KAJIAN EXPERIMENTAL EVAPORATOR UNTUK MESIN
PENDINGIN SIKLUS ADSORPSI YANG DIGERAKKAN
ENERGI SURYA
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
MARLUNDU NAIBAHO NIM. 060401067
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa, atas berkat dan rahmat-Nya
sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini dengan sebaik-baiknya.
Skripsi ini merupakan salah satu syarat yang harus dilaksanakan mahasiswa untuk
menyelesaikan pendidikan agar memperoleh gelar sarjana di Departemen Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun Tugas Sarjana yang dipilih adalah
dalam bidang Termodinamika Teknik dengan judul "KAJIAN EXPERIMENTAL
EVAPORATOR UNTUK MESIN PENDINGIN SIKLUS ADSORPSI YANG DIGERAKKAN ENERGI SURYA ".
Dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini, penulis banyak mendapat dukungan dari
berbagai pihak. Maka pada kesempatan ini dengan ketulusan hati penulis ingin menghaturkan
rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :
1. Kedua orang tua dan keluarga tercinta, (Ayah) M. Naibaho dan (Ibu) E. Habeahan
yang senantiasa memberikan kasih sayang, dukungan, motivasi, dan nasihat yang tak
ternilai harganya. Serta kepada Abang, Kakak dan adik.
2. Bapak Tulus Burhanuddin Sitorus, ST, MT, dosen pembimbing yang telah banyak
meluangkan waktunya membimbing, memotivasi, dan membantu penulis dalam
menyelesaikan Tugas Sarjana ini.
3. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST, MT selaku dosen pembimbing lapangan yang
telah banyak meluangkan waktu, memotivasi, dan membantu penulis dalam
menyelesaikan Tugas Sarjana ini.
4. Prof.Dr.Ir. Bustami Syam, MSME (Dekan Fakultas Teknik USU), beserta segenap
Staf dan Jajarannya.
5. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin
Fakultas Teknik USU.
6. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik
USU.
7. Abang Sarjana, ST selaku koordinator laboratorium teknologi mekanik, yang
membantu penulis dalam pembuat alat.
8. Rekan satu tim Masrin dan Dony Osmond atas kerja sama yang baik untuk
menyelesaikan penelitian ini.
10.Seluruh rekan-rekan mahasiswa Departemen Teknik Mesin, teristimewa kepada
kawan-kawan seperjuangan Angkatan 2006 yang tidak dapat disebutkan satu persatu
yang telah banyak membantu dan memberi masukan yang berguna demi kelengkapan
Skiripsi ini.
Akhir kata, dengan segala kerendahan hati penulis memanjatkan doa kepada Tuhan
Yang Maha Esa semoga skripsi ini bermanfaat untuk kita semua.
Medan, 24 Juni 2011
Penulis
ABSTRAK
Kebutuhan akan sistem pendingin untuk berbagai macam kebutuhan konvesional pada daerah terpencil dirasakan semakin meningkat, sementara sistem pendingin yang sudah ada belum tentu bisa dipakai karena tidak semua daerah terpencil memiliki jaringan listrik. Untuk itu, dalam penelitian ini dipilih sistem pendingin adsorpsi dengan menggunakan pasangan karbon aktif dan metanol yang bahan – bahannya mudah didapat dan tidak menghasilkan polusi, sehingga menghasilkan sistem pendingin yang ramah lingkungan.
Selain evaporator sebagai komponen utamanya, sistem pendingin adsorpsi membutuhkan refrigeran dan absorber. Evaporator adalah alat penukar kalor, dimana dua fluida yang mempunyai suhu yang berbeda, yang satu bersuhu tinggi dan yang satunya lagi bersuhu rendah, akan bertukar panas sehingga fluida yang menerima panas akan menguap. Adsorpsi adalah proses penyerapan suatu fasa tertentu (gas, cair) pada permukaan yang berupa padatan sehingga membentuk suatu film (lapisan tipis) pada permukaan padatan tersebut.
Keuntungan dari penggunaan mesin pendingin adsorpsi ini adalah sumber energi yang mudah didapat dan tidak adanya komponen yang bergerak. Mesin pendingin adsorpsi ini dioperasikan dengan menggunakan panas matahari sebagai sumber energi. Dengan pemanfaatan sumber energi tersebut dapat dihasilkan suhu evaporator dibawah 10 0C pada tingkat suhu pemanasan generator 70 0C – 90 0C.
DAFTAR ISI
1.1. Latar Belakang ...1
1.2. Batasan Masalah ...1
1.3. Tujuan Penelitian ...2
1.4. Manfaat Penelitian ...2
1.5. Sistematika Penulisan ...3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ...4
2.1. Sistem Mesin Pendingin Adsorpsi...4
2.2. Evaporator ...5
2.3. Perpindahan Kalor Didalam Evaporator...5
2.4. Jenis EVaporator ...7
2.5. Adsorpsi ...8
2.5.1. Jenis Jenis Adsorpsi ...9
2.5.2. Kinetika Adsorpsi ...10
2.5.3. Kesetimbangan Adsorpsi ...10
2.5.4. Isoterm Adsorpsi...11
2.5.5. Prinsip Kerja Sistem Adsorpsi...12
2.6. Adsorben ...13
2.6.1. Unujuk Kerja Adsorben ...13
2.6.2. Penggolongan Adsorben...13
2.7. Refrigeran ...17
2.8. Kalor ...20
2.8.1. Kalor Laten...20
2.8.2. Kalor Sensibel...21
2.8.3. Perpindahan Kalor...21
BAB III METODE PENELITIAN ...26
3.1. Metode Pelaksanaan Penelitian...26
3.2. Tempat Penelitian ...27
3.3. Bahan Dan Alat ...27
3.3.1. Bahan...27
3.3.2. Alat ...28
3.4. Perancangan Alat Penelitian...31
3.5. Analisa Data Pengujian Alat Adsorpsi ...32
3.6. Perancangan Mesin Pendingin...34
3.6.1. Dimensi Utama Alat Penelitian ...36
3.6.2. Perancangan Evaporator ...38
3.6.3. Perancangan Kotak Insulasi...40
BAB IV ANALISA DATA ...41
4.1. Hasil Pengujian ...41
4.1.2. Pengujian Hari Pertama...45
4.1.2. Pengujian Hari Kedua...46
4.1.3. Pengujian Hari Ketiga...47
4.2. Neraca Kalor ...49
4.2.1. Kalor Yang Diserap Evaporator...49
4.2.2. Analisa Kalor Pada Metanol...50
4.2.3. Analisa Kalor Pada Air...51
4.2.4. Kesetimbangan Energ...52
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ...55
5.1. Kesimpulan ...55
5.2. Saran ...56
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1. Penggolongan adsorben berdasarkan kemampuan menyerap air...14
Tabel 2.2. Spesifikasi karbon aktif ...16
Tabel 3.1. Alat Penguji adsorpsi...32
Tabel 4.1. Data tekanan evaporator pada siang hari (desorpsi)...42
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Proses pemanasan kolektor dengan tenaga surya ... 4
Gambar 2.2. Penyerapan suatu zat oleh zat pengadsorpsi ...8
Gambar 2.3. Karbon aktif ...13
Gambar 2.4. Metanol ...16
Gambar 3.1. Hobo Micro Station smart sensor ...24
Gambar 3.2. Pompa vakum ...25
Gambar 3.3. Agilent ...25
Gambar 3.4. Skema alat pengujian ...26
Gambar 3.5. Alat pengujian adsorpsi ...27
Gambar 3.6. Proses adsorpsi dan proses desorpsi ...28
Gambar 3.7. Evaporator yang akan dirancang ...29
Gambar 3.8. Dimensi Evaporator ...30
Gambar 3.9. Rancangan wadah air ...31
Gambar 3.10. Bagian bawah evaporator ...32
Gambar 3.11. Bagian atas evaporator dibuat lubang ...32
Gambar 3.12. Pipa evaporator yang dipasang katup dan manometer ...33
Gambar 3.13. Evaporator ...33
Gambar 3.14. Kotak insulasi dan bagian dalam kotak insulasi ...34
DAFTAR NOTASI
Simbol Keterangan Satuan
COP Coeficient Of Performance -
QCool Kalor pendinginan Joule
QDrive Kalor kerja Joule
∆H Perubahan entalpi kJ/kg
∆S Perubahan entropi kJ/kgK
COA coefficient of amplification -
Cv Kalor spesifik volume tetap J/kg. K
Cp Kalor spesifik tekanan tetap J/kg. K
QL Kalor laten J
Le Kapasitas kalor spesifik laten J/kg
m Massa zat kg
Qs Kalor sensibel J
ΔT Beda temperatur K
ABSTRAK
Kebutuhan akan sistem pendingin untuk berbagai macam kebutuhan konvesional pada daerah terpencil dirasakan semakin meningkat, sementara sistem pendingin yang sudah ada belum tentu bisa dipakai karena tidak semua daerah terpencil memiliki jaringan listrik. Untuk itu, dalam penelitian ini dipilih sistem pendingin adsorpsi dengan menggunakan pasangan karbon aktif dan metanol yang bahan – bahannya mudah didapat dan tidak menghasilkan polusi, sehingga menghasilkan sistem pendingin yang ramah lingkungan.
Selain evaporator sebagai komponen utamanya, sistem pendingin adsorpsi membutuhkan refrigeran dan absorber. Evaporator adalah alat penukar kalor, dimana dua fluida yang mempunyai suhu yang berbeda, yang satu bersuhu tinggi dan yang satunya lagi bersuhu rendah, akan bertukar panas sehingga fluida yang menerima panas akan menguap. Adsorpsi adalah proses penyerapan suatu fasa tertentu (gas, cair) pada permukaan yang berupa padatan sehingga membentuk suatu film (lapisan tipis) pada permukaan padatan tersebut.
Keuntungan dari penggunaan mesin pendingin adsorpsi ini adalah sumber energi yang mudah didapat dan tidak adanya komponen yang bergerak. Mesin pendingin adsorpsi ini dioperasikan dengan menggunakan panas matahari sebagai sumber energi. Dengan pemanfaatan sumber energi tersebut dapat dihasilkan suhu evaporator dibawah 10 0C pada tingkat suhu pemanasan generator 70 0C – 90 0C.
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Kebutuhan akan sistem pendingin di daerah terpencil untuk berbagai kebutuhan
seperti pengawetan atau penyimpanan bahan makanan dirasakan semakin meningkat,
sementara sistem pendingin konvensional yang ada belum tentu bisa dipakai karena
tidak semua daerah terpencil memiliki jaringan listrik, sehingga sistem pendingin
tenaga surya sederhana salah satu alternatif untuk pemecahan permasalahan kebutuhan
sistem pendingin di daerah terpencil seperti ini.
Salah satu pemanfaatan energi surya untuk sistem pendingin adalah dengan
pemanfaatan sistem adsorpsi, pada sistem ini sebagian pengoperasiannya berkaitan
dengan pemberian panas pada generator dan tidak membutuhkan daya sehingga lebih
ekonomis dan untuk mendapatkan energi panas jauh lebih mudah, salah-satunya dengan
memanfaatkan panas dari sinar matahari.
Teknologi kolektor surya jauh lebih sederhana dibandingkan dengan sistem
pendingin kompresi uap dan umumnya dapat dibuat dan diperbaiki di industri lokal.
Selain kolektor surya sistem pendingin adsorpsi membutuhkan refrigeran dan adsorben.
Dalam beberapa tahun terakhir penelitian metanol sebagai refrigeran dan karbon aktif
sebagai adsorben banyak dilakukan untuk membuat pendingin adsorpsi surya sederhana
dengan biaya yang tidak mahal tetapi dapat menghasilkan pendingin tanpa polusi.
1.2. Tujuan Penelitian
Tujuan dilakukan penelitian skiripsi ini adalah:
1. Mendisain dan membuat model fisik dari evaporator dan kotak ice sebagai salah
2. Menganalisa unjuk kerja dari evaporator dengan refrigerasi karbon aktif dan
metanol
3. Mengetahui karakteristik evaporator pada sistem pendingin adsorpsi pasangan
karbon aktif.
1.3. Batasan Masalah
Dalam penelitian ini, penulis membatasi masalah pada :
• Perancangan Evaporator.
• Refrigerant yang dipakai adalah methanol
• Variabel yang diamati pada pengujian adalah temperatur (T) dan tekanan (P)
1.4. Manfaat Penelitian
Manfaat penulisan skiripsi ini adalah :
1. Menghasilkan rekomendasi sistem pendingin yang ramah lingkungan dan hemat
energi.
2. Sebagai wacana untuk penelitian yang lebih lanjut.
1.5. Sistematika Penulisan
Laporan skripsi ini adalah buku skripsi yang tersusun atas lima bab. Bab I
pendahuluan, bab ini menguraikan latar belakang penulisan skripsi, batasan masalah,
tujuan penulisan, manfaat penulisan dan sistematika penulisan. Bab II tinjauan
pustaka, bab ini membahas teori-teori yang dapat mendukung dan menjadi pedoman
dalam penulisan skiripsi. bab III metodologi, bab ini membahas metode penulisan
skripsi, bahan dan alat yang digunakan dalam penelitain. Bab IV analisa dan
dengan pembahasan data hasil pengujian, bab V kesimpulan dan saran, bab ini berisi
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Sistem Mesin Pendingin AdsorpsiSistem pendinginan adsorpsi mirip dengan siklus pendinginan kompresi uap.
Perbedaan utama kedua siklus tersebut adalah gaya yang menyebabkan terjadinya
perbedaan tekanan antara tekanan penguapan dan tekanan kondensasi serta cara
perpindahan uap dari wilayah bertekanan rendah ke wilayah bertekanan tinggi. Pada
sistem pendingin kompresi uap digunakan kompresor, sedangkan pada sistem
pendingin adsorpsi digunakan adsorben dan generator bertekanan rendah, tekanan
ditingkatkan dengan pompa dan pemberian panas di generator sehingga adsorben dan
generator dapat menggantikan fungsi kompresor secara mutlak kompresi tersebut,
sistem pendingin adsorpsi memerlukan masukan energi panas.
Gambar 2.1. Proses
Pemanasan Kolektor dengan
tenaga surya [1]
Panas sering disebut sebagai energi tingkat rendah (low level energy) karena
panas merupakan hasil akhir dari perubahan energi dan sering kali tidak didaur ulang.
Pemberian panas dapat dilakukan dengan berbagai cara, seperti menggunakan kolektor
Komponen utama mesin pendingin adsorpsi adalah generator, kondensor, dan
evaporator. Evaporator memegang peranan penting sebagai tempat refrigeran yang
akan digunakan untuk mendinginkan fluida atau benda yang akan didinginkan.
2.2. Evaporator
Evaporator dalam sistem refrigerasi adalah alat penukar kalor yang memegang
peranan penting di dalam siklus refrigerasi, yaitu mendinginkan media sekitarnya
Tujuan sistem refrigerasi adalah untuk membebaskan panas dari fluida seperti udara, air
atau beberapa benda yang lain.[2].
Evaporator diletakkan dibagian unit pendingin dari lemari pendingin dan akan
bersentuhan langsung dengan media yang akan didinginkan, yaitu air. Cairan metanol
akan menguap pada saat temperatur adsorben naik atau pada saat pemanasan adsorben.
Metanol akan mencair dikondensor dan cairannya akan terkumpul kembali di
evaporator, dan malam hari temperatur adsorben akan turun perlahan – lahan dan akan
menyerap metanol. Akibatnya metanol akan menguap dan menyerap kalor dari
sekitarnya sehingga temperatur akan turun.[2].
2.3. Perpindahan Kalor Didalam Evaporator
a. Koefisien Perpindahan Kalor
Faktor yang mempengaruhi koefisien perpindahan kalor adalah kecepatan aliran
fluida atau benda yang akan didinginkan, disamping itu makin besar luas bidang benda
yang hendak diinginkan atau dekat dengan bidang pendingin juga mempengaruhi
koefisien perpindahan kalor. Untuk temperatur penguapan refrigeran, temperatur benda
atau fluida yang akan didinginkan akan dipengaruhi oleh kecepatan aliran dari zat yang
Di dalam evaporator, banyaknya perpindahan kalor dihitung berdasarkan
perbedaan rata- rata temperatur, makin besar perbedaan temperatur, makin kecil ukuran
penukar kalor (luas bidang perpindahan kalor) yang bersangkutan, namun dalam hal
tersebut diatas, temperatur penguapannya menjadi rendah.
b. Kapasits (Q) Pendingin di dalam Evaporator
Kapasitas suatu mesin pendingin ialah kemampuan mesin tersebut untuk
menyerap panas dari benda yang didinginkan, umumnya dinyatakan dalam Kkal/jam
atau Btu/jam. Satuan lain yang sering dipakai ialah Ton Of Refrigeration (TR) atau
Refrigeration Ton (RT). Satuan ini dihitung berdasarkan panas pencairan 1 ton es
selama 24 jam.[3].
Dimana tiap 1 lb es yang mencair membutuhkan panas 144 btu, maka :
Kapasitas mesin pendingin pada umumnya ditentukan tiga hal, yaitu; jumlah
refrigeran yang diuapkan tiap jam, temperatur penguapan refrigeran didalam
evaporator, jenis refrigeran yang digunakan.
Berdasarkan bentuk dan permukaan koilnya, evaporator dibagi menjadi 3 macam,
yaitu :
1. Evaporator Pipa Telanjang ( Bare Tube Evaporator )
2. Evaporator Pelat ( Plate Surface Evaporator )
3. Evaporator Bersirip ( Finned Evaporator)
Berdasarkan bentuk dan penggunaannya, evaporator dibagi menjadi beberapa
macam, yaitu :
1. Evaporator jenis expansi kering
Cairan refrigeran yang diexpansikan melalui katup expansi pada waktu masuk
ke evaporator sudah dalam keadaan campuran cair dan uap, sehingga keluar dari
evaporator dalam kering.
Karena sebagian besar evaporator terisi oleh uap refrigeran , maka perpindahan
kalor yang terjadi tidak begitu besar, jika dibandingkan dengan keadaan dimana
refrigeran dimana evaporator terisi oleh refrigeran cairan. Evaporator jenis ini tidak
memerlukan cairan refrigeran dalam jumlah yang besar, disamping itu jumlah minyak
pelumas yang tertinggal di dalam evaporator sangat kecil.
Jumlah refrigeran yang masuk kedalam evaporator dapat diatur oleh katup
expansi sehingga semua refrigeran meningggalkan evaporator dalam bentuk uap jenuh,
dan bahkan dalam keadaan superpanas.
2. Evaprator jenis super basah
Evaporator jenis setengah basah adalah evaporator dengan kondisi refrigeran
diantara diantara evaporator jenis expansi kering dan evaporator jenis basah. Dalam
evaporator jenis ini, selalu terdapat refrigeran cair dalam pipa penguapnya. Oleh karena
yang dapat diperoleh pada jenis expansi kering, tetapi lebih rendah dari pada yang
diperoleh pada jenis basah.
Pada jenis basah expansi kering, refrigeran masuk dari bagian atas dari koil
sedangkan pada evaporator jenis setengah basah, refrigeran dimasukkan dari bagian
bawah koil evaporator.
3. Evaporator jenis basah
Dalam evaporator jenis basah, sebagian dari jenis evaporator terisi oleh cairan
refrigeran. Proses penguapannya terjadi seperti pada ketel uap. Gelelmbung refrigeran
yang terjadi karena pemanasan akan naik, pecah pada permukaan cair atau terlepas dari
permukaannya. Sebagian refrigeran kemudian masuk ke dalam akumulator yang
memisahkan uap dari cairan maka refrigeran yang ada dalam bentuk uap sajalah yang
masuk ke dalam kompresor. Bagian refrigeran cair yang dipisahkan didalam
akumulator akan masuk kembali kedalam evaporator, bersama – sama dengan
refrigeran (cair) yang berasal dari kondensor.
Tabung evaporator terisi oleh cairan refrigeran. Cairan refrigeran meyerap kalor
dari fluida yang hendak di dinginkan ( air larutan garam), yang mengalir di dalam pipa
uap refrigeran yang terjadi dikumpulkan di bagian atas dari evaporator sebelum masuk
ke kompresor. Tinggi permukaan cairan refrigeran yang ada di dalam evaporator diatur
oleh pelampung. Jumlah refrigeran yang dimasukkan ke dalam tabung evaporator di
sesuaikan dengan beban pendingin.
2.5. Adsorpsi
Adsorpsi adalah proses dimana satu atau lebih unsur-unsur pokok dari suatu
larutan fluida akan lebih terkonsentrasi pada permukaan suatu padatan tertentu
(adsorbent). Dengan cara ini, komponen-komponen dari suatu larutan, baik itu dari
Adsorpsi melibatkan proses perpindahan massa dan menghasilkan
kesetimbangan distribusi dari satu atau lebih larutan antara fasa cair dan partikel.
Pemisahan dari suatu larutan tunggal antara cairan dan fasa yang diserap membuat
pemisahan larutan dari fasa curah cair dapat dilangsungkan.
Gambar 2.2. penyerapan suatu zat oleh zat pengadsorpsi.[4]
Fasa penyerap disebut sebagai adsorben. Bahan yang banyak digunakan sebagai
adsorben adalah karbon aktif, molecular sieves dan silika gel. Permukaan adsorben
pada umumnya secara fisika maupun kimia heterogen dan energi ikatan sangat
mungkin berbeda antara satu titik dengan titik lainnya. Pada praktiknya, proses adsorpsi
bisa dilakukan secara tunggal namun bisa pula merupakan kelanjutan dari proses
pemisahan dengan cara distilasi.
2.5.1. Jenis-Jenis Adsorpsi
1. Adsorpsi Fisik
Adsorpsi fisik adalah adsorpsi yang terjadi akibat gaya interaksi tarik-menarik
Van der Wals (sebagai kondensasi uap). Jenis ini cocok untuk proses adsorpsi yang
membutuhkan proses regenerasi karena zat yang teradsorpsi tidak larut dalam adsorben
tapi hanya sampai permukaan saja.
2. Adsorpsi Kimia
Adsorpsi kimia adalah adsorpsi yang terjadi akibat interaksi kimia antara
molekul adsorben dengan molekul adsorbat. Proses ini pada umumnya menurunkan
kapasitas dari adsorben karena gaya adhesinya yang kuat sehingga proses ini tidak
reversibel.[2].
2.5.2. Kinetika Adsorpsi
Kinetika adsorpsi berhubungan dengan laju reaksi. Hanya saja, kinetika adsorpsi
lebih khusus, yang hanya membahas sifat penting dari permukaan zat.[4]. Kinetika
adsorpsi yaitu laju penyerapan suatu fluida oleh adsorben dalam suatu jangka waktu
tertentu. Kinetika adsorpsi suatu zat dapat diketahui dengan mengukur perubahan
konsentrasi zat teradsorpsi tersebut. Kinetika adsorpsi dipengaruhi oleh kecepatan
adsorpsi. Kecepatan adsorpsi dapat didefinisikan sebagai banyaknya zat yang
teradsorpsi per satuan waktu. Kecepatan atau besar kecilnya adsorpsi dipengaruhi oleh
beberapa hal, diantaranya :
• Macam adsorben
• Macam zat yang diadsorpsi (adsorbate)
• Luas permukaan adsorben
• Konsentrasi zat yang diadsorpsi (adsorbate)
• Temperatur
2.5.3. Kesetimbangan Adsorpsi
Fasa kesetimbangan antara cairan dan fasa yang diserap oleh satu atau lebih
proses adsorpsi tersebut. Dalam hampir semua proses, faktor ini jauh lebih penting
daripada laju perpindahan. Peningkatan kapasitas stoikiometrik adsorben memiliki
pengaruh yang lebih besar daripada peningkatan laju perpindahan.
2.5.4. Isoterm Adsorpsi
Isoterm adsorpsi adalah hubungan yang menunjukkan distribusi adsorben antara
fasa teradsorpsi pada permukaan adsorben dengan fasa ruah saat kesetimbangan pada
temperatur tertentu. Ada tiga jenis hubungan matematik yang umumnya digunakan
untuk menjelaskan isoterm adsorpsi.[2].
1. Isoterm Brunauer, Emmet, and Teller (BET)
Isoterm ini berdasar asumsi bahwa adsorben mempunyai permukaan yang
homogen. Perbedaan isoterm ini dengan Langmuir adalah BET berasumsi bahwa
molekul-molekul adsorbat bisa membentuk lebih dari satu lapisan adsorbat di
permukaannya.[2].
2. Isoterm Freundlich
Untuk rentang konsentrasi yang kecil dan campuran yang cair, isoterm
adsorpsi dapat digambarkan dengan persamaan empirik yang dikemukakan
oleh Freundlich. Isoterm ini berdasarkan asumsi bahwa adsorben mempunyai
permukaan yang heterogen dan tiap molekul mempunyai potensi penyerapan
yang berbeda-beda.[2]. Persamaan ini merupakan persamaan yang paling
banyak digunakan saat ini. Persamaannya adalah:
Pers. ( 2.1)
Dengan :
x = banyaknya zat terlarut yang teradsorpsi (mg)
C = konsentrasi dari adsorbat yang tersisa dalam kesetimbangan
k = konstanta adsorben
Dari persamaan tersebut, jika konstentrasi larutan dalam kesetimbangan diplot
sebagai ordinat dan konsentrasi adsorbat dalam adsorben sebagai absis pada
koordinat logaritmik, akan diperoleh gradien n dan intersep k. Dari isoterm ini,
akan diketahui kapasitas adsorben dalam menyerap air. Isoterm ini akan
digunakan dalam penelitian yang akan dilakukan, karena dengan isoterm ini
dapat ditentukan efisiensi dari suatu adsorben.
2.5.5. Prinsip Kerja Siklus Adsorpsi
Siklus adsorpsi menggunakan dua jenis zat yang umumnya berbeda, zat pertama
disebut penyerap sedangkan yang kedua disebut refrigeran. Proses adsorpsi
dipengaruhi tingkat tekanan yang bekerja pada sistem, yaitu tekanan rendah yang
meliputi proses penguapan di evaporator dan penyerapan di adsorben dan tekanan
tinggi yang meliputi proses pembentukan uap di generator dan pengembunan di
kondensor.
Efek pendinginan yang terjadi merupakan akibat dari kombinasi proses
pengembunan dan penguapan kedua zat pada kedua tingkat tekanan tersebut. Proses
yang terjadi di evaporator dan kondensor sama dengan yang terjadi pada siklus
kompresi uap. Siklus adsorpsi dioperasikan oleh kalor karena hampir sebagian besar
operasi berkaitan dengan pemberian kalor untuk melepaskan uap refrigeran.
Generator menerima kalor dan membuat uap dan membuat uap refrigeran
terpisah dari adsorben menuju ke kondensor, pada kondensor terjadi pelepasan kalor ke
lingkungan sehingga fasa refrigeran berubah dari uap menjadi cair, ketika memasuki
komponen evaporator inilah terjadi proses pendinginan suatu produk dimana kalornya
diserap oleh refrigeran untuk selanjutnya menuju adsorben.
2.6. Adsorben
Kebanyakan zat pengadsorpsi atau adsorben adalah bahan-bahan yang sangat
berpori, dan adsorpsi berlangsung terutama pada dinding-dinding pori atau pada daerah
tertentu di dalam partikel itu. Karena pori-pori adsorben biasanya sangat kecil maka
luas permukaan dalamnya menjadi beberapa kali lebih besar dari permukaan luar.
Adsorben yang telah jenuh dapat diregenerasi agar dapat digunakan kembali untuk
proses adsorpsi. Karbon aktif yang merupakan contoh dari adsorpsi, yang biasanya
dibuat dengan cara membakar tempurung kelapa atau kayu dengan persediaan udara
yang terbatas. Tiap partikel adsorben dikelilingi oleh molekul yang diserap karena
terjadi interaksi tarik menarik.[2].
2.6.1 Unjuk Kerja Adsorben
Adsorben dipandang sebagai suatu adsorben yang baik untuk adsorpsi dilihat
dari sisi waktu. Lama operasi terbagi menjadi dua, yaitu waktu penyerapan hingga
komposisi diinginkan dan waktu regenerasi / pengeringan adsorben. Makin cepat dua
varibel tersebut, berarti makin baik unjuk kerja adsorben tersebut.
2.6.2 Penggolongan Adsorben
2.6.2.1.Berdasarkan Sifatnya Terhadap Air
Adsorben merupakan bahan yang digunakan untuk menyerap komponen dari
suatu campuran yang ingin dipisahkan. Secara umum, hal yang mempengaruhi kinerja
adsorben adalah struktur kristalnya (zeolit dan silikat) dan sifat dari molekul adsorben
tersebut. Zeolit dalam jumlah yang banyak telah ditemukan baik dalam bentuk sintetis
Berikut adalah klasifikasi umum adsorber.
Tabel 2.1. Penggolongan adsorben berdasarkan kemampuan menyerap air [2]
Jenis Penyusun Struktur
Hidrofobik Polimer Karbon Aktif Moleculer sieve Karbon
Silikat
Hidrofolik Silika Gel Zeeolit : 3A(KA),
4A(NaA), 5A(CaA),
13X(NaX)
Mordenite, Chabazite,
dll
2.6.2.2. Berdasarkan Bahannya
Klasifikasi adsorben berdasarkan bahannya dibagi menjadi dua , yaitu:
1. Adsorben Organik
Adsorben organik adalah adsorben yang berasal dari bahan-bahan yang
mengandung pati. Adsorben ini digunakan sejak tahun 1979 untuk
mengeringkan berbagai macam senyawa. Beberapa tumbuhan yang biasa
digunakan untuk adsorben diantaranya adalah ganyong, singkong, jagung, dan
gandum. Kelemahan dari adsorben ini adalah sangat bergantung pada kualitas
tumbuhan yang akan dijadikan adsorben.
2. Adsorben Anorganik
Adsorben ini mulai dipakai pada awal abad ke-20. Dalam perkembangannya,
pemakaian dan jenis dari adsorben ini semakin beragam dan banyak dipakai
orang. Penggunaan adsorben ini dipilih karena berasal dari bahan-bahan non
cenderung sama. Dalam penelitian ini, adsorben yang dipakai adalah karbon
aktif.
Dalam penelitian ini adsorben yang digunakan adalah karbon aktif. Karbon aktif
adalah material yang berbentuk butiran atau bubuk yang berasal dari material yang
mengandung karbon misalnya batubara, kulit kelapa, dan sebagainya. Dengan
pengolahan tertentu yaitu proses aktivasi seperti perlakuan dengan tekanan dan suhu
tinggi, dapat diperoleh karbon aktif yang memiliki permukaan dalam yang luas.[2].
Arang merupakan suatu padatan berpori yang mengandung 85-95% karbon,
dihasilkan dari bahan-bahan yang mengandung karbon dengan pemanasan pada suhu
tinggi. Ketika pemanasan berlangsung, diusahakan agar tidak terjadi kebocoran udara
didalam ruangan pemanasan sehingga bahan yang mengandung karbon tersebut hanya
terkarbonisasi dan tidak teroksidasi.
Gambar 2.3. karbon aktif [2]
Arang selain digunakan sebagai bahan bakar, juga dapat digunakan sebagai
adsorben (penyerap). Daya serap ditentukan oleh luas permukaan partikel dan
kemampuan ini dapat menjadi lebih tinggi jika terhadap arang tersebut dilakukan
Dengan demikian, arang akan mengalami perubahan sifat-sifat fisika dan kimia. Arang
yang demikian disebut sebagai arang aktif.
Dalam satu gram karbon aktif, pada umumnya memiliki luas permukaan seluas
500-1500 m2, sehingga sangat efektif dalam menangkap partikel-partikel yang sangat
halus berukuran 0.01-0.0000001 mm. Karbon aktif bersifat sangat aktif dan akan
menyerap apa saja yang kontak dengan karbon tersebut. Dalam waktu 60 jam biasanya
karbon aktif tersebut manjadi jenuh dan tidak aktif lagi. Oleh karena itu biasanya arang
aktif di kemas dalam kemasan yang kedap udara. Sampai tahap tertentu beberapa jenis
arang aktif dapat di reaktivasi kembali, meskipun demikian tidak jarang disarankan
untuk sekali pakai.[2].
Menurut SII No.0258 -79, arang aktif yang baik mempunyai persyaratan seperti
yang tercantum pada tabel berikut ini:
Tabel 2.2. Spesifikasi karbon aktif.[3].
Jenis Persyaratan
Bagian yang hilang pada pemanasan 950 oC. Maksimum 15%
Air Maksimum 10%
Abu Maksimum 2,5%
Bagian yang tidak diperarang Tidak nyata
Daya serap terhadap larutan Minimum 20%
Karbon aktif terbagi atas 2 tipe yaitu arang aktif sebagai pemucat dan arang aktif
sebagai penyerap uap.
1. Arang aktif sebagai pemucat.
Biasanya berbentuk serbuk yang sangat halus dengan diameter pori mencapai
memindahkan zat-zat penganggu yang menyebabkan warna dan bau yang
tidak diharapkan dan membebaskan pelarut dari zat – zat penganggu dan
kegunaan yang lainnya pada industri kimia dan industri baru. Arang aktif ini
diperoleh dari serbuk – serbuk gergaji, ampas pembuatan kertas atau dari
bahan baku yang mempunyai densitas kecil dan mempunyai struktur yang
lemah.
2. Arang aktif sebagai penyerap uap.
Biasanya berbentuk granula atau pellet yang sangat keras dengan diameter pori
berkisar antara 10-200 A0. Tipe porinya lebih halus dan digunakan dalam fase
gas yang berfungsi untuk memperoleh kembali pelarut atau katalis pada
pemisahan dan pemurnian gas. Umumnya arang ini dapat diperoleh dari
tempurung kelapa, tulang, batu bata atau bahan baku yang mempunyai struktur
keras.
Arang aktif yang merupakan adsorben adalah suatu padatan berpori, yang
sebagian besar terdiri dari unsur karbon bebas dan masing- masing berikatan secara
kovalen. Dengan demikian, permukaan arang aktif bersifat non polar. Selain komposisi
dan polaritas, struktur pori juga merupakan faktor yang penting diperhatikan. Struktur
pori berhubungan dengan luas permukaan, semakin kecil pori-pori arang aktif,
mengakibatkan luas permukaan semakin besar. Dengan demikian kecepatan adsorpsi
bertambah. Untuk meningkatkan kecepatan adsorpsi, dianjurkan agar menggunakan
arang aktif yang telah dihaluskan. Sifat arang aktif yang paling penting adalah daya
serap.
2.7. Refrigerant
panas dari evaporator dan membuangnya di kondensor. Karakteristik termodinamika
refrigerant antara lain meliputi temperature penguapan, tekanan penguapan, temperatur
pengembunan. Untuk keperluan suatu jenis pendinginan (misal untuk pendinginan
udara atau pengawet beku) diperlukan refrigeran dengan karakteristik termodinamika
yang tepat. Adapun syarat-syarat untuk refrigerant adalah [2] :
1. Tidak dapat terbakar atau meledak bila tercampur dengan udara, pelumas
dan sebagainya.
2. Tidak menyebabkan korosi terhadap bahan logam yang dipakai pada
sistem mesin pendingin.
3. Mempunyai titik didih dan kondensasi yang rendah.
4. Perbedaan antara tekanan penguapan dan tekanan penguapan
( kondensasi ) harus sekecil mungkin.
5. Mempunyai panas laten penguapan yang besar, agar panas yang diserap
evaporator yang sebesar-besarnya.
6. Konduktivitas thermal yang tinggi.
Dalam penelitian ini bahan refrigeran yang digunakan adalah metanol. Metanol
dipilih karena memiliki kelebihan sebagai berikut [2]:
1. Pada tekanan atmosfir metanol berbentuk cairan yang ringan, mudah
menguap dibandingkan dengan air meskipun pada tekanan 1 atm.
2. Sangat efisien.
3. Tidak korosif terhadap besi atau baja.
Secara fisik Metanol merupakan cairan bening, berbau seperti alkohol, dapat
bercampur dengan air, etanol, chloroform dalam perbandingan berapapun, hygroskopis,
mudah menguap dan mudah terbakar dengan api.
Gambar 2.4. Metanol
Spesikasi metanol yang di gunakan dalam
penelitian adalah sebagai berikut:
Rumus molekul : CH3OH
Produksi : Merck KGaA Jerman
Index No. : 603-001-00-X
Kemurnian : 99.9 %
Keasaman : 0,0002 meq/g
Massa molar : 32.04 g/mol Density : 0,791- 0793 g/cm3 Titik didih : 64-65 0C
Titik leleh : -97,8 0C
Kelarutan dalam air : Sangat larut
Viskositas : 0.59 Mpa pada suhu 20 0C
Kalor adalah salah satu bentuk energi yang dapat mengakibatkan perubahan
suhu. Pada abad ke 19 berkembang teori bahwa kalor merupakan fluida ringan, yang
dapat mengalir dari suhu tinggi ke suhu rendah, jika suatu benda mengandung banyak
kalor, maka suhu benda itu tinggi (panas). Sebaliknya, jika benda itu mengandung
sedikit kalor, maka dikatakan benda itu bersuhu rendah (dingin). Kuantitas energi kalor
(Q) dihitung dalam satuan joules (J). Laju aliran kalor dihitung dalam satuan joule per
detik (J/s) atau watt (W). Laju aliran energi ini juga disebut daya, yaitu laju dalam
melakukan usaha. [4].
2.8.1. Kalor Laten
Suatu bahan biasanya mengalami perubahan temperatur bila terjadi perpindahan
kalor antara bahan dengan lingkungannya. Pada suatu situasi tertentu, aliran kalor ini
tidak merubah temperaturnya. Hal ini terjadi bila bahan mengalami perubahan fasa.
Misalnya padat menjadi cair (mencair), cair menjadi uap (mendidih) dan perubahan
struktur kristal (zat padat). Energi yang diperlukan disebut kalor transformasi. Kalor
yang diperlukan untuk merubah fasa dari bahan bermassa m adalah [4] :
Pers.(2.2)
Dimana :
QL = Kalor laten zat (J)
Le = Kapasitas kalor spesifik laten (J/kg)
m = Massa zat (kg)
2.8.2. Kalor sensibel
Tingkat panas atau intensitas panas dapat diukur ketika panas tersebut merubah
termometer. Ketika perubahan temperatur didapatkan, maka dapat diketahui bahwa
intensitas panas telah berubah dan disebut sebagai panas sensible. Dengan kata lain,
kalor sensibel adalah kalor yang diberikan atau yang dilepaskan oleh suatu jenis fluida
sehingga temperaturnya naik atau turun tanpa menyebabkan perubahan fasa fluida
tersebut. [4].
Pers.(2.3)
Dimana :
Qs = Kalor sensibel zat (J)
Cp = Kapasitas kalor spesifik sensibel (J/kg. K)
ΔT = Beda temperatur (K)
2.8.3. Perpindahan Kalor
Bila dua benda atau lebih terjadi kontak termal maka akan terjadi aliran kalor
dari benda yang bertemperatur lebih tinggi ke benda yang bertemperatur lebih rendah,
hingga tercapainya kesetimbangan termal.
Proses perpindahan panas ini berlangsung dalam 3 mekanisme, yaitu : konduksi,
konveksi dan radiasi [4].
1. Konduksi
Proses perpindahan kalor secara konduksi bila dilihat secara atomik merupakan
pertukaran energi kinetik antar molekul (atom), dimana partikel yang energinya rendah
dapat meningkat dengan menumbuk partikel dengan energi yang lebih tinggi. Sebelum
dipanaskan atom dan elektron dari logam bergetar pada posisi setimbang. Pada ujung
logam mulai dipanaskan, pada bagian ini atom dan elektron bergetar dengan amplitudo
disekitarnya dan memindahkan sebagian energinya. Kejadian ini berlanjut hingga pada
atom dan elektron di ujung logam yang satunya. Konduksi terjadi melalui getaran dan
gerakan elektron bebas. Fourier telah memberikan sebuah model matematika untuk
proses ini. Dalam hal satu dimensi, model matematikanya yaitu [4] :
Pers. (2.4)
Persamaan untuk laju perpindahan kalor konduksi secara umum dinyatakan dengan
bentuk persamaan diferensial di bawah ini [4]:
Pers. (2.5)
Dimana : dT/dx = Laju perubahan suhu T terhadap jarak dalam arah aliran panas x
2. Konveksi
Apabila kalor berpindah dengan cara gerakan partikel yang telah dipanaskan
dikatakan perpindahan kalor secara konveksi. Bila perpindahannya dikarenakan
perbedaan kerapatan disebut konveksi alami (natural convection) dan bila didorong,
misal dengan fan atau pompa disebut konveksi paksa (forced convection).
Besarnya konveksi tergantung pada :
a. Luas permukaan benda yang bersinggungan dengan fluida (A).
b. Perbedaan suhu antara permukaan benda dengan fluida (∆T).
Persamaan laju perpindahan kalor secara konveksi telah diajukan oleh Newton
pada tahun 1701 yang berasal dari pengamatan fisika. [4].
Pers.(2.6)
Dimana :
hc = koefisien konveksi (W/m2oC)
ts = suhu permukaan (0C)
tf = suhu fluida (0C)
Beberapa parameter yang telah diuji dan mengenal bentuk korelasi yang banyak
digunakan untuk menentukan koefisien konveksi (hc) yaitu :
a. Bilangan Reynold (Re)
Bilangan Reynold digunakan sebagai kriteria untuk menunjukkan aliran
fluida itu laminer dan turbulen. Untuk bilangan Re<2300 dikatakan aliran
laminar; Re>2300 dikatakan aliran turbulen. [4]:
Pers. (2.7)
Dimana : = rapat massa (kg/m3)
v = kecepatan aliran fluida (m/s)
D = diameter aliran fluida (m)
b. Bilangan Prandtl (Pr)
Bilangan Prandtl adalah bilangan tanpa dimensi yang merupakan fungsi
dari sifat-sifat fluida. Bilangan Prandtl didefinisikan sebagai perbandingan
viskositas kinematik terhadap difusitas thermal fluida yaitu [4]:
Pers.(2.8)
Dimana : Cp = panas spesifik fluida (J/kg.K)
µ = viskositas fluida (Pa.det)
k = konduktivitas thermal (W/m2K)
c. Bilangan Nusselt (Nu)
Pers.(2.9)
Dimana : hc = koefisien konveksi (W/m2 K)
D = diameter efektif aliran fluida (m)
k = konduktifitas thermal fluida (W/mK)
Banyak rumusan yang telah dikembangkan untuk susunan aliran tertentu
sehingga hubungan antara bilangan Nusselt, Reynolds dan Prandtl dapat dirumuskan
[4] :
3. Radiasi
Perpindahan energi secara radiasi berlangsung akibat foton-foton dipancarkan
dengan arah, fase dan frekuensi yang serampangan dari suatu permukaan ke permukaan
lain. Pada saat mencapai permukaan lain, foton yang diradiasikan juga diserap,
dipantulkan atau diteruskan (ditransmisikan) melalui permukaan tersebut. [4].
Untuk benda hitam, radiasi termal yang dipancarkan per satuan waktu per
satuan luas pada temperatur T kelvin adalah :
E = eσ T4 Pers.(2.11)
Dimana σ : konstanta Boltzmann : 5,67 x 10-8 W/ m2 K4.
BAB III
METODE PENELITIAN
3.1. Metode Pelaksanaan Penelitian
Dalam pelaksaan penelitian ini dilakukan kegiatan-kegiatan yang meliputi tahapan
yaitu:
Pengujian alat adsorpsi karbon aktif-metanol
Perancangan adsorber / kolektor Mulai
Tahapan persiapan
Survei lapangan
Perancangan alat adsorpsi karbon aktif-metanol
Pengujian mesin pendingin siklus adsorpsi
Analisa data Selesai
Assembling mesin pedingin Perancangan
3.2. Tempat Penelitian
Penelitian dilakukan di laboratorium Teknik pendingin Departemen Teknik
Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
3.3. Bahan dan Alat
3.3.1. Bahan-bahan utama yang digunakan dalam penelitian ini adalah : 1. Pelat stainless steel 2 lembar
2. Katup/valve 5 buah
3. Manometer vakum 3 buah
4. Elbow pvc ½” sebanyak 5 buah
5. Karbon aktif 13 kg
6. Methanol 3,5 liter
7. Pipa pvc ½” 50 cm
8. Selang karet 1 meter
9. Busa 1 lembar 1x 1 meter
10.Lem araldite
11.Papan
12.Paku
13.Pelat kaca tebal 3 mm
14.Pelat besi siku
15.Cat hitam
16.Gelas ukur 1 buah
17.Tabung besi 1 buah
18.Isolasi
19.Tong tempat pemanasan air
20.Kawat nyamuk
3.3.2. Alat-alat yang digunakan pada penelitian ini adalah: 1. Thermometer raksa
Gambar 3.1. Termometer raksa
Spesifikasi:
Max. temperatur : 110 °C
Min. temperatur : -10 °C
2. Manometer
Gambar 3.2. Manometer
Spesifikasi :
Buatan : Jepang
Max tekanan : 0 CmHg
Min tekanan : -76 CmHg
3. Hobo Micro Station
Hobo Micro Station adalah sebuah alat pencatat data dari 3 sensor pencatat
Kelembaban relatif). Mikro station ini menggunakan sebuah jaringan yang terhubung
dengan beberapa sensor pintar yang berfungsi untuk melakukan pengukuran.
Gambar 3.3. Hobo Micro Station smart sensor
Terdiri dari Sebuah data logger yang terhubung dengan perangkat komputer dan
beberapa sensor yang dipasang pada sebuah penyangga.
Dengan spesifikasi :
Skala Pengoperasian : -200 – 500C dengan baterai alkalin
-400 – 700C dengan baterai litium
Input Sensor : 3 buah sensor pintar multi channel monitoring
Ukuran : 8,9 cm x 11,4 cm x 5,4 cm
Berat : 0,36 kg
Memori : 512K Penyimpanan data nonvolatile flash.
Interval Pengukuran : 1 detik – 18 jam (tergantung pengguna)
Akurasi waktu : `0 sampai 2 detik untuk titik data pertama dan ±5 detik
untuk setiap minggu pada suhu 25oC
4. Pompa vakum
Untuk memvakumkan dan mengeluarkan partikel-partikel/kotoran dan mengeluarkan
Gambar 3.4. Pompa Vakum
Spesifikasi:
Merk : Robinair
Model No. : 15601
Capacity : 142 l/m
Motor h.p. : ½
Volts : 110-115 V / 220-250 V
5. Agilent
Digunakan untuk mengukur temperatur pada evaporator, dimana alat ini
bekerja secara otomatis dan mencatat hasil pengukuran dalam bentuk excel.
Gambar 3.5. Agilent
Spesifikasi
Tipe : Agilent 34970A
Jumlah sensor thermocouple : 20 channels multiplexer
Volt : 250 V
3.4. Perancangan Alat Penelitian
Dalam penelitian ini, terlebih dahulu dilakukan pengujian kemampuan
penyerapan karbon aktif terhadap metanol pada siklus adsorpsi. Dimensi utama alat
penguji adsorpsi adalah :
Gambar 3.6.
Skema Alat
Pengujian
Keterangan :
1. Tabung besi berisi karbon aktif
2. Katup
3. Katup
4. Manometer vakum
5. Gelas ukur berisi methanol
Table 3.1 Alat penguji adsorpsi
Parameter Dimensi/kapasitas
Gelas ukur 1 liter
Tabung besi Panjang 500 mm diameter 203,2 mm/ 5 kg karbon aktif
Pipa ¾ “ 800 mm
Metanol 1 liter
3.5. Analisa Data Pengujian Alat Adsorpsi
Dalam pengujian adsorpsi ini dilakukan pemanasan karbon aktif dengan
menggunakan kompor. Tabung besi yang berisi karbon aktif dimasukkan kedalam wadah
yang berisi air, kemudian air tersebut dipanaskan selama 8 jam dan dijaga temperatur air
konstan.
Gambar 3.7. Alat pengujian adsorpsi
Pemanasan ini dilakukan bertujuan supaya karbon aktif yang di dalam tabung tersebut
panas dan uap air pada karbon aktif menguap, sehingga karbon aktif yang telah dipanaskan
diharapkan mampu menyerap metanol.
Pemanasan dilakukan dari jam 11 dan temperatur air maksimum adalah 93 OC.
Setelah dilakukan pemanasan selama 8 jam kemudian pada pukul 19.00 Wib dilakukan
antara gelas ukur dan tabung karbon aktif ditutup. Saat pemvakuman metanol diisi
pada gelas ukur sebanyak 1 liter. Kemudian setelah 20 menit kemudian katup tersebut
dibuka sampai metanol tersebut kelihatan mendidih, setelah metanol mendidih
kemudian pemvakuman dihentikan dan katup penutup pun di tutup.
Proses adsorpsi diharapkan terjadi pada malam hari seiring dengan menurunnya
temperatur lingkungan yang diikuti menurunnya temperatur tabung karbon aktif
tersebut.
Setelah dibiarkan selama satu malam, pada pukul 09.00 WIB pagi, metanol
telah berkurang dan menguap ke karbon aktif. Proses ini pun dibiarkan hingga malam
hari ternyata metanol telah menguap seluruhnya ke karbon aktif. Sehingga dapat
disimpulkan karbon aktif tersebut dapat menyerap metanol. Pada saat proses
pemvakuman tekanan yang diperoleh adalah -60 CmHg dan pada saat pagi hari tekanan
tersebut turun lagi menjadi -66 CmHg. Penurunan tekanan ini dikarenakan oleh
3.6. Perancangan Mesin Pendingin
Pada penelitian ini, bentuk mesin pendingin adsorpsi yang akan di rancang
digambarkan pada gambar 3.8.
MATAHARI
BULAN
3.6.1. Dimensi Utama Alat Penelitian 3.6.1.1. Evaporator
Salah satu komponen utama mesin pendingin adsorpsi yang akan dirancang
adalah evaporator. Evaporator dibuat sesuai dengan kapasitas metanol yang mampu
diserap oleh karbon aktif pada generator dengan dimensi 220× 220×10 (mm).
Gambar 3.9. Evaporator yang akan
dirancang
Bahan yang digunakan adalah stainless stell dengan ketebalan 1 mm dan
volume evaporator yang akan dibuat 2.5 liter, dengan volume tersebut akan mampu
menampung metanol sebanyak 2 liter yang akan dipakai pada rancangan mesin
pendingin adsorpsi.
3.6.1.2. Kotak Insulasi
Kotak insulasi adalah tempat evaporator dan wadah air yang akan didinginkan,
kotak tersebut di isolasi dengan karet dan sterofoam supaya evaporator tidak
berhubungan dengan udara luar.
Gambar 3.11. Kotak insulasi yang akan dirancang
3.6.1.3 Wadah Penampung Air
Media yang didinginkan dalam penelitian ini adalah air, air ditampung dalam
wadah yang ditempatkan dikotak insulasi. Ukuran wadah disesuaikan dengan ukuran
evaporator dan kapasitas air yang akan didinginkan. Wadah ini dibuat dari bahan
Gambar 3.12. Rancangan wadah air
3.6.2. Perancangan Evaporator
Evaporator dibuat dari bahan stainless stell dengan ketebalan 1 mm dan
dibentuk dari 2 bagian yaitu bagian atas dan bagian bawah (fin) , bagian atas dibentuk
sesuai dengan bentuk dan dimensi yang telah ditentukan dan untuk bagian bawah (fin),
pelat stainless stell tersebut dipotong, kemudian dibending untuk membentuk bagian
bawah evaporator yang berbentuk lekukan.
Gambar 3.13. Bagian bawah evaporator
Hal tersebut dilakukan untuk mengurangi jumlah sambungan pada evaporator
sehingga kebocoran yang terjadi akibat sambungan yang dilas dapat diperkecil,
kemudian kedua bagian disambungkan.
Proses penyambungan dilakukan dengan las argon, agar sambungan benar-benar kuat
Gambar 3.14. Bagian atas evaporator dibuat lubang
Bagian atas evaporator dibuat 2 buah lubang dan masing –masing dipasang pipa
dengan fungsi yang berbeda, pipa pertama untuk disambungkan dengan komponen
pendingin yang lain yaitu kondensor dan generator dan pada pipa tersebut dipasang
katup dan manometer. Pipa kedua berfungsi sebagai pengisian metanol dan pada pipa
kedua dipasang katup yang akan digunakan saat pengisian metanol.
Gambar 3.15. Pipa evaporator yang
dipasang katup dan manometer
Bagian evaporator yang telah disambung dengan las harus benar-benar kuat dan tidak
bocor, karena pada saat instlasi dengan komponen pendingin yang lain, evaporator akan
divakumkan sampai – 76 cmHg.
3.6.3. Perancangan Kotak Insulasi
Kotak insulasi yang akan dibuat berfungsi untuk mengisolasi evaporator dari
udara luar dan juga tempat wadah penampung air yang akan didinginkan.
(a) (b)
Gambar 3.17. (a) Kotak insulasi (b) Bagian dalam kotak insulasi
Bahan yang dipakai untuk kotak ini terbuat dari stainnles stell dengan ketebalan
2 mm dan dibentuk sesuai dengan bentuk dan ukuran yang telah ditentukan. Bagian
dalam dan bagian luar kotak insulasi di isolasi dengan bahan karet dan sterofoam, hal
ini dilakukan agar suhu di dalam kotak dan evaporator tidak berhubungan dengan udara
BAB IV
ANALISA DATA
4.1. Hasil Pengujian
Pengujian dilakukan selama tiga hari yang dimulai tanggal 03 juni 2011- 06 juni
2011, untuk mendapatkan data perubahan temperatur yang akurat, maka sensor
thermocuple pada evaporator dipasang 5 titik , yaitu T1, T2, T3, T4, dan T5,dan T11 dimana
suhu pada fin atau dasar evaporator yaitu channel 102 atau T2 Gambar 4.1
menunjukkan titik pengukuran pada evaporator dan data yang diperoleh dari hasil
pengujian dapat dilihat pada lampiran A.
Gambar 4.1. Letak sensor thermocouple pada evaporator
Keterangan gambar :
T1 = Channel 101 = temperatur pada titik 1
T2 = Channel 102 = Temperatur pada titik 2
T3 = Channel 103 = Temperatur pada titik 3
T4 = Channel 104 = Temperatur pada titik 4
T5 = Channel 105 = Temperatur pada titik 5
4.1.1. Tekanan Evaporator
Tekanan pada manometer yang digunakan untuk mengukur tekanan pada
evaporator diamati setiap 1 jam dan pengamatan dilakukan persiklus. Data tekanan pada
evaporator proses desorpsi dapat dilihat pada tabel 4.1.
Tabel 4.1. Data tekanan evaporator pada siang hari (desorpsi)
Gambar 4.2. Grafik tekanan vs waktu evaporator proses desorpsi
Dari gambar 4.2, Pada awal proses desorpsi berlangsung tekanan evaporator
masih rendah, pada hari pertama pengujian desorpsi mulai berlangsung pada pukul
10.00 WIB, hal ini ditandai dengan kenaikan tekanan pada pukul 11.00 WIB tekanan
menjadi -58 cmHg dan semakin lama tekanan semakin naik, hal ini dikarenakan
metanol dari adsorben menguap kembali ke evaporator karena temperatur adsorben
naik, metanol akan mencair di kondensor dan terkumpul kembali di evaporator. Pada
hari kedua dan hari ketiga pengujian, tekanan awal desorpsi pukul 09.00 WIB adalah
-64 cmHg dan naik secara teratur hingga mencapai -56 cmHg pada akhir proses
Tabel 4.2. Data tekanan evaporator pada malam hari (adsorpsi)
Dari Gambar 4.3 diketahui bahwa pada saat proses adsorpsi tekanan pada
evaporator semakin turun. Tekanan evaporator pada hari pertama proses adsorpsi pukul
18.00 WIB adalah -57 cmHg, tekanan makin turun sampai -67 cmHg pada pukul 00.00
WIB, hal itu disebabkan metanol perlahan-lahan sudah menguap dari evaporator ke
generator, tekanan tersebut dapat dipertahankan sampai pukul 06.00 WIB pagi hari.
Gambar 4.3. Grafik tekanan vs waktu evaporator proses adsorpsi
Tekanan hari pertama, kedua dan hari ketiga pengujian tidak berbeda jauh. Rata
– rata tekanan hari pertama -63 cmHg, lebih tinggi dibandingkan pada hari kedua dan
ketiga, hal ini dikarenakan pada hari kedua dan hari ketiga dilakukan pemvakuman
kembali. Data pengujian menunjukkan bahwa tekanan terendah terjadi pada pukul
06:00 WIB yaitu -74 cmHg pada hari kedua. Penurunan tekanan ini dikarenakan
penurunan temperatur pada evaporator. -80
0:00:00 4:48:00 9:36:00 14:24:00 19:12:00 0:00:00 4:48:00
4.1.2. Pengujian Hari Pertama
Hubungan temperatur dengan waktu pada gambar 4.2 menunjukkan bahwa
Temperatur di dalam evaporator pada hari pertama pengujian awalnya sekiar 30 0C atau
sedikit dibawah suhu maksimum udara lingkungan. Setelah pukul 17.00 WIB
temperatur di dalam evaporator turun. Hal ini disebabkan dimulainya proses adsorpsi di
generator, adsorpsi akan menyebabkan metanol menguap dari evaporator dan diserap
oleh karbon aktif yang ada pada generator.
Gambar 4.2. Grafik temperatur vs waktu pad evaporator pada pengujian hari pertama
Temperatur evaporator ini turun sampai mencapai suhu sekitar 10 oC pada pukul 24.00
WIB. Pada saat ini temperatur ruangan masih tinggi sekitar 25 oC. Ada perbedaan
sekitar 15 oC. Temperatur ini dapat dipertahankan selama 6 jam yaitu sampai pukul
06.00 WIB pagi hari. Adanya perbedaan temperatur pada ke lima titik termokopel yang
dipasang pada evaporator dikarenakan pendinginan pada dinding evaporator tidak
4.1.2. Pengujian Hari Kedua
Hari kedua pengujian, temperatur evaporator setelah proses adsorpsi lebih
rendah dibandingkan dengan hari pertama pengujian. Pada saat awal proses desorpsi
pukul 09.00 WIB temperatur awal evaporator 170C, temperatur mencapai puncaknya
pada pukul 13.00 WIB pada T1 dan T4 sebesar 32 0C dimana ada perbedaan dengan T2,
T3 dan T5 sekitar 50C, sementara T11 = 39 0C merupakan temperatur pipa penghubung
evaporator dan kondensor jauh lebih tinggi karena panas metanol yang menguap dari
generator tidak di dingin secara merata pada kondensor dan juga pengaruh udara luar.
Gambar 4.3. Grafik Temperatur vs waktu evaporator pada hari kedua
Temperatur awal evaporator saat proses adsorpsi berlangsung 27 0C pada
pukul 16.00 WIB dan turun perlahan- lahan hingga mencapai 15 0C pada pukul 01.00
WIB ada perbedaan sekitar 12 0C dari temperatur awal. Temperatur ini dapat
pukul 06.00 WIB sebesar 6,81 0C , dimana penurunan temperatur tidak konstan atau
tidak teratur, hal ini terjadi karena pada pukul 04.00 WIB dilakukan pemvakuman
sistem kembali selama 15 menit. Pemvakuman sistem pendingin akan mempercepat
penguapan metanol ke generator sehingga dengan menguapnya metanol dari evaporator
mempengaruhi penurunan temperatur. Terjadinya pebedaan temperatur pada kelima
titik pengukuran dikarenakan oleh kotak insulasi tidak terisolasi dengan baik, sehingga
udara luar masuk kedalam kotak insulasi dan mempengaruhi temperatur evaporator
dimana temperatur lingkungan pada proses adsorpsi berlangsung 29 0C dari pukul
02.00 WIB sampai pukul 06.00 WIB pagi hari.
4.1.3. Pengujian Hari Ketiga
Perubahan temperatur pada hari ketiga pengujian lebih teratur dibandingkan
pada pengujian I dan II. Temperatur evaporator pada pada kelima titik pengukuran
tidak berbeda jauh. Dari gambar 4.4 diketahui bahwa proses desorpsi dimulai dari
pukul 09.00 WIB dan berakhir pada pukul 15.30 WIB, hal ini ditandai dengan naiknya
temperatur evaporator. Pada pukul 09.00 WIB temperatur awal evaporator 15 0C dan
naik sampai mencapai puncaknya 30 0C pada pukul 15.00 WIB. Proses desorpsi
mengakibatkan metanol menguap dari generator dan didinginkan pada kondensor
kemudian terkumpul kembali pada evaporator. Metanol yang menguap dari generator
tidak didinginkan secara merata pada kondensor, sehingga metanol tersebut masih
menyimpan panas, hal ini akan mempengaruhi perubahan temperatur pada evaporator.
Setelah proses desorpsi, kemudian akan dilanjutkan dengan proses adsorpsi.
Temperatur awal evaporator pada proses adsorpsi 29 0C pada pukul 16.00 WIB,
temperatur turun dengan konstan hingga mencapai 15 0C pada pukul 23.00 WIB pada
Gambar 4.4. Grafik temperatur vs waktu evaporator pada hari ketiga
Temperatur tersebut dapat dipertahankan sampai pukul 05.30 WIB pagi hari,
dimana temperatur lingkungan pada saat adsorpsi berlangsung sebesar 25 0C. Pada hari
ketiga pengujian, dilakukan isolasi kembali kotak insulasi tempat evaporator
ditempatkan, hal ini dilakukan supaya udara luar tidak masuk kedalam kotak insulasi
sehingga tdak mempengaruhi temperatur evaporator. Hal inilah yang mengakibatkan
perubahan temperatur evaporator pada hari ketiga lebih teratur dibandingkan pada hari
4.2. Neraca Kalor
4.2.1 Kalor yang diserap evaporator
Untuk menghitung kalor yang diserap oleh pelat evaporator, digunakan persamaan
panas sensibel.
...Pers. 4.1
Dimana :
Sehingga kalor sensibel plat evaporator
4.2.2. Analisa kalor pada metanol
Untuk menghitung kalor yang dibutuhkan metanol dalam proses penguapan pada
saat proses adsorpsi digunakan persamaan kalor laten.
Dimana:
V metanol = 1 Liter
= 1 x 10-3 m3
= 791 kg/m3
Dari data diatas, massa metanol adalah
= 1 × 10-3 m3 × 791 kg/m3
= 0,791 kg
1155 kJ/kg
Maka kalor laten penguapan metanol adalah:
1155 kJ/kg ×0,791 kg
913,61 kJ
4.2.3. Analisa kalor pada air
Pada penilitian ini, media yang didinginkan adalah air, dalam hal ini kalor yang
dihitung adalah panas sensibel dari air, dengan menggunakan persamaan :
... Pers. 4.3
Panas sensibel air, yaitu :
4.2.4. Temperatur Evaporator
Temperatur plat evaporator dipengaruhi kalor yang menguap dari generator ,
metanol tersebut akan di dinginkan dikondensor, sehingga panas metanol akan turun
setelah melewati kondensor yang kemudian masuk evaporator. Dari kalor yang keluar
dari kondensor dapat diperoleh temperatur evaporator.
Diketahui , Q kondensor = 150, 416 watt = 0,0419 Joule
mevaporator = 2,36 kg
Sehingga,
0,0419 Joule = 2,36 kg. 0,502 J/kg K. . (299, 84 K – Tevaporator)
0,0419 Joule = 355,22 J – 1,184 Tevaporator
1,184Tevaporator = 355,22 J – 0,04191J
Tevaporator = 299,98 K
4.2.5. Kesetimbangan Energi
Proses terjadinya pendinginan pada sistem ini dipengaruhi oleh kalor yang
diperlukan metanol untuk menguap, dimana panas yang diserap metanol harus lebih
besar dengan kalor yang dikeluarkan oleh plat evaporator dan air.
• Penyerapan panas oleh Metanol
– Volume = 1 liter (1x 10-3 m3)
– Massa jenis (30oC) = 791 kg/m3
– Massa Metanol = 791 kg/m3 x 1 x 10-3 m3 = 0,791 kg
– Panas laten penguapan = 1155 kJ/kg
– Total panas yang diserap metanol selama menguap:
= 0,791 kg x 1155 kJ/kg = 913,61 kJ
• Penggunaan Panas Penyerapan
– Volume = 1 liter ( 1 x 10-3 m3)
– Massa jenis air (30oC) = 995,7 kg/m3
– Massa air = 1 x 10-3 m3 x 995,7 kg/m3 = 0,996 kg
– Panas jenis air pada 30oC = 4,179 kJ/kg oC
Menurukan suhu air dari 30oC ke 0oC
Q = m c ∆T = 0,996 kg x 4,179 kJ/kg oC x 30oC = 124,86 kJ
Membekukan air pada 0oC
Q = m . L = 1,58 kg x 334 kJ/kg = 527,72 kJ
Menurunkan suhu evaporator dari 30oC ke 0oC
Terbuat dari stainless stell dengan berat 2,36 kg, cp = 0,502 kJ/kg.C
Q = m . c . ∆T = 2,36 kg x 0,502 kJ/kg.C x 30oC = 35,542 kJ
• Total energi panas yang digunakan untuk mengubah air menjadi es
= 124,86 kJ + 527,72 kJ + 35,542 kJ = 688,12 kJ.
Sehingga,
Dari hasil perhitungan kesetimbangan energi pada evaporator, dapat diketahui
bahwa panas yang menguap jauh lebih besar dibandingkan dengan panas yang diserap,
sehingga secara umum dari hasil penelitian dapat diasumsikan beberapa hal sebagai
berikut :
Temperatur air dalam evaporator tidak mencapai temperatur dingin seperti yang
diharapkan (hanya turun beberapa derajat). Hal ini dapat disebabkan karena tingkat
Kevakuman yang kurang menyebabkan metanol tidak dapat menguap secara
maksimal dan kebocoran sistem menyebabkan titik didih metanol yang semakin lama
semakin tinggi sehingga metanol membutuhkan kalor yang dengan jumlah yang besar
untuk mencapai titik didihnya.
Isolasi yang kurang baik mengakibatkan udara dalam kotak insulasi
berhubungan dengan udara luar, sehingga panas yang diserap metanol tidak hanya dari
air atau lingkungan di dalam kotak insulasi, tetapi juga dari udara luar yang masuk
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1. Kesimpulan
Dari hasil pengujian yang telah dilakukan dapat diambil beberapa kesimpulan
antara lain yaitu:
1. Metanol di dalam evaporator tidak semuanya menguap, dan dari hasil
pengamatan metanol pada saat pengujian berlangsung, dari 2 liter metanol
yang digunakan hanya 1 liter yang menguap.
2. Besar kalor yang menguap dari metanol 1287,21 kJ, T minimum evaporator
6,810C.
3. Tingkat kevakuman yang kurang pada sistem, hal ini berkaitan dengan
kemampuan pompa vakum dan adanya kebocoran pada sistem khususnya
pada evaporator seperti pada sambungan ke kondensor, katup yang
digunakan, lubang pengisian metanol dan pada pengelasan. Kevakuman
yang kurang menyebabkan metanol tidak dapat menguap secara maksimal.
4. Kualitas adsorben yang digunakan dalam hal ini kualitas dari karbon aktif.
Karbon aktif yang digunakan mengandung uap air dan tidak memiliki
pori-pori yang luas, sehingga kemampuan untuk menyerap metanol kurang baik.
5.2. Saran
Untuk kelanjutan dan pengembangan penelitian ini ke depannya, penulis
menyarankan agar penelitian berikut hendaknya memperhatikan beberap hal sebagai
1. Kevakuman sistem, dalam hal ini kebocoran pada sistem agar lebih
diperhatikan karena proses adsorpsi hanya bisa terjadi jika evaporator dalam
keadaan vakum.
2. Menggunakan karbon aktif yang lebih berkualitas yang dilengkapi dengan
DAFTAR PUSTAKA
[1] Arismunandar, W. Dan Saito, H. 2002, Penyegaran Udara. Cetakan ke-6, PT Pradnya
Paramita, Jakarta
[2] Bayu Rudiyanto, Kajian Eksergi pada Mesin Pendingin Adsorpsi Intermitten
Menggunakan Pasangan Silicagel Metanol, IPB (2008)
[3] Hinotani, K. 1983. “Development of Solar ActuatedZeolite Refrigeration System”.
Solar World Congress, Vol.1, Pergamon Press, pp. 527-531.
[4] Incropera, Frank P., David P. Dewitt, Fundamentals of Heat and Mass Transfer, second
edition, John Wiley & Sons Inc., New York (1985).
[5] Pudjanarsa Astu, Djati Nursuhud Mesin Konversi Energi. Edisi ke- 5. Penerbit C.V
Andi Offset, Yogyakarta 2006.
[6] Sumanto,Dasar-dasar Mesin Pendingin. Penerbit Andi Offset, Yogyakarta (2004)
[7] Yunus A. Cengel, Heat Transfer A Practical Approach, Second Edition, Mc
Graw-Hill,Book Company, Inc, Singapore
[8] N.M. Khattab, A novel solar-powered adsorption refrigeration module, Aplied Thermal
Engineering 24 (2004) 2747-2760.
[9] M. Li, C.J. Sun, R.Z. Wang, dan W.D. Cai, Development of no valve solar ice maker,
LAMPIRAN A
HASIL PENGUJIAN DESORPSI
1 06/03/2011 11:29:47:559 2,04E+01 1,79E+01 1,81E+01 2,45E+01 1,80E+01
2 06/03/2011 11:40:47:572 2,19E+01 1,81E+01 1,88E+01 2,55E+01 1,81E+01
3 06/03/2011 11:51:47:581 2,31E+01 1,84E+01 1,94E+01 2,57E+01 1,85E+01
4 06/03/2011 12:02:47:572 2,38E+01 1,87E+01 1,97E+01 2,59E+01 1,89E+01
5 06/03/2011 12:13:47:561 2,40E+01 1,91E+01 2,01E+01 2,60E+01 1,92E+01
6 06/03/2011 12:24:47:572 2,44E+01 1,95E+01 2,06E+01 2,63E+01 1,98E+01
7 06/03/2011 12:34:47:585 2,49E+01 1,99E+01 2,10E+01 2,69E+01 2,01E+01
8 06/03/2011 12:43:47:544 2,51E+01 2,03E+01 2,13E+01 2,73E+01 2,04E+01
9 06/03/2011 12:53:47:557 2,53E+01 2,05E+01 2,16E+01 2,75E+01 2,08E+01
10 06/03/2011 13:03:47:562 2,53E+01 2,04E+01 2,15E+01 2,74E+01 2,07E+01
11 06/03/2011 13:13:47:563 2,55E+01 2,07E+01 2,18E+01 2,75E+01 2,12E+01
Sweep
# Time T1 (C) T2 (C) T3 (C) T4 (C) T5 (C)
1 06/02/2011 09:10:55:187 2,73E+01 2,42E+01 2,48E+01 2,64E+01 2,44E+01
2 06/02/2011 09:40:55:219 2,77E+01 2,48E+01 2,54E+01 2,71E+01 2,50E+01
3 06/02/2011 10:10:55:218 2,79E+01 2,49E+01 2,57E+01 2,77E+01 2,52E+01
4 06/02/2011 10:40:55:210 2,82E+01 2,54E+01 2,62E+01 2,82E+01 2,57E+01
5 06/02/2011 11:10:55:185 2,86E+01 2,61E+01 2,68E+01 2,87E+01 2,63E+01
6 06/02/2011 11:40:55:202 2,88E+01 2,64E+01 2,70E+01 2,94E+01 2,67E+01
7 06/02/2011 12:10:55:187 2,92E+01 2,69E+01 2,74E+01 2,98E+01 2,72E+01
8 06/02/2011 12:40:55:203 3,00E+01 2,74E+01 2,79E+01 3,02E+01 2,77E+01
9 06/02/2011 13:10:55:212 3,08E+01 2,79E+01 2,84E+01 3,06E+01 2,81E+01
10 06/02/2011 13:40:55:175 3,14E+01 2,85E+01 2,90E+01 3,09E+01 2,87E+01
11 06/02/2011 14:10:55:192 3,17E+01 2,89E+01 2,93E+01 3,13E+01 2,91E+01
12 06/02/2011 14:40:55:194 3,37E+01 2,98E+01 3,02E+01 3,20E+01 2,98E+01
13 06/02/2011 15:10:55:172 3,42E+01 3,01E+01 3,07E+01 3,23E+01 3,01E+01
14 06/02/2011 15:40:55:207 3,43E+01 3,05E+01 3,10E+01 3,22E+01 3,05E+01
15 06/02/2011 16:10:55:217 3,29E+01 3,06E+01 3,10E+01 3,25E+01 3,07E+01