Rancang Bangun Mesin Pendingin Ruangan Dengan Menggunakan Energi Surya Dan Campuran Air, Garam,Dan Es Sebagai Media Pendingin

RANCANG BANGUN MESIN PENDINGIN RUANGAN DENGAN

MENGGUNAKAN ENERGI SURYA DAN CAMPURAN

AIR, GARAM, DAN ES SEBAGAI MEDIA PENDINGIN

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi

Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

STEFANUS WANGSA NIM. 100401029

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

i

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa karena atas

rahmat dan karunia-Nyalah penulis dapat menyelesaikan skripsi ini yang berjudul

“RANCANG BANGUN MESIN PENDINGIN RUANGAN DENGAN MENGGUNAKAN ENERGI SURYA DAN CAMPURAN AIR, GARAM, DAN ES SEBAGAI MEDIA PENDINGIN”.

Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan Pendidikan

Strata-1 (S1) pada Departemen Teknik Mesin sub bidang Konversi Energi,

Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.

Dalam menyelesaikan skripsi ini tidak sedikit kesulitan yang dihadapi

penulis, namun berkat dorongan, semangat, doa, dan bantuan baik materiil, moril,

maupun spirituil dari berbagai pihak akhirnya kesulitan itu dapat teratasi. Untuk

itu sebagai manusia yang tahu terima kasih, dengan penuh ketulusan hati penulis

mengucapkan terima kasih yang tak terhingga kepada:

1. Bapak Tulus B. Sitorus, ST, MT. selaku Dosen Pembimbing yang dengan

penuh kesabaran telah memberikan bimbingan dan motivasi kepada

penulis.

2. Bapak Ir. A. Halim Nasution, M.Sc. selaku Dosen Pembanding I dan

Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST, MT. selaku Dosen Pembanding II

yang telah memberikan masukan dan saran dalam penyelesaian skripsi ini.

3. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik

Mesin Universitas Sumatera Utara.

4. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT. selaku Sekretaris Departemen Teknik

Mesin Universitas Sumatera Utara.

5. Kedua orang tua penulis, Heny Wangsa dan Sufiana serta kakak penulis,

Emilia Wangsa yang tidak pernah putus – putusnya memberikan

dukungan, doa, dan kasih sayangnya yang tak terhingga kepada penulis.

6. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin, yang

telah membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama

ii

7. Rekan-rekan khususnya Wunardi Surya, Christianto, Dwyanto, Hendri,

Kenny Austin, Michael Tanjaya, Helbert, Wilsen Simon, Derrick, dan

seluruh rekan mahasiswa angkatan 2010 serta semua rekan mahasiswa

Teknik Mesin yang telah mendukung dan memberi semangat kepada

penulis.

8. Teman – teman yang selalu memotivasi khususnya Danny, Kevin, Cindy,

Jimmy, Ralf dan semua teman – teman yang berada di Keluarga

Mahasiswa Buddhis yang telah memberi semangat.

Penulis meyakini bahwa tulisan ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena

itu penulis akan sangat berterima kasih dan dengan senang hati menerima saran,

usul, dan kritik yang membangun demi tercapainya tulisan yang lebih baik. Akhir

kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat memberi manfaat kepada pembaca,

Terima kasih.

Medan, Februari 2015

iii

ABSTRAK

Penggunaan mesin pendingin bertujuan untuk mengkondisikan dan

menyegarkan udara ruangan (pengkondisian udara). Terdapat mesin pendingin

ruangan jenis lain yang menggunakan listrik dan refrigeran. Mesin pendingin

ruangan yang dibahas adalah mesin pendingin yang dapat menyejukkan ruangan

dengan menggunakan energi surya serta campuran air, garam, dan es sebagai

media pendingin yang ramah lingkungan. Campuran air, garam, dan es dapat

menurunkan titik beku cairan sehingga penyerapan kalor lebih efektif. Panas dari

udara lingkungan dan infiltrasi dalam mesin pendingin ruangan disebut sebagai

beban pendingin. Tujuan dari rancang bangun adalah mengetahui kelebihan

styrofoam sebagai material utama mesin pendingin ruangan, menentukan dimensi

mesin pendingin, mengetahui efek penurunan titik beku dengan menggunakan

garam, dan mengetahui ukuran ruangan yang dapat disejukkan oleh mesin

pendingin. Dalam melakukan rancang bangun sebuah mesin pendingin ruangan,

dilakukan penentuan dimensi mesin pendingin ruangan dengan

mempertimbangkan kapasitas media pendingin, pembuatan design dengan

AUTOCAD 2011, penyiapan alat bahan, dan perakitan mesin pendingin. Dari

proses rancang bangun diperoleh kesimpulan bahwa styrofoam sebagai bahan

dasar untuk merancang mesin pendingin mempunyai tingkat kekakuan yang tinggi

serta konduktivitas termal yang rendah, dan garam dapat berfungsi sebagai media

penurunan titik beku yang baik.

Kata kunci: mesin pendingin, air, garam, es, beban pendingin, media pendingin,

iv

ABSTRACT

The usage of cooling machine is to condition and cools the air of the room

(air conditioning). There are other types of room cooling machine using electric

and refrigerant. The room cooling machine that will be discussed is the one which

can cool the room using solar energy as well as a mixture of water, salt, and ice

as an friendly coolant. The mixture of water, salt, and ice can lower the freezing

point of the liquid so that the absorption of heat will be more effective. The heat

from ambient air and infiltration in room cooling machine called a cooling load.

The purpose of design is to know the advantages of styrofoam as the main

material for this room cooling machine, determine the dimension of cooling

machine, find out the effect of freezing point depression by using salt and find out

the size of the room that can be cooled by this cooling machine. In designing this

room cooling machine, conducted by determination of room cooling machine

which has to consider the coolant capacity, designing by using AUTOCAD 2011,

preparation of the materials and assembling the cooling machine. From the

assembling process, there are some conclusions such as styrofoam being the basis

for designing the cooling machine has a high degree of stiffness and low thermal

conductivity, and salt can be serve as good freezing point depression medium.

v

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR ... i

ABSTRAK ... iii

ABSTRACT ... iv

DAFTAR ISI ... v

DAFTAR GAMBAR ... vii

DAFTAR TABEL ... viii

DAFTAR SIMBOL ... ix

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang Masalah ... 1

1.2 Tujuan ... 2

1.3 Batasan Masalah ... 2

1.4 Manfaat Penulisan ... 2

1.5 Sistematika Penulisan ... 2

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 4

2.1 Mesin Pendingin ... 4

2.1.1 Pengertian Mesin Pendingin ... 4

2.1.2 Sejarah Mesin Pendingin ... 4

2.2 Pemilihan Styrofoam sebagai Bahan Utama ... 7

2.2.1 Pengertian dan Karakteristik Styrofoam ... 7

2.2.2 Styrofoam sebagai Insulasi Termal ... 8

2.3 Sifat dan Kekuatan Bahan ... 9

2.4 Media Pendingin ... 10

2.5 Air, Garam, dan Es ... 11

2.5.1 Air sebagai Media Pendingin ... 11

2.5.2 Sifat Koligatif Larutan ... 12

2.5.3 Garam Dapur sebagai Media Penurunan Titik Beku ... 14

vi

2.7 Ukuran Ruangan ... 15

2.7 Energi Surya ... 17

2.7.1 Panel Surya ... 17

2.7.2 Charge Controller ... 18

2.7.3 Akumulator ... 19

2.8 Prinsip Kerja Mesin Pendingin Ruangan ... 20

BAB III METODOLOGI PERANCANGAN ... 21

3.1 Diagram Alir Perancangan ... 21

3.2 Penentuan Dimensi Mesin Pendingin Ruangan ... 22

3.3 Pembuatan Desain Mesin Pendingin Ruangan ... 22

3.4 Penyiapan Alat dan Bahan Perancangan ... 23

3.4.1 Penyiapan Alat ... 23

3.4.2 Penyiapan Bahan ... 25

3.5 Perakitan Mesin Pendingin Ruangan ... 28

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 29

4.1 Efek Penurunan Titik Beku Garam ... 29

4.2 Analisa Dimensi Mesin Pendingin ... 32

4.3 Analisa Sifat dan Kekuatan Bahan Styrofoam ... 34

4.3.1 Densitas Styrofoam ... 34

4.3.2 Kekakuan Styrofoam ... 35

4.4 Analisa Ukuran Ruangan Terhadap Beban Pendingin ... 36

4.5 Analisa Panel Surya dan Akumulator ... 37

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 40

5.1 Kesimpulan ... 40

5.2 Saran ... 40

DAFTAR PUSTAKA ... 41

vii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Perbedaan Titik Beku Air dengan Tiga Jenis Larutan Lain ... 13

Gambar 2.2 Panel Surya ... 17

Gambar 2.3 Charge Controller ... 19

Gambar 2.4 Akumulator ... 19

Gambar 2.5 Prinsip Kerja Mesin Pendingin Ruangan ... 20

Gambar 3.1 Diagram Alir Perancangan Mesin Pendingin Ruangan ... 21

Gambar 3.2 Dimensi Mesin Pendingin Ruangan ... 22

Gambar 3.3 Desain Mesin Pendingin Ruangan ... 23

Gambar 3.4 Cutter ... 23

Gambar 3.5 Jangka ... 24

Gambar 3.6 Gelas Ukur ... 24

Gambar 3.7 Timbangan Dapur ... 24

Gambar 3.8 Laptop ASUS A46CM ... 25

Gambar 3.9 Styrofoam ... 25

Gambar 3.10 Kipas Angin DC ... 26

Gambar 3.11 Pipa Elbow ... 26

Gambar 3.12 Solar Panel ... 26

Gambar 3.13 Charge Controller ... 27

Gambar 3.14 Akumulator ... 27

viii

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Karakteristik Styrofoam ... 8

Tabel 2.2 Konduktivitas Thermal Bahan ... 9

Tabel 2.3 Nilai Insulasi Ruangan ... 16

Tabel 2.4 Konstanta Arah Ruangan ... 16

Tabel 3.1 Penentuan Dimensi Mesin Pendingin Ruangan ... 22

ix

DAFTAR SIMBOL

Huruf Latin

Simbol Keterangan Satuan

A Luas penampang m2

E Konstanta arah ruangan -

E Modulus Young Pa

E Energi Wh

F Gaya N

FF Fill factor -

G Massa zat g

Gt Radiasi pasti W/m2

H Tinggi ruangan m

i Faktor Van’t Hoff -

I Nilai insulasi ruangan -

Im Kuat arus maksimum A

Isc Kuat arus rangkaian pendek A

Kf Tetapan penurunan titik beku molal 0C/mol

L Bilangan Avogadro -

L Panjang ruangan m

l Panjang mula – mula cm

m Massa kg

m Molalitas m

Mr Massa atom relatif g/mol

n Jumlah mol mol

P Daya W

P Massa zat pelarut g

Pmax Daya maksimum W

Pin Daya cahaya insiden W

x

Q Beban pendingin W

Ql,tot Beban laten total W

Qpp,tot Beban perpindahan panas total W

Qs,tot Beban sensibel total W

Tf larutan Titik beku larutan 0C

Tf pelarut Titik beku pelarut 0C

tp Waktu puncak s

V Volume m3

V Tegangan listrik V

Vm Tegangan maksimum V

Voc Tegangan rangkaian terbuka V

W Lebar ruangan m

X Jumlah partikel

molekul

Huruf Yunani

Simbol Keterangan Satuan

ρ Densitas kg/m3

σ Tegangan Pa

� Regangan -

∆ Pertambahan panjang cm

ΔTf Penurunan titik beku larutan 0C

iii

ABSTRAK

Penggunaan mesin pendingin bertujuan untuk mengkondisikan dan

menyegarkan udara ruangan (pengkondisian udara). Terdapat mesin pendingin

ruangan jenis lain yang menggunakan listrik dan refrigeran. Mesin pendingin

ruangan yang dibahas adalah mesin pendingin yang dapat menyejukkan ruangan

dengan menggunakan energi surya serta campuran air, garam, dan es sebagai

media pendingin yang ramah lingkungan. Campuran air, garam, dan es dapat

menurunkan titik beku cairan sehingga penyerapan kalor lebih efektif. Panas dari

udara lingkungan dan infiltrasi dalam mesin pendingin ruangan disebut sebagai

beban pendingin. Tujuan dari rancang bangun adalah mengetahui kelebihan

styrofoam sebagai material utama mesin pendingin ruangan, menentukan dimensi

mesin pendingin, mengetahui efek penurunan titik beku dengan menggunakan

garam, dan mengetahui ukuran ruangan yang dapat disejukkan oleh mesin

pendingin. Dalam melakukan rancang bangun sebuah mesin pendingin ruangan,

dilakukan penentuan dimensi mesin pendingin ruangan dengan

mempertimbangkan kapasitas media pendingin, pembuatan design dengan

AUTOCAD 2011, penyiapan alat bahan, dan perakitan mesin pendingin. Dari

proses rancang bangun diperoleh kesimpulan bahwa styrofoam sebagai bahan

dasar untuk merancang mesin pendingin mempunyai tingkat kekakuan yang tinggi

serta konduktivitas termal yang rendah, dan garam dapat berfungsi sebagai media

penurunan titik beku yang baik.

Kata kunci: mesin pendingin, air, garam, es, beban pendingin, media pendingin,

iv

ABSTRACT

The usage of cooling machine is to condition and cools the air of the room

(air conditioning). There are other types of room cooling machine using electric

and refrigerant. The room cooling machine that will be discussed is the one which

can cool the room using solar energy as well as a mixture of water, salt, and ice

as an friendly coolant. The mixture of water, salt, and ice can lower the freezing

point of the liquid so that the absorption of heat will be more effective. The heat

from ambient air and infiltration in room cooling machine called a cooling load.

The purpose of design is to know the advantages of styrofoam as the main

material for this room cooling machine, determine the dimension of cooling

machine, find out the effect of freezing point depression by using salt and find out

the size of the room that can be cooled by this cooling machine. In designing this

room cooling machine, conducted by determination of room cooling machine

which has to consider the coolant capacity, designing by using AUTOCAD 2011,

preparation of the materials and assembling the cooling machine. From the

assembling process, there are some conclusions such as styrofoam being the basis

for designing the cooling machine has a high degree of stiffness and low thermal

conductivity, and salt can be serve as good freezing point depression medium.

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Masalah

Seiring dengan berkembangnya teknologi, manusia dituntut berinovasi

untuk mengembangkan dan membuat sarana / prasarana sesuai dengan kebutuhan.

Salah satu jenis teknologi yang sangat berguna saat ini bagi manusia adalah mesin

pendingin. Mesin pendingin adalah sebuah alat siklus yang prinsip kerjanya

hampir sama dengan mesin kalor yang menggunakan fluida kerja berupa

refrigeran. Mesin pendingin adalah suatu alat yang digunakan untuk

memindahkan panas dari dalam ruangan ke luar ruangan untuk menjadikan

temperatur benda / ruangan tersebut lebih rendah dari temperatur lingkungannya

sehingga menghasilkan suhu / temperatur dingin. Salah satu aplikasi yang

menggunakan prinsip mesin pendingin adalah AC (Air Conditioner).[1]

Awal dari AC (Air Conditioner) sudah dimulai sejak jaman Romawi yaitu

dengan membuat penampung air yang mengalir di dalam dinding rumah sehingga

menurunkan suhu ruangan, tetapi saat itu hanya orang tertentu saja yang bisa

karena biaya membangunnya sangatlah mahal karena membutuhkan air dan juga

bangunan yang tidak biasa.[2]

Kebanyakan mesin pendingin menggunakan refrigeran dengan jenis

chlorofluorocarbon (CFC) yang tidak ramah terhadap lingkungan. Oleh sebab itu,

para pakar lingkungan hidup semakin gencar memikirkan tentang penipisan

lapisan ozon yang dirusak oleh gas – gas klorin yang dilepaskan mesin pendingin.

Bahan perusak ozon merupakan turunan dari senyawa klor dan bahan karbon

seperti chlorofluorocarbon (CFC) banyak digunakan oleh industri maupun dalam

rumah tangga.[3]

Indonesia merupakan salah satu negara yang beriklim tropis. Oleh sebab

itu, kebutuhan akan mesin pendingin ruangan cukup tinggi. Namun, salah satu

masalah yang terjadi di masyarakat adalah kurangnya jumlah pemasangan mesin

pendingin seperti AC pada rumah kost ataupun asrama yang memiliki ruangan

2

memutuskan untuk merancang sebuah mesin pendingin ruangan menggunakan

energi surya dengan media pendingin terdiri dari campuran air, garam, dan es,

dimana mesin pendingin ruangan ini diharapkan mampu menyejukkan ruangan,

ramah lingkungan, dan bernilai ekonomis.

1.2 Tujuan

1. Untuk mengetahui kelebihan styrofoam sebagai material utama mesin

pendingin ruangan.

2. Menentukan dimensi desain mesin pendingin ruangan.

3. Untuk mengetahui efek penurunan titik beku dengan menggunakan garam.

4. Untuk mengetahui ukuran ruangan yang dapat disejukkan oleh mesin

pendinginruangan.

1.3 Batasan Masalah

1. Penggunaan material styrofoam pada mesin pendingin ruangan.

2. Penggunaan campuran air 1L, garam 250g, dan es 2L sebagai media

pendingin.

3. Penggunaan kipas DC 12W sebagai sumber aliran angin.

1.4 Manfaat Penulisan

1. Menghasilkan sebuah mesin pendingin ruangan yang hemat energi dan

ramah lingkungan.

2. Sebagai wacana dalam teknik pendingin yang dapat dilanjutkan untuk

penelitian yang lebih lanjut.

1.5 Sistematika Penulisan

Laporan skripsi ini tersusun atas lima (5) bab, yaitu:

Bab I yaitu pendahuluan, yang membahas latar belakang penulisan skripsi,

tujuan, batasan masalah, dan manfaat penulisan skripsi.

Bab II yaitu tinjauan pustaka, membahas teori - teori yang dapat

3

dibahas teori tentang mesin pendingin, styrofoam, media pendingin dan energi

surya.

Bab III yaitu metodologi, yang berisikan bagaimana diagram alir

perancangan yang dimulai dari penentuan dimensi, desain mesin pendingin

ruangan, penyiapan alat dan bahan, serta perakitan mesin pendingin ruangan ini.

Bab IV yaitu analisa dan pembahasan, yang membahas hasil perancangan.

Bab V yaitu kesimpulan dan saran, yang membahas tentang kesimpulan

4

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Mesin Pendingin

2.1.1 Pengertian Mesin Pendingin

Mesin pendingin adalah suatu peralatan yang digunakan untuk

mendinginkan air, atau peralatan yang berfungsi untuk memindahkan panas ke

suatu tempat yang temperaturnya lebih tinggi. Didalam sistem pendinginan dalam

menjaga temperatur rendah memerlukan pembuangan kalor dari produk pada

temperatur rendah ke tempat pembuangan kalor yang lebih tinggi.[4]

Teknik refrigerasi merupakan salah satu ilmu dalam mempelajari mesin

pendingin. Teknik refrigerasi adalah semua teknik yang digunakan untuk

menurunkan temperatur suatu medium sampai lebih rendah daripada temperatur

lingkungannya. Dalam melakukan proses penurunan suhu ini, maka sejumlah

energi dalam bentuk panas harus diambil dari medium tersebut dan dibuang ke

lingkungan. Secara alami, panas hanya akan berpindah dari medium yang

temperaturnya lebih tinggi ke medium yang temperaturnya lebih rendah. Dengan

kata lain, perpindahan panas dari medium yang dingin ke medium yang lebih

panas tidak akan mungkin terjadi secara alami. Maka untuk membuat proses ini

terjadi, digunakanlah teknik refrigerasi. Karena refrigerasi adalah sebuah proses

yang bertujuan menurunkan temperatur, maka proses ini sering disebut dengan

istilah fungsi refrigerasi yang artinya proses yang berfungsi menurunkan

temperatur sampai dapat mencapai temperatur lingkungan.[5]

2.1.2 Sejarah Mesin Pendingin

Pada jaman dahulu belum belum terdapat lemari es atau jenis – jenis lain

mesin pendingin. Oleh karena itu, pada saat itu proses refrigerasi dilakukan

dengan cara alami yaitu memanfaatkan es atau objek yang lebih dingin.[6]

Di Eropa, Amerika, dan Iran sejumlah rumah es dibangun untuk

menyimpan es. Serbuk gergaji atau serutan kayu adalah bahan yang digunakan

5

gabus digunakan untuk insulasi. Berdasarkan informasi yang didapatkan dari

literatur, es hanya selalu tersedia untuk para kaum bangsawan yang mampu.

Di India, kaisar Mogul sangat menyukai es selama musim panas yang terik

di Delhi dan Agra, dan pada saat itu es biasanya dibuat dengan cara pendinginan

nokturnal, yaitu membiarkan udara malam hari membuat es.

Pada tahun 1803, Frederick Tudor dari Amerika, mulai menjual es dengan

memotong es dari sungai Hudson dan kolam di Massachusetts lalu

mengekspornya ke sejumlah negara termasuk India. Di India, Es yang dijual

Tudor lebih murah daripada es yang dibuat masyarakat lokal yang dibuat dengan

cara pendinginan nokturnal. Tudor sendiri dikenal sebagai raja es pada saat itu.[6]

Perdagangan es di Amerika utara merupakan bisnis yang berkembang

pesat. Es dikirimkan ke daerah selatan dengan kereta yang berinsulasi gabus

setebal 0.3 m.

Perdagangan es juga populer di beberapa negara seperti Inggris, Rusia,

Kanada, Norwegia, dan Perancis. Di negara – negara ini es didapatkan dari daerah

yang lebih dingin atau dengan menyimpan es yang terjadi di musim dingin.

Puncak perdagangan es terjadi pada tahun 1872 ketika Amerika sendiri

mengekspor 225000 ton es ke negara-negara yang sangata jauh seperti Cina dan

Australia. Namun, dengan berkembangnya teknologi refrigerasi buatan,

perdagangan berangsur – angsur menurun.[6]

Terdapat dua bidang pendinginan yang saling terkait dalam pendinginan

yaitu bidang refrigerasi dan pengkondisian udara. Aplikasi teknik pendinginan

dapat dijumpai di berbagai bidang seperti di bidang industri.Pengkondisian udara

digunakan untuk mendapatkan suhu dan kelembaban yang nyaman bagi pekerja.

Beberapa sistem dirancang untuk mendapatkan kondisi udara dimana debu hampir

tidak ada (ruang steril) seperti pada industri elektronika. Industri percetakan perlu

udara dengan tingkat kelembaban tertentu sehingga kertas tidak menggumpal dan

tinta cepat kering. Kelembaban yang tinggi juga dapat menyebabkan terjadinya

korsleting. Perkantoran dan perumahan saat ini umum menggunakan AC (Air

Conditioner) untuk menambah kenyamanan ruangan.

Awal dari AC (Air Conditioner) sudah dimulai sejak jaman Romawi yaitu

6

menurunkan suhu ruangan.Tetapi saat itu hanya orang tertentu saja yang bisa

karena biaya membangunnya sangatlah mahal karena membutuhkan air dan juga

bangunan yang tidak biasa. Hanya para raja dan orang kaya saja yang dapat

membangunnya pada saat itu.[2]

Pada tahun 1820, ilmuwan Inggris bernama Michael Faraday menemukan

cara baru mendinginkan udara dengan menggunakan gas amonia dan pada tahun

1842 seorang dokter menemukan cara mendinginkan ruangan dirumah sakit

Apalachicola yang berada di Florida, Amerika Serikat. Dr.Jhon Gorrie adalah

dokter yang menemukannya dan ini merupakan cikal bakal dari teknologi AC (Air

Conditioner) tetapi beliau meninggal pada tahun 1855 sebelum sempat

menyempurnakannya.[2]

Willis Haviland Carrier seorang Insinyur dari New York Amerika

menyempurnakan penemuan dari Dr.Jhon Gorrie tetapi AC ini digunakan bukan

untuk kepentingan atau kenyamanan manusia melainkan untuk keperluan

percetakan dan industri lainnya.

Penggunaan AC untuk perumahan baru dikembangkan pada tahun 1927

dan pertama dipakai disebuah rumah di Mineapolis, Minnesota.Saat ini AC sudah

digunakan disemua sektor, tidak hanya industri saja tetapi juga sudah di

perkantoran dan perumahan dengan berbagai macam bentuk dari mulai yang besar

hingga yang kecil. Semuanya masih berfungsi sama, yaitu untuk mendinginkan

suhu ruangan agar orang merasa nyaman.

Dr.Jhon Gorrie membuat mesin pendingin berawal dari banyaknya pasien

yang menderita malaria atau penyakit lain dengan gejala demam tinggi.Ketika itu

udara terasa panas sehingga membuat pasien tidak nyaman. Oleh sebab itu, pria

kelahiran Charleston, California Selatan, 3 Oktober 1802 ini memutar otak

bagaimana caranya agar suhu tubuh para pasien bisa turun. Setelah melihat kipas

angin yang ada di depannya, ia menemukan ide.Ia memasang bongkahan es batu

di depan kipas, sehingga hawa dingin es bisa tersebar oleh tiupan angin dari

kipas.Tercetus pada ide itu, maka John berniat menyeriusi pembuatan mesin

pendingin (AC).[2]

Pada tahun 1844, pria lulusan kedokteran dan ilmu bedah di kota New

7

ciptaannya didasarkan pada hukum fisika bahwa panas selalu mengalir dari gas

atau cairan yang lebih panas menuju gas atau cairan yang lebih dingin.Mesin

tersebut bekerja dengan cara memadatkan gas (kompres) sehingga menjadi panas,

kemudian gas tersebut dialirkan ke koil – koil untuk diturunkan tekanannya

(dekompres).Alhasil, udara menjadi dingin.

Untuk mengembangkan penemuannya, pada tahun 1845, Gorrie

memutuskan untuk berhenti praktik sebagai dokter.Enam tahun berikutnya, ia

berhasil menerima hak paten yang merupakan hak paten pertama yang

dikeluarkan untuk sebuah mesin pendingin.Inilah awalnya ditemukan mesin

pendingin yang kini dikenal dengan istilah Air Conditioner.[2]

2.2 Pemilihan Styrofoamsebagai Bahan Utama 2.2.1 Pengertian dan Karakteristik Styrofoam

Styrofoam yang memiliki nama lain polystyrene banyak digunakan oleh

manusia dalam kehidupannya sehari – hari. Begitu styrofoam diciptakan pun

langsungmarak digunakan di Indonesia. Banyak keunggulan pada styrofoam yang

yang akansangat menguntungkan bagi para penjual makanan seperti tidak mudah

bocor, praktis dan ringan sudah pasti lebih disukai sebagai pembungkus makanan

mereka.Bahkan kita tidak dapat dalam satu hari saja tidak menggunakan bahan

polimer sintetik.[7]

Polystyrene adalah sebuah dengan monomer, sebuah hidrokarbon cair

yang dibuat secarakomersial dari minyak bumi. Pada suhu ruangan, polistirena

biasanya bersifat padat, dapatmencair pada suhu yang lebih tinggi. Stirena

tergolong senyawa aromatik.Polistirena pertamakali dibuat pada 1839 oleh

Eduard Simon, seorang apoteker Jerman. Ketika mengisolasi zattersebut dari resin

alami, dia tidak menyadari apa yang dia telah temukan. Seorang kimiaanorganik

Jerman lainnya, Hermann Staudinger, menyadari bahwa penemuan Simon terdiri

darirantai panjang molekul stirena, yang adalah sebuah polimer plastik.Polistirena

padat murniadalah sebuah plastik tak berwarna, keras dengan fleksibilitas yang

terbatas yang dapatdibentuk menjadi berbagai macam produk dengan detil yang

bagus. Penambahan karet padasaat polimerisasi dapat meningkatkan fleksibilitas

8

Polystyrene (HIPS). Polistirena murni yang transparan bisadibuat menjadi

beraneka warna melalui proses. Polistirena banyak dipakai dalam produk –

produkelektronik sebagai casing, kabinet, dan komponen – komponen lainnya.

Peralatan rumah tangga yang terbuat dari polistirena seperti sapu, sisir, baskom,

gantungan baju, dan ember.[7]Karakteristik dari styrofoam diberikan pada Tabel

2.1.

Tabel 2.1 Karakteristik Styrofoam[8]

Sifat Fisis Ukuran

Densitas 25 – 200 kg/m3

Konduktivitas Thermal 0,033 W/mK

Modulus Young (E) 3000 – 3600 MPa

Kekuatan Tarik 40 – 60 MPa

2.2.2 Styrofoam sebagai Insulasi Termal

Insulasi termal (isolasi termal, isolasi panas) adalah metode atau proses

yang digunakan untuk mengurangi laju perpindahan panas/kalor. Panas atau

energi panas (kalor) bisa dipindahkan dengan cara konduksi, konveksi, dan radiasi

atau ketika terjadi perubahan wujud. Mengenai insulasi termal, hanya dibicarakan

perpindahan panas secara konduksi, konveksi, dan radiasi. Aliran panas dapat

dikendalikan dengan proses ini, tergantung pada sifat material yang dipergunakan.

Bahan yang digunakan untuk mengurangi laju perpindahan panas itu disebut

isolator atau insulator. Panas dapat lolos meskipun ada upaya untuk menutupinya,

tapi isolator mengurangi panas yang lolos tersebut.[9]

Isolasi termal dapat menjaga wilayah tertutup seperti bangunan atau tubuh

agar terasa hangat lebih lama dari yang sewajarnya, tetapi itu tidak mencegah

hasil akhirnya, yaitu masuknya dingin dan keluarnya panas. Isolator juga dapat

bekerja sebaliknya, yaitu menjaga bagian dalam suatu wadah terasa dingin lebih

lama dari biasanya. Insulator digunakan untuk memperkecil perpindahan energi

panas.

Kemampuan insulasi suatu bahan diukur dengan konduktivitas termal (k).

9

termal atau nilai R) yang tinggi. Dalam teknik termal, sifat – sifat lain suatu bahan

[image:30.595.113.508.159.331.2]

insulator atau isolator adalah densitas (ρ) dan kapasitas panas spesifik (c).[9]

Tabel 2.2 Konduktivitas Thermal Bahan[10]

No Bahan Konduktivitas Thermal k (W/mK)

1 Styrofoam 0,033

2 Kaca 0,78

3 Plastik 0,15

4 Kayu 0,08 – 0,16

5 Tembaga 386

6 Aluminium 200

7 Stainless Steel 15

Bahan dengan konduktivitas termal (k) rendah menurunkan laju aliran

panas. Oleh sebab itulah, styrofoam dipilih sebagai bahan utama dalam

pembuatan mesin pendingin ruangan. Selain memiliki nilai konduktivitas termal

yang rendah, pemilihan styrofoam ditinjau juga dari segi ekonomis dan

kepraktisannya.

2.3 Sifat dan Kekuatan Bahan

Kekuatan bahan adalah topik yang berkaitan dengan perilaku benda padat

akibat tegangan dan regangan. Metode yang digunakan untuk memprediksi respon

struktur akibat beban dan kerentanannya memperhitungkan sifat bahan seperti

yield strength, kekuatan maksimum, Modulus Young , dan rasio Poisson.[11]

Densitas dari suatu bahan dapat dicari dengan menggunakan rumus:

ρ =

�……….……….(2-1)

Dimana: ρ = Densitas (kg/m3)

m = Massa (kg)

V = Volume (m3)

Tegangan yang terjadi akibat gaya yang bekerja pada suatu penampang

10

�

=

�……….……….(2-2)

Dimana: � = Tegangan (Pa)

F = Gaya (N)

A = Luas penampang (m2)

Dengan diketahuinya nilai Modulus Young suatu bahan, maka regangan

dapat dicari dengan menggunakan rumus:[12]

�

=

∆

=

�……….(2-3)

Dimana: � = Regangan

∆ = Pertambahan panjang (cm)

l = Panjang mula – mula (cm)

E = Modulus Young (Pa)

2.4 Media Pendingin

Media pendingin (cooling media) adalah media yang digunakan untuk

mengantarkan efek refrigerasi ke tempat yang membutuhkan.[13] Hal ini dapat

dijelaskan sebagai berikut. Sistem pendingin udara pada unit yang besar, seperti

bangunan komersial, menempatkan siklus pendingin terpusat pada suatu tempat.

Dan ruangan yang menggunakan efek refrigerasi relatif jauh dari unit ini. Untuk

keperluan ini adalah lebih baik menggunakan medium lain daripada harus

mensirkulasikan refrigeran ke tiap ruangan. Medium yang lain inilah yang disebut

sebagai medium pendingin atau sering juga disebut sebagai refrigeran sekunder.

Medium yang biasanya sering digunakan adalah air, glycol, dan larutan garam.

Adapun syarat – syarat yang harus terpenuhi dari suatu media pendingin

adalah: [14]

1. Tidak meninggalkan zat racun atau zat berbahaya lainnya

2. Mempunyai kemampuan untuk menyerap panas

3. Mudah dan praktis dalam penggunaannya

11

Pemakaian media pendingin juga berguna dalam penentuan sifat

dan fasa dari sturktur yang terbentuk setelah material didinginkan.Secara

garis besar ada dua jenis media pendingin yang digunakan, yaitu media

pendingin dengan tingkat kerapatan yang rendah dan media pendingin

dengan tingkat kerapatan yang tinggi. Apabila disusun dengan urutan yang

terperinci dari media pendingin yang memiliki densitas yang tinggi sampai

yang paling rendah, maka diperoleh urutan sebagai berikut: air garam, air,

solar, oli, dan udara.

Untuk media pendingin dengan kerapatan yang tinggi, laju

pendinginan akan berlangsung secara cepat, karena proses transfer kalor

lebih mudah terjadi apabila jarak molekul lebih kecil. Untuk media

pendingin yang memiliki tingkat kerapatan rendah, laju pendinginan akan

berlangsung secara lambat, karena proses transfer kalor tidak dapat

berlangsung dengan mudah pada molekul – molekul yang memiliki jarak

yang besar.[15]

2.5 Air, Garam, dan Es

2.5.1 Air sebagai Media Pendingin

Air sebagai media pendingin telah digunakan sejak lama. Bahkan sebelum

ditemukannya jenis – jenis refrigeran lainnya, air telah digunakan sebagai media

pendingin. Pada masa sekarang ini, pengggunaan air sebagai media pendingin

telah semakin berkurang dikarenakan kemampuan air dalam menurunkan suhu

lebih lambat daripada refrigeran lainnya. Namun dikarenakan beberapa hal, air

juga memiliki beberapa keunggulan jika dibandingkan dengan refrigeran – refrigeran lainnya.[16]

Beberapa faktor yang membuat air menjadi coolant yang baik adalah:[16]

1. Sangat berlimpah dan tidak mahal.

2. Dapat ditangani dengan mudah dan aman digunakan.

3. Dapat membawa panas per unit volume dalam jumlah besar.

4. Mengalami pengembangan atau penyusutan volume dalam jumlah cukup

kecil pada perubahan suhu dalam range normal.

12

Pada umumnya air digunakan sebagai media pendingin karena faktor –

faktor sebagai berikut:[16]

1. Air merupakan materi yang mudah diperoleh dalam jumlah besar.

2. Mudah dalam pengaturan dan pengolahan.

3. Menyerap panas cukup tinggi per satuan volume.

4. Tidak mudah menyusut secara berarti dalam batasan dengan adanya

perubahan temperatur pendingin.

Adapun syarat- syarat air yang digunakan sebagai media pendingin:[11]

1. Jernih, maksudnya air harus bersih, tidak terdapat partikel – partikel kasar

yaitu batu, kerikil, atau partikel- partikel halus seperti pasir, tanah, dan

lumut yang menyebabkan air kotor.

2. Tidak menyebabkan korosi.

2.5.2 Sifat Koligatif Larutan

Sifat – sifat larutan yang tidak bergantung pada jenis zat terlarut, tetapi

hanya pada konsentrasi partikel terlarutnya disebut sifat koligatif. Selain sifat

yang bergantung pada jenis zat terlarut, ada beberapa sifat larutan yang hanya

bergantung pada konsentrasi partikel zat terlarut. Artinya, larutan zat yang

berbeda akan mempunyai sifat yang sama, asalkan konsentrasi partikel terlarutnya

sama.[17]

Sifat koligatif larutan dapat dibagi menjadi 4, yaitu:[17]

1. Kenaikan titik didih

2. Penurunan titik beku

3. Penurunan tekanan uap jenuh

4. Tekanan osmotik

Salah satu sifat tersebut yaitu penurunan titik beku. Penurunan titik beku

adalah selisih antara titik beku pelarut dengan titik beku larutan. Hal ini dapat

[image:34.595.116.515.85.201.2]

13

Gambar 2.1 Perbedaan Titik Beku Air dengan Tiga Jenis Larutan Lain[17]

Sebagaimana telah diketahui, air murni membeku pada suhu 0 oC. Pada

Gambar 2.1b, ditunjukkan bahwa larutan 0,1 mol urea dalam 1 kg air membeku

pada suhu -0,18 oC. Berarti, larutan itu mempunyai penurunan titik beku, yaitu

selisih titik bekunya dengan titik beku air murni, sebesar 0,18 oC. Pada Gambar

2.1b dan 2.1c, ditunjukkan bahwa penurunan titik beku (ΔTf) larutan urea

bergantung pada konsentrasi zat terlarut, dimana penurunan titik beku menjadi

dua kali lebih besar jika jumlah mol urea yang dilarutkan diduakalikan. Pada

Gambar 2.1b dan 2.1d, juga ditunjukkan bahwa penurunan titik beku tidak

bergantung pada jenis zat terlarut, melainkan hanya pada jumlah mol zat

terlarutnya. Larutan urea dan larutan glukosa berkonsentrasi sama mempunyai

penurunan titik beku yang sama.

Sifat koligatif hanya bergantung pada jumlah relatif kelompok zat terlarut

didalam larutan. Larutan 0,1 mol urea dalam 1 kg air (Gambar 2.1b) dan larutan

0,1 mol glukosa dalam 1 kg air (Gambar 2.1d) mempunyai penurunan titik beku

yang sama karena mempunyai jumlah kelompok zat terlarut yang sama.

Sebagaimana diketahui 0,1 mol urea dan 0,1 mol glukosa mempunyai jumlah

partikel (molekul) yang sama yaitu:[17]

X = n x L………(2-4)

Dimana: X = Jumlah partikel (molekul)

n = jumlah mol (mol)

L = Bilangan Avogadro = 6,02 x 1023

Jumlah mol (n) dapat dihitung dengan persamaan:

n =

14

Dimana: G = Massa zat (g)

Mr = Massa atom relatif (g/mol)

2.5.3 Garam Dapur sebagai Media Penurunan Titik Beku

Garam dapur merupakan zat elektrolit dengan rumus kimia NaCl yang

berbentuk kristal kubus yang transparan. Garam tidak dapat terbakar serta

mempunyai titik leleh 801 0C. Garam dapur merupakan senyawa yang tersusun

dari asam kuat HCl dan basa kuat NaOH. Apabila unsur ini direaksikan, maka

akan terbentuk NaCl dan H2O. Hasil dari bahan tadi bila disatukan akan

membentuk suatu larutan yang disebut larutan garam. Larutan yang terbentuk

merupakan campuran yang homogen, partikel – partikelnya sangat kecil namun

tersebar merata meskipun dibiarkan dalam waktu yang lama.[18] Larutan garam

adalah larutan yang berupa larutan elektrolit dimana jumlah partikel didalam

larutan akan lebih banyak karena zat elektrolit terurai menjadi ion – ion yang

mengakibatkan penurunan titik beku semakin rendah.

Rumus untuk penurunan titik beku (ΔTf) adalah sebagai berikut.[17]

ΔTf = m x kfx i…………..……..……….(2-6)

Dimana: ΔTf = Penurunan titik beku larutan (0C)

m = Molalitas (m)

Kf= Tetapan penurunan titik beku molal (0C/mol)

i = Faktor Van’t Hoff

Molalitas dapat dicari dengan menggunakan persamaan:

m = n x

1000

P

=

G Mr

x

1000

P ……….……...…….………..(2-7)

Dimana: m = Molalitas (m)

n = Jumlah mol (mol)

P = Massa zat pelarut (gram)

G = Massa zat (g)

15

Sehingga suhu akhir larutan dapat dihitung dengan rumus:[17]

� _{� �} = �

� − ∆�……….……..…….(2-8)

Dimana: Tf larutan = Titik beku larutan (0C)

Tf pelarut = Titik beku pelarut (0C)

ΔTf = Penurunan titik beku larutan (0C)

Penambahan garam dapur pada air bertujuan untuk menurunkan titik beku

dari larutan tersebut, sehingga penyerapan kalor dapat bekerja lebih maksimal.

Tingkat penurunan titik beku bergantung pada dua faktor utama, yaitu massa atom

relatif dari unsur dan faktor Van’t Hoff nya. Garam dipilih sebagai media

penurunan titik beku disebabkan karena garam mempunyai massa atom relatif

yang kecil dan merupakan senyawa ion dengan nilai faktor Van’t Hoff nya adalah

dua.

2.5.4 Campuran Air, Garam, dan Es

Campuran air, garam, dan es digunakan sebagai media pendingin pada

mesin pendingin ruangan. Garam terlebih dahulu dilarutkan dalam air untuk

menurunkan titik beku air tersebut menjadi dibawah 0 0C.[19]Es berfungsi sebagai

media pendingin awal untuk mendinginkan larutan garam yang telah diturunkan

titik bekunya tersebut. Pada mesin pendingin ruangan akan digunakan campuran

air, garam, dan es dengan kapasitas masing – masing 1 L, 250 gram, dan 2 L.

2.6 Ukuran Ruangan

Ukuran ruangan dipengaruhi oleh besar beban pendingin yang terjadi pada

ruangan tersebut. Umumnya, beban pendingin yang terjadi dalam suatu ruangan

merupakan perpaduan antara beban pendingin sensibel, beban pendingin laten,

dan beban pendingin yang terjadi akibat perpindahan panas.

Ukuran ruangan juga dipengaruhi oleh nilai insulasi ruangan (I) dan

konstanta arah ruangan (E). Nilai insulasi ruangan (I) bervariasi bergantung pada

letak ruangan, sedangkan nilai konstanta arah ruangan (E) bergantung pada arah

hadapan jendela atau ventilasi. Penjelasan mengenai nilai insulasi ruangan

16

Tabel 2.3 Nilai Insulasi Ruangan[20]

Letak Ruangan Nilai Insulasi Ruangan (I)

Lantai bawah atau berimpit dengan ruang lain 10

[image:37.595.112.504.108.362.2]

Lantai atas 18

Tabel 2.4 Konstanta Arah Ruangan[20]

Arah Jendela / Ventilasi Konstanta Arah Ruangan (E)

Utara 16

Timur 17

Selatan 18

Barat 20

Besar beban pendingin diperoleh dengan rumus:

Q = Qs,tot + Ql,tot + Qpp ,tot ………..….………..(2-9)

Dimana: Q = Beban pendingin (w)

Qs,tot = Beban sensibel total (W)

Ql,tot = Beban laten total (W)

Q_{pp ,tot} = Beban perpindahan panas total (W)

Data beban sensibel total, beban laten total, dan beban perpindahan panas

total diambil dari data pengujian.

Setelah diketahui nilai – nilai diatas, maka dapat dicari ukuran ruangan

dengan rumus:[20]

L x W x H = Q x 60

I x E

x

1

3,283 _{x 0,29307107} ……….(2-10)

Dimana: L = Panjang ruangan (m)

W = Lebar ruangan (m)

H = Tinggi ruangan (m)

Q = Beban pendingin (W)

I = Nilai insulasi ruangan

17

Dengan mengasumsikan bahwa ukuran panjang, lebar, dan tingginya

adalah sama, maka ukuran tersebut dapat dicari dengan rumus:

L = W = H = 3 L x W x H………...(2-11)

2.7 Energi Surya 2.7.1 Panel Surya

Panel surya mengkonversikan tenaga matahari menjadi listrik. Sel silikon

(disebut juga solar cell) yang disinari matahari/surya, membuat photon yang

menghasilkan arus listrik. Sebuah solar cell menghasilkan kurang lebih tegangan

0,5 Volt. Jadi sebuah panel surya 12 Volt terdiri dari kurang lebih 36 sel (untuk

[image:38.595.226.396.325.443.2]

menghasilkan 17 Volt tegangan maksimum).[21]

Gambar 2.2 Panel Surya[22]

Energi yang dihasilkan oleh panel surya dapat dihitung dengan

persamaan:[23]

E = P x t ………..(2-12)

Dimana: E = Energi (Wh)

P = Daya (W)

tp= Waktu puncak (h)

Sedangkan efisiensi panel surya dihitung dengan menggunakan

persamaan:[24]

η= Pmax Pin

x 100% ...(2-13)

Dimana: η = Efisiensi panel surya

Pmax = Daya maksimum (W)

18

Daya maksimum dihitung dengan persamaan:[24]

Pmax = Voc x FF x Isc ………..……….(2-14)

Dimana: Pmax = Daya maksimum (W)

Voc = Tegangan rangkaian terbuka (V)

FF = Fill factor

Isc = Kuat arus rangkaian pendek (A)

Nilai dari fill factor (FF) dapat dihitung dengan persamaan:

FF =

Vm Im

Voc Isc………..(2

-15)

Dimana: FF = Fill factor

Vm = Tegangan maksimum (V)

Im = Kuat arus maksimum (A)

Voc = Tegangan rangkaian terbuka (V)

Isc = Kuat arus rangkaian pendek (A)

Sedangkan daya cahaya insiden dapat dihitung dengan persamaan:[24]

Pin = Gt x A ………(2-16)

Dimana: Pin = Daya cahaya insiden (W)

Gt = Radiasi pasti (W/m2)

A = Luas penampang (m2)

2.7.2 Charge Controller

Pada waktu solar panel mendapatkan energi dari cahaya matahari di siang

hari, rangkaian charger controller ini otomatis bekerja dan mengisi (charge)

baterai dan menjaga tegangan baterai agar tetap stabil.[21]

Bila kita menggunakan baterai 12 V, maka rangkaian ini akan menjaga

agar tegangan charger 12 V + 10%, tegangan charger yang di butuhkan antara

13,2 – 13,4 Volt. Apabila sudah mencapai tegangan tersebut, rangkaian ini

19

tegangan baterai turun/drop hingga 11 Volt, maka baterai akan diisi

kembalisehingga baterai tidak akan habis.

Secara keseluruhan, fungsi dari charge controller ini yaitu untuk menjaga

agar baterai tidak kelebihan (over charger) dan kehabisan tegangan (under

[image:40.595.208.418.202.337.2]

charger) dengan begitu maka umur dari baterai bertambah lama.[21]

Gambar 2.3Charge Controller[25]

2.7.3 Akumulator

Akumulator (accu, aki) adalah sebuah alat yang dapat menyimpan energi

(umumnya energi listrik) dalam bentuk energi kimia. Contoh – contoh akumulator

adalah baterai dan kapasitor.[26]

Di dalam standar internasional, setiap satu cell akumulator memiliki

tegangan sebesar 2 volt. sehingga aki 12 volt memiliki 6 cell sedangkan aki 24

volt memiliki 12 cell. Secara sederhana aki merupakan sel yang terdiri dari

elektrode Pb sebagai anode dan PbO2 sebagai katode dengan elektrolit H2SO4.[26]

[image:40.595.213.413.572.723.2]

20

Muatan yang diperoleh oleh aki selama pengecasan dapat dihitung dengan

rumus:

=

� …………...……… (2-17)

Dimana: Q = Muatan listrik (Ah)

E = Energi (Wh)

V = Tegangan listrik (V)

2.8 Prinsip Kerja Mesin Pendingin Ruangan

Panel surya yang disinari oleh matahari, akan menyerap energi matahari

dan mengubahnya menjadi energi listrik. Energi tersebut diteruskan ke charge

controller yang berfungsi untuk menstabilkan arus listrik yang masuk ke dalam

aki. Energi listrik tersebut disimpan dalam aki, sehingga penggunaan mesin

pendingin ruangan juga dapat digunakan pada malam hari ataupun pada kondisi

cuaca mendung. Energi listrik tersebut digunakan untuk menghidupkan kipas

angin yang tersambung pada aki.

Setelah kipas angin dihidupkan, udara yang berasal dari lingkungan akan

dihisap masuk ke dalam mesin pendingin. Udara tersebut perlahan – lahan akan menurun suhunya akibat bersinggungan dengan media pendingin air, garam, dan

es yang menyerap kalor dari udara luar tersebut, sehingga akan dihasilkan udara

[image:41.595.183.446.493.696.2]

yang sejuk yang keluar melalui pipa elbow.

21

BAB III

METODOLOGI PERANCANGAN

3.1 Diagram Alir Perancangan

Dalam melakukan rancang bangun sebuah mesin pendingin ruangan,

sebelumnya diperlukan tahapan – tahapan dalam proses pembuatannya hingga

menghasilkan sebuah model jadi. Secara garis besar, tahap proses perancangan ini

[image:42.595.140.506.290.733.2]

dilaksanakan secara sistematis sesuai dengan diagram alir berikut ini.

Gambar 3.1 Diagram Alir Perancangan Mesin Pendingin Ruangan PENENTUAN DIMENSI MESIN PENDINGIN RUANGAN DENGAN MEMPERTIMBANGKAN KAPASITAS MEDIA PENDINGIN YANG

AKAN DIGUNAKAN

PEMBUATAN DESIGN DENGAN AUTOCAD 2011

PENYIAPAN ALAT DAN BAHAN

PERAKITAN MESIN PENDINGIN RUANGAN

UJI COBA BERHASIL

YA

TIDAK MULAI

22

3.2 Penentuan Dimensi Mesin Pendingin Ruangan

Dalam melakukan rancang bangun suatu mesin pendingin ruangan, maka

terlebih dahulu dilakukan penentuan dimensinya. Penentuan dimensi ini tentunya

harus mempertimbangkan kapasitas media pendingin yang akan digunakan.

Dalam hal ini, dimensi dari mesin pendingin ruangan adalah dimensi dari bahan

utamanya yaitu styrofoam. Adapun dimensi dari mesin pendingin ruangan adalah

[image:43.595.114.529.256.585.2]

sebagai berikut.

Tabel 3.1 Penentuan Dimensi Mesin Pendingin Ruangan

No. Nama Simbol Dimensi Satuan

1 Dimensi Dalam p x l x t 36 x 22 x 13 cm x cm x cm

2 Panjang P 40 cm

3 Lebar L 26 cm

4 Tinggi T 17,8 cm

5 Diameter Lubang 1 (kipas) D1 15 cm

6 Diameter Lubang 2 (pipa) D2 8,3 cm

Gambar 3.2 Dimensi Mesin Pendingin Ruangan

3.3 Pembuatan Desain Mesin Pendingin Ruangan

Setelah memiliki dimensi yang pasti, maka pembuatan desain mesin

pendingin ruangan dapat dilakukan. Adapun pembuatan desain ini dilakukan

[image:44.595.125.501.84.244.2]

23

Gambar 3.3 Desain Mesin Pendingin Ruangan

3.4 Penyiapan Alat dan Bahan Perancangan

Pada tahap ini dilakukan pencarian dan pengumpulan alat dan bahan yang

diperlukan dalam pengkonstruksian mesin pendingin ruangan ini. Berikut ini

adalah alat – alat dan bahan – bahan yang diperlukan dalam mengkonstruksi

mesin pendingin ruangan.

3.4.1 Penyiapan Alat

Berikut ini adalah alat – alat yang diperlukan dalam pengerjaan mesin

pendingin ruangan.

1. Cutter

Alat ini digunakan untuk membuat dua lubang pada styrofoam yakni

lubang untuk kipas angin dan lubang keluaran (output).

Gambar 3.4 Cutter

2. Jangka

Alat ini digunakan untuk membuat lingkaran lubang sesuai dengan

dimensi kipas angin dan pipa elbow.

 Panjang: 15 cm  Berat: 0,3 kg

[image:44.595.193.480.549.656.2]

[image:45.595.159.454.85.186.2]

24

Gambar 3.5 Jangka

3. Gelas ukur

Alat ini digunakan untuk mengukur volume air dan es yang digunakan

[image:45.595.179.468.295.415.2]

sebagai media pendingin.

Gambar 3.6 Gelas Ukur

4. Timbangan Dapur

Alat ini digunakan untuk menimbang massa garam yang digunakan

sebagai media pendingin.

Gambar 3.7 Timbangan Dapur

5. Laptop

Alat ini digunakan pada penggunaan software Autocad yakni pada

pembuatan desain.

 Panjang: 16 cm  Berat: 0,2 kg

 Diameter: 7,5 cm  Tinggi: 13 cm

 Volume indikator: 0,5 L  Berat: 0,1 kg

 Dimensi: 15x15x15 cm  Kapasitas: 5 kg

[image:45.595.201.511.540.648.2]

[image:46.595.137.557.80.290.2]

25

Gambar 3.8 Laptop ASUS A46CM

3.4.2 Penyiapan Bahan

Berikut ini adalah bahan – bahan yang diperlukan dalam pengerjaan mesin

pendingin ruangan.

1. Styrofoam

Styrofoam mempunyai tingkat konduktivitas termal (k) yang kecil

sehingga sangat cocok digunakan sebagai bahan isolator mesin pendingin

[image:46.595.125.500.399.736.2]

ruangan.

Gambar 3.9 Styrofoam

2. Kipas Angin DC

Kipas angin digunakan untuk menciptakan aliran udara sehingga udara

dingin dalam kotak styrofoam dapat dipaksa keluar. Alasan penggunaan

kipas angin dengan sumber arus searah / Direct Current (DC) dikarenakan

suplai arus dari panel surya adalah arus searah.

 Processor: Intel® Core™ i5 3317U -1.7GHz

 Chipset: Intel® HM76

 Memory: 4GB DDR3 PC-12800, up to 8GB (2 DIMMs)

 Hard Drive: 500GB Serial ATA 5400 RPM

 Optical Drive: DVD/RW Super Multi DL

 Display: 14.1” WXGA LED with

1366x768 Max Resolution and LED backlight technology

 Battery: Rechargeable Lithium-ion Battery 4-Cell Battery

26

Gambar 3.10 Kipas Angin DC

3. Pipa Elbow

Pipa elbow digunakan untuk mengarahkan arah keluarnya udara dingin

dari vertikal menjadi horizontal. Hal ini dilakukan agar udara dapat

diarahkan keluar menuju pengguna. Dalam konstruksi ini digunakan pipa

[image:47.595.270.389.333.442.2]

elbowdengan ukuran diameter 2 ½ ”.

Gambar 3.11 Pipa Elbow

4. Panel Surya

Panel suryadigunakan untuk menangkap energi surya dari matahari untuk

diubah menjadi energi listrik yang digunakan untuk menghidupkan kipas.

[image:47.595.147.515.560.723.2]

Gambar 3.12 Panel Surya

 Daya: 12 W

 Tegangan: 12 V (DC)  Kuat Arus: 1 A

 Daya maks: 100 W  Tegangan maks: 18,9 V  Kuat arus maks: 5,3 A

 Tegangan rangkaian terbuka: 22,7 V  Kuat arus rangkaian pendek: 5,8 A  Berat: 7,3 kg

 Dimensi: 1032 x 676 x 25 mm

27

5. Charge Controller

Charge Controller berfungsi untuk mengatur arus pada pengisian baterai

agar terhindari overcharging dan overvoltage.

Gambar 3.13 Charge Controller

6. Akumulator

Akumulator berfungsi sebagai sumber pemasok arus listrik, dimana

akumulator yang digunakan terdiri dari 6 cell, dengan setiap cell nya

mempunyai tegangan sebesar 2 Volt, sehingga total tegangannya ialah

[image:48.595.128.511.63.706.2]

12V.

Gambar 3.14 Akumulator

7. Komponen perancangan lainnya

Komponen perancangan lainnya yang digunakan dalam merancang mesin

pendingin ini adalah:

- Air, berfungsi sebagai media pendingin.

- Garam, berfungsi sebagai media penurunan titik beku.

- Es, berfungsi untuk mendinginkan air yang telah diturunkan titik

bekunya.

 Tegangan: 12 V  Kuat Arus: 10 - 12 A

[image:48.595.148.511.147.271.2]

28

3.5 Perakitan Mesin Pendingin Ruangan

Setelah desain mesin pendingin ruangan telah digambarkan pada software

AutoCad 2011, maka perakitan mesin pendingin ruangan ini dapat dilakukan

sesuai dengan dimensinya.

Pertama – tama, alat dan bahan yang akan digunakan dalam perakitan

mesti dipersiapkan terlebih dahulu. Kemudian, pada styrofoam sebagai bahan

utama mesin pendingin ruangan, digambarkan dua lingkaran pada tutup atasnya

dengan menggunakan jangka. Lingkaran pertama berdiameter 15 cm dan

lingkaran kedua berdiameter 8,3 cm. Setelah itu, digunakan Cutter untuk

membuat lubang pada lingkaran tersebut. Adapun lubang tersebut masing –

masing merupakan lubang kipas dan lubang pipa elbow.

Media pendingin yang digunakan pada pembuatan mesin pendingin

ruangan ini terdiri dari air, garam, dan es dengan kapasitas masing – masing

secara berurutan adalah 1 L, 250 g, dan 2 L. Adapun untuk mendapatkan

kapasitas volume atau massa yang akurat, maka digunakanlah gelas ukur dan

timbangan dapur.

Setelah mesin pendingin ruangan siap dirakit, maka hal terakhir yang

dilakukan adalah menyambungkannya ke rangkaian panel surya. Adapun

[image:49.595.194.434.485.664.2]

susunannya adalah sebagai berikut.

29

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Efek Penurunan Titik Beku Garam

Untuk menghitung penurunan titik beku pada garam, mula – mula mesti

diketahui terlebih dahulu alasan penggunaan garam. Untuk itu dapat dibandingkan

antara 2 jenis zat yaitu garam dan gula, dimana massa gula dan massa garam

dianggap sama.

Diketahui:

- Ggaram = Massa garam = 250 g

- Ggula = Massa gula = 250 g

- Mrgaram = Massa atom relatif garam (NaCl)

= 23 + 35,5

= 58,5 g/mol

- Mrgula = Massa atom relatif gula (C12H22O11)

= 12 x 12 + 22 x 1 + 11 x 16

= 342 g/mol

Dengan diketahuinya massa dan massa atom relatif, maka dapat dihitung

mol masing – masing zat, yaitu perbandingan antara massa zat dengan massa

atom relatifnya.

ngaram = � �

� � �

= 250

58,5

= 4,2735 mol

ngula = �

� �

= 250

342

30

Seperti yang diketahui bahwa sifat koligatif hanya bergantung pada jumlah

partikel zat dalam larutan. Dengan diketahuinya mol garam dan gula, maka dapat

dicari jumlah partikel masing – masing zat dalam larutan tersebut.

Diketahui:

- ngaram = Mol garam = 4,2735 mol

- ngula = Mol gula = 0,7310 mol

- L = Bilangan Avogadro = 6,02 x 1023

Maka, jumlah partikel tiap zat tersebut adalah:

Xgaram = ngaram x L

= 4,2735 x 6,02 x 1023

= 2,57265 x 1024 partikel

Xgula = ngula x L

= 0,7310 x 6,02 x 1023

= 4,40062 x 1023 partikel

Dapat dilihat bahwa jumlah partikel garam lebih besar daripada jumlah

partikel gula dengan besar perbandingan:

� � �

� �

=

2,57625 1024 4,40062 x 1023

= 5,8543

Hal ini setara dengan kebalikan perbandingan massa atom relatif garam

dan mol gula yang besarnya adalah:

1 � � �

� _�

=

58 ,51 342

= 5,8462

Sebelum menghitung penurunan titik beku, dihitung terlebih dahulu

molalitas dari masing – masing larutan.

Diketahui:

31

- ngula = Mol gula = 0,7310 mol

- V = Volume pelarut = 1 L = 1000 mL

- ρ = Massa jenis pelarut = 1 kg/L = 1 g/mL

- kf = Penurunan titik beku molal = 1,86 0C/m

Untuk menghitung penurunan titik beku, perlu diketahui massa pelarut (P)

yang merupakan perkalian antara massa jenis pelarut dengan volume nya.

P = ρ x V

= 1 x 1000

= 1000 gram

Maka molalitas dari masing – masing larutan tersebut adalah:

mgaram = _{� �}

1000

= 4,2735 x 1000

1000

= 4,2735 m

mgula = �

1000

= 0,7310 x 1000

1000

= 0,7310 m

Alasan lain memilih larutan garam adalah mempertimbangkan salah satu

dari sifat koligatif larutan yaitu penurunan titik beku dari senyawa ion. Disini

garam merupakan senyawa ion dan glukosa merupakan senyawa hidrokarbon.

Penurunan titik juga dipengaruhi oleh faktor Van’t Hoof (i). Semakin besar nilai i,

semakin besar pula penurunan titik beku larutan yang terjadi. Garam mempunyai

nilai i = 2, sedangkan gula hanya mempunyai nilai i = 1.

Maka penurunan titik beku masing – masing larutan dapat dihitung:

�� _{� �} = mgaram x kf x igaram

= 4,2735 x 1,86 x 2

= 15,89742 0C

�� _� = mgula x kf x igula

= 0,7310 x 1,86 x 1

32

Tahap akhir adalah menentukan titik beku masing – masing larutan

dengan titik beku larutan (air) adalah 0 0C.

� _{� �} = �

� − �� � �

= 0 – 15,89742

= – 15,89742 0C

� _� = �

� − �� �

= 0 – 1,35966

= – 1,35966 0C

Walaupun massa kedua zat sama, namun perbedaan antara titik beku

kedua larutan sangat signifikan, sehingga garam dipilih sebagai media penurunan

titik beku.

4.2 Analisa Dimensi Mesin Pendingin

Sebelum melakukan perancangan mesin pendingin ruangan, terlebih

dahulu dihitung dimensi mesin pendingin yang diperlukan. Dimensi ini dihitung

dengan mempertimbangkan faktor volume media pendingin yang akan digunakan.

Volume media pendingin yang digunakan merupakan gabungan antara

volume air, volume garam, dan volume es. Sebelum menghitung volume media

pendingin total, dihitung terlebih dahulu volume garam.

Diketahui:

- ρgaram = Massa jenis garam = 2160 kg/m3 = 2160 g/L

- mgaram = Massa garam = 250 g

- Vair = Volume air = 1 L

- Ves = Volume es = 2 L

Sehingga volume dari garam adalah:

V

garam

=

� �

� _{� �}

=

250

2160

33

Maka volume total media pendingin adalah:

Vtot,mp = Vair + Vgaram + Ves

= 1 + 0,116 + 2

= 3,116 L

Maka, untuk menampung volume media pendingin tersebut, diperlukan

kapasitas volume styrofoam yang mempunyai volume lebih besar dari volume

media pendingin (Vstyrofoam > 3,116 L). Namun, ada beberapa hal lain yang perlu

dipertimbangkan seperti aliran angin pada kipas, sehingga dibutuhkan volume

tampung yang minimal berukuran dua kali lebih besar daripada volume media

pendingin.

Pada pasaran, terdapat beberapa ukuran standard dari kotak styrofoam.

Pada mesin pendingin ruangan ini, dipilih salah satu ukuran standard pada

[image:54.595.114.531.405.559.2]

pasaran dengan dimensi sebagai berikut.

Tabel 4.1 Dimensi Styrofoam

No. Nama Simbol Dimensi Satuan

1 Panjang Luar po 40 cm

2 Lebar Luar lo 26 cm

3 Tinggi Luar to 17,8 cm

2 Panjang Dalam pi 36 cm

3 Lebar Dalam li 22 cm

4 Tinggi Dalam ti 13 cm

Kotak styrofoam jenis ini mempunyai kapasitas volume tampung

maksimum sebesar:

Vi,styrofoam = �

_{� �} 1000

= 36 22 13

1000

= 10,296 L

Perbandingan antara kapasitas volume tampung dan volume media

34

��, �

� ,

= 10,296

3,116

= 3,304

Perbandingan yang didapat memenuhi syarat minimum volume tampung.

Maka digunakanlah kotak styrofoam ini, dengan volume sebesar:

Vo,styrofoam =

1000

= 40 26 17,8

1000

= 18,512 L

4.3 Analisa Sifat dan Kekuatan Bahan Styrofoam 4.3.1 Densitas Styrofoam

Densitas (kerapatan) merupakan ukuran kepadatan dari suatu material.

Untuk menghitung kerapatan diperlukan beberapa data sebagai berikut.

Diketahui:

- m = Massa kotak styrofoam = 720 g = 0,720 kg

- Vo,styrofoam = Volume luar styrofoam = 18,512 L

- Vi,styrofoam = Volume dalam styrofoam = 10,296 L

Volume dari styrofoam dapat dicari dengan menghitung selisih volume

luar dan volume dalamnya.

V = Vo,styrofoam– Vi,styrofoam

= 18,512 – 10,296

= 8,216 L

= 8,216 x 10-3 m3

Maka kerapatan dari styrofoam yang digunakan pada mesin pendingin

ruangan adalah:

ρ =

�

=

0,720 8,216 10−3

35

4.3.2 Kekakuan Styrofoam

Kekakuan styrofoam dilihat berdasarkan besarnya regangan yang terjadi

akibat gaya yang diberikan pada styrofoam tersebut. Untuk menghitung besar

regangan, diperlukan beberapa data sebagai berikut.

Diketahui:

- Vair = Volume air = 1 L

- ρair = Massa jenis air = 1000 kg/m3 = 1000 g/L

- Ves = Volume es = 2 L

- ρes = Massa jenis es = 920 kg/m3 = 920 g/L

- mgaram = Massa garam = 250 g

- g = Percepatan gravitasi = 9,81 m/s2

- p = Panjang styrofoam = 40 cm = 0,40 m

- l = Lebar styrofoam = 26 cm = 0,26 m

- t = Tinggi styrofoam = 17,8 cm = 0,178 m

- E = Modulus Young styrofoam = 3300 Mpa = 3,3 x 109 Pa

Mula – mula dihitung terlebih dahulu massa air dan massa es.

mair = ρair x Vair

= 1000 x 1

= 1000 g

mes = ρes x Ves

= 920 x 2

= 1840 g

Maka massa total media pendingin dan beratnya adalah:

mtot,mp = mair + mgaram + mes

= 1000 + 250 + 1840 = 3090 g

= 3,090 kg

w = mtot,mp x g

= 3,090 x 9,81

36

Berat media pendingin (w) merupakan gaya tarik (F) yang dikerjakan pada

dinding depan, kiri, kanan, dan belakang styrofoam.

Selanjutnya dihitung tegangan tarik yang diaplikasikan pada styrofoam

dengan menggunakan persamaan:

� =

�

=

2 +

=

30,3129

2 0,40+0,26 0,178

=

129,013 Pa

Tahap selanjutnya akan dihitung besar regangan pada styrofoam dengan

menggunakan persamaan:

�

=

�

= 129,013

3,3 109

= 3,91 x 10-8

Maka besar pertambahan panjang yang terjadi akibat tegangan tarik dapat

dihitung dengan persamaan:

∆ =

�

x l

= 3,91 x 10-8 x 17,8

= 6,96 x 10-7 cm

Dari perhitungan diatas dapat dilihat bahwa styrofoam memiliki kekakuan

yang sangat besar.

4.4 Analisa Ukuran Ruangan Terhadap Beban Pendingin

Ukuran ruangan dapat ditentukan setelah diketahui beban pendingin total

37

ukuran ruangan tersebut, dimana data diambil dari analisa beban pendingin pada

tanggal 19 Januari 2015.

Diketahui:

- Qs,tot = Beban pendingin sensibel total = 103,345 W

- Ql,tot = Beban pendingin laten total = 118,7024 W

- Qpp,tot = Beban pendingin perpindahan panas total = 35,9775 W

- I = Nilai insulasi ruangan = 18

- E = Konstanta arah ruangan = 17

Nilai beban pendingin total ruangan merupakan jumlah dari beban

sensibel, laten, dan perpindahan panas.

Q = , + , + ,

= 103,345 + 118,7024 + 35,9775

= 258,0249 W

Maka ukuran ruangan dapat dicari dengan persamaan:

L x W x H

=

60

�

1

3,283 _0,29307107

=

258,0249 60 18 17

1

3,283 _0,0788

= 18,195 m3

Dengan mengasumsikan panjang, lebar, dan tinggi ruangan tersebut adalah

sama, maka nilai dari masing – masing ukuran tersebut adalah:

L = W = H = 3 18,195

= 2,630 m

≈ 2,6 m

Maka, ukuran ruangan yang ideal agar mesin pendingin ruangan dapat

menyejukkan ruangan tersebut adalah sebesar 2,6 x 2,6 x 2,6 m3.

4.5 Analisa Panel Surya dan Akumulator

Untuk menghitung energi yang diperlukan serta efisiensi dari panel surya,

38

Diketahui:

- Ppanel = Daya panel surya = 100 W

- Pkipas = Daya kipas angin = 12 W

- tp = Waktu puncak = 5 jam

- Voc = Tegangan rangkaian terbuka = 22,7 V

- Isc = Kuat arus rangkaian pendek = 5,8 A

- Vm = Tegangan maksimum = 18,9 V

- Im = Kuat arus maksimum = 5,3 A

- Gt = Radiasi pasti = 1000 W/m2

- A = Luas Penampang = p x l = 1032 mm x 676 mm = 6,9732 m2

Energi yang dihasilkan panel per menitnya adalah:

Epanel = Ppanel x t

= 100 x 60

= 6.000 J

Sedangkan untuk mencari energi yang dihasilkan oleh panel surya per

harinya, maka dapat dihitung dengan persamaan:

Epanel = Ppanel x tp

= 100 x 5

= 500 Wh

= 1.800.000 J

= 1.800 kJ

Adapun waktu puncak 5 jam didapat dari efektivitas rata – rata waktu

sinar matahari bersinar di negara tropis seperti Indonesia