan menggunakan cara yang sama seperti diatas maka didapat energi matahari yang sampai ke kolektor dan energi yang di serap oleh kolektor pada pengujian II, dan III dapat dilihat pada tabel berikut.
4.5.1.3. Panas Aktual yang diserap oleh kolektor 4.5.1.3.1. Nilai Qic Pada Pengujian Hari Pertama
Panas aktual yang diserap oleh kolektor untuk melepaskan ikatan methanol dan karbon aktif (desorpsi). Nilai ini dapat dengan pers. 2.20.
πππ = (πππΆππ+ πππΆππ)(ππππ£ β ππππ£) + ππβππ Data yang diperoleh pada pengujian hari pertama :
ma = 18,5 kg
Cpa = 1507.248 J/Kg.K Tpav = 72.69 oC
Taav = 26.6 oC Tf = 49.64 oC Vr = 1,02 L
Οr = 763.32 kg/m3 (dievaluasi pada Tf) mr = 0.778kg
Cpr = 2737.08 J/kg.K hr = 1251057.475 J/kg didapat nilai Qic,
πππ = (18,5 x 1507.248 + 0,778 π₯ 2737,08)(72,69 β 26,6) + 0,778 x 1251057,475
= 2357439.071 J
4.5.1.3.2. Nilai Qic Pada Pengujian Hari Kedua
Data yang diperoleh dari pengujian hari kedua : ma = 18,5 kg
Cpa = 1507.248 J/Kg.K Tpav = 76.02 oC
Taav = 27,06 oC Tf = 51,54 oC
Vr = 0,53 L
Οr = 761.45 kg/m3 (dievaluasi pada Tf)
mr = 0.403 kg
Cpr = 2748,103 J/kg.K hr = 1252823,77 J/kg Didapat nilai Qic,
πππ = (18,5 x 1507.248 + 0,403 π₯ 2748,103)(76,02 β 27,06) + 0,403 x 1252823,77
= 1925355,23 J
4.5.1.3.3. Nilai Qic Pada Pengujian Hari Ketiga
Data yang diperoleh pada pengujian hari ketiga : ma = 18,5 kg
Cpa = 1507.248 J/Kg.K Tpav = 76.34 oC
Taav = 26,65 oC
Vr = 0,677 L
Οr = 761.505 kg/m3 (dievaluasi pada Tf)
mr = 0.5159 kg
Cpr = 2747,874 J/kg.K hr = 1254965,85 J/kg
Didapat nilai Qic,
πππ = (18,5 x 1507.248 + 0,5159 π₯ 2747,874)(76,34 β 26,65) + 0,5159 x 1254965,85
= 2103572,46 J
4.5.1.4. Efisiensi Aktual Kolektor
4.5.1.4.1. Efisiensi Aktual Pengujian Pertama
Efisiensi aktual mesin pendingin dihitung dengan perbandingan antara energi panas aktual yang sampai ke kolektor dengan energi panas aktual yang diserap. Dimana pada pengujian pertama didapat πππ sebesar 2523030,232 J dan πππ‘ sebesar 14713911 J. Dapat dihitung dengan menggunakan pers. 2.22 :
π = πππ
πππ‘π₯ 100%
Maka didapat efisiensi pada pengujian pertama :
π =2523030,232
14713911 π₯ 100%
= 17,14 %
4.5.1.4.2. Efisiensi Aktual Pengujian Kedua
Pada pengujian hari kedua didapat nilai πππ sebesar 3129556,885 J dan nilai πππ‘ sebsar 11556083,08 J. Maka didapat nilai efisiensi aktual pengujian kedua :
π =3129556.885
11556083.08π₯ 100%
= 27,08 %
4.5.1.4.3. Efisiensi Aktual Pegujian Ketiga
Pada pengujian hari kedua didapat nilai πππ sebesar 3129556,885 J dan nilai πππ‘ sebsar 11556083,08 J. Maka didapat nilai efisiensi aktual pengujian kedua :
π = 3186942,56
9486180 π₯ 100%
= 33,59 %
Tabel 4.14 Rekapitulasi Nilai Qic, Qit, S Pengujian Tβ rata β rata
(oC) Qic (J) Qit (J) S (J) πΌ (%)
Pertama 26,9 2523030,23 14713911 10732789,57 17,14
Kedua 31,07 3129556,88 11556083,08 8312193 27,08
Ketiga 28,6 3186942,56 9486180 6996735 33,59
4.5.2. Pengolahan Data Kondensor
Data temperatur rata-rata yang dimiliki oleh inlet dan outlet kondensor serta temperatur lingkungan hari pertama percobaan penelitian didapat :
Tin = 32,7285 oC , Tout = 31,2725 oC dan πβ = 28,733 oC Maka, ππ = (πππ+ πππ’π‘)/2
ππ = (32,7285 + 31,2725)/2 ππ = 32,0 oC
Sifat fisik udara pada temperature film, adalah : ππ = (ππ + πβ)/2
ππ = (32,0 + 28,733)/2 ππ = 30,3669 oC
Nilai k, π, dan Pr didapat dari interpolasi data antara suhu 30 oC dengan suhu 35 oC, didapat :
k = 0.025982316 W/mK, π = 1,621e-05 m2/s, dan Pr = 0,727812858
Nilai π½ dihitung dengan rumus , π½ = 1/(ππ+ 273) 1/K. Maka, π½ = 1/(30,3669 + 273) = 0,003296 1/K
Mencari nilai Rayleigh: Karena pada kondensor terdapat pipa vertikal dan horizontal serta pelat horizontal (fin) maka dilakukan perhitungan terhadap keseluruhan:
- Untuk pipa vertikal:
π π
πΏ =ππ½(ππ β πβ)πΏ3
π2 ππ
π π
πΏ =9,8π₯0,003296 (32,0 β 28,733)π₯0,43
(1,621πβ5)2 π₯ 0,728097 π π
πΏ = 18958907
- Untuk pipa horizontal:
π π
π· =ππ½(ππ β πβ)π·3
π2 ππ
π π
π· =9,8π₯0,003296 (32,0 β 28,733)π₯(0,0254)3
(1,621πβ5)2 π₯ 0,728097
Mencari nilai Nusslet serta daya aliran konveksi - Untuk pipa vertical
ππ’
β =π π₯ π
Pada kondensor terdapat 5 pipa vertikal dan 2 pipa horizontal serta 17 sirip/fin kondensor, sehingga diperoleh πππππ£ total adalah total dari
Maka, dengan cara yang sama didapat hasil perhitungan untuk pengujian hari kedua dan ketiga adalah sebagai berikut.
Tabel 4.15 Rekapitulasi nilai πΜππππ£
π‘ππ‘ππ selama pengujian
Pertama 0,190411 0,393789 0,475467 16,443 Kedua 0,272645 0,555688 0,660314 20,436 Ketiga 0,20786 0,428514 0,515666 17,305
4.5.3. Perhitungan Data Evaporator
Evaporator dilapisi dengan kotak unsulasi. Fungsi utama kotak insulasi ini adalah untuk menghambat laju perpindahan panas dari lingkungan ke dalam sistem.
Gambar 4.10. Kotak Insulasi Evaporator
Maka, laju perpindahan panas dari lingkungan dapat kita hitung dengan cara :
πΜββπ€ = πππ€ππ πππ β πππβππ πππ π π‘ππ‘
Dimana, πβ dari data HOBO didapat 24,4666 oC, πππβππ πππ dari pengujian didapat 9,82 oC, π π‘ππ‘ adalah total resistansi konveksi dari udara serta resistansi donduksi dari insulasi, yaitu :
β π π‘ππ‘ = π πππ+ π ππππ + π π π‘πππππππ + π πππππ€πππ + π ππ’π π + π π‘ππππππ + π π’ππππ
Data dari design insulasi evaporator diperoleh :
Tabel 4.16 Data insulasi evaporator
Maka, laju perpindahan panas dari lingkungan adalah :
πΜββπ€= πββ πππβππ πππ π π‘ππ‘
πΜββπ€ =24,4666 β β 9.82β
Kalor sensibel yang diserap oleh permukaan stainless-steel evaporator dapat dihitung dengan cara :
ππ ππππ‘ = π πΆπ βπ
Dimana massa plat evaporator adalah 2,3 kg. dan πΆπ stainless-steel adalah 480 π½
ππ πΎ , Maka :
ππ ππππ‘ = 2,3 ππ π₯ 480 π½
ππ πΎ π₯ (26,32 β 9,82)πΎ ππ ππππ‘ = 18216 π½
Kalor sensibel yang diperlukan oleh methanol untuk menurunkan suhunya hingga mencapai suhu terendah dihitung dengan rumus :
ππππ‘βππππ = ππππ‘βππππ π₯ ππππ‘βππππ π₯ πΆπππ‘βππππ π₯ βπ ππππ‘βππππ = 5 πΏ π₯ 0,790ππ
πΏ π₯ 2460 π½
ππ πΎ π₯ (24.5 β 9.82) ππππ‘βππππ = 180564 π½
Kalor yang diserap oleh methanol dari air dapat dihitung dengan rumus :
ππππ = ππππ π₯ ππππ π₯ πΆπππ π₯ βπ ππππ = 6πΏ π₯ 1000ππ
π3 π₯ 4180 π½
ππ β π₯ (26,32 β 9,82)
ππππ = 413820 π½
Dari penelitian didapat volume methanol yang menguap adalah 1,02 L, sehingga kalor yang diserap oleh methanol dapat dihitung dengan cara :
ππππππ’ππππ = ππππ‘βππππ π‘πππ’πππ₯ βπ πππ‘βππππ ππππππ’πππ π = 1,02 πΏ π₯ 0,79ππ
πΏ π₯ 1100ππ½ ππ ππππππ’ππππ = 1122 ππ½
Dari hukum kesetimbangan energi, dapat kita simpulkan bahwa kalor yang diserap oleh methanol untuk menguap harus sama atau hampir sama besarnya dengan kalor yang diserap oleh air ditambah dengan kalor dari lingkungan, kalor yang dipakai methanol serta kalor yang terserap oleh dinding evaporator, sehingga dari kalor kalor yang telah kita hitung diatas dapat kita buat persamaan
ππππππ’ππππ = πββπ+ ππ ππππ‘+ ππππ + ππππ‘βππππ 1122 kJ = 454,701 kJ + 18,216 kJ + 413,82 kJ + 180,564 kJ 1122 kJ β 1067,301 kJ
Laju perpindahan panas dari luar evaporator merupakan kerugian yang dialami oleh evaporator. Semakin bagus insulasi dibuat, semakin kecil kalor yang masuk dari luar evaporator maka semakin besar kalor yang diserap oleh methanol dari air sehingga membuat suhu air akan semakin rendah. Maka effisiensi evaporator dihitung dengan cara :
πππ£πππππ π‘ππ =(ππ ππππ‘ + ππππ+ ππππ‘βππππ) ππππππ’ππππ
πππ£πππππ π‘ππ =612,6 1122 πππ£ππππππ‘ππ = 53,37 %
Dengan melakukan cara yang sama maka didapat hasil perhitungan untuk pengujian hari kedua dan ketiga adalah sebagai berikut :
Tabel 4.17 Rekapitulasi efiseinsi evaporator selama pengujian
Pengujian Pertama 454701,33 180564 18216 413820 1122000 53,37
Kedua 203652,2 88068 10499,04 238510,8 319000 65,44 Ketiga 166917 76383 231,84 5266,8 99000 51,51
4.5.4. Kapasitas Pendinginan Aktual (Quc) dan Koefisien Performansi (COP) Aktual Siklus
Kapasitas pendinginan aktual Quc dapat dihitung dengan menggunakan pers. 2.21.
ππ’π = ππ€πΆππ€βππ€+ ππβπ π+ πππΆππβππ
4.5.4.1. Pengujian Pertama
Dari pengujian pertama diperoleh data β data sebagai berikut : Vw = 6 L
Οw = 1000 kg/m3 mw = 6 kg
Cpw = 4179 J/kg.K
βTw = 16,08 oC
Dari pengujian yang telah dilakukan, tidak terdapat massa es yang dihasilkan, sehingga nilai ππβπ π dan πππΆππβππ dianggap nol. Sehingga kapasitas pedinginan aktual pada pengujian pertama diperoleh.
Quc = 6 Γ 4179 Γ 16,08
= 403,189 kJ
Maka koefisien performansi (COP) aktual pengujian pertama di dapat.
COP = ππ’π
πππ
= 403189,92
2523030,23
= 0,1598
4.5.4.2. Pengujian Kedua
Dari pengujian diperoleh data β data sebagai berikut : Vw = 6 L
Οw = 1000 kg/m3 mw = 6 kg
Cpw = 4179 J/kg.K βTw = 9,69 oC
Dari pengujian yang telah dilakukan, tidak terdapat massa es yang dihasilkan, sehingga nilai ππβπ π dan πππΆππβππ dianggap nol. Sehingga kapasitas pedinginan aktual pada pengujian pertama diperoleh.
Quc = 6 Γ 4179 Γ 9,69
= 242,967 kJ
Maka koefisien performansi (COP) aktual pengujian pertama di dapat.
COP = ππ’π
πππ
= 242967,06
3129556,88
= 0,0776
4.5.4.3. Pengujian Ketiga
Dari pengujian diperoleh data β data sebagai berikut : Vw = 6 L
Οw = 1000 kg/m3 mw = 6 kg
Cpw = 4179 J/kg.K βTw = 3,02 oC
Dari pengujian yang telah dilakukan, tidak terdapat massa es yang dihasilkan, sehingga nilai ππβπ π dan πππΆππβππ dianggap nol. Sehingga kapasitas pedinginan aktual pada pengujian pertama diperoleh.
Quc = 6 Γ 4179 Γ 3,02
= 75,723 kJ
Maka koefisien performansi (COP) aktual pengujian pertama di dapat.
COP = ππ’π
πππ
= 75723,48
3186942,56
= 0,0237