PENGUJIAN KEMAMPUAN ADSORPSI DARI ADSORBEN KARBON
AKTIF DAN ALUMINA AKTIF YANG DIGUNAKAN UNTUK MESIN
PENDINGIN TENAGA SURYA
SKRIPSI
Skripsi Yang DiajukanUntukMelengkapi
SyaratMemperolehGelarSarjanaTeknik
TRI ARFANDI
NIM. 110421043
PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur atas kehadirat Tuhan Yang Maha Esa, atas berkat dan
karuniaNya serta nikmat kesehatan yang diberikanNya sehingga penulis dapat
menyelesaikan Tugas Sarjana ini dengan sebaik-baiknya dan dalam waktu yang
sesingkat-singkatnya.
Tugas Sarjana 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 dengan judul
“PENGUJIAN KEMAMPUAN ADSORPSI DARI ADSORBEN KARBON AKTIF DAN ALUMINA AKTIF YANG DIGUNAKAN UNTUK MESIN PENDINGIN TENAGA 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) Arianto dan (Ibu) Pantasiati
yang senantiasa memberikan kasih sayang, dukungan, motivasi dan
nasihat yang tak ternilai harganya. Serta kepada kakak dan abang saya
yaitu Eka Prastiwayuni dan Dwi Agus Suroto yang telah banyak memberi
saya semangat
2.
Bapak Tulus Burhanuddin Sitorus, ST. MT, selaku Dosen Pembimbing
yang telah banyak meluangkan waktunya membimbing, memotivasi, dan
membantu penulis dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini.
3.
Bapak Dr.Eng Himsar Ambarita yang juga banyak membantu dalam
memberikan fasilitas alat penelitian dalam perancangan ini.
5.
Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri, selaku Ketua Departemen Teknik
Mesin Fakultas Teknik USU.
6.
Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT, selaku Sekretaris Departemen Teknik
Mesin, Universitas Sumatera Utara.
7.
Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin
Fakultas Teknik USU.
8.
Rekan satu tim Muhammad Eka Juanda Ginting dan Andika Restu Fauzi
atas kerja sama yang baik untuk menyelesaikan penelitian ini.
9.
Kepada Risna yang telah banyak memberikan dukungan kepada penulis.
10.
Seluruh rekan-rekan mahasiswa Departemen Teknik Mesin, khususnya
kepada kawan-kawan seperjuangan Angkatan 2011 yang tidak dapat
disebutkan satu per satu yang telah banyak membantu dan memberi
masukan yang berguna demi kelengkapan Tugas Sarjana ini,
"Solidarity
Forever"
.
Penulis menyadari bahwa masih banyak kekurangan baik dalam penulisan
maupun penyajian Tugas Sarjana ini. Untuk itu penulis sangat mengharapkan
saran-saran yang membangun dari semua pihak demi kesempurnaan Tugas
Sarjana ini dikemudian hari.
Akhir kata, dengan segala kerendahan hati penulis memanjatkan doa
kepada Tuhan Yang Maha Esa semoga Tugas Sarjana ini bermanfaat untuk kita
semua.
Medan, Juni 2014
Penulis
ABSTRAK
Akhir-akhir ini mesin pendingin siklus adsorpsi semakin banyak diteliti oleh para
ahli karena disamping ekonomis juga ramah lingkungan dan menggunakan energy
terbarukan yaitu energi surya. Agar proses adsorpsi dan desorpsi mesin pendingin
adsorpsi dapat berjalan dengan baik perlu diketahui jumlah perbandingan yang
ideal antara adsorben dengan refrigeran yang digunakan. Disini untuk mencari
perbandingan antara absorben karbon aktif dan alumina aktif menggunakan mimis
maupun tidak menggunakan mimis. Data tersebut dapat dicari menggunakan alat
penguji kapasitas adsorpsi. Alat penguji kapasitas adsorpsi yang digunakan
dilengkapi dengan lampu halogen 1000 W sebagai sumber panas. Adsorber pada
alat penguji ini terbuat dari bahan stainless steel yang bertujuan agar tahan
terhadap korosi akibat dari variasi refrigeran yang digunakan. Campuran karbon
aktif dan alumina aktif yang digunakan sebagai adsorben sebanyak 1 kg.
Sedangkan variasi refrigeran yang digunakan yaitu metanol. Kapasitas metanol
yang dapat diadsorpsi dan didesorpsi oleh adsorben karbon aktif dan alumina aktif
mengunakan mimis adalah sebanyak 350 mL. Sedangkan kapasitas metanol yang
dapat diadsorpsi dan didesorpsi oleh adsorben karbon aktif dan alumina aktif tidak
menggunakan mimis adalah sebanyak 250 mL.
ABSTRACT
Lately adsorption refrigeration cycle more and more scrutinized by experts as well as eco-friendly and economical use of renewable energy is solar energy. In order for the process of adsorption and desorption adsorption refrigerating machine can run well to note that the ideal number of comparisons between the adsorbent with a refrigerant used. Here to find a comparison between the absorbent activated carbon and activated alumina using or not using a pellet shot. The data can be searched using the adsorption capacity testers. Adsorption capacity testers are used equipped with a 1000 W halogen lamp as a heat source. Adsorber on this tester is made of stainless steel which aims to resist corrosion due to the variation of refrigerant used. Mixture of activated carbon and activated alumina are used as much as 1 kg of adsorbent. While the variation of refrigerant used is methanol. The capacity of methanol which can be adsorbed by the adsorbent and didesorpsi activated carbon and activated alumina pellet use is as much as 350 mL. While the capacity of methanol which can be adsorbed by the adsorbent and didesorpsi activated carbon and activated alumina pellet is not used as much as 250 mL.
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ...
i
ABSTRAK ...
iii
ABSTRACT ...
iv
DAFTAR ISI ...
v
DAFTAR GAMBAR ...
vii
DAFTAR TABEL ...
x
DAFTAR SIMBOL ...
xi
BAB I PENDAHULUAN
Latar Belakang ...
1
Tujuan Penelitian ...
2
Tujuan Umum
Tujuan Khusus
Batasan Masalah ...
2
Manfaat Penelitian ...
3
Sistematika Penulisan ...
4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Siklus Adsorpsi ...
5
2.1.1 Teori Umum Adsorpsi ...
5
2.2 Adsorben ...
8
2.2.1 Karbon Aktif ...
8
2.2.2 Pembuatan Karbon Aktif ...
10
2.2.3 Kegunaan Karbon Aktif ...
12
2.2.4 Alumina Aktif ...
12
2.2.5 Pembuatan Alumina Aktif ...
13
2.2.6 Kegunaan Alumina Aktif ...
15
2.3 Refrigeran ...
16
2.3.1 Metanol ...
18
2.4 Keamanan Refrigeran ...
19
2.5 Kalor (Q) ...
20
2.5.2 Kalor sensibel ...
21
2.5.3 Perpindahan Panas ...
21
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Tempat dan Waktu ...
27
3.2 Bahan ...
27
3.3 Alat Ukur yang Digunakan pada Pengujian Kapasitas Adsorpsi 27
3.4 Peralatan yang Digunakan ...
29
3.5 Set-Up Eksperimental ...
29
3.5.1 Prosedur Pengujian ...
33
3.6 Alat Penguji Kapasitas Adsorpsi ...
34
3.6.1 Dimensi Utama Alat Penguji Kapasitas Adsorpsi
36
3.7 Langkah Pembuatan Alat Penguji Kapasitas Adsorpsi ...
38
3.7.1 Pembuatan Adsorber ...
38
3.7.2 Pembuatan Gelas Ukur ...
41
3.8 Flowchart Penelitian ...
42
BAB IV ANALISA DATA
4.1 Hasil Pengujian ...
43
4.1.1 Pengujian dengan Gelasukur Diisolasi Styrofoam
45
4.2 Neraca Kalor ...
61
4.2.1 Kalor yang Diserap Gelas Ukur ...
61
4.2.2 Perhitungan Kalor Laten dengan Gelas Ukur Diisolasi
Styrofoam ...
62
4.3 Analisa Perpindahan Panas pada Adsorber saat Desorpsi ...
63
4.3.1 Perpindahan Panas pada Pengujian Metanol ...
63
4.4 Analisa Perpindahan Panas pada saat Adsorpsi ...
65
4.4.1 Konveksi Natural pada pengujian Metanol ...
65
4.4.2 Effisiensi Gelas Ukur ...
67
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan ...
70
5.2 Saran ...
71
DAFTAR PUSTAKA
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Siklus Dasar Refrigerasi Adsorpsi ...
6
Gambar 2.2 Diagram Clayperon pada Sistem Pendingin Siklus Adsorpsi 7
Gambar 2.3 AdsorbenKarbonAktif ...
9
Gambar 2.4 StrukturKarbonAktif ...
10
Gambar 2.5 Alumina Aktif ...
13
Gambar 2.6 Diagram proses pembuatan alumina ...
15
Gambar 2.7 Metanol( CH
3OH) ...
19
Gambar 2.8 Perpindahan Panas Konduksi Melalui Sebuah Pelat ...
22
Gambar 2.9 Perpindahan Panas Konveksi dari Permukaan Pelat ...
23
Gambar 2.10 Konveksi Natural pada Bidang Horizontal (tipe a) ...
25
Gambar 2.11 Konveksi Natural pada Bidang Horizontal (tipe b) ...
25
Gambar 3.1 Manometer Vakum ...
28
Gambar 3.2 Agilent ...
28
Gambar 3.3 Pompa Vakum ...
29
Gambar 3.4 Katup ...
30
Gambar 3.5 Pipa penghubung ...
30
Gambar 3.6 Selang Karet ...
30
Gambar 3.7 Stainless steel ball(mimis) ...
31
Gambar 3.8 Kotak Isolasi Styrofoam ...
31
Gambar 3.9
Set-Up
Eksperimental pada Proses Desorpsi ...
32
Gambar 3.10
Set-Up
Eksperimental pada Proses Adsorpsi ...
33
Gambar 3.11 Alat Penguji Kapasitas Adsorpsi dengan gelas ukur ...
35
Gambar 3.12 Alat Penguji Kapasitas Desorpsi dan adsorpsi dengan
gelas ukur Disolasi ...
36
Gambar 3.13 Dimensi Alat Penguji Kapasitas Adsorpsi ...
37
Gambar 3.14 Dimensi Adsorber ...
37
Gambar 3.15 Gelas Ukur...
38
Gambar 3.16 Bentuk Adsorber ...
38
Gambar 3.17 Pengisian Adsorben Karbon Aktif dan Alumina Aktif ...
39
Gambar 3.19 Penyambungan Pelat Adsorber ...
40
Gambar 3.20 Pemasangan Pipa, Manometer Vakum dan Katup ...
40
Gambar 3.21 Adsorber Lengkap ...
40
Gambar 3.22 Adsorber Setelah Dicat Warna Hitam ...
41
Gambar 3.23 Pembuatan Gelas Ukur ...
41
Gambar 3.24 Gelas Ukur...
41
Gambar 4.1 Letak Titik-Titik
thermocouple
pada Alat Penguji ...
44
Gambar4.2 Grafik Temperatur vs Waktu Pemvakuman Alat Penguji
Adsorpsi (metanol) menggunakan mimis ...
45
Gambar 4.3 Grafik Temperatur Rata-Rata vs Waktupada Adsorber
(metanol) menggunakan mimis ...
46
Gambar 4.4 Grafik Temperatur vs Waktu Pemvakuman Alat Penguji Adsorpsi
(metanol) tidak menggunakan mimis ...
47
Gambar 4.5 Grafik Temperatur Rata-Rata vs Waktu pada Adsorber (metanol)
Tidak menggunakan mimis ...
48
Gambar 4.6 Grafik Tekanan vs Waktu Adsorpsi Metanol Dengan
Menggunakan mimis ...
50
Gambar 4.7 Grafik Temperatur vs Waktu Adsorpsi pada Adsorber (metanol)
Dengan menggunakan mimis ...
51
Gambar 4.8 Grafik Tekanan vs Waktu Adsorpsi Metanol tanpa
Menggunakan mimis ...
52
Gambar 4.9 Grafik Temperatur vs Waktu Adsorpsi pada Adsorber (metanol)
Tanpa menggunakan mimis ...
53
Gambar 4.10 Grafik Temperatur vs Waktu Adsorpsi Metanol Menggunakan
Mimis pada Gelas Ukur ...
54
Gambar 4.11 Grafik Temperatur vs Waktu Adsorpsi Metanol Tidak Menggunakan
Mimis pada Gelas Ukur ...
56
Gambar 4.12 Grafik Temperatur dan Waktu Desorpsi Metanol pada Adsorber
DenganMenggunakan mimis ...
57
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Sifat Adsorben Karbon Aktif ...
9
Tabel 2.2 Kegunaan Karbon Aktif ...
12
Tabel 2.3 Standar Mutu Karbon Aktif ...
12
Table 2.4 Sifat alumina aktif ...
13
Tabel 2.5 Sifat Metanol ...
19
Tabel 4.1 Data Pengukuran Tekanan dan Temperatur Rata-Rata pada Proses
Adsorpsi (metanol) yang menggunakan mimis...
49
Tabel 4.2 Data Pengukuran Tekanan danTemperatur Rata-Rata pada
Proses Adsorpsi (metanol) tanpa menggunakan mimis ...
51
Tabel 4.3 Data Pengukuran Tekanan dan Temperatur Rata-Rata pada
Proses Adsorpsi (metanol) pada gelas ukur yang menggunakan
mimis ...
53
Tabel 4.4 Data PengukuranTekanan danTemperatur Rata-Rata pada
Proses Adsorpsi (metanol) pada gelas ukur tanpa menggunakan
Mimis ...
55
DAFTAR SIMBOL
Simbol
Arti
Satuan
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
∆
T
Beda temperatur
K
∆
x
Panjang/tebal pelat
m
h
koefisien konveksi
W(m2K)
A
Luas penampang
m2
k
Koefisien konduksi
W/m.K
t
Interval waktu
s
Tgl
Temperatur gelas ukur
K
Ts
Temperatur permukaan adsorber
K
Tb
Temperatur bawah adsorber
K
Tf
Temperatur film
K
TG
Temperatur gelas ukur
K
Qc
Laju perpindahan panas konduksi
W
Qh
laju perpindahan panas konveksi
W
Qr
laju perpindahan panas radiasi
W
P
Tekanan Vakum
cmHg
ε
emisitas dari pelat penyerap
ρ
Massa jenis
kg/cm3
ABSTRAK
Akhir-akhir ini mesin pendingin siklus adsorpsi semakin banyak diteliti oleh para
ahli karena disamping ekonomis juga ramah lingkungan dan menggunakan energy
terbarukan yaitu energi surya. Agar proses adsorpsi dan desorpsi mesin pendingin
adsorpsi dapat berjalan dengan baik perlu diketahui jumlah perbandingan yang
ideal antara adsorben dengan refrigeran yang digunakan. Disini untuk mencari
perbandingan antara absorben karbon aktif dan alumina aktif menggunakan mimis
maupun tidak menggunakan mimis. Data tersebut dapat dicari menggunakan alat
penguji kapasitas adsorpsi. Alat penguji kapasitas adsorpsi yang digunakan
dilengkapi dengan lampu halogen 1000 W sebagai sumber panas. Adsorber pada
alat penguji ini terbuat dari bahan stainless steel yang bertujuan agar tahan
terhadap korosi akibat dari variasi refrigeran yang digunakan. Campuran karbon
aktif dan alumina aktif yang digunakan sebagai adsorben sebanyak 1 kg.
Sedangkan variasi refrigeran yang digunakan yaitu metanol. Kapasitas metanol
yang dapat diadsorpsi dan didesorpsi oleh adsorben karbon aktif dan alumina aktif
mengunakan mimis adalah sebanyak 350 mL. Sedangkan kapasitas metanol yang
dapat diadsorpsi dan didesorpsi oleh adsorben karbon aktif dan alumina aktif tidak
menggunakan mimis adalah sebanyak 250 mL.
ABSTRACT
Lately adsorption refrigeration cycle more and more scrutinized by experts as well as eco-friendly and economical use of renewable energy is solar energy. In order for the process of adsorption and desorption adsorption refrigerating machine can run well to note that the ideal number of comparisons between the adsorbent with a refrigerant used. Here to find a comparison between the absorbent activated carbon and activated alumina using or not using a pellet shot. The data can be searched using the adsorption capacity testers. Adsorption capacity testers are used equipped with a 1000 W halogen lamp as a heat source. Adsorber on this tester is made of stainless steel which aims to resist corrosion due to the variation of refrigerant used. Mixture of activated carbon and activated alumina are used as much as 1 kg of adsorbent. While the variation of refrigerant used is methanol. The capacity of methanol which can be adsorbed by the adsorbent and didesorpsi activated carbon and activated alumina pellet use is as much as 350 mL. While the capacity of methanol which can be adsorbed by the adsorbent and didesorpsi activated carbon and activated alumina pellet is not used as much as 250 mL.
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar belakang
Dalam perancangan sebuah alat pendingin dapat kita ketahui bahwa sistem
pendingin adalah untuk mengembalikan gas menjadi cairan dan selanjutnya
kembali menguap menjadi gas. Dalam bidang teknik, istilah pendinginan harus
dibayangkan lebih dari sekedar pendingin atau menjaga sesuatu tetap dingin,
melainkan suatu sistem yang menghasilkan perpindahan kalor dari sumber
(
source
) yang lebih dingin ke penyerap (
sink
) yang lebih panas dimana hal
tersebut membutuhkan masukan berupa kerja atau energi tambahan.
Proses pendinginan merupakan suatu usaha untuk menurunkan suhu pada
ruangan ataupun pada suatu material, dengan kata lain mendapatkan kondisi yang
diinginkan oleh produk atau material, dalam hal ini temperatur yang rendah agar
produk atau material dapat disimpan dalam waktu yang relatif lama, baik untuk
konsumsi, produksi, maupun perdagangan. Penyimpanan dan transportasi bahan
pangan, proses pengolahan makanan dan minuman, pembuatan es (
ice making
)
merupakan beberapa contoh kegiatan yang memerlukan proses pendinginan dan
pembekuan. Proses pendinginan merupakan proses pengambilan kalor / panas
suatu ruang atau benda untuk menurunkan suhunya dengan jalan memindahkan
kalor yang terkandung dalam ruangan atau benda tersebut. Sehingga proses
pendinginan merupakan rangkaian proses pindah panas. Proses pindah panas
dapat terjadi secara konveksi, konduksi maupun radiasi.
energi matahari dan tidak memerlukan listrik sangat dibutuhkan terutama untuk
daerah-daerah pedesaan di Indonesia.
Skripsi ini berjudul Pengujian Kemampuan Adsorpsi dari Adsorben yang
Digunakan untuk Mesin Pendingin Tenaga Surya. Skripsi ini merupakan tahap
lanjutan dari skripsi sebelumnya. Pada penelitian ini digunakan digunakan
adsorben karbon aktif dan alumina aktif dan refrigeran seperti metanol. Penelitian
ini dilakukan untuk mendapatkan refrigeran yang paling baik diserap oleh
adsorben karbon aktif dan alumina aktif tersebut.
1.2 Tujuan Penelitian
1.2.1 Tujuan Umum
Tujuan umum penelitian ini adalah untuk merancang sebuah mesin
pendingin yang bekerja berdasarkan siklus adsorpsi dan memanfaatkan energi
matahari sebagai sumber tenaganya. Komponen-komponen utama siklus adsorpsi
ini terdiri dari evaporator, kondensor, dan solar kolektor yang sekaligus sebagai
generator. Semua komponen ini akan dirancang, dipabrikasi dan dirakit mejadi 1
unit prototipe mesin pendingin kemudian dilakukan pengujian.
1.2.2 Tujuan Khusus
Penelitian ini dikerjakan oleh satu tim yang terdiri dari 3 orang, termasuk
penulis. Secara khusus penulis bertanggung jawab pada perancangan dan
pabrikasi. Tujuan khusus penelitian ini adalah untuk perhitungan kapasitas
adsorpsi berdasarkan data pengujian mesin pendingin mesin tenaga surya.
1.3 Batasan Masalah
1.
Perancangan dan pembuatan alat penguji kapasitas adsorpsi pada
mesin pendingin tenaga surya.
2.
Pasangan adsorben dan refrigeran yang dipakai adalah adsorben
karbon aktif dan alumina aktif-metanol.
3.
Variabel yang diamati adalah temperatur, kapasitas adsorpsi, tekanan
dan waktu.
1.4 Manfaat Penulisan
Manfaat yang akan dicapai dari penelitian ini adalah :
1.
Memberikan rekomendasi kapasitas adsorpsi-desorpsi adsorben karbon
aktif dan alumina aktif terhadap beberapa refrigeran
2. Menciptakan teknologi alternatif pendingin yang ramah terhadap ligkungan dan hemat energi.
3. Menambah referensi di Laboratorium Pendingin Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
4. Sebagai wacana dalam sistem refrigerasi yang dapat dilanjutkan untuk penelitian yang lebih lanjut .
1.5 Sistematika Penulisan
Skripsi ini dibagi menjadi beberapa bab dengan garis besar tiap bab
sebagai berikut :
Bab I Pendahuluan
Pada bab ini akan membahas latar belakang penulisan skripsi, perumusan
masalah, batasan masalah, tujuan dan manfaat serta sistematika penulisan skripsi.
Bab II Tinjauan Pustaka
methanol dan adsorben, prinsip kerja alat penguji kapasitas adsorpsi dan
perpindahan panas
Bab III Metodologi Penelitian
Pada bab ini penulis membahas tentang alat dan bahan yang digunakan
dalam perancangan alat. Serta gambar alat-alat dan bahan yang digunakan.
Bab IV Hasil Pengujian dan Analisa
Pada bab ini penulis membahas tentang data pengujian dalam bentuk tabel
dan dalam bentuk grafik dan dianalisa data yang didapat dari pengujian alat dan
perhitungan teknik hasilnya.
Bab V Kesimpulan
Pada bab ini berisi tentang kesimpulan dari skripsi yang telah selesai
dikerjakan dan saran-saran yang diperlukan untuk penyempurnaan hasil
penelitian.
Daftar Literatur/Pustaka
Daftar Pustaka berisikan literatur-literatur yang digunakan untuk
menyusun laporan ini.
Lampiran
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Siklus Adsorpsi
2.1.1 Teori Umum Adsorpsi
Adsorpsi adalah suatu proses yang terjadi ketika suatu fluida
(cairan maupun gas) terikat pada suatu padatan (zat penyerap, adsorben) dan
akhirnya membentuk suatu lapisan tipis atau film (zat terserap: adsorbat) pada
permukaannya. Berbeda dengan absorpsi yang merupakan penyerapan fluida oleh
fluida lainnya dengan membentuk suatu larutan.
Adsorpsi secara umum adalah proses penggumpalan substansi terlarut
(
soluble
) yang ada dalam larutan oleh permukaan zat atau benda penyerap dimana
terjadi suatu ikatan kimia fisika antara substansi dengan penyerapnya.
Adsorpsi adalah pengumpulan dari adsorbat di atas permukaan adsorben,
sedang absorpsi adalah penyerapan dari adsorbat ke dalam adsorben dimana
disebut dengan fenomena sorption. Materi atau partikel yang diadsorpsi disebut
adsorbat, sedangkan bahan yang berfungsi sebagai pengadsorpsi disebut adsorben.
Adsorpsi dibedakan menjadi dua jenis, yaitu adsorpsi fisika yang
disebabkan oleh gaya
Van Der
dan secara kimia (terjadi reaksi antara zat yang
diserap dengan adsorben).
Apabila daya tarik menarik antara zat terlarut dengan adsorben besar maka
zat yang terlarut akan diadsorpsi pada permukaan adsorben. Inilah yang disebut
dengan gaya
Van Der Waals.
Pada proses ini gaya yang menahan molekul fluida
pada permukaan solid relatif lemah, dan besarnya sama dengan
gaya kohesi molekul pada fase cair (gaya
Van Der Waals
) mempunyai derajat
permukaan solid dengan molekul fluida biasanya cepat tercapai dan bersifat
reversibel.
[12]Adsorpsi kimia adalah reaksi yang terjadi antara zat padat dengan zat
terlarut yang teradsorpsi. Adsorpsi ini bersifat spesifik dan melibatkan gaya yang
jauh lebih besar daripada adsorpsi fisika. Karena adanya ikatan kimia maka pada
permukaan adsorben akan terbentuk suatu lapisan, di mana terbentuknya lapisan
tersebut akan menghambat proses penyerapan selanjutnya oleh bantuan adsorben
sehingga efektifitasnya berkurang.
[18]Perhatikan siklus dasar refrigerasi adsorpsi di bawah ini.
[16]Pada kondisi awal sistem berada pada tekanan dan temperatur rendah,
adsorben memiliki konsentrasi refrigeran yang tinggi dan vessel lain terdapat
refrigeran dalam bentuk gas (gambar a). Vessel yang terdapat adsorben
dipanaskan yang mengakibatkan naiknya temperatur dan tekanan sistem sehingga
kandungan adsorbat yang ada di dalam adsorben berkurang atau menguap. Proses
berkurangnya kandungan adsorbat pada adsorben pada kasus ini disebut desorpsi.
Refrigeran yang terdesorpsi kemudian terkondensasi sebagai cairan di
dalam labu
kedua dengan dikeluarkannya panas ke lingkungan dimana tekanan
dan temperatur sistem masih tinggi (gambar b). Pemanasan pada labu pertama
dihentikan, lalu pada botol labu yang pertama terjadi perpindahan panas ke
lingkungan sehingga tekanan sistem menjadi rendah. Tekanan sistem yang rendah
menyebabkan adsorbat cair pada botol labu yang kedua menguap dan terserap ke
botol pertama yang berisi adsorben. Proses terserapnya adsorbat ke adsorben pada
kasus ini disebut adsorpsi. Proses adsorpsi menghasilkan efek pendinginan yang
terjadi pada botol labu kedua, dimana pada tekanan rendah panas dari lingkungan
diserap untuk menguap adsorbat (d) sampai sistem kembali ke kondisi awal.
Siklus mesin pendingin adsorpsi dapat digambarkan pada diagram
Clayperon berikut ini.
Proses yang terjadi dapat di uraikan sebagai berikut ini.
1.
Proses Pemanasan (pemberian tekanan)
Proses pemanasan dimulai dari titik A dimana adsorben berada pada
temperatur rendah
T
A dan tekanan rendahP
e (tekanan evaporator). Adsorber akanmenerima panas sehingga temperatur adsorber meningkat dan diikuti peningkatan
tekanan evaporasi menjadi tekanan kondensasi. Selama proses ini tidak ada aliran
refrigeran.
2.
Proses desorpsi
Proses desorpsi berlangsung pada waktu panas diberikan dari titik B ke D
sehingga adsorber mengalami peningkatan temperatur yang menyebabkan
timbulnya uap desorpsi. Sehingga, adsorbat yang berada pada adsorben dalam
bentuk gas mengalir ke kondensor untuk mengalami proses kondensasi menjadi
cair.
3.
Proses Pendinginan (penurunan tekanan)
Proses pendinginan berlangsung dari titik D ke F yang berlangsung pada
malam hari. Adsorber melepaskan panas dengan cara didinginkan sehingga suhu
di adsorber turun dan diikuti oleh penurunan tekanan dari tekanan kondensasi ke
tekanan evaporasi.
4.
Proses Adsorpsi
Proses adsorpsi berlangsung dari titik F ke A. Adsorber terus melepaskan
panas sehingga adsorber mengalami penurunan temperatur dan tekanan yang
menyebabkan timbulnya uap adsorpsi.
2.2
Adsorben
2.2.1 Karbon Aktif
(penyerap). Daya serap ditentukan oleh luas permukaan partikel dan kemampuan
ini dapat menjadi lebih tinggi jika terhadap karbon aktif tersebut dilakukan
aktivasi dengan aktif faktor bahan-bahan kimia ataupun dengan pemanasan pada
temperatur tinggi.
Karbon aktif dibagi atas 2 tipe, yaitu karbon aktif sebagai pemucat dan
sebagai penyerap uap. Karbon aktif sebagai pemucat biasanya berbentuk bubuk
yang sangat halus, digunakan dalam fase cair, berfungsi untuk memindahkan
zat-zat pengganggu yang menyebabkan warna dan bau yang tidak diharapkan,
membebaskan pelarut dari zat-zat pengganggu dan kegunaan lain yaitu pada
industri kimia dan industri baru. Diperoleh dari serbuk-serbuk gergaji, ampas
pembuatan kertas atau dari bahan baku yang mempunyai densitas kecil dan
mempunyai struktur yang lemah.
Gambar 2.3 Adsorben Karbon Aktif
Adsorben karbon aktif yang digunakan dalam penelitian ini terbuat dari
cangkang kelapa. Adapun sifat dari adsorben karbon aktif yang digunakan adalah
sebagai berikut ini.
Tabel 2.1 Sifat Adsorben Karbon Aktif.
[18,10]Sifat Adsorben Karbon Aktif
Massa Jenis
352,407-544,629 m
3/kg
Pore Volume
0,56-1,20 cm
3/g
Diameter rata-rata pori
15-25 Å
Regeneration Temperature
100-140
oC
(
Steaming
)
Ukuran karbon aktif yang dilakukan di percobaan ini adalah 1,19 mm.
Ukuran tersebut dilakukan melalui tahapan penggilingan di lab.foundry fakultas
teknik mesin usu. Ukuran ini di pilih karena saringan kain kasa (jaring kawat)
yang paling halus/paling kecil didapat dengan seukuran 1,19 mm, dimana kain
kasa (jaring kawat) berfungsi sebagai penahan karbon aktif agar tidak jatuh
kebawah cairan metanol yang berada di gelas ukur.
Untuk lebih jelasnya perhatikan bagian-bagian dari struktur satu adsorben
karbon aktif berikut ini.
Gambar 2.4 Struktur Karbon Aktif
[18]Karbon aktif merupakan arang yang diproses sedemikian rupa sehingga
mempunyai daya serap/adsorpsi yang tinggi terhadap bahan yang berbentuk
larutan atau gas.
2.2.2 Pembuatan Karbon Aktif
Untuk membuat arang aktif, setidaknya minimal dilakukan dengan 2 cara.
antara lain:
1.
Karbonisasi atau pembuatan arang dari batok kelapa tua
2.
Aktivasi arang batok
Prinsip dasar aktivasi arang aktif adalah distilasi kering atau pirolisis yaitu
pembakaran tanpa menggunakan udara atau oksigen dengan suhu tinggi.
Berikut cara kerja pembuatan arang aktif:
1.
Karbonisasi atau pembuatan arang
Untuk membuat arang ada beberapa cara, yang pertama cukup dimasukkan
ke dalam drum minyak, kemudian tempurung dibakar saat awal saja, kemudian
setelah menyala ditutup. Harap ingat, drum harus dikasih lubang udara sedikit
untuk melihat apakah arang sudah jadi atau belum, bisa dilihat dari indikasi asap
yang keluar.
Cirinya adalah jika asap tebal dan putih, berarti batok sedang mengering,
jika asap tebal dan kuning, berarti sedang terjadi pengkarbonan, Pada fase ini
sebaiknya tungku ditutup dengan maksud agar oksigen pada ruang pengarangan
serendah-rendahnya sehingga diperoleh hasil arang yang baik. Untuk pengaturan
udara di dalam tungku bisa diatur dengan membuka tutup lubang udara.
Kemudian jika asap semakin menipis dan berwarna biru, berarti
pengarangan hampir selesai, tunggu sampai arang menjadi dingin. Setelah dingin
arang bisa di bongkar.
2.
Aktivasi Arang Aktif
Adapun prosedur atau langkah-langkah untuk mengaktifkan karbon dapat
dilakukan dengan berikut ini.
a.
Arang dimasukkan ke dalam tangki aktivasi (pirolisis) dan ditutup rapat.
b.
Pastikan sambungan pipa pendingin, dan
termocouple
untuk pengamatan
temperatur berfungsi sebagaimana mestinya.
c.
Alirkan air pendingin ke dalam pipa pendingin, kemudian kompor tungku
pirolisis mulai dinyalakan. Kompor bisa menggunakan bahan bakar
minyak tanah atau solar. Pengaturan api bisa diatur menggunakan
kompresor.
dengan adanya gelembung air, maka pembakaran dipertahankan selama 3
jam. Setelah waktu tersebut proses telah selesai.
e.
Kemudian api dimatikan, dan tungku aktivasi dibiarkan sampai dingin,
setelah itu bisa dibuka dan dikeluarkan untuk dilakukan penggilingan
sesuai mesh yang diinginkan. Arang aktif atau karbon aktif siap
digunakan.
2.2.3 Kegunaan Karbon Aktif
Karbon aktif digunakan secara luas dalam industri kimia, makanan dan
farmasi. Pada umumnya karbon aktif digunakan sebagai bahan penyerap dan
penjernih. Dalam jumlah yang kecil digunakan juga sebagai katalisator. Untuk
lebih jelasnya dapat dilihat dalam tabel berikut ini.
Tabel 2.2 Kegunaan Karbon Aktif
[17]Maksud/Tujuan
Pemakaian
1.
Pemurnian gas
Desulfurisasi, menghilangkan gas beracun, bau busuk,
asap, menyerap racun.
2.
Pengolahan LNG
Desulfurisasi dan penyaringan berbagai bahan mentah
dan reaksi gas.
3.
Katalisator
Reaksi katalisator atau pengangkut vinil klorida dan
vinil acetat
4.
Lain-lain
Menghilangkan bau dalam kamar pendingin dan
mobil, bahan adsorben pada mesin pendingin siklus
adsorpsi
Syarat mutu karbon aktif menurut Standar Industri Indonesia (SII No.
0254-79) adalah seperti tabel berikut ini.
Tabel 2.3 Standar Mutu Karbon Aktif
[17]Jenis Uji
Satuan
Persyaratan
1.
Bagian yang hilang pada pemanasan 95
oC %
Maksimum 15
3.
Abu
%
Maksimum 2,5
4.
Bagian yang tidak mengarang
%
Tidak ternyata
2.2.4 Alumina Aktif
Alumina aktif dibuat dari aluminium hidroksida dengan dehydroxylating dengan
cara yang menghasilkan bahan yang sangat berpori, bahan ini dapat memiliki luas
permukaan signifikan lebih dari 200 meter persegi / g. Senyawa ini digunakan
sebagai pengering dan sebagai filter fluoride, arsenik dan selenium dalam air
minum. Alumina aktif terbuat dari aluminium oksida (alumina, Al2O3), substansi
kimia yang sama seperti safir dan ruby. Ini memiliki luas permukaan yang sangat
tinggi untuk rasio berat, karena banyak "terowongan seperti" pori-pori.
Gambar 2.5 Alumina Aktif
Table 2.1 Sifat alumina aktif [18]
Luas Permukaan 320 m2 / grm ( minimal ) Total Volume Pori - Pori 0.50 CC / grm
Kapasitas adsorptive ( R.H 60% )
22% ( dari berat )
Pengausan 0.2% ( dari berat )
Pengausan akibat gesekan 99.6% ( dari berat )
Kepadatan 47lbs/ft3 ( 753 kgs/m3 )
Ukuran alumina aktif yang dilakukan di percobaan ini adalah 1,19 mm.
Ukuran tersebut dilakukan melalui tahapan penggilingan di lab.foundry fakultas
teknik mesin usu. Ukuran ini di pilih karena saringan kain kasa (jaring kawat)
yang paling halus/paling kecil didapat dengan seukuran 1,19 mm, dimana kain
kasa (jaring kawat) berfungsi sebagai penahan alumina aktif agar tidak jatuh
kebawah cairan metanol yang berada di gelas ukur.
2.2.5 Pembuatan Alumina Aktif
Aluminium oksida adalah sebuah senyawa kimia dari aluminium dan
oksida, dengan rumus kimia Al2O3. Nama mineralnya adalah alumina, dan dalam
bidang pertambangan, kramik dan teknik material senyawa ini lebih banyak
disebut dengan nama alumina
Proses pemurnian bauksit dilakukan dengan metode Bayer dan hasil akhir
adalah alumina. Secara alami, aluminium oksida terdapat dalam bentuk kristal
corundum. Batu mulia rubi dan sapphire tersusun atas corundum dengan
warna-warna khas yang disebabkan kadar ketidakmurnian dalam struktur corundum.
Aluminium oksida, atau alumina, merupakan komponen utama dalam bauksit
bijih aluminium yang utama.
Pabrik alumina terbesar di dunia adalah Alcoa, Alcan, dan Rusal.
Perusahaan yang memiliki spesialisasi dalam produksi dari aluminium oksida dan
aluminium hidroksida misalnya adalah Alcan dan Almatis. Bijih bauksit terdiri
dari Al2O3, Fe2O3, and SiO2 yang tidak murni. Campuran ini dimurnikan
terlebih dahulu melalui Proses Bayer:
Al2O3 + 3H2O + 2NaOH + panas → 2NaAl(OH)4
Fe2O3 tidak larut dalam basa yang dihasilkan, sehingga bisa dipisahkan
melalui penyaringan. SiO2 larut dalam bentuk silikat Si(OH)62-. Ketika cairan
yang dihasilkan didinginkan, terjadi endapan Al(OH)3, sedangkan silikat masih
larut dalam cairan tersebut. Al(OH)3 yang dihasilkan kemudian dipanaskan
Al2O3 yang terbentuk adalah alumina. Pada 1961,perusahaan General
Electric mengembangkan Lucalox, alumina transparan yang digunakan dalam
lampu natrium. Pada Agustus 2006, ilmuwan Amerika Serikat yang bekerja untuk
3M berhasil mengembangkan teknik untuk membuat alloy dari aluminium oksida
dan unsur-unsur lantanida, untuk memproduksi kaca yang kuat, yang
disebutalumina transparan. Aloi adalah campuran dua atau lebih unsur pada
komposisi tetap tertentu yang mana juzuk utamanya adalah logam.
Tahapan pemurnian aluminium bisa dilihat pada gambar 10. Pertama-tama
bauksit dicampur dengan larutan kimia seperti kaustik soda. Campuran tersebut
kemudian dipompa ke tabung tekan dan kemudian dilakukan pemanasan. Proses
selanjutnya dilakukan penyaringan dan diikuti dengan proses penyemaian untuk
membentuk endapan alumina basah (hydrated alumina). Alumina basah kemudian
dicuci dan diteruskan dengan proses pengeringan dengan cara memanaskan
sampai suhu 1200
oC. Hasil akhir adalah partikel-partikel alumina dengan rumus
kimianya adalah Al2O3.
2.3.6 Kegunaan Alumina Aktif
Alumina aktif digunakan untuk berbagai macam aplikasi adsorben dan
katalis termasuk adsorpsi katalis dalam produksi polyethylene , dalam produksi
hidrogen peroksida , sebagai adsorben selektif untuk bahan kimia, termasuk
arsenik , fluoride , dalam penghapusan belerang dari aliran gas ( Claus proses
Catalyst ) .
Alumina aktif juga banyak digunakan untuk menghilangkan fluoride dari
air minum . Di AS , ada program luas untuk fluoridate air minum . Namun , di
daerah tertentu , seperti daerah Jaipur India , ada cukup fluoride dalam air
menyebabkan fluorosis . Filter alumina aktif dapat dengan mudah mengurangi
kadar fluoride dari 0,5 ppm sampai kurang dari 0,1 ppm . Jumlah fluoride
kehabisan dari air yang disaring tergantung pada berapa lama air benar-benar
menyentuh media filter alumina . Pada dasarnya , semakin alumina di filter,
semakin sedikit fluoride bias mencapai akhir , air disaring . Suhu air yang lebih
rendah , dan air pH rendah ( air asam ) akan disaring lebih efektif juga. pH yang
ideal untuk pengobatan adalah 5.5 yang memungkinkan sampai tingkat
penghapusan 95 % .
2.3
Refrigeran
Refrigeran adalah zat yang mengalir dalam mesin pendingin (refrigerasi)
atau mesin pengkondisian udara. Zat ini berfungsi untuk menyerap panas dari
benda atau udara yang didinginkan dan membawanya kemudian membuangnya ke
udara sekeliling di luar benda.
Berdasarkan jenis senyawanya, refrigeran dapat dikelompokan menjadi 7
kelompok yaitu sebagai berikut
[19]:
1.
Kelompok refrigeran senyawa halokarbon.
refrigeran yang dihasilkan akan terdiri dari atom khlor, fluor dan karbon.
Refrigeran ini disebut refrigeran
chlorofluorocarbon
(CFC). Jika hanya sebagian
saja atom hidrogen yang digantikan oleh Cl dan atau F maka refrigeran yang
terbentuk disebut
hydrochlorofluorocarbon
(HCFC). Refrigeran halokarbon yang
tidak mengandung atom khlor disebut
hydrofluorocarbon
(HFC).
2.
Kelompok refrigeran senyawa organik
cyclic
.
Kelompok refrigeran ini diturunkan dari butana. Aturan penulisan nomor
refrigeran adalah sama dengan cara penulisan refrigeran halokarbon tetapi
ditambahkan huruf C sebelum nomor. Contoh dari kelompok refrigeran ini adalah:
1.
R-C316 C
4Cl
2F
61,2-dichlorohexafluorocyclobutane
2.
R-C317 C
4ClF
7chloroheptafluorocyclobutane
3.
R-318 C
4F
8octafluorocyclobutane
4.
Kelompok refrigeran campuran Zeotropik.
Kelompok refrigeran ini merupakan refrigeran campuran yang bisa terdiri
dari campuran refrigeran CFC, HCFC, HFC, dan HC. Refrigeran yang terbentuk
merupakan campuran tak bereaksi yang masih dapat dipisahkan dengan cara
destilasi.
5.
Kelompok refrigeran campuran Azeotropik.
Kelompok refrigeran Azeotropik adalah refrigeran campuran tak bereaksi
yang tidak dapat dipisahkan dengan cara destilasi. Refrigeran ini pada konsentrasi,
tekanan dan temperatur tertentu bersifat azeotropik, yaitu mengembun dan
menguap pada temperatur yang sama, sehingga mirip dengan refrigeran tunggal.
Namun demikian pada kondisi (konsentrasi, temperatur atau tekanan) yang lain
refrigeran ini bisa saja menjadi bersifat zeotropik.
6.
Kelompok refrigeran senyawa organik biasa
refrigeran halokarbon karena jumlah atom H nya jika ditambah dengan 1 lebih
dari 10 sehingga angka kedua pada nomor refrigeran menjadi dua digit. Sebagai
contoh butana (C
4H
10), jika dipaksakan dituliskan sesuai dengan cara penomoran
refrigeran halokarbon, maka refrigeran ini akan bernomor R-3110, sehingga akan
menimbulkan kerancuan.
7.
Kelompok refrigeran senyawa anorganik.
Kelompok refrigeran ini diberi nomor yang dimulai dengan angka 7 dan digit
selanjutnya menyatakan berat molekul dari senyawanya. Contoh dari refrigeran
ini adalah:
R-702 : hidrogen
R-704 : helium
R-717 : amonia
R-718 : air
R-744 : O
2 R-764 : SO
28.
Kelompok refrigeran senyawa organik tak jenuh.
Kelompok refrigeran ini mempunyai nomor empat digit, dengan menambahkan
angka keempat yang menunjukkan jumlah ikatan rangkap di depan ketiga angka
yang sudah dibahas dalam sistem penomoran refrigeran halokarbon.
[19]2.3.1
Metanol
Tabel 2.4 Sifat Metanol
[18,10]Sifat Metanol
Massa jenis
Titik lebur
Titik didih
Klasifikasi EU
Panas Laten Penguapan (
L
e)
787 kg/m³, cair
-97,7
oC
64,5
oC
Flammable (
F
), Toxic (
T
)
1100 kJ/kg
Metanol juga dikenal sebagai metil alkohol,
wood alcohol
atau spiritus.
Metanol merupakan bentuk alkohol paling sederhana. Pada keadaan atmosfer,
metanol berbentuk cairan yang ringan, mudah menguap, tidak berwarna, mudah
terbakar dan beracun dengan bau yang khas (berbau lebih ringan dari pada etanol).
Metanol digunakan sebagai bahan pendingin anti beku, pelarut, bahan bakar dan
sebagai bahan aditif bagi etanol industri.
Metanol diproduksi secara alami oleh metabolisme anaerobik oleh bakteri.
Hasil proses tersebut adalah uap metanol (dalam jumlah kecil) di udara.
Setelah beberapa hari uap metanol tersebut akan teroksidasi oleh oksigen dengan
bantuan sinar matahari menjadi karbon dioksida dan air.
[17]2.4
Keamanan Refrigeran
Refrigeran dirancang untuk digunakan pada ruangan tertutup atau tidak
bercampur dengan udara luar. Jika ada kebocoran karena sesuatu hal yang tidak
diinginkan, maka refrigeran ini akan keluar sistem dan bisa saja terhirup oleh
manusia. Untuk menghindari hal-hal yang tidak diinginkan maka refrigeran harus
dikategorikan aman atau tidak aman. Ada dua faktor yang digunakan untuk
mengklasifikasikan refrigeran berdasarkan keamanan, yaitu bersifat racun dan
mudah terbakar.
Berdasarkan
toxicity
, refrigeran dapat dibagi dua kelas, yaitu kelas A
bersifat tidak beracun pada konsentrasi yang ditetapkan dan kelas B jika bersifat
racun. Batas yang digunakan untuk mendefinisikan sifat racun atau tidak adalah
sebagai berikut. Refrigeran dikategorikan tipe A jika pekerja tidak mengalami
gejala keracunan meskipun bekerja lebih dari 8 jam/hari (40 jam/minggu) di
lingkungan yang mengandung konsentrasi refrigeran sama atau kurang dari 400
ppm (
part per million by mass
). Sementara kategori B sebaliknya.
Berdasarkan sifat mudah terbakar, refrigeran dapat dibagi atas 3 kelas,
kelas 1, kelas 2, dan kelas 3. Yang disebut kelas 1 jika mudah terbakar jika diuji
pada tekanan 1 atm (101 kPa) temperatur 18,3
oC. Kelas 2 jika menunjukkan
keterbakaran yang rendah saat konsentrasinya lebih dari 0,1 kg/m
3pada 1 atm dan
temperatur 21,1
oC atau kalor pembakarannya kurang dari 19 MJ/kg. Kelas 3
sangat mudah terbakar. Refrigeran ini akan terbakar jika konsentrasinya kurang
dari 0,1 kg/m
3ataun kalor pembakarannya lebih dari 19 MJ/kg.
Berdasarkan defenisi ini, sesuai dengan standar 34-1997. Refrigeran
diklasifikasikan menjadi 6 kategori.
[2]1.
A1 : sifat racun rendah dan tidak terbakar.
2.
A2 : Sifat racun rendah dan sifat terbakar rendah.
3.
A3 : Sifat racun rendah dan mudah terbakar.
4.
B1 : sifat racunlebih tinggi dan tidak terbakar.
2.5
Kalor (Q)
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
2.5.1 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, cair menjadi uap dan perubahan
struktur kristal (zat padat). Energi yang diperlukan disebut kalor transformasi.
Kalor yang diperlukan untuk merubah fasa dari bahan bermassa m adalah
Q
L=
L
em ...
(2.1)
Dimana :
Q
L= Kalor laten (J)
Le
= Kapasitas kalor spesifik laten (J/kg)
M
= Massa zat (kg)
2.5.2 Kalor Sensibel
Q
s= m C
p∆
T ...
(2.2)
Dimana:
Q
s= Kalor sensible
(
J
)
C
p= Kapasitas kalor spesifik sensibel (J/kg.K)
∆
T
= Beda temperatur (K)
2.5.3 Perpindahan Panas
Panas hanya akan berpindah jika ada perbedaan temperatur, yaitu dari
sistem yang bertemperatur tinggi ke sistem bertemperatur rendah. Perbedaan
temperatur ini mutlak diperlukan sebagai syarat terjadinya perpindahan panas.
Selama ada perbedaan temperatur antara dua sistem maka akan terjadi
perpindahan panas. Mekanisme perpindahan panas yang terjadi dapat
dikategorikan atas 3 jenis yaitu: konduksi, konveksi dan radiasi
1. Konduksi
Perpindahan panas dari partikel yang lebih panas ke partikel yang lebih
dingin sebagai hasil dari interaksi antara partikel tersebut. Karena partikelnya
tidak berpindah, umumnya konduksi terjadi pada medium padat, tetapi bisa juga
cair dan gas. Perpindahan panas di sini terjadi akibat interaksi antara partikel
tanpa diikuti perpindahan partikelnya. Perhatikan gambar di bawah ini.
Secara matematik, untuk plat datar seperti gambar di atas ini, laju
perpindahan panas konduksi dirumuskan dengan persamaan:
Atau sering dirumuskan dengan persamaan berikut ini.
[ lit.3]
Dimana:
= Laju aliran energi (W)
A
= Luas penampang (m
2)
∆
T = Beda temperatur (K)
∆
x
= Panjang (m)
k
= Daya hantar (konduktivitas) (W/m.K)
2.
Konveksi
Perpindahan panas konveksi adalah perpindahan panas antara permukaan
padat yang berbatasan dengan fluida mengalir. Fluida di sini bisa dalam fasa cair
atau fasa gas. Syarat utama
mekanisme perpindahan panas konveksi adalah adanya aliran fluida. Perhatikan
gambar di bawah ini.
Gambar 2.9 Perpindahan Panas Konveksi dari Permukaan Pelat
Secara matematik perpindahan panas konveksi pada permukaan pelat rata
Qc
Aliran Udara
Aliran Udara
Q
h= hA(T
s-T
L) ...
(2.5) [lit.4]
Dimana:
Q
h=
Laju perpindahan panas konveksi (W)
h
= Koefisien konveksi (W/m
2K)
A
= Lluas penampang perpidahan panas (m
2)
T
s= Temperatur permukaan
T
L= Temperatur fluida
3. Radiasi
Perpindahan panas radiasi adalah panas yang dipindahkan dengan cara
memancarkan gelombang elektromagnetik. Berbeda dengan mekanisme konduksi
dan konveksi, radiasi tidak membutuhkan medium perpindahan panas. Sampainya
sinar matahari ke permukaan bumi adalah contoh yang jelas dari perpindahan
panas radiasi.
Persamaan yang dapat digunakan untuk menghitung laju perpindahan
panas radiasi antara permukaan pelat (gambar 2.10) dan lingkungannya adalah:
Q
r= eσAT
4...
(2.6)
Dimana
Q
r=
Laju perpindahan panas radiasi (W)
σ
= Konstanta Boltzman: 5,67 x 10
-8W/m
2K
4e
= Emisivitas (0 ≤ e ≤ 1)
T
= Temperatur (K)
4.
Konveksi Natural
Jika aliran fluida terjadi secara alami, sebagai akibat perpindahan panas
yang terjadi. Konveksi ini disebut konveksi natural atau kadang disebut konveksi
bebas dalam bahasa Inggris disebut
natural convection
atau
free convection
.
Pada kasus konveksi natural pada bidang horizontal panjang yang digunakan
menghitung bilangan
Ra
L adalah panjang karakteristik yang didefinisikan denganpersamaan:
Dimana A menyatakan luas bidang horizontal dan
K
adalah keliling. Dengan
menggunakan panjang karakteristik (
L
) ini bilangan
Ra
Ldapat dihitung dengan
menggunakan persamaan berikut (2.8).
Ra
L=
...
(2.8)
Pola konveksi natural pada permukaan horizontal diperlihatkan seperti gambar
berikut ini.
Gambar 2.10 Konveksi Natural pada Bidang Horizontal (tipe a)
Persamaan untuk menghitung
Nu
seperti gambar di atas (bidang
horizontal) dapat digunakan yang diajukan oleh Llyod Moran (1974):
Untuk 10
4<
Ra
L < 107 :Nu
= 0,54R
...
(2.9)
Untuk 10
7<
Ra
L< 10
9Nu
= 0,15R
...
(2.10)
[image:46.595.236.382.230.351.2]Jika polanya ditunjukkan seperti gambar di bawah ini, yaitu fluida panas
akan terdesak dari permukaan yang panas dan mengalir ke sebelah luar. Untuk
mengisi kekosongan akibat aliran ini maka fluida dibawahnya akan mengalir ke
atas.
Gambar 2.11 Konveksi natural pada bidang horizontal (tipe b)
Tr < Ts Ts Tr < Ts
Persamaan menghitung bilangan Nu untuk kasus ini dapat digunakan persamaan
dapat dituliskan:
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1
Tempat dan Waktu
Tempat penelitian adalah laboratorium Teknik Pendingin, gedung Fakultas
Teknik USU. Waktu pelaksanaan penelitian ± 5 bulan.
3.2
Bahan
Pada penelitian ini, bahan pengujian yang digunakan adalah sebagai
berikut.
1.
Adsorben karbon aktif dan alumina aktif
Adsorben yang digunakan pada penelitian ini adalah karbon aktif sebanyak
500
gram
dan 500
gram
alumina aktif. Dimana pengujian ini membedakan isinya
dalam adsorben menggunakan mimis dan tidak menggunakan mimis.
2.
Refrigeran
Untuk terjadinya suatu proses pendinginan diperlukan suatu bahan yang
mudah dirubah bentuknya dari gas menjadi cair atau sebaliknya. Refrigeran yang
digunakan pada pengujian ini adalah:
Metanol dengan kadar kemurnian 99% sebanyak 1 liter
3.3
Alat Ukur yang Digunakan pada Pengujian Kapasitas Adsorpsi
Alat-alat ukur yang digunakan pada pengujian kapasitas adsorpsi ini
adalah sebagai berikut.
1. Manometer Vakum
Gambar 3.1 Manometer Vakum
Spesifikasi:
Buatan
: Jerman
Max. tekanan : 0 cmHg
Min. tekanan : -76 cmHg
2. Agilent
Agilent digunakan untuk mengukur temperatur pada adsorber dan gelas
ukur dimana alat ini bekerja secara otomatis dan mencatat hasil pengukuran dalam
bentuk exel.
Gambar 3.2 Agilent
Spesifikasi
Tipe
: Agilent 34970A
Buatan
: Belanda
Jumlah sensor thermocouple
: 20 channels multiplexer
3.4
Peralatan yang Digunakan
1. Pompa Vakum
Pompa vakum digunakan untuk memvakumkan alat penguji kapasitas
adsorpsi dan mengeluarkan partikel-partikel/kotoran dan mengeluarkan uap air
dari adsorber.
Gambar 3.3 Pompa Vakum
Spesifikasi:
Merek
: ROBINAIR
Model No.
: 15601
Kapasitas
: 142
l
/m
Motor H.p
: ½
Volt
: 110-115 V / 220-250 V
2. Katup
Gambar 3.4 Katup
Pada gelas ukur juga dipakai 2 katup. Satu katup berfungsi untuk mengatur
aliran dari gelas ukur ke adsorber (pada saat adsorpsi) dan sebaliknya. Katup yang
lain berfungsi untuk pemasukan refrigeran ke gelas ukur.
3. Pipa Penghubung
Pipa penghubung ini mengunakan bahan stainless steel yang berdiameter
¾” dengan panjang keseluruhan 40 cm.
Gambar 3.5 Pipa penghubung
4. Selang Karet
Selang karet berfungsi untuk menghubungkan aliran refrigeran dari gelas
ukur ke adsorber. Selang karet yang berdiameter ¾” memiliki panjang 1 meter.
5. Stainless steel ball (Mimis)
Dimana mimis tersebut berfungsi sebagai penyimpan panas dan menyerap
panas yg berdiameter 22 mm, berat 0,53 kg berjumlah 10 buah.
Gambar 3.7 Stainless steel ball(mimis)
6. Kotak Isolasi gelas ukur
Kotak isolasi ini berfungsi untuk mengisolasi gelas ukur supaya tidak ada
dipengaruhi oleh lingkungan. Kotak isolasi terbuat dari bahan syrofoam. Tebal
styrofoam adalah 2,5 cm. Adapun ukuran styrofoam adalah
P x L x T
= 47 cm
x
32cm
x
32 cm. Berikut ini gambar styrofoam yang digunakan
Gambar 3.8 Kotak Isolasi Styrofoam
3.5
Set-Up
Eksperimental
Set-Up
eksperimental dapat dilihat seperti gambar 3.8 s.d 3.9 berikut ini.
Gambar 3.9
Set-Up
Eksperimental pada Proses Desorpsi
Proses desorpsi terjadi karena panas yang berasal dari lampu penguji
berpindah secara radiasi ke adsorber. Refrigeran yang berada dalam adsorben
karbon aktif akan menimbulkan uap desorpsi. Uap ini akan mengalir ke gelas ukur
melalui selang. Uap ini akan berubah fasa menjadi cair di dalam gelas ukur.
Kemudian adsorber melepaskan panas sehingga adsorber terus mengalami
penurunan temperatur dan tekanan yang menyebabkan timbulnya uap adsorpsi.
Adsorbat dalam bentuk uap mengalir dari gelas ukur ke adsorber. Adsorbat dalam
bentuk uap dihasilkan dari proses penyerapan kalor oleh adsorbat dari lingkungan
sebesar kalor laten penguapan adsorbat tersebut. Proses ini berlangsung pada
tekanan saturasi yang rendah sehingga penyerapan kalor berlangsung pada
temperatur yang rendah pula. Proses tersebut dinamakan adsorpsi.
Qin
Refrigeran cair
Gambar 3.10
Set-Up
Eksperimental pada Proses Adsorpsi
3.5.1 Prosedur Pengujian
Prosedur pengujian dapat diuraikan sebagai berikut ini.
1.
Proses
assembling
/penyambungan alat penguji kapasitas adsorpsi. Komponen
adsorber dengan gelas ukur dirangkai/dihubungkan dengan baik. Pada
persambungan pipa dilem dengan baik dan kuat untuk menghindari
kebocoran.
2.
Kemudian dipasang termokopel agilent, pada adsorber (4 titik) dan pada gelas
ukur (3 titik). Agilent dinyalakkan sehingga data-data temperatur pada setiap
titik termokopel tersimpan otomatis.
3.
Adsorber dipanaskan selama 9 jam (mulai pukul 9.00 WIB sampai dengan
pukul 17.00 WIB).
Refrigeran menguap
Konveksi
Alami
4.
Kemudian pada pukul 17.00 WIB dilakukan pemvakuman dengan
mengunakan pompa vakum untuk mengeluarkan gas/udara dan air/uap air
yang terdapat pada adsorben karbon aktif. Setelah kondisi vakum, kemudian
semua katup ditutup.
5.
Pada gelas ukur diisi refrigeran. Pengujian pertama mengunakan metanol,
pengujian kedua menggunakan etanol, pengujian ketiga menggunakan amonia
dan pengujian terakhir adalah refrigeran musicool. Kemudian lampu alat
penguji kapasitas adsorpsi dimatikan. Data temperatur adsorber dan gelas ukur
akan otomatis tersimpan pada agilent dalam bentuk excel.
6.
Kemudian gelas ukur dimasukkan ke dalam kotak styrofoam dan pada
styrofoam diisikan es sebanyak 5 kg. Hal ini bertujuan untuk melihat berapa
refrigeran yang dapat diserap oleh karbon aktif dengan kondisi bagian luarnya
sudah menjadi es. Karena gelas ukur nantinya akan digantikan fungsinya oleh
evaporator pada mesin pendingin siklus adsorpsi tenaga surya.
7.
Katup antara adsorber dan gelas ukur dibuka untuk memulai proses adsorpsi
(pukul 17.00 WIB sampai keesokan harinya pukul 9.00 WIB). Temperatur
adsorber akan turun seiring dengan turunnya temperatur lingkungan. Pada
malam hari dengan turunya temperatur adsorber, maka karbon aktif akan
menyerap refrigeran sehingga refrigeran akan menguap dan naik ke adsorben
karbon aktif. Tekanan adsorpsi dicatat setiap jamnya.
8.
Proses desorpsi mulai pukul 9.00 WIB sampai dengan pukul 17.00 WIB
dengan menyalakkan lampu pemanas alat penguji kapasitas adsorpsi
(1000
W). Seiring dengan naiknya temperatur adsorber maka refrigeran akan
menguap dari adsorben karbon aktif dan masuk ke gelas ukur dalam fasa cair.
3.6
Alat Penguji Kapasitas Adsorpsi
Alat penguji kapasitas adsorpsi ini dirancang untuk adsorben kabon aktif
sebanyak 500 gram dan alumina aktif 500 kg beserta 10 mimis maupun tidak
menggunakan mimis di dalam adsorber. Lampu yang digunakan ada dua buah
(lampu halogen) dengan daya masing-masing sebesar 500 W (total 1000 W). Pada
alat penguji adsorpsi dilengkapi sensor
thermocoupel
7 titik (untuk mengukur
Thermocuople (6 titik)
juga gelas ukur untuk mengukur volume refrigeran yang dapat di serap dan
dilepaskan oleh adsorben karbon aktif.
Alat penguji kapasitas adsorpsi dapat dilihat secara jelas seperti gambar
3.11 berikut ini.
Gambar 3.11 Alat Penguji Kapasitas Adsorpsi dengan gelas ukur tidak
Disolasi
Double Spot Light (1000 W)
Manometer Vakum
Selang
Katup
Gelas Ukur Thermocuople (6 titik)
Gambar 3.12 Alat Penguji Kapasitas Adsorpsi dengan gelas ukur Disolasi
3.6.1 Dimensi Utama Alat Penguji Kapasitas Adsorpsi
Adapaun dimensi-dimensi alat penguji kapasitas adsorpsi dapat
digambarkan sebagai berikut ini.
Gambar 3.13 Dimensi Alat Penguji Kapasitas Adsorpsi
a.
Adsorber
Adsorber adalah alat yang digunakan untuk menangkap panas dari radiasi
lampu. Adsorber terbuat dari pelat rata yang terbuat dari stainless steel dengan
ketebalan 1 mm dengan luas permukaan 0,07 m
2. Pada bagian atas sebelah dalam
adsorber diisi dengan karbon aktif dan alumina aktif beserta mimis maupun tidak
menggunakan mimis sebanyak 1 kg. Perhatikan gambar di bawah ini.
10
b.
Gelas Ukur
Gelas ukur digunakan untuk mengukur volume refrigeran yang dapat
diserap oleh adsorben karbon aktif pada saat adsorpsi dan volume refrigeran yang
kembali pada saat desorpsi. Adapun dimensi gelas ukur sebagai berikut ini.
Gambar 3.15 Gelas Ukur
3.7
Langkah Pembuatan Alat Penguji Kapasitas Adsorpsi
3.7.1 Pembuatan Adsorber
1.
Adsober terbuat dari pelat stainless steel dengan tebal 1 mm. Adsorber
dibentuk sesuai dengan bentuk dan ukuran yang ditentukan. Setelah pelat
stainless steel tersebut dipotong kemudian dihubungkan/disambung dengan
las argon. Las argon dipilih supaya hasil sambungan lebih kuat dan terhindar
dari kebocoran.
Gambar 3.16 Bentuk Adsorber
2. Kemudian adsorber diisi dengan adsorben karbon aktif. Adsorben karbon
aktif diisi sebanyak 500 gram dan alumina aktif 500 gram beserta mimis 10
buah dan tanpa mimis. Kemudian semua diratakan di dalam adsorber.
Gambar 3.17 Pengisian Adsorben Karbon Aktif dan Alumina aktif
3. Setelah adsorben karbon aktif dimasukkan ke dalam adsorber, langkah
selanjutnya adalah memasang kawat nyamuk. Tujuan pelapisan kawat
nyamuk ini adalah supaya adsorben tidak jatuh pada saat adsorber
dibalikkan dan juga supaya tidak terhisap pada saat proses pemvakuman.
Gambar 3.18 Pemasangan Kawat Nyamuk
Gambar 3.19 Penyambungan Pelat Adsorber
5. Pemasangan pipa-pipa, manometer vakum dan katup pada adsorber. Katup
berfungsi untuk menutup dan membuka saluran dan manometer vakum
berfungsi untuk melihat tekanan pada adsorber. Dengan adanya manometer
ini, dapat diketahui bocor atau tidak alat penguji kapasitas adsorpsi.
Gambar 3.20 Pemasangan Pipa, Manometer Vakum dan Katup
[image:61.595.212.412.552.677.2]6. Langkah terakhir adalah melakukan pengecatan adsorber. Adsorber dicat
dengan cat warna hitam gelap. Tujuan pengecatan adalah agar adsorber
dapat menyerap panas dengan baik.
Gambar 3.22 Adsorber Setelah Dicat Warna Hitam
3.7.2 Pembuatan Gelas Ukur
1. Gelas ukur dibuat sesuai dengan ukuran dimensi yang dirancang. Kemudian
pada gelas ukur dipotong untuk pada bagian tengah depan. Hal ini bertujuan
untuk menempelkan kaca akralik sehingga terlihat volume refrigeran ketika
pengujian nanti.
Gambar 3.23 Pembuatan Gelas Ukur
2. Pada gelas ukur dilakukan pengecatan dan pada kaca akralik ditempelkan
skala volume.
[image:62.595.256.369.630.715.2]3.8
Flowchart Penelitian
Berikut merupakan tahapan dalam pengujian kapasitas adsorpsi adsorben.
Mulai
Studi Literatur Studi literatur dan jurnal
Tahapan Persiapan Survei bahan dan alat Gambar sketsa alat
penguji
Pembuatan Alat Penguji Kapasitas Adsorpsi
Adsorber (500 gram karbon aktif dan alumina aktif 500 gram beserta mimis 10 buah maupun tidak menggunakan mimis) Gelas Ukur
Assembling Alat Uji Pemvakuman
Pengujian:
Metanol (1 Liter)
Data Output
Temperatur
Tekanan
Volume
Kapasitas Adsorpsi
Analisa
Kesimpulan
[image:63.595.170.462.143.755.2]BAB IV
ANALISA DATA
4.1 Hasil Pengujian
Data yang diambil dari pengujian adalah data temperatur adsorber, data
temperatur gelas ukur, kapasitas adsorpsi dari adsorben karbon aktif dan alumina
aktif dengan menggunakan mimis terhadap beberapa jenis refrigeran dan juga
tekanan dalam alat uji kapasitas adsorpsi.
Ada dua kali dilakukan pengujian yaitu:
1.
Pada kapasitas adsorpsi terutama terhadap temperatur dan kapasitas
adsorpsi dari adsorben karbon aktif dan alumina aktif dengan
menggunakan mimis dengan kondisi gelas ukur diisolasi dengan
styrofoam.
2.
Pada kapasitas adsorpsi terhadap temperatur dan kapasitas adsorpsi
dari adsorben karbon aktif dan alumina aktif tanpa menggunakan
mimis dengan kondisi gelas ukur diisolasi dengan styrofoam.
Isolasi dilakukan untuk melihat pengaruh lingkungan luar terhadap alat uji
kapasitas adsorpsi terutama terhadap temperatur dan kapasitas adsorpsi dari
adsorben karbon aktif dan alumina aktif dengan menggunakan mimis maupun
tidak menggunakan mimis.
Untuk lebih jelasnya perhatikan gambar 4.1 di bawah ini.
Gambar 4.1 Letak Titik-Titik
thermocouple
pada Alat Penguji
Keterangan: Angka 6, 7, 8, 9, 10, 17 dan 20 adalah letak titik-titik
channel
thermocouple.
Pada letak titik-tittik
channel
thermocouple
ini akan
dicatat temperaturnya secara otomatis oleh agilent.
Pada alat uji kapasitas adsorpsi dipasang 7 titik sensor
thermocouple
, 4
titik pada adsorber (angka 6, 7, 8, dan 9) dan 3 titik pada gelas ukur (angka 10, 17
dan 20) perhatikan gambar 4.1 di atas.
Hasil pengujian yang d
