KAJIAN EKSERGI PADA MESIN PENDINGIN ADSORPSI
INTERMITTEN MENGGUNAKAN PASANGAN SILICAGEL
METHANOL
BAYU RUDIYANTO
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
KAJIAN EKSERGI PADA MESIN PENDINGIN ADSORPSI
INTERMITTEN MENGGUNAKAN PASANGAN SILICAGEL
METHANOL
BAYU RUDIYANTO
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
PERNYATAAN MENGENAI PENELITIAN
DAN SUMBER INFORMASI
Dengan ini saya menyatakan bahwa penelitian Kajian Eksergi Pada Mesin Pendingin Adsorpsi Intermitten Menggunakan Pasangan Silicagel Methanol adalah karya sendiri dibawah bimbingan Prof. Dr. Ir. Kamaruddin Abdullah, MSA, APU dan Prof. Dr. Ir. Armansyah H. Tambunan, M.Agr. dan belum diajukan dalam bentuk apapun kepada perguruan tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam daftar pustaka pada bagian akhir usulan penelitian ini.
Bogor, Pebruari 2008
ABSTRACT
BAYU RUDIYANTO. Exergy Analysis on the Adsorption Refrigeration System Using Silicagel Methanol. Under direction of KAMARUDDIN ABDULLAH and ARMANSYAH H. TAMBUNAN
Adsorption refrigeration system (ARS) is one of environment friendly refrigerating machines, which can be operated by using renewable energy sources available locally such as solar and biomass The experimental adsorption refrigeration system developed in this study utilizes silica gel – methanol combination as the adsorbent and refrigerant which harmless for human being. The objectives of the research are identify the performance of adsorption refrigeration system using silicagel–methanol and to conduct exergy analysis of adsorption refrigeration system. The research was started by testing of ARS and than developing energy and exergy balance to determine the exergy loss, from the ARS.
The results show that the value of exergy loss was obtained for each the process in ARS. The exergy loss expresses the most ineffective operation of ARS. The exergy loss in desorption process was found 35.33 Watt (90.57 %). The Condensation process was found 0.2 Watt (0.51 %). The Evaporation was found 0.07 Watt (0.18 %) and adsorption process was found 1.37 Watt (3.51 %).
RINGKASAN
BAYU RUDIYANTO. Kajian Eksergi pada Mesin Pendingin Adsorpsi Intermitten Menggunakan Pasangan Silicagel Methanol. Dibimbing oleh KAMARUDDIN ABDULLAH, ARMANSYAH H. TAMBUNAN.
Perkembangan mutakhir bidang refrigerasi utamanya didorong oleh permasalahan lingkungan yaitu menipisnya lapisan ozon. Menipisnya lapisan ozon menyebabkan berkurangnya kemampuan ozon untuk melindungi dari radiasi sinar ultraviolet yang dapat menyebabkan kanker, katarak dan penyakit lainnya. Lapisan ozon yang mengalami kerusakan tersebut diantaranya disebabkan oleh penggunaan fluorocarbon (CFC, HCFC, HFC) sebagai refrigerant dalam bidang pendinginan. Selain itu permasalahan besar lain yang terjadi adalah krisis energi. Tujuan dari penelitian ini adalah mendapatkan kinerja mesin pendingin adsorpsi
intermitten pasangan Silicagel Methanol dan melakukan analisis eksergi pada mesin pendingin adsorpsi intermitten pasangan Silicagel Methanol.
Metode penelitian diawali dengan pengujian terhadap kebocoran pada semua komponen didalam sistem pendingin adsorpsi dan dilanjutkan dengan pengujian sistem pendingin adsorpsi menggunakan pasangan Silicagel Methanol. Suhu tiap komponen yaitu generator, kondensor, evaporator dan pipa-pipa masukan dan keluaran diukur dengan menggunakan termokopel tipe C-C yang dihubungan dengan alat perekam suhu. Sedangkan untuk analisis eksergi diawali dengan perancangan model pada masing-masing komponen dalam system pendingin adsorpsi intermitten.
KAJIAN EKSERGI PADA MESIN PENDINGIN ADSORPSI
INTERMITTEN MENGGUNAKAN SILICAGEL
METHANOL
BAYU RUDIYANTO
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada
Departemen Ilmu Keteknikan Pertanian
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
Judul Tesis : Kajian Eksergi Pada Mesin Pendingin Adsorpsi Intermitten Menggunakan Pasangan Silicagel Dan Methanol
Nama : Bayu Rudiyanto NIM : F151050011
Disetujui Komisi Pembimbing
Prof. Dr. Kamaruddin Abdullah, M.SA Prof. Dr. Armansyah H.Tambunan,M.Agr. Ketua Anggota
Diketahui
Ketua Program Studi Dekan Sekolah Pascasarjana Ilmu Keteknikan Pertanian
Prof. Dr. Armansyah H.Tambunan, M.Agr. Prof. Dr.Ir. Khairil A.Notodiputro,MS
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas segala karunia-Nya sehingga tesis ini dapat diselesaikan dengan baik. Penelitian yang dilaksanakan sejak bulan September 2006 ini dengan judul Kajian Eksergi Pada Mesin Pendingin Adsorpsi Intermitten Menggunakan Pasangan Silicagel Methanol.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Prof. Dr. Ir. Kamaruddin Abdullah, MSA, APU, selaku ketua komisi pembimbing dan Prof. Dr. Ir. Armansyah H. Tambunan, MAgr., selaku anggota komisi pembimbing yang telah banyak memberikan saran dan arahan mulai dari perencanaan hingga selesainya penulisan Tesis ini. Selanjutnya penulis mengucapkan terima kasih kepada Penelitian Tim Pascasarjana (HPTP) No.317/SP3/PP/DP2M/II/2006 atas bantuan dana penelitian. Selanjutnya penulis mengucapkan terima kasih kepada pengelola beasiswa BPPS atas bantuan beasiswa dan pimpinan Politeknik Negeri Jember atas kesempatan untuk melanjutkan studi. Terima kasih juga penulis haturkan kepada serta Dr. Ir. Suroso, M.Agr selaku penguji yang telah banyak memberi saran. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada Dr. Leopold O. Nelwan yang banyak membantu selama penulisan dan semua peneliti di lab. Bersama Leuwikopo, yaitu Yogi Sirodz G., Nuruddin, Omil, Kapid, Sulikah, Riris, dan Amna, dan teman-teman mahasiswa Pascasarjana program studi Ilmu Keteknikan Pertanian angkatan 2005 khususnya Lukman A.H, Hendrisyah, dan semua pihak yang telah memberikan bantuan selama penelitian berlangsung. Terimakasih juga diucapkan kepada teman-teman di asrama Buchori atas pengertiannya. Akhinya ungkapan terima kasih yang dalam disampaikan kepada Ayahanda H. M. Sunarno, Ibu Hj. Siti Sumarsih, istri tercinta Indah Yuli A., putriku tersayang Kartika Aulia Tsabitah, keluarga mas Gunawan dan keluarga mas Bambang, Ibu Hj. Horimah beserta keluarga, serta seluruh keluarga atas segala doa dan kasih sayangnya.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat
Bogor, Pebruari 2008
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Jember pada tanggal 21 Desember 1973 sebagai anak bungsu dari pasangan H.M. Sunarno dan Hj. Siti Sumarsih. Pada tahun 1993, penulis diterima di Politeknik Universitas Brawijaya Malang, jurusan Teknik Mesin, lulus tahun 1996 dan pada tahun 1998 melanjutkan pendidikan sarjana (S1) di jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Brawijaya Malang, lulus pada tahun 2001. Pada tahun 2005, penulis mendapat kesempatan untuk melanjutkan pendidikan pada Program Pascasarjana IPB jurusan Teknik Pertanian. Beasiswa pascasarjana diperoleh dari Departemen Pendidikan Tinggi (DIKTI).
DAFTAR TABEL
Halaman
1. Temperatur dan Tekanan Generator percobaan 2 ... 38
2. Data laju desorpsi antara adsorbat – adsorber pada percobaan 3... 43
3. Perhitungan kesetimbangan energi percobaan 2 ... 45
4. Perhitungan kesetimbangan energi percobaan 3 ... 46
5. Perhitungan Pindah Panas Overall Pengujian 1... 48
6. Perhitungan Pindah Panas Overall Pengujian 3... 48
7. Eksergi dan Kehilangan Eksergi Sistem Pendingin Adsorpsi pengujian 2... 53
DAFTAR GAMBAR
Halaman
1. Skema sistem pendingin adsorpsi intermitten... 7
2. Aliran energi, eksergi, dan entropi masuk dan keluar dari sistem ... 11
3. Model Fisik di Generator Desorpsi. ... 17
4. Model Fisik Kondensor... 22
5. Model Fisik Evaporator... 24
6. Sistem Pendingin Adsorpsi Intemitten... 26
7. Unit Generator... 27
8. Unit Kondensor. ... 27
9. Unit Receiver ... 28
10. Unit Evaporator... 28
11. Mesin Diesel dan Heat exchanger... 29
12. Sistem Menara Pendingin. ... 30
13. Pompa Vakum... 31
14. Hibrid Recorder... 31
15. Silicagel... 32
16. Hubungan Temperatur generator, kondensor terhadap waktu ... 37
17. Hubungan Temperatur adsorber, evaporator terhadap waktu ... 37
18. Grafik P-T-X Tekanan-Temperatur Silica gel (MeOH) percobaan 2 ... 38
19. Grafik Temperatur, Waktu dan Tekanan pada proses desorpsi – adsorpsi percobaan 1. ... 39
20. Grafik Siklus desorpsi –adsorpsi percobaan 1 ... 41
21. Grafik Siklus desorpsi-adsorpsi percobaan 3... 42
22. Grafik konsentrasi methanol terhadap Silicagel methanol percobaan 3 ... 43
23. Diagram Aliran Energi pada Sistem Pendingin Adsorpsi percobaan 2 ... 46
24. Diagram Aliran Energi pada Sistem Pendingin Adsorpsi percobaan 3 ... 47
25. Skema Sistem Pendingin Adsorpsi Intermitten... 51
26. Skema Proses Generasi Adsorpsi – Kondensasi. ... 51
27. Skema Proses Evaporasi – Adsorpsi ... 52
29. Diagram aliran eksergi Sistem Pendingin Adsorpsi pengujian 1... 55
30. Model generator desorpsi... 56
31. Perubahan irreversibilitas padalaju berbeda selama proses ... 58
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
1. Gambar Generator-Adsorber ... 64
2. Gambar Evaporator ... 69
3. Gambar Kondensor ... 70
4. Grafik Proses Desorpsi – Adsorpsi percobaan 2 dan percobaan 3... 71
5. Notasi ... 72
6. Tabel sifat-sifat methanol... 73
7. Perhitungan Laju Panas... 74
8. Data proses desorpsi kondensasi percobaan 1 ... 77
9. Data proses evaporasi adsorpsi percobaan 1... 78
10. Data proses desorpsi kondensasi percobaan 2 ... 79
11. Data proses evaporasi adsorpsi percobaan 2... 80
12. Data proses desorpsi kondensasi percobaan 3 ... 81
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR TABEL... vi
DAFTAR GAMBAR ... vii
DAFTAR LAMPIRAN... viii
PENDAHULUAN ... 1
TINJAUAN PUSTAKA Proses pendinginan ... 4
Pemilihan Fluida Kerja Mesin Pendingin Adsorpsi... 4
Prinsip Kerja Mesin Pendingin Adsorpsi Intermitten ... 6
Perkembangan Mesin Pendingin Adsorpsi ... 9
Konsep Keseimbangan Energi, Entropi dan Eksergi ... 11
LANDASAN TEORI Model Persamaan Thermodinamika Siklus Pendingin Adsorpsi Kondisi Steady ... 14
Model Pindah Panas Generator Desorpsi... 17
Model Pindah Panas Kondensor ... 22
Model Pindah Panas Evaporasi... 24
BAHAN DAN METODA Waktu dan Tempat ... 26
Alat dan Bahan ... 26
Prosedur Penelitian ... 33
HASIL DAN PEMBAHASAN Uji Kinerja mesin Pendingin Adsorpsi ... 36
Laju Penguapan ... 43
Keseimbangan panas ... 44
Coeficient of Performance ... 49
Analisis Eksergi Mesin Pendingin Adsorpsi... 51
SIMPULAN DAN SARAN ... 60
DAFTAR PUSTAKA ... 61
Pendahuluan
Latar Belakang
Perkembangan mutakhir bidang refrigerasi utamanya didorong oleh permasalahan lingkungan yaitu menipisnya lapisan ozon. Menipisnya lapisan ozon menyebabkan berkurangnya kemampuan ozon untuk melindungi dari radiasi sinar ultraviolet yang dapat menyebabkan kanker, katarak dan penyakit lainnya. Lapisan ozon yang mengalami kerusakan tersebut diantaranya disebabkan oleh penggunaan fluorocarbon (CFC, HCFC, HFC) sebagai refrigerant dalam bidang pendinginan. Penolakan terhadap penggunaan fluorocarbon telah tertuang dalam konvensi Wina dan Protokol Montreal 1987 dengan keharusan penghentian produksi dan penggunaan refrigeran fluorocarbon. Selain itu permasalahan besar lain yang terjadi adalah krisis energi dimana ditandai dengan meningkatnya harga minyak dunia yang menunjukkan semakin menipisnya cadangan bahan bakar fosil terutama minyak bumi.
Melihat dampak yang berkepanjangan dari pemakaian refrigeran (freon) dan terjadinya krisis energi maka perlu kiranya mencari terobosan baru teknologi pendinginan (refrigerasi) alternatif yang mampu meningkatkan keamanan dan secara ekonomis lebih murah dan mudah didapatkan. Salah satu sistem pendinginan yang bisa dijadikan alternatif adalah sistem pendinginan adsorpsi. Pendinginan secara adsorpsi mempunyai karakteristik tersendiri dimana sistem kompresor mekanik akan digantikan dengan sistem adsorpsi dan regenerasi yang memerlukan sumber energi panas (kalor) untuk menghasilkan siklus pendingin (heat-operated cycle) (Stoecker, 1992). Teknik pendinginan ini memiliki beberapa keunggulan yaitu ramah lingkungan, karena refrigeran yang digunakan tidak berbahaya terhadap lingkungan. Selain itu sistem ini memerlukan pemakaian sumber listrik yang lebih kecil. Teknik pendinginan ini memerlukan sumber energi panas sebagai penghasil siklus pendinginan. Beberapa sumber energi tersebut dapat diperoleh dari biomassa dari hasil limbah pertanian atau juga energi radiasi surya.
(intermitten). Pada aliran fluida kontinyu terdapat bagian yang berfungsi sebagai generator-adsorber secara bergantian, sedangkan aliran fluida yang tidak kontinyu (intermitten) hanya terdapat satu bagian yang berfungsi sebagai generator– adsorber.
Generator-adsorber pada sistem pendinginan adsorpsi berfungsi sebagai tempat untuk melakukan proses desorpsi dan adsorpsi. Pada proses desorpsi diperlukan aliran panas untuk melepaskan metanol di dalam generator, sedangkan untuk proses adsorpsi di generator berfungsi untuk mengikat kembali metanol selama proses berlangsung. Untuk melihat kebutuhan energi dan menganialisis penggunaan serta melihat mutu dari energi pada sistem pendingin adsorpsi diperlukan analisis menggunakan hukum termodinamika.
Menurut kaidah termodinamika I yang merupakan konsep kekekalan energi dimana energi dapat dikonversikan dari satu bentuk ke bentuk lain dan tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan. Secara umum, keseimbangan energi tidak memberikan informasi mengenai mutu dan kualitas dari energi yang masuk atau keluar dari batas sistem tersebut. Dalam hukum thermodinamika II dikenal konsep eksergi yang berguna untuk menganalisis sistem termal, karena eksergi adalah suatu ukuran mutu atau nilai dari energi dan dalam sistem termal eksergi dapat dimusnahkan. Hukum termodinamika II menyatakan bahwa sebagian dari eksergi yang memasuki suatu sistem termal akan hilang oleh adanya
irreversibilitas (ketakmampubalikan) dari sistem tersebut. Hal ini dapat dijelaskan menggunakan analisis keseimbangan eksergi pada sistem termal. Energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan, energi hanya dapat dikonversi dari satu bentuk ke bentuk yang lainnya, sedangkan eksergi adalah bagian dari energi, yakni kerja minimum yang diperlukan agar proses dapat berlangsung (Cengel, 2002). Dengan demikian antara energi dan eksergi saling terkait.
dikonversikan menjadi kerja secara cermat, mengetahui lokasi dan besarnya energi yang hilang dan tak terpakai digunakan suatu metode analisis eksergi (Yumrutas, 2002).
Tujuan Tujuan dari penelitian ini adalah :
1. Mendapatkan kinerja mesin pendingin tipe adsorpsi intermitten dengan kombinasi silicagel methanol.
2. Melakukan analisa eksergi pada mesin pendingin adsorpsi intermitten
TINJAUAN PUSTAKA
Proses Pendinginan
Proses pendinginan merupakan suatu usaha untuk mendapatkan kondisi yang diinginkan oleh produk atau material, dalam hal ini temperatur yang rendah agar produk atau material dapat disimpan dalam waktu yang relatif lama, baik untuk konsumsi, produksi, maupun perdagangan. Pendinginan dan pembekuan dalam bidang pertanian digunakan untuk menjaga agar produk pertanian yang mudah rusak tetap baik kualitasnya selama waktu tertentu sebelum produk tersebut akhirnya dikonsumsi. Penyimpanan dan transportasi bahan pangan, proses pengolahan makanan dan minuman, pembuatan es (ice making) merupakan beberapa contoh kegiatan yang memerlukan proses pendinginan dan pembekuan. Tujuan lain pendinginan pada bidang pertanian adalah untuk memperlambat aktivitas bakteri, sedangkan pada proses pembekuan bertujuan untuk menghentikan sepenuhnya aktivitas bakteri pada produk yang diinginkan.
Proses pendinginan merupakan proses pengambilan kalor/panas suatu ruang atau benda untuk menurunkan suhunya dengan jalan memindahkan kalor yang terkandung dalam ruangan atau benda tersebut. Sehingga, proses pendinginan merupakan rangkaian proses pindah panas. Proses pindah panas dapat terjadi secara konveksi, konduksi maupun radiasi. Konveksi adalah pindah panas yang terjadi karena adanya gaya gerak dari luar yang dinamakan dengan konveksi paksa, sedangkan jika pergerakan fluida terjadi karena perbedaan massa jenis yang disebabkan perbedaan temperatur dinamakan dengan konveksi bebas. Konduksi adalah pertukaran melalui kontak langsung antara molekul yang berbeda temperatur. Radiasi merupakan perpindahan panas melalui gelombang elektromagnetik yang dipancarkan oleh getaran atom dan sub atom pada permukaan suatu benda. Semua sistem pendingin melakukan pertukaran kalor dengan cara melepaskan ke udara melalui kontak langsung dengan air. Dalam proses ini berlangsung kombinasi antara perpindahan kalor dengan massa dengan konsep perbedaan potensial entalpi (Stoecker WF dan Jones JW, 1992).
yaitu menipisnya lapisan ozon dan pemanasan global. Sifat merusak ozon yang dimiliki oleh refrigeran CFCs (Chloro Fluoro Carbons), HCFCs (Hydro Chloro Fluoro Carbons), HFCs(Hydro Fluoro Carbons) merupakan jenis refrigeran yang pada tahun 2030 harus dihapuskan sesuai kesepakatan Protokol Montreal tahun 1987 dan Protokol Kyoto tahun 1997. Pemakaian refrigeran yang tidak ramah lingkungan ini mendorong peneliti untuk mencari beberapa refrigeran alternatif yaitu melakukan pergantian refrigeran dengan amonia dan hidrokarbon yang saat ini banyak dilakukan penelitian. Beberapa kendala didalam pemakaian refrigeran ini karena amonia bersifat racun (toxic) dan cukup mudah terbakar. Sedangkan hidrokarbon termasuk dalam zat yang mudah terbakar. Untuk refrigeran hidrokarbon beberapa penelitian dilakukan untuk menekan tingkat keterbakaran yaitu dengan cara mencampurkannya dengan refrigeran lain yang tidak mudah terbakar.
Perkembangan lain dari sistem pendingin selain permasalahan pemakaian refrigeran adalah penggunaan energi. Sehingga para peneliti berusaha memunculkan sistem pendingin alternatif yang tidak mengandung permasalahan serupa diatas. Teknologi pendingin alternatif diantaranya adalah refrigerasi sistem absorpsi, adsorpsi padatan (solid adsorption) dan efek magnetokalorik. Keunggulan dari sistem absorpsi dan adsorpsi padatan adalah tidak menggunakan refrigeran yang merusak lapisan ozon dan menimbulkan pemanasan global serta untuk pelepasan refrigeran dapat menggunakan panas buangan, sinar matahari dan juga bisa menggunakan biomassa, sedangkan refrigerasi sistem efek magnetokalorik sama sekali tidak menggunakan refrigeran primer. Refrigerasi magnetik dipandang sebagai teknologi hijau (green technology) yang memiliki potensi untuk menggantikan siklus konvensional kompresi uap.
disebut adsorbat, sedangkan zat yang menyerap adsorbat disebut sebagai adsorben.
Menurut Powell 2002, diacu dalam Indartono 2006 menerangkan beberapa syarat yang harus dimiliki oleh refrigerant pengganti, yakni :
1. Memiliki sifat-sifat thermodinamika yang berdekatan dengan refrigeran yang hendak digantikan, utamanya pada tekanan maksimum operasi refrigeran baru yang diharapkan tidak terlalu jauh berbeda dengan tekanan refrigerant lama yang berklorin.
2. Tidak mudah terbakar. 3. Tidak beracun
4. Bisa bercampur (miscible) dengan pelumas yang umum digunakan dalam mesin refrigerasi.
5. Setiap refrigerasi CFC hendaknya digantikan oleh satu jenis refrigeran yang ramah lingkungan.
Beberapa pasangan absorbat absorben yang banyak digunakan untuk sistem pendingin adsorpsi antara lain ammonia-carbon aktif, air-silicagel dan methanol-silicagel. Pasangan carbon-ammonia memerlukan temperatur yang tinggi (>120 °C ) sebagai panas pemasukan dalam proses regenerasi. Air-silicagel, methanol-silicagel merupakan pasangan yang ideal dalam pendinginan adsorpsi karena panas yang dibutuhkan untuk proses regenerasi berkisar antara 60-70 °C. Tetapi air sebagai refrigeran tidak mampu menghasilkan efek pendinginan dibawah 0 °C, sebab itu untuk menghasilkan efek yang lebih baik dalam aplikasi maka dipakai pasangan methanol-silicagel (Oertel, 1997).
Prinsip Kerja Mesin Pendingin Tipe Adsorpsi Intermitten
mengalir kedalam unit generator – adsorber untuk diadsorpsi dengan mengeluarkan panas sekelilingnya sambil didinginkan di generator untuk diserap oleh silica gel pada ruang reaksi dibawah kondisi isobarik.
Setelah proses adsorpsi selesai, kemudian diikuti dengan pemanasan secara isoterik dan desorpsi secara isobarik dalam generator. Proses ini terjadi karena pemanasan dilakukan di unit generator menyebabkan refrigeran yang ada didalamnya terpisah dari zat penyerapnya dan mengalir menuju kondensor. Uap refrigeran tersebut kemudian terkondensasi di unit kondensor karena pendinginan dari sekelilingnya yang temperaturnya lebih rendah. Dengan dua proses ini adsorpsi dan desorpsi refrigeran telah mengalami kompresi. Tekanan akhir dari siklus kedua bagian ini ditandai dengan penguapan pada kondensor yang ditentukan dengan menggunakan suhu air dingin.
Gambar 1 Skema sistem pendingin adsorpsi intermitten (Oerthel, 1997).
Fungsi bagian-bagian Mesin Pendingin Adsorpsi a. Unit Generator
b. Katup
Katup ini berfungsi untuk pemisah antar beberapa unit. Pada mesin pendingin intermitten ini terdapat 4 katup yang saling menghubungkan antara unit yang satu dan yang lain. Katup1, menghubungkan antara unit generator dan unit kondensor katup 2 menghubungkan antara kondensor dan receiver, katup 3 menghubungkan antara receiver dan evaporator, pada katup ini berfungsi untuk menyalurkan methanol hasil kondensasi ke ruang evaporator, dan katup yang terakhir menghubungkan antara evaporator dan generator, selain itu dengan adanya katup ini dapat mencegah refrigeran yang telah terkondensasi di kondensor kembali lagi ke generator.
c. Unit Kondensor
Unit ini berfungsi sebagai tempat kondensasi refrigeran pada saat proses desorpsi. Kodensor dibuat miring untuk memudahkan metanol mengembun jatuh tertampung ke reciever karena pengaruh dari gravitasi. Pada kondensor terdapat koil pendingin yang digunakan untuk membantu mengembunkan refrigeran.
d. Unit Reciever
Unit berfungsi untuk menampung refrigeran yang telah berkondensasi dan berubah menjadi refrigeran murni .
e. Unit Evaporator
Unit ini berfungsi untuk tempat penampungan dari kondensat yang terbentuk, setelah sebelumnya ditampung dalam receiver. Pada unit ini terjadi proses evaporasi. Dimana refrigeran akan menyerap panas dari heat exchanger
agar dapat berekspansi kembali ke generator.
Perkembangan Mesin Pendingin Adsorpsi
disepakati pada tahun 1987 yang terkenal dengan sebutan Protokol Montreal. Penggunaan CFCs dan HCFCs (Hydro Chloro Fluoro Carbons) merupakan dua refrigeran utama yang dijadwalkan untuk dihapuskan masing-masing pada tahun 1996 dan 2030 untuk negara – negara maju. Sedangkan untuk negara – negara berkembang dijadwalkan untuk dihapus (phase- out) pada tahun 2010 (CFCs) dan 2040 (HCFCs) (Powell dalam Indartono, 2006). Pada tahun 1997, Protokol Kyoto mengatur pembatasan dan pengurangan gas-gas penyebab rumah kaca, termasuk HCFCs. Munculnya beberapa permasalahan pada refrigerasi siklus kompresi uap dalam dekade belakangan ini membuat para peneliti berusaha memunculkan sistem refrigerasi alternatif yang tidak mengandung permasalahan serupa. Teknologi alternatif tersebut diantaranya adalah refrigerasi sistem adsorpsi padatan (solid adsorption). Sistem adsorpsi padatan ini tidak menggunakan refrigeran yang merusak ozon, serta bisa memanfaatkan matahari dan panas buangan .
Teknik pendinginan adsorpsi merupakan salah satu pilihan dari metode pendinginan yang dapat digunakan jika sumber listrik tidak ada dan sebagai pengganti refrigeran yang tidak ramah lingkungan. Metode pendinginan ini memerlukan sumber energi panas sebagai penghasil siklus pendinginan. Sumber energi tersebut dapat diperoleh dari biomassa, energi radiasi surya, maupun panas buangan.
Perkembangan mesin ini telah dikenal pada tahun 1980 sampai sekarang, dimana M. Pons dan J.J. Guilleminot (1981) membuat alat mesin pendingin dengan menggunakan pasangan Zeolit – air dan pasanganan karbon aktif – metanol. Sokoda dan Suzuki (1984) dan Critoph et al (1988) melakukan studi kinerja siklus adsorpsi untuk pendingin surya. Vichan Tangkengsirin et al (1997) menggunakan pasangan silicagel – air dan sumber panas dari energi surya.
Hildrand C, Dind P., Pons M., Butchter F.(2001), melakukan penelitian pada mesin pendingin menggunakan silica gel – water dengan sumber panas kolektor surya dengan luas 2 m2 mendapatkan harga COP antara 0.10 sampai 0.25. Sedangkan Wang D.C, Xia Z.Z, Zhai H, Wang R.Z dan Dou W.D.(2005), melakukan penelitian mesin pendingin adsorpsi menggunakan silica gel dan air, diperoleh Kapasitas pendinginan dan COP sebesar 7,15 kW dan 0,38.
Beberapa penelitian pada sistem pendingin adsorpsi telah dilakukan di laboratorium Energi dan Elektrifikasi, diantaranya oleh Aep et al, (2002) telah melakukan penelitian mesin pendingin adsorpsi dengan menggunakan silicagel – metanol dengan pembangkitan panas dari listrik, dari hasil penelitian dengan 3 kali pengujian dengan tekanan awal sebesar 5,4 kPa diperoleh temperatur evaporator 10 °C dengan pemanasan pada generator sebesar 72°C. Pada saat proses desorpsi yang berlangsung selama 7 jam, temperatur evaporator meningkat menjadi 26 °C dengan lama proses selama 2 jam. Sedangkan pendinginan dengan menggunakan beban pendinginan dan tekanan awal 0.11 kPa (0.88 mmHg) dan suhu evaporator sebesar 24°C menurun menjadi 10°C dan terus meningkat karena adanya beban pendinginan air pada chiller dan berlangsung selama 7 jam yang mencapai 26°C. Pendinginan menghasilkan selisih 1.5 - 2°C perbedaan suhu yang masuk dan keluar dari evaporator.
Selain itu penelitian untuk melihat kinerja alat pendingin adsorpsi juga dilakukan oleh Setiono B, (2005) dimana hasil yang didapatkan menunjukkan besaran temperatur di evaporator 9.7°C pada tekanan 26.1 torr (3.48 kPa) tanpa menggunakan beban pendinginan, sedangkan dengan menggunakan beban pendinginan didapatkan suhu evaporator sebesar 13.5°C pada tekanan 38.7 torr (5.16 kPa) dan 13.4°C pada tekanan 45.1 torr (6.01 kPa). Pada percobaan yang dilakukan ini berhasil menurunkan temperatur rata-rata 5°C. Tetapi pada penelitian ini proses awal yang dilakukan adalah proses evaporasi-adsorpsi, kemudian dilanjutkan dengan proses generasi-desorpsi.
Konsep Keseimbangan Energi, Eksergi dan Entropi
dimana energi terdiri atas eksergi dan entropi. Eksergi adalah kualitas energi yang digunakan untuk melakukan kerja. Sedangkan entropi adalah bagian dari energi yang mengalami perubahan wujud energi dan tidak melakukan kerja.
Energi dan massa yang memasuki sistem sebagai kerja akan sama dengan energi yang keluar dari sistem pada kondisi seimbang (steady state). Ini merupakan konsep kekekalan energi dan massa (Hukum Thermodinamika I).
Gambar 2 Aliran energi, eksergi, dan entropi masuk dan keluar dari sistem (Shukuya et al, 2002).
Energi yang masuk sistem sama dengan energi yang keluar sistem pada kondisi steady berdasarkan hukum kekekalan energi. Sementara entropi yang memasuki sistem lebih kecil dari pada entropi yang keluar dari sistem karena entropi yang keluar sistem bertambah dengan adanya pertumbuhan entropi.menurut hukum peningkatan entropi. Sebaliknya eksergi yang memasuki sistem lebih besar daripada eksergi yang keluar dari sistem, karena terjadi adanya kehilangan dan kehancuran eksergi yang dikonsumsi oleh peningkatan entropi.
Keseimbangan Eksergi
atau dengan kata lain terjadinya penurunan eksergi sebagai akibat dari ketidakmampu-balikan proses (Bejan, 1996).
Analisis eksergi dapat dilakukan dengan mengembangkan model keseimbangan eksergi berdasarkan model fisik sistem termal yang dipelajari. Dengan memanfaatkan konsep-konsep yang dikembangkan pada kaidah-kaidah termodinamika pertama dan kedua, keseimbangan eksergi untuk sistem tertutup dikembangan dengan menggabungkan persamaan keseimbangan energi dan keseimbangan entropi pada sistem tersebut (Cengel, 2005). Konsep kekekalan energi merupakan persamaan awal yang mendasari keseimbangan eksergi, dimana energi masuk sama dengan jumlah energi yang diserap ( energy stored ) dan energi yang keluara sistem.
(energy input) = (energy stored) + (energy output)
Dengan anggapan kondisi steadi, sehingga tidak ada energi yang diserap sistem maka persamaan diatas dapat disederhanakan menjadi :
(energy input ) = (energy output)
Selanjutnya persamaan keseimbangan entropi sistem dinyatakan dengan persamaan berikut :
(entropy input) + (entropy generated) = (entropy stored) + (entropy output) Dengan asumsi kondisi steadi sehingga tidak ada entropi yang diserap (entropy stored) sebagaimana tidak ada energi yang diserap (energy stored), maka persamaan keseimbangan entropi disederhanakan menjadi :
(entropy input) + (entropy generated) = (entropy output)
Dimana entropi adalah J/K (atau W/K) dan energi adalah J (atau W).
Kombinasi keseimbangan energi dan entropi menghasilkan persamaan keseimbangan sebagai berikut :
(Exergy input ) – (Exergy consumed) = (Exergy output)
Persamaan keseimbangan eksergi ini pada kondisi tidak steady. Eksergi yang dikonsumsi sebanding dengan produksi entropi pada suhu keseimbangan lingkungan.
Persamaan perubahan eksergi juga dapat diperoleh dari selisih keseimbangan entropi yang dikalikan dengan suhu lingkungan ( T0) terhadap keseimbangan
energi.
LANDASAN TEORI
Model Persamaan Termodinamika Siklus Adsorpsi Kondisi Steady Menurut Gillet (1982), diacu dalam Setiono (2005) , untuk mempelajari sistem ada dua alternatif yang dapat dilakukan. Pertama dengan mempelajari sistem aktual itu sendiri dan yang kedua dengan membentuk model dari sistem dan mempelajari melalui model tersebut. Model diperlukan untuk memahami suatu keadaan atau sistem yang rumit. Model dalam arti luas merupakan suatu konsep yang menggambarkan sistem sebenarnya. Untuk melakukan penelitian terhadap sistem, kita dapat meneliti suatu model. Hal ini akan mengurangi resiko kegagalan, menghemat biaya dan waktu.
Kompleksitas dan sulitnya pengendalian keadaan sebenarnya menyebabkan penggunaan model menjadi sangat bermanfaat (efektif). Keuntungan dari model adalah lebih sederhana dibandingkan dengan keadaan sebenarnya, selain itu model masih dapat dipergunakan untuk memprediksi dan menerangkan fenomena-fenomena dengan ketepatan cukup tinggi. Suatu model dikatakan baik apabila dapat meramalkan efek perubahan dalam sistem.
Dalam simulasi ini nilai hubungan antara adsorben dan adsorbate dapat dilihat dari grafik P-T-X yang dikembangkan oleh Kamaruddin, et al (2005). Dalam simulasi ini dicoba dicari dari persamaan empirik untuk pendekatan hubungan antara tekanan (P), konsentrasi (X) dan suhu adsorben (T) dalam berbagai variasi. Pembuatan persamaan tersebut berdasarkan data dan grafik Oetler (1997). Persamaan empirik yang dibuat didapatkan juga dari fitting curve
sifat metanol.
⎟ ⎠ ⎞ ⎜
⎝ ⎛ =
Ts T T B T
A Ts T
X( , ) ( )exp ( ) ...(1) dimana :
T = suhu dari adsorben (K)
A (T) dan B (T) variabel yang merupakan fungsi suhu dari adsorben. Lebih lanjut koefisien dari persamaan 1 ditentukan sebagai berikut :
Koefisien A dinyatakan oleh : ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = T a e a T A 2 . )
( 1 ...(2) dimana :
a1 = 1.45E-9
b1 = 7568.5352
Koefisien B dinyatakan oleh :
B(T)= a2T+b2(T)+c2(T)2+d2(T)3+e2(T)4+f2(T)5... (3)
dimana :
a2 =-18929.136 d2 = 0.004525
b2 = 273.8533 e2 = -6.46E-06
c2 = -1.57816 f2 = 3.6649E-09
Dari persamaan diatas kemudian dikembangkan untuk dapat menghitung persamaan persamaan lainnya.
Pendugaan suhu Tg1 dan Ta1
Pendugaan suhu ini diperlukan agar dapat menggambarkan grafik P-T-X siklus kerja mesin pendingin adsorpsi. Berdasarkan asumsi dari grafik P-T-X, maka : ) , ( ) ,
(Tg1 Tc X Ta2 Te
X = ... (4) )
, ( ) ,
(Tg2 Tc X Ta1 Te
X = ... (5) Dari persamaan (1), maka :
⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = Tc Tg T B T A Te Ta
X( 2, ) ( )exp ( ) 1 ... (6)
⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = Tc Tg T B T A Te Ta
X( 1, ) ( )exp ( ) 2 ... (7) sehingga :
⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = ) ( ) , ( ln . ) ( 1 2 1 1 Tg A Te Ta X Tg B Tc
⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = ) ( ) , ( ln . ) ( 2 2 2 1 Tg A Tc Tg X Tg B Te
Ta ... (9)
Dari hubungan antara tekanan (P) dengan suhu jenuh refrigeran (Ts) berlaku persamaan Clausius – Clapeyron :
Ts C A P)= −
ln( ... (10) Dari hubungan tekanan jenuh dan suhu jenuh metanol didapat fitting curve
sebagai berikut :
ln(P) = 25.169647 – 4650.2884(1/Ts)... (11) Maka suhu Tg1dan Ta1 dapat dicari dengan memprediksi suhu adsorben (generator ) dengan mengetahui tekanan jenuh pada kondensor :
⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = ) 2 ( ) ln( ln ) ( ) ln( ) ( 12 2
2 ATa
P A C Ta X Ta B P A C P
T ... (12)
⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = ) 2 ( ) ln( ln ) ( ) ln( ) ( 34 2
2 A Tg
P A C Ta X Tg B P A C P
T ... (13)
Gambar 3 Model fisik di Generator Desorpsi.
1. Kesetimbangan Massa (mass balance)
Proses desorpsi di generator (pelepasan methanol dari silicagel) membutuhkan energi (Qin) yang diperoleh dari aliran air panas dari dua arah,masing masing dari disisi luar dan dalam generator (gambar 1), sedangkan perubahan massa didalam ruang silica gel - methanol untuk kondisi unsteady
dapat dinyatakan dalam bentuk persamaan :
mi−me =Δmsystem → −me =(m2 −m1)CV atau me =(m1−m2)CV ... (14) 2. Kesetimbangan Energi (energy balance)
Untuk mengembangkan model matematik pindah panas dari air ke silikagel-metanol selama proses desorpsi, dapat didekati dengan hukum pertama termodinamik tentang kesetimbangan energi di generator, dengan asumsi kondisi aliran methanol tidak tunak (unsteady flow). Hal ini disebabkan karena proses desorpsi diikuti dengan proses kondensasi secara serempak, sehingga laju penguapan methanol bekerja pada tekanan konstan.
gel-metanol menerima panas dari dua arah secara melingkar yang terdiri dari selubung pipa air bagian luar dan selubung pipa air bagian dalam, sehingga panas dipindahkan dari air ke dinding pipa secara konveksi paksa, dalam dinding pipa secara konduksi, dan dari dinding pipa luar ke silakagel berlangsung secara konduksi. Mengingat dinding pipa yang tipis (ketebalan 2 mm), maka tahahan termalnya dapat diabaikan. Model matematika tersebut dapat didekati dengan bentuk persamaan :
{
}
{
}
{
}
sistemSD SL methanol Silikagel dalam Energi Perubahan keluar air Energi masuk air Energi keluar air Energi masuk air Energi − = − + −
{
Ew1,in −Ew1,out} {
+ Ew2,in−Ew2,out}
=ΔEsistem ...(15)Dengan asumsi energi potensial, energi kinetik, energi masuk, dan kerja mekanik sama dengan nol, maka persamaan menjadi
(
mh)
outSL +(
mh)
outSD −(
mh)
inSL −(
mh)
inSD +ΔEsistem=
∑
∑
∑
∑
, , , , 0(
)
1,(
)
2,(
)
1,(
)
2, .0 Silicagel MeOH Gen
in w in w out w out
w mh mh mh E
mh + − − +Δ − −
=
∑
∑
∑
∑
(
mh)
w1,out−(
mh)
w2,out+(
mh)
w1,in+(
mh)
w2,in =ΔESilicagel−MeOH−Gen.−
∑
∑
∑
∑
Panas yang digunakan untuk memanaskan Silicagel
dT Cp m Q Tsg Tsg sg sg
∫
= 2 1 1 ...(16)Panas sensibel Generator
dT Cp m Q g Tg Tg g
∫
= 1 2 2 ...(17)Panas yang diperlukan MeOH dari kondisi cair menjadi uap
dT Cp m h m dT Cp m
Q metuap
Tmet Tsat uap met fg uap met l met Tsat Tmet f met , 2 , , , , 1 , ,
3 =
∫
+ Δ +∫
...(18)Energi yang dibutuhkan selama proses desorpsi
(
) (
)
{
}
(
) (
)
3 2
1 Q Q
Q
Esist = + +
dT Cp m h m dT Cp m dT Cp m dT Cp m E uap met Tmet Tsat uap met fg uap met l met Tsat Tmet f met g Tg Tg g Tsg Tsg sg sg sist , 2 , , , , 1 , , 2 1 2 1
∫
∫
∫
∫
+ Δ + + + = ...(19) ) ( ) ( ) ( ) ( 2 , , , , 1 , , , 1 2 1 2 sat met uap met uap met fg uap met met sat f met f met g g g g sg sg sg sg sist T T Cp m h m T T Cp m T T Cp m T T Cp m E − + Δ + − + − + − = ...(20) Sehingga kesetimbangan energi (energy balance) di generator pada saat desorpsi adalah :(
)
(
)
(
)
(
)
) ( ) ( ) ( ) ( 2 , , , , 1 , , , 1 2 1 2 , 2 , 2 2 , , 1 , 1 1 , sat met uap met uap met fg uap met met sat f met f met g g g g sg sg sg sg in w out w w in w out w w T T Cp m h m T T Cp m T T Cp m T T Cp m T T mCp T T mCp − + Δ + − + − + − = − + − ...(21)3. Kesetimbangan Entropi (entropy balance)
⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ sistem Entropi Perubahan n pembentuka Entropi Total keluar Entropi Total masuk Entropi Total sistem gen out
in S S S
S − + =Δ
∫
⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = − = Δ = + − 2 1 1 2 T dQ S S S S SSin out gen sistem
sat met uap met uap met met met uap met met sat f met f met g g g g sg sg sg sg gen in w out w w w in w out w w w T T Cp m T h m T T Cp m T T Cp m T T Cp m S T T Cp m T T Cp m 2 , , , , 1 , , 1 2 1 2 , 2 , 2 2 , 2 , , 1 , 1 1 , 1 , ln ln ln ln ln ln + ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡Δ + + + = + + ...(22)
sedangkan pertumbuhan entropi (entropy generation) adalah
in w out w w w in w out w w w sat met uap met uap met met met uap met met sat f met f met g g g g sg sg sg sg gen
T
T
Cp
m
T
T
Cp
m
T
T
Cp
m
T
h
m
T
T
Cp
m
T
T
Cp
m
T
T
Cp
m
S
, 2 , 2 2 , 2 , , 1 , 1 1 , 1 , 2 , , , , 1 , , 1 2 1 2ln
ln
ln
ln
ln
ln
−
−
+
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡Δ
+
+
+
=
...(23)4. Kesetimbangan Eksergi (exergy balance)
Penerapan kesetimbangan eksergi selama proses desorpsi pada generator dengan menggunakan pendekatan volume atur (control volume) untuk fluida air pemanas, methanol-silikagel dan generator. Kondisi aliran air pemanas berlangsung secara tunak (steady), sedangkan kondisi pergerakan methanol dari silikagel berlangsung pada tekanan konstan yang diikuti dengan proses kondensasi. Kesetimbangan eksergi dari proses diatas dapat dinyatakan dengan :
⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ sistem Eksergi Perubahan pemusnahan Eksergi Total keluar Eksergi Total masuk Eksergi Total sistem destroyed out
in X X X
X − − =Δ
(
)
(
)
(
)
(
)
sat met uap met uap met met met uap met met sat f met f met g g g g sg sg sg sg sat met uap met uap met uap uap met met sat f met f met g g g g sg sg sg sg gen in w out w w w in w out w w w in w out w w in w out w w T T Cp m T T h m T T T Cp m T T T Cp m T T T Cp m T T T Cp m h m T T Cp m T T Cp m T T Cp m S T T T Cp m T T Cp m T T T mCp T T mCp 2 , , , 0 , 0 1 , , 0 1 2 0 1 2 0 2 , , , , 1 , , , 1 2 1 2 0 , 2 , 2 2 , 2 , , 1 , 1 1 , 1 , 0 , 2 , 2 2 , , 1 , 1 1 , ln ln ln ln ) ( ) ( ) ( ) ( ln ln + ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡Δ + + + − − + Δ + − + − + − = − − − − + − ...(24)Irreversibilitas atau Eksergi musnah (exergy destroy) gen
o destroyed T S
X
I = = ...(25)
Sehingga pemusnahan eksergi (exergydestroy) adalah :
(
)
(
)
(
)
(
)
sat met uap met uap met met met uap met met sat f met f met g g g g sg sg sg sg sat met uap met uap met uap uap met met sat f met f met g g g g sg sg sg sg in w out w w w in w out w w w in w out w w in w out w w gen T T Cp m T T H m T T T Cp m T T T Cp m T T T Cp m T T T Cp m H m T T Cp m T T Cp m T T Cp m T T Cp m T T T Cp m T T T mCp T T mCp S T 2 , , , 0 , 0 1 , , 0 1 2 0 1 2 0 2 , , , , 1 , , , 1 2 1 2 , 2 , 2 2 , 2 , 0 , 1 , 1 1 , 1 , 0 , 2 , 2 2 , , 1 , 1 1 , 0 ln ln ln ln ) ( ) ( ) ( ) ( ln ln + ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡Δ + + + + − − Δ − − − − − − − − − − + − = ...(26)Eksergi tersedia dari aliran air panas masuk :
(
)
(
)
{
}
1 2{
(
)
(
0)
}
21 ,
2 ,
1w h w in o o in o w w in o o in w
w m h h T s s m h h T s s
E = − − − + − − − ..(27)
Eksergi meninggalkan aliran air panas :
(
)
(
)
{
}
1 2{
(
)
(
)
}
21 out o o out o w w out o o out o w
w
h m h h T s s m h h T s s
E = − − − + − − − ...(28)
h w w loss II E E dilepaskan Eksergi hilang Eksergi dilepaskan Eksergi hilang Eksegi dilepaskan Eksergi dilepaskan Eksergi bermanfaat Eksergi , 2 , 1 1
1− = −
= − = = η ...(29)
MODEL PINDAH PANAS DI KONDENSOR
Gambar 4 Model Fisik Kondensor.
1. Kesetimbangan Massa (mass balance)
Proses pelepasan panas kondensasi oleh uap refrigeran dilakukan dengan mengambil media pendingin dari koil dikondensor, seperti dalam gambar 4.
out in m m • • = ...(30) 2. Kesetimbangan Energi (energy balance)
Kesetimbangan energi di kondensor dikembangkan dengan melihat proses pindah panas yang terjadi. Proses dikondensor terjadi pelepasan kalor yang dilepaskan uap refrigeran dengan mengambil media dingin dari koil. Sehingga kesetimbangan energi dapat dinyatakan sebagai berikut :
out w w in w w out met met in met
meth m h m h m h
m , , , ,
• • • • − =
− ... (31 3. Kesetimbangan Entropi :
∫
⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = − = Δ = + − 2 1 1 2 T dQ S S S S SSin out gen sistem
out w w in w w gen out met met in met
mets m s S m s m s
m , , , ,
• • • • − = + − ...(32)
4. Kesetimbangan Eksergi
[image:38.612.243.441.545.679.2]⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ sistem Eksergi Perubahan pemusnahan Eksergi Total keluar Eksergi Total masuk Eksergi Total
(
)
(
)
(
( ) ( ))
(
( ) ( ))
) ( ) ( ) ( ) ( 0 , 0 0 , 0 , 0 0 , 0 , 0 0 , 0 0 0 , s s T h h m s s T h h m S T s s T h h m s s T h h m X X X X out w out w w in w in w w gen o out w out met met win in met met system destroyed out in − − − − − − − = − − − − − − − − Δ = − − • • • • ...(33) sehingga(
)
(
( ) ( ))
) ( ) ( , 0 , , 0 , , 0 , , out w win out met in met met gen out w in w out w in w w s s T h h m S T s s T h h m − − − = − − − − • •sehingga Eksergi pemusnahan (Exergy destroyed) :
(
)
(
( ) ( ))
) ( ) ( , 0 , , , , 0 , , 0 out w win out met in met met out w in w out w in w w gen s s T h h m s s T h h m S T − − − − − − − = • • ...(34)MODEL PINDAH PANAS DI EVAPORATOR
1. Kesetimbangan Massa
out met in met m
m , = , ... (35) 2. Kesetimbangan Energi
out met met in met met out w w in w
wh m h m h m h
m , , , ,
• • • • − =
− ... (36) 3. Kesetimbangan Entropi
out met met in met met gen out w w in w
ws m s S m s m s
m , , , ,
• • • • − = + − ...(37) 4. Kesetimbangan Eksergi :
(
)
(
)
(
( ) ( ))
(
( ) ( ))
) ( ) ( ) ( ) ( , 0 0 , 0 0 0 , 0 0 , 0 0 , 0 , 0 0 , o out w out met met win in met met gen out w out w w in w in w w system destroyed out in s s T h h m s s T h h m S T s s T h h m s s T h h m X X X X − − − − − − − = − − − − − − − − Δ = − − • • • • ... (38) sehingga eksergi pemusnahan (exergy destroy)(
)
(
( ) ( ))
) ( ) ( , 0 , , , , 0 , , 0 out w win out met in met met out w in w out w in w w gen s s T h h m s s T h h m S T − − − − − − − = • • ...(39) Penentuan COPDalam sistem refrigerasi, COP sistem dapat didefinisikan sebagai perbandingan antara panas yang diserap dari suhu rendah dengan kerja yang diberikan pada sistem . Koefisien performansi (COP) untuk sistem pendinginan penyerapan didefinisikan oleh perbandingan antara energi evaporasi (Qref ) dan
energi desorpsi (Q kond). Jika pada proses evaporasi diasumsikan dalam keadaan
adiabatik (tidak ada panas yang hilang ke lingkungan), maka COP absolut dari mesin ini adalah:
Hd Qd Q Q Qref COP + + + = 3 2
BAHAN DAN METODE
Waktu dan Tempat
Penelitian ini akan dilaksanakan pada pertengahan bulan Januari sampai dengan bulan Agustus 2007 di Laboratorium Bersama Luikopo. Departemen Teknik Pertanian, IPB, Bogor.
[image:40.612.159.502.235.451.2]Alat dan Bahan
Gambar 6 Skema Sistem Pendingin Adsorpsi Intemitten. Alat
Mesin pendingin tipe adsorpsi intermitten silica gel metanol ini terdiri dari : a. Generator
yang digunakan sebagai alat pengukuran temperatur yang terdapat di dalam generator.
Gambar 7 Unit Generator. b. Kondensor
[image:41.612.270.385.118.281.2]Kondensor terbuat dari stainless steel dengan ukuran tebal, diameter dan tinggi masing – masing 0,5 cm x 17,5 cm x 52 cm. Tutup kondensor terbuat dari acrylic dengan ketebalan 1 cm, diameter 21 cm dan plang yang terbuat dari besi dengan ketebalan 1 cm dan diameter 21 cm. Pada kondensor dipasang 4 buah termokopel yang digunakan untuk mengetahui temperatur yang terdapat di dalam kondensor, selain itu terdapat saluran pipa dingin yang berasal dari cooling tower.
Gambar 8 Unit Kondensor.
Receiver terbuat dari kaca dengan ukuran tebal, diameter, dan tinggi masing– masing 0,3 cm x 5,7 cm x 51 cm. bagian bawahnya terdapat katup yang digunakan untuk mengalirkan refrigeran yang tertampung di receiver menuju bagian evaporator.
Gambar 9 Unit Receiver.
d. Evaporator
[image:42.612.273.381.156.321.2]Evaporator terbuat dari stainless steel dengan ukuran tebal, diameter, dan tinggi masing-masing 0,5 cm x 23,5 cm x 40 cm. Tutup evaporator terbuat dari acrylic dengan ketebalan 1 cm, diameter 26 cm dan plang yang terbuat dari besi dengan ketebalan 1 cm dan diameter 26 cm.
Gambar 10 Unit Evaporator.
Komponen pendukung mesin pendingin :
1. Panjang heat exchanger : 220 mm2 2. Lebar heat exchanger : 220 mm2
3. Jumlah pipa : 150 pipa dengan 2 lintasan 4. Panjang pipa : 220 mm2
5. Diameter pipa air : 9,9 mm2
6. Bahan pipa aliran air : Tembaga Murni 99,99 % 7. Laju aliran air (
.
m) : 4,5 Liter/menit = 0,075 kg/s 8. Temperatur air masuk : 78 0C
9. Temperatur air keluar : 87 0C 10. Temperatur gas buang masuk : 220 0C 11. Temperatur gas buang keluar : 96,24 0C
12. Laju Aliran Bahan Bakar : 1liter/jam =2.33 x 10-3 kg/s 13. Mesin Diesel : Yanmar TS 155
Daya Kerja : 13 DK/2200 rpm
[image:43.612.122.470.54.706.2]Daya Kerja Maks : 15,5 DK/2400 rpm Dengan bahan bakar minyak diesel.
Gambar 11 Mesin Diesel dan Heat exchanger.
2. Pompa air, dipergunakan untuk mengalirkan air sebagai penukar panas pada generator dan kondensor, pompa yang digunakan memiliki daya 90 W, 220V. Sedangkan untuk chiller digunakan pompa air dengan daya 10 W, 220 V. 3. Pompa vakum, digunakan untuk memvakumkan alat pendingin adsorpsi. 4. Menara pendingin, digunakan untuk menghilangkan panas pada air dan
pendingin ini akan dialirkan menuju generator pada proses adsorpsi dan ke kondensor pada saat desorpsi.
Gambar 12 Sistem Menara Pendingin. 5. Chiller, digunakan untuk tempat beban pendinginan (air).
6. Cold trap, alat ini digunakan untuk menangkap uap air yang mungkin dapat ditarik oleh mesin pompa vakum, sehingga uap air tidak tercampur dengan oli pada mesin pompa vakum dan tidak membuat pompa vakum cepat rusak.
Alat ukur yang akan digunakan :
1. Vakum gauge digital, tipe VA 2076 buatan Jepang (Okano Work), digunakan untuk mengukur tekanan (P).
2. Thermokopel jenis C-C tipe T untuk mengukur temperatur pada alat mesin pendingin, buatan Jepang.
3. Thermometer air raksa, untuk mengukur temperatur bola basah dan bola kering.
Gambar 13 Pompa Vakum
Gambar 14 Hibrid Recorder
Bahan
Refrigeran dan adsorber
Refrigeran yang digunakan adalah metanol (CH3OH) dan adsorben
digunakan silica gel.
[image:45.612.222.412.553.688.2]4. Sistem kontrol listrik
Sistem ini digunakan untuk menjalankan proses desorpsidan adsorpsi.
5. Letak titik pengukuran
Sistem pendingin adsorpsi ini terdapat 18 titik pengukuran temperatur dan 1 pengukuran tekanan. Pengukuran temperatur terdiri dari empat (4) buah termokopel pada generator, tiga (3) buah termokopel pada evaporator, tiga (3) buah termokopel pada kondensor dan tiga (3) buah termokopel pada chiller.
Untuk pipa-pipa air pada pemasukan dan pengeluaran juga dipasang termokopel sebanyak dua (2) buah pada kondensor, dua (2) buah pada generator dan dua (2) buah pada chiller.
Pada sistem kontrol untuk unit pendingin terdiri dari dua. Untuk siklus desorpsidan adsorpsi digunakan sistem katup buka. Sedangkan untuk generator terdapat sistem pengendalian secara otomatis untuk pemanasan airnya. Hal ini dibuatuntuk menghindari temperatur yang berlebihan sehinggatidak terjadi tekanan yang berlebih juga pada sistem.
Prosedur Penelitian 1. Pengujian kebocoran mesin
Sebelum digunakan mesin beserta perpipaan perlu diuji kebocoran tiap bagian dengan cara diberi tekanan tinggi dan memasukkan ke dalam air. Setelah tidak ada kebocoran, kemudian mesin dirangkai dan di lakukan vacuum dengan mesin vacuum dan didiamkan selama beberapa hari, jika angka pada vacuum gauge tidak berubah maka mesin sudah benar-benar vacuum.
2. Kalibrasi alat ukur
Pengukuran suhu menggunakan termokopel jenis C-C yang ditempatkan di generator, kondensor dan evaporator. Selain itu thermokopel dipasang pada pemasukan dan pengeluaran air dingin generator, kondensor, evaporator, dan chiller, pemasukan dan pengeluaran aiar panas generator, serta suhu bola basah dan bola kering lingkungan. Untuk pengukuran konsentrasi didapatkan dari grafik P-T-X pada lampiran, sedangkan untuk melihat jumlah kondensat dapat dilihat pada receiver, dimana kondensat yang terdapat dalam receiver sudah berkondensasi menjadi methanol murni.
Untuk pengukuran tekanan digunakan vacuum gauge yang dipasang di generator, kondensor dan evaporator. Vacuum gauge dipasang untuk melihat tekanan kerja mesin.
Pengkalibrasian kecepatan aliran air (flow meter) dilakukan dengan cara mengatur debit pada flow meter dan menyesuaikan dengan keluaran air yang dihasilkan.
3. Pengisian methanol
Pengisian methanol kedalam tabung receiver dilakukan dengan memvakumkan seluruh unit selama 2 jam sampai tekanan 0-1 mmHg dan menutup semua valve. Slang vacuum dihubungkan dengan tabung elemeyer yang berisi metanol dan telah ditutup bagian atasnya dengan karet penutup. Hal ini dilakukan agar metanol dalam tabung elemeyer tidak cepat menguap. Setelah itu kran pemvakuman dibuka sedikit demi sedikit sehingga metanol masuk kedalam
receiver.
4. Pengukuran beban pendinginan
Pengukuran beban pendinginan dengan menggunakan kotak kaca sebagai tempat penampungan air yang terdapat diluar sistem mesin pendingin dengan ukuran 29 cm x 29 cm x 50 cm. Beban ini dihubungkan dengan koil pemasukan dan pengeluaran air dari evaporator. Air pendingin dari kotak kaca akan dipompakan menggunakan pompa akuarium ke dalam koil yang terdapat di dalam evaporator, kemudian dialirkan kembali kedalam kotak kaca. Pengukuran dilakukan dengan menempatkan termokopel pada bagian pemasukan dan pengeluaran air dari koil evaporator.
5. Pengujian Alat
Setelah metanol dimasukkan kedalam generator, proses desorpsi dimulai dan diikuti dengan proses adsorpsi. Pada penelitian ini terdapat beberapa perlakuan yang digunakan antara lain :
- Suhu pemanas dihasilkan oleh gas buang melalui heat exchanger dengan rata-rata temperatur kurang dari 90°C
- Debit fluida kerja air generator 0.066liter/detik. - Debit fluida kerja air kondensor 0.150 liter/detik - Pengukuran menggunakan beban pendinginan.
- Debit fluida kerja air beban pendingin 0.035 liter/detik.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Uji Kinerja Mesin Pendingin Adsorpsi
Pengujian mesin pendingin adsorpsi dimulai dari siklus desorpsi – kondensasi, dimana sebelumnya dilakukan proses pemvakuman pada mesin pendingin dan dibiarkan selama kurang lebih 2 jam untuk melihat kebocoran. Setelah itu dilakukan pengisian methanolke dalam generator . Pada percobaan 1 dimasukkan methanol sebanyak 360 ml, setelah sebelumnya melakukan penutupan pada semua katup yang menghubungan tiap komponen dalam mesin pendingin adsorpsi. Kemudian proses desorpsi – kondensasi dimulai dengan langkah awal yaitu memanaskan generator (preheating) menggunakan air yang dihasilkan oleh gas buang diesel melalui heat exchanger sehingga methanol yang terikat dengan silicagel di dalam generator akan menguap (desorpsi) dan masuk kedalam ruang kondensor dimana diruang ini terjadi proses kondensasi sehingga dihasilkan methanol cair (kondensat) dengan konsentrasi tertentu yang ditampung didalam tabung receiver. Setelah proses desorpsi – kondensasi selesai, kemudian dilanjutkan dengan proses evaporasi – adsorpsi dengan terlebih dahulu menutup katup yang menghubungkan antara generator - kondensor dan katup yang menghubungkan kondensor dan tabung receiver.
Proses evaporasi – adsorpsi dimulai dengan membuka katup yang menghubungkan antara tabung receiver – evaporator dan evaporator–generator dengan terlebih dahulu melakukan proses pendinginan (pre cooling) yang diikuti dengan proses adsorpsi sehingga temperatur dan tekanan didalam generator mengalami penurunan. Pada proses ini akan terjadi pengikatan kembali methanol oleh silicagel didalam generator. Setelah proses selesai, proses dilanjutkan kembali ke siklus awal yaitu proses desorpsi – kondensasi, kemudian proses evaporasi – adsorpsi begitu proses terus berulang.
proses, dan juga hubungan antara temperatur adsorber dan evaporator selama proses seperti pada grafik berikut ini :
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
8:50 9:20 9:50 10:20
Waktu
T
e
m
p
er
at
u
r (
d
eg
.C
)
Generator Kondensor
Gambar 16 Hubungan Temperatur generator, kondensor terhadap waktu.
0 5 10 15 20 25 30 35
11:05 11:35 12:05 12:35
Waktu
T
e
m
p
erat
u
r (
d
e
g
.C
)
Adsorber Evaporator
Gambar 17 Hubungan Temperatur adsorber, evaporator terhadap waktu.
0 5 10 15 20 25
20 40 60 80
Temperatur (deg. C)
Te
k
a
na
n (
k
P
a
)
Gambar 18 Grafik P-T-X Tekanan-Temperatur Silica gel (MeOH) percobaan 2.
Secara aktual dari grafik diatas diperoleh hasil sebagai berikut : Tabel 1. Temperatur dan tekanan generator percobaan 2
Temperatur Keterangan
(°C) K
Tekanan kPa
Ta2 31.5 304.5 14.6655
Te 24 296.58 14.6655
Tg2 84.4 357.4 22.5848
Tc 26.76 299.76 22.5848
0 10 20 30 40 50 60 70 80
14:25 15:40 16:44 17:59
Waktu
T
e
mp
. (
d
e
g
. C
)
0 40 80 120 160 200
T
e
kan
an
(
m
m
H
g
)
[image:52.612.179.476.88.296.2]Silicagel Evaporator Tekanan
Gambar 19 Grafik Temperatur, Waktu dan Tekanan pada proses desorpsi – adsorpsi percobaan 1.
Peningkatan temperatur generator akan meningkatkan kuantitas methanol pada siklus tetapi peningkatan temperatur akan merugikan jika panas yang dihasilkan melebihi 90 °C (Wang D.C., et. al., 2005). Pengukuran temperatur silicagel, ruang evaporator dan tekanan generator dilakukan secara kontinu dengan hasil seperti pada gambar 18. Suhu yang bisa dicapai sebesar 24.01 °C pada tekanan awal 16.1587 kPa. Generator dipanaskan dengan temperature maksimal 84.9 °C.
Proses adsorpsi berlangsung selama 1 jam 45 menit dimana temperatur generator dicapai pada 30°C. Waktu yang digunakan (percobaan 2) untuk proses adsorpsi ini sama dengan waktu yang digunakan dalam proses desorpsi.
Pada siklus desorpsi-kondensasi terdiri dari periode pemanasan sensibel (heating sensible) dan proses desorpsi. Selama proses pemanasan sensible temperature generator meningkat dari suhu lingkungan menjadi panas sensible silicagel, dimana terjadi peningkatan secara cepat dari Ta2 menjadi Tg1. Selama
Hasil percobaan seperti ditunjukkan dalam bentuk grafik pada gambar 18, dimana tekanan kerja regenerasi naik seiring dengan naiknya suhu generator dan pada akhirnya akan bergerak relatif konstan sampai pada titik maksimal dimana pada titik ini refrigeran berada pada keadaan jenuh.
Kondensor didinginkan dengan penukar panas air (cooling tower) dengan suhu rata-rata sebesar 28.38 °C (percobaan 1). Refrigeran yang terkondensasi sebesar 347,5 ml dari metanol yang dimasukkan sebanyak 360 ml yang dapat diukur kecepatan alirannya dengan mengamati kenaikan jumlah methanol dalam ml dan lamanya waktu kondensasi dengan menggunakan stopwatch.
Jumlah refrigeran akan semakin berkurang karena temperatur generator tidak mampu melepaskan methanol (silica gel berada pada kondisi jenuh ) yang berada didalam pori-pori silicagel. Peningkatan temperatur silicagel terjadi pada awal proses desorpsi tetapi pada akhirnya setelah dilakukan proses adsorpsi yaitu dengan mendinginkan generator secara perlahan-lahan temperature silicagel akan mengalami penurunan temperatur sampai mendekati temperature lingkungan yaitu sebesar 30°C.
Pada percobaan ini dilakukan dengan menggunakan beban pendinginan dan tekanan awal yang digunakan 1.69 kPa (12.7 mmHg). Dari percobaan 2 (gambar 18) memperlihatkan penurunan temperatur terendah pada ruang evaporator dicapai pada 24°C dan terus terjadi peningkatan karena adanya beban pendinginan pada chiller dan berlangsung selama 1 jam 45 menit. Penurunan temperatur yang terjadi diruang chiller berkisar antara 0.5 – 1°C (perbedaan suhu yang masuk dan keluar evaporator).
Proses evaporasi sangat ditentukan oleh akhir dari proses pendinginan yaitu tekanan minimum yang dicapai oleh unit generator dan tekanan maksimum pada unit receiver – evaporator. Perbedaan tekanan ini yang mempengaruhi suhu refrigerasi minimum yang akan dicapai. Dalam percobaan ini proses adsorpsi dinyatakan selesai bila methanol yang tertampung di evaporator telah habis dan suhu mencapai suhu lingkungan.
temperatur maksimal 84.9 °C dengan tekanan awal sebesar 1.36 kPa (10.2 mmHg ) berubah menjadi 16.16 kPa (121.2 mmHg). Pemanasan dilakukan selama 2.15 jam. Setelah itu dilanjutkan dengan proses adsorpsi, dimana suhu awal 32.10 °C berubah menjadi 24°C dan kemudian meningkat menjadi 25.5 °C dan waktu yang digunakan untuk proses adsorpsi sama dengan waktu yang digunakan pada waktu proses desorpsi yaitu berlangsung selama 2.25 jam. Pada proses ini tekanan awal adalah 4.56 kPa (34.2 mmHg) dan berubah menjadi 14.83 kPa (111.2 mmHg ).
0 10 20 30 40 50 60 70 80
14:10 15:22 16:34 17:46 18:58 20:10
Waktu
T
em
p
(
d
e
g
. C
)
Silica gel
Evaporator
