1
RANCANG BANGUN MESIN PENDINGIN TENAGA
SURYA DENGAN LUAS KOLEKTOR 0,25 m
2SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
ANDIKA RESTU FAUZI
NIM 100421048
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
7
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 "RANCANG BANGUN MESIN PENDINGIN TENAGA SURYA DENGAN LUAS KOLEKTOR 0,25 m2 ". 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) Ernedy Endang, ST dan (Ibu) Puji Astuty, Spd yang senantiasa memberikan kasih sayang, dukungan, motivasi, dan nasihat yang tak ternilai harganya. Serta kepada adik-adik saya Fadillah Dwi Stiaji dan Agil Abdillah Fauzi .
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 yang juga banyak membantu dalam memberikan fasilitas alat penelitian dalam perancangan ini
4. Prof.Dr.Ir. Bustami Syam, MSME (Dekan Fakultas Teknik USU), beserta segenap Staf dan Jajarannya.
8
6. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT, selaku sekertaris Departemen Teknik Mesin, Universitas Sumatera Utara.
7. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU.
8. Rekan satu tim Tri Arfandi dan Eka Juanda ginting atas kerja sama yang baik dalam penyelesaian mesin ini
9. Kepada Devita Rianty yang telah banyak memberikan dukungan dan motifasi kepada penulis
10.Seluruh rekan-rekan mahasiswa Departemen Teknik Mesin, teristimewa kepada kawan-kawan seperjuangan Angkatan 2010 dan 2011 yang tidak dapat disebutkan satu persatu yang telah banyak membantu dan memberi masukan yang berguna demi kelengkapan Skiripsi ini.
Penulis menyadari bahwa masih banyak kekurangan baik dalam penulisan maupun penyajian Tugas Sarjana ini. Untuk itu penulis mengharapkan saran - saran yang membangun dari semua pihak demi kesempurnaan Tugas Sarjana ini di kemudian hari.
Akhir kata, dengan segala kerendahan hati penulis memanjatkan doa kepada Tuhan Yang Maha Esa semoga skripsi ini bermanfaat untuk kita semua.
Medan, Juli 2014 Penulis
9 ABSTRAK
Mesin pendingin tenaga surya ini sedang di kembangkan diseluruh negara yang sedang berkembang. pada pembuatan mesin ini menggunakan biaya yang tidak terlalu besar dan bahan yang di gunakan juga tidak mencemari lingkungan sehingga aman di gunakan dalam kehidupan sehari- hari. Keuntungan dari penggunaan mesin pendingin adsorpsi ini adalah karena pendingin adsorpsi ini dioperasikan dengan menggunakan panas matahari sebagai sumber energi. Dengan pemanfaatan sumber energi tersebut dapat dihasilkan suhu evaporator dibawah 8 °C pada tingkat suhu pemanasan generator 77 °C – 96 °C. Sehingga mesin ini juga sangat cocok di gunakan di daerah – daerah nelayan di karenakan nelayan banyak membutuhkan pendinginan untuk mebawa ikan - ikan tangkapan mereka dalam keadaan segar. Tujuan dari rancang bangun Mesin Pendingin Tenaga Surya ini adalah membuat modelnya yang dilakukan dengan cara mendesain dengan cara melakukan perancangan alat- alat utamanya yaitu Kolektor, Kondensor, dan Evaporator. Setelah di rancang kemudian dilakukan pembuatan masing-masing bagian yang telah di desain. Dalam rancang bangun ini dipilih sisem pendingin adsorpsi dengan menggunakan pasangan karbon aktif, alumina aktif, dan biji besi sebagai bagian dalam kolektor dengan luas 0,25 m2 dan metanol sebagai refrigerant pada evaporator. Pada pembuatan alat yang penting pada mesin pendingin ini, saperti kolektor, kondensor, dan evaporator dengan menggunakan las argon.
Kata kunci : Kolektor, Kondensor, Evaporator, adsorpsi, dan Desorpsi
10 ABSTRACT
Engine cooling solar power is being developed throughout the developing world. in the manufacture of this machine uses the cost is not too large and the materials used does not pollute the environment so safe to use in everyday life. The advantage of using this adsorption cooling machine is due to the adsorption cooling is operated by using the heat of the sun as an energy source. With the use of these energy sources can be produced evaporator temperature is below 8 ° C at the heating temperature level generator 77 o C - 96 ° C. So this machine is also very suitable for use in area - fishermen fishing in because many require
refrigeration for mebawa fish - catch them in a fresh state. The purpose of design Solar Cooling Machine is making model which is done by designing a way to design the tools its core collector, Condenser and Evaporator. Having designed and then do the manufacture of each piece that has been in the design. In engineering have been sisem cooling adsorption using activated carbon pair, activated alumina, and iron ore as part of the collector with an area of 0.25 m2 and methanol as a refrigerant in the evaporator. In making an important tool in this cooling machine, saperti collector, condenser, and evaporator using argon welding.
11
1.2. Tujuan perancangan ... 2
1.3. Batasan Masalah ... 2
1.4. Manfaat perancangan ... 2
1.5. Sistematika Penulisan ... 2
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 4
2.1. Sistem Mesin Pendingin Adsorpsi ... 4
2.2. Adsorben ... 5
2.3. Kondensor ... 17
2.3.1. Klasifikasi Ekspansi ... 18
2.3.2. Prinsip Kerja Kondensor ... 21
2.3.3. Adsorpsi ... 22
2.4. Evaporator ... 26
2.4.1. Jenis Evaporator ... 27
2.4.2. Refrigeran ... 33
BAB III METODE PENELITIAN ... 40
3.1. Metode Pelaksanaan Rancang Bangun ... 40
3.2. Tempat Pembuatan ... 41
3.3. Bahan Dan Alat ... 41
3.3.1. Bahan - bahan ... 41
12
3.4. Perancangan kolektor ... 52
3.5. Perancangan Kondensor ... 54
3.6. Perancangan Evaporator ... 56
BAB IV PEMBUATAN DAN PENGUJIAN MESIN ... 58
4.1. Pembuatan Mesin ... 58
4.2. Pembuatan Kerangka Mesin Pendingin ... 60
4.3. Pembuatan Kotak Isolasi Adsorber ... 61
4.4. Pembuatan Kaca Penutup ... 63
4.5. Pembuatan Kolektor Surya ... 63
4.6. Pembuatan Kondensor ... 67
4.7. Pembuatan Evaporator ... 68
4.8. Pembuatan Kotak Insulasi ... 71
4.9. Penghitungan Dan Hasil Data ... 71
4.9.1. Analisis Intensitas Radiasi Matahari ... 72
4.9.2. Pengujian ... 73
4.9.2.1. Pengolahan Data ... 74
4.10. Temperatur Lingkungan Dan Matahari ... 83
4.11. Analisa Grafik ... 84
13 DAFTAR TABEL
Tabel 2.1. Penggolongan adsorben berdasarkan kemampuan menyerap air ... 6
Tabel 2.2. Spesifikasi karbon aktif ... 8
Tabel 3.1. Konduktifitas Bahan ... 53
Tabel 4.1. Data Intensitas Radiasi Matahari Tanggal 10 April 2014 ... 72
Tabel 4.2. Data Intensitas Radiasi Matahari Tanggal 11 April 2014 ... 73
Tabel 4.3. Tekanan dan Temperatur pada proses desorpsi .. ... 73
Tabel 4.4. Tekanan dan Temperatur pada proses adsorpsi ... 74
14 DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Proses pemanasan kolektor dengan tenaga surya ... 4
Gambar 2.2 Karbon Aktif ... 7
Gambar 2.3 Alumina Aktif ... 11
Gambar 2.4 Biji Besi ... 11
Gambar 2.5 Kondensor Berpendingin Udara ... 19
Gambar 2.6 Kondensor Berpendingin Air ... 20
Gambar 2.7 Kondensor berpendingin campuran udara dan air ... 21
Gambar 2.8 Siklus refrigerasi adsorpsi (Clapeyron diagram)... 24
Gambar 2.9 Adsorpsi kimia ... 25
Gambar 2.10 penyerapan suatu zat oleh zat pengadsorpsi ... 29
Gambar 2.11 Metanol ... 34
Gambar 3.1 Mesin Las ... 45
Gambar 3.2 Mesin Gerinda Tangan ... 48
Gambar 3.3 Thermometer Raksa ... 48
Gambar 3.2 Manometer ... 49
Gambar 3.3 Hobo Micro Station smart sensor ... 50
Gambar 3.4 Pompa Vakum ... 51
Gambar 3.5 Agilent ... 52
Gambar 3.8 Desain Kolektor Surya ... 52
Gambar 3.9 Penampang Kolektor Surya ... 53
Gambar 3.10 Desain Kondensor ... 54
Gambar 3.11 Desain Fin Kondensor ... 55
Gambar 3.12 Desain Evaporator ... 56
Gambar 4.1 Mesin Pendingin ... 58
Gambar 4.2 Eksperimental Pada Proses Desorpsi ... 59
Gambar 4.3 Eksperimental Pada Proses Adsorpsi ... 59
Gambar 4.4 Rangka Mesin Pendingin ... 60
Gambar 4.5 Pengecatan Rangka Mesin ... 61
Gambar 4.6 Kotak Adsorber ... 61
15
Gambar 4.8 Kotak Adsorber Dengan Kolektor Di Dalamnya (B) ... 62
Gambar 4.9 Kaca Penutup Kolektor ... 63
Gambar 4.10 Plat Untuk Membuat Kolektor ... 64
Gambar 4.11 Pengelasan Kolektor Surya Dengan Menggunakan Las Argon ... 64
Gambar 4.12 Pemotongan Fin Untuk Dalam Kolektor... 65
Gambar 4.13 Kolektor Surya Dengan Fin Di Dalamnya ... 65
Gambar 4.14 Pengisian Karbon Aktif, Alumina Aktif, Dan Biji Besi Setelah Pengelasan Selesai ... 66
Gambar 4.15 Pemasangan Kawat Kasa ... 66
Gambar 4.16 Pengelasan Kondensor ... 68
Gambar 4.17 Evaporator Bagian Bawah... 69
Gambar 4.18 Evaporator Bagian Dalam ... 69
Gambar 4.19 Pengelasan Evaporator ... 70
Gambar 4.20 Evaporator Tampak Dari Atas ... 70
Gambar 4.21 (a) Kotak Insulasi, (b) Bagian Dalam Kotak Insulasi ... 71
Gambar 4.22 Grafik Radiasi Matahari VS Waktu ... 83
Gambar 4.23 Grafik Temperatur Lingkungan VS Waktu... 84
Gambar 4.24 Grafik Temperatur Adsorber Hari Pertama... 85
Gambar 4.25 Grafik Temperatur Adsorber Hari Kedua ... 86
Gambar 4.26 Grafik Temperatur Adsorber Hari Ketiga ... 87
Gambar 4.27 Grafik Temperatur Kondensor Hari Pertama ... 88
Gambar 4.28 Grafik Temperatur Kondensor Hari Kedua... 88
Gambar 4.29 Grafik Temperatur Kondensor Hari Ketiga ... 89
Gambar 4.30 Grafik Temperatur Evaporator Hari Pertama ... 90
Gambar 4.31 Grafik Temperatur Evaporator Hari Kedua ... 91
16
Teva Temperatur Evaporator (K)
Tgene Temperatur Generator (K)
q Laju Perpindahan Panas (Watt)
p Tekanan (CmHg)
1 Emisivitas Dari Plat Penyerap
2 Emisivitas Dari Plat Kaca
α Harga Absorpsivitas
ρ Massa Jenis (Kg/cm3)
η Efisiensi
9 ABSTRAK
Mesin pendingin tenaga surya ini sedang di kembangkan diseluruh negara yang sedang berkembang. pada pembuatan mesin ini menggunakan biaya yang tidak terlalu besar dan bahan yang di gunakan juga tidak mencemari lingkungan sehingga aman di gunakan dalam kehidupan sehari- hari. Keuntungan dari penggunaan mesin pendingin adsorpsi ini adalah karena pendingin adsorpsi ini dioperasikan dengan menggunakan panas matahari sebagai sumber energi. Dengan pemanfaatan sumber energi tersebut dapat dihasilkan suhu evaporator dibawah 8 °C pada tingkat suhu pemanasan generator 77 °C – 96 °C. Sehingga mesin ini juga sangat cocok di gunakan di daerah – daerah nelayan di karenakan nelayan banyak membutuhkan pendinginan untuk mebawa ikan - ikan tangkapan mereka dalam keadaan segar. Tujuan dari rancang bangun Mesin Pendingin Tenaga Surya ini adalah membuat modelnya yang dilakukan dengan cara mendesain dengan cara melakukan perancangan alat- alat utamanya yaitu Kolektor, Kondensor, dan Evaporator. Setelah di rancang kemudian dilakukan pembuatan masing-masing bagian yang telah di desain. Dalam rancang bangun ini dipilih sisem pendingin adsorpsi dengan menggunakan pasangan karbon aktif, alumina aktif, dan biji besi sebagai bagian dalam kolektor dengan luas 0,25 m2 dan metanol sebagai refrigerant pada evaporator. Pada pembuatan alat yang penting pada mesin pendingin ini, saperti kolektor, kondensor, dan evaporator dengan menggunakan las argon.
Kata kunci : Kolektor, Kondensor, Evaporator, adsorpsi, dan Desorpsi
10 ABSTRACT
Engine cooling solar power is being developed throughout the developing world. in the manufacture of this machine uses the cost is not too large and the materials used does not pollute the environment so safe to use in everyday life. The advantage of using this adsorption cooling machine is due to the adsorption cooling is operated by using the heat of the sun as an energy source. With the use of these energy sources can be produced evaporator temperature is below 8 ° C at the heating temperature level generator 77 o C - 96 ° C. So this machine is also very suitable for use in area - fishermen fishing in because many require
refrigeration for mebawa fish - catch them in a fresh state. The purpose of design Solar Cooling Machine is making model which is done by designing a way to design the tools its core collector, Condenser and Evaporator. Having designed and then do the manufacture of each piece that has been in the design. In engineering have been sisem cooling adsorption using activated carbon pair, activated alumina, and iron ore as part of the collector with an area of 0.25 m2 and methanol as a refrigerant in the evaporator. In making an important tool in this cooling machine, saperti collector, condenser, and evaporator using argon welding.
17 BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Seperti kita ketahui energi surya dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi panas dan sebagai sumber energi listrik. Salah satu aplikasi dari pemanfaatan energi termal matahari adalah Mesin Pendingin Tenaga Surya. Mesin ini digerakkan oleh tenaga matahari dan tidak menggunakan energi listrik atau energi mekanik sama sekali. Dengan karakteristik iklim cuaca kota Medan, sangat diperlukan pendinginan yang umumnya digunakan untuk pengkondisian udara. Keunggulan utama Mesin ini adalah temperatur regenerasi yang relatif rendah sehingga cocok untuk aplikasi energi surya dan tidak memiliki bagian yang berputar karena semua gerakan fluida memanfaatkan efek alamiah sehingga tidak membutuhkan energi listrik sama sekali.
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.
18
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 Rancang Bangun
Tujuan dilakukan Rancang bangun skiripsi ini adalah: Mendesain dan membuat model Mesin Pendingin Tenaga Surya dengan Luas Kolektor 0,25 m2.
1.3. Batasan Masalah
Dalam penelitian ini, penulis membatasi masalah pada :
1. Perhitungan dimensi kolektor, kondensor dan evaporator 2. Membuat gambar rancangan dengan AUTOCAD
1.4. Manfaat Rancang bangun
Manfaat penulisan skripsi ini adalah :
1. Menghasilkan rekomendasi sistem pendingin yang ramah lingkungan dan hemat energi.
2. Sebagai wacana untuk rancang bangun mesin ini lebih lanjut. Agar di peroleh mesin yang lebih sempurna lagi.
1.5. Sistematika Penulisan
Skripsi ini disusun atas beberapa bab dengan garis besar tiap bab sebagai berikut: BAB I PENDAHULUAN
Pada bab ini membahas latar belakang penulisan skripsi, tujuan penulisan, batasan masalah dan manfaat penulisan skripsi.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
19 BAB III METODOLOGI PENELITIAN
Pada bab ini membahas tentang alat dan bahan yang digunakan dan tahapan-tahapan yang dilakukan dalam pembuatan.
BAB IV HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA
Pada bab ini membahas tentang data yang didapat dari pengujian alat dan perhitungan hasilnya.
BAB V KESIMPULAN
Pada bab ini berisikan tentang kesimpulan dari skripsi yang telah selesai dikerjakan dan saran-saran yang diperlukan untuk memperbaiki hasil penelitian selanjutnya.
Daftar Pustaka
Daftar pustaka berisikan literatur-literatur yang digunakan untuk menyusun laporan ini.
Lampiran
20 BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Sistem Mesin Pendingin Adsorpsi
Sistem 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. seperti yang dapat kita lihat pada gambar 2.1 Proses pemanasan kolektor dengantenaga surya.
21
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 surya, biomassa, limbah, atau dengan boiler yangmenggunakan energi komersial. Komponen utama mesin pendingin adsorpsi adalah kolektor, kondensor, dan evaporator.
2.2. 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.
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.
Penggolongan Adsorben
Berdasarkan Sifatnya Terhadap Air
22
Berikut adalah klasifikasi umum adsorber. dapat kita lihat pada tabel 2.1 Penggolongan Adsorben berdasarkan kemampuan menyerap air
Tabel 2.1 Penggolongan adsorben berdasarkan kemampuan menyerap air
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 pangan, sehingga tidak terpengaruh oleh ketersediaan pangan dan kualitasnya cenderung sama. Dalam penelitian ini, adsorben yang dipakai adalah karbon aktif 4 Kg dan Alumina aktif 4 Kg dan biji besi ukuran 25 mm sebanyak 85 biji.
Jenis Penyusun Struktur
Hidrofobik Polimer Karbon Aktif Moleculer sieve Karbon Silikat
Hidrofolik Silika Gel Zeeolit : 3A(KA),
4A(NaA), 5A(CaA), 13X(NaX)
23 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.
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. Seperti yang terlihat pada gambar 2.4 karbon aktif
Gambar 2.4 karbon aktif
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 aktifasi dengan bahan-bahan kimia ataupun dengan pemanasan pada temperatur tinggi. Dengan demikian, arang akan mengalami perubahan sifat-sifat fisika dan kimia. Arang yang demikian disebut sebagai arang aktif.
24
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.
Menurut SII No.0258 -79, arang aktif yang baik mempunyai persyaratan seperti yang tercantum pada tabel 2.2 Spesifikasi karbon akif berikut ini:
Tabel 2.2. Spesifikasi karbon aktif.
Jenis Persyaratan
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.
Arang aktif sebagai pemucat
25
serbuk – serbuk gergaji, ampas pembuatan kertas atau dari bahan baku yang mempunyai densitas kecil dan mempunyai struktur yang lemah.
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
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.
Alumina Aktif
26
Activated alumina digunakan untuk berbagai adsorben dan aplikasi 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 ( proses Claus Catalyst) .
Digunakan sebagai desiccant , ia bekerja dengan proses yang disebut adsorpsi . Air di udara benar-benar menempel pada alumina sendiri di antara bagian-bagian kecil seperti udara melewati mereka. Molekul air menjadi terperangkap sehingga udara yang kering saat melewati filter . Proses ini reversibel . Jika pengering alumina dipanaskan untuk ~ 200 ° C , ia akan melepaskan air yang terperangkap . Proses ini disebut regenerasi pengering tersebut.
Activated alumina juga banyak digunakan untuk menghilangkan fluoride dari air minum . Di AS , ada program luas untuk fluoridate air minum . Namun, di daerah tertentu , seperti di kawasan Jaipur India , ada cukup fluoride dalam air menyebabkan fluorosis . Filter alumina aktif dapat dengan mudah mengurangi kadar fluoride dari 0,5 ppm menjadi kurang dari 0,1 ppm . Jumlah fluoride kehabisan dari air yang disaring tergantung pada berapa lama air benar-benar menyentuh media alumina filter. Pada dasarnya , semakin alumina di filter , semakin sedikit fluoride akan berada di final , air disaring . Air suhu yang lebih rendah , dan air pH rendah ( air asam ) akan disaring lebih efektif juga. PH yang ideal untuk pengobatan adalah 5,5 yang memungkinkan untuk sampai tingkat removal 95 %.
27
fluoride . Hitung perbedaan antara asli dan diperlakukan fluoride air concn . Kalikan perbedaan dengan 100 ini akan memberikan kapasitas penyerapan fluoride dari AA dalam mg / kg . Yang mana contoh alumina aktif Dapat kita lihat pada Gambar 2.5 Alumina Aktif.
Gambar 2.5 Alumina Aktif Bijih besi
Biji besi terdiri atas oksigen dan atom besi yang berikatan bersama dalam molekul.Besi sendiri biasanya didapatkan dalam bentuk magnetit (Fe3O4), hematit (Fe2O3), goethit, limonit atau siderit. Bijih besi biasanya kaya akan besi oksida dan beragam dalam hal warna, dari kelabu tua, kuning muda, ungu tua, hingga merah karat anjing Saat ini, cadangan biji besi nampak banyak, namun seiring dengan bertambahnya penggunaan besi secara eksponensial berkelanjutan, cadangan ini mulai berkurang, karena jumlahnya tetap. Sebagai contoh, Lester Brown dari Worldwatch Institute telah memperkirakan bahwa bijih besi bisa habis dalam waktu 64 tahun berdasarkan pada ekstrapolasi konservatif dari 2% pertumbuhan per tahun. Berikut Gambar 2.6 Biji Besi
28 Kolektor surya plat rata
Data radiasi surya pada bidang miring jarang diperloleh : karakteristik dari permukaan di sekitarnya berbeda antara satu tempat dengan yang lainnya,sehingga standariasasi pengukuran sukar dibuat. Misalnya, data untuk suatu permukaan miring yang menghadap tanah tertutup salju serta menerima komponenen radiasi karena pemantulan, harus dirinci dulu kondisi saljunya, yaitu sifat pantulnya
Karena itu, radiasi total pada suatu permukaan miring biasanya dihitung. Dalam bagian ini dipertimbangkan metode untuk menghitung komponen radiasi pada sutu permukaan miring. Komponen sorotan IbT diperoleh dengan mengubah radiasi sorotan pada permukaan horizontal menjadi masuk normal dengan menggunakan sudut zenith, dan kemudian mendapatkan komponen pada permukaan miring dengan menggunakan sudut masuk. Radiasi sorotan pada permukaan horisontal diperoleh dari selisih antara pengukuran radiasi total dan pengukuran radiasi sebaran untuk suatu lokasi tetentu.
Komponen sebaran pada permukaan miring, IdT , dihitung dari komponen horisontal. Perhitungan dapat dilakukan dengan dua cara: yang pertama dengan menggap radiasi sebaran didistribusi merata; yang kedua,suatu ,metode yang lebih teliti, menggap bahwa sebaran lebih banyak berasal dari daerah langit dekat matahari. Karena untuk kebanyakan daerah, komponen sebaran untuk suatu permukaan horizontal, Id , tidak dapat diperoleh secara terpisah, maka suatu metode perhitungan fraksi sebaran dari radiasi total, Id/I. Komponen yang dipantulkan pada permukaan miring, IrT, dapat segera dihitung apabila reflektansi dari permukaan disekitanya telah diketahui. Radiasi total pada permukaan miring adalah jumlah dari tiga komponen yang diterangkan dengan menggunakan rumus:
IT – IbT + IdT + IrT
29 Ibn = I
z ∅z
Dimana Ib adalah radiasi sorotan pada permukaan horizontal dan cosØz adalah sudut zenith, untuk permukaan yang dimiringkan dengan sudut β terhadap bidang horizontal, intensitas dari komponen sorotan adalah :
IbT = Ibn cosØT = Ib s ∅� ∅�
Dimana ØT disebut sudut masuk, dan didefenisikan sebagai sudut antara arah sorotan pada sudut masuk normal dan arah komponen tegak lurus ( 90 oC) pada permukaan miring.
Apabila permukaan dimiringkan dengan sudut β terhadap horizontal, maka hal itu adalah sama dengan apabila bumi diputar denga arah jarum jam sebesar β, dan permukaannya tetap berada pada kedudukan yang sama,. Hubungan antara
cosØz untuk garis lintang ф – β kemudian datap diganti untuk permukaan yang dimiringkan pada garis lintang ф. Karena garis lintang ditentukan dari bidang ekuator, maka kemiringan permukaan megarah ke ekuator, yaitu bahwa permukaan itu dimiringkan ke selatan.
Persamaan untuk sudut ØT , yaitu sudut masuk adalah :
Cos ØT = sin . Sin (ф–β) + cos . Cos (ф–β). Cos ω
Radiasi sorotan IbT pada permukaan miring selanjutnya dapat dihitung dari radiasi sorotan Ib pada sebuah permukaan horizontal,
30
Radiasi sebaran yang disebut juga radiasi langit (sky radiation), adalah radiasi yang diancarkan ke permukaan oleh atmosfer, dank arena itu berasal dari seluruh bagian langit.
Apabila dimisalkan, seperti yang sering terjadi, bahwa radiasi sebaran (langit) didistribusikan merata , maka radiasi sebaran pada permukaan miring dinyatakan dengan:
IdT = � + s �
Dimana β adalah sudut miring dari permukaan miring dan Id menunjukkan besarnya radiasi sebaran. Selain komponen radiasi langsung dan sebaran, permukaan penerima juga mendapatkan radiasi yang dipantulkan dari permukaan yang berdekatan; jumlah radiasi yang dipantulkan tergantung dari reflektansi α dari permukaan yang berdektan itu,dan kemiringan permukaan yang menerima. Radiasi yang dipantulkan per jam, juga disebut radiasi patulan , adalah :
Irt = � � T+ � − s �
Dimana α =0,20-0,25 untuk permukaan tanpa salju dan 0,7 untuk permukaan lapisan salju.
31
Panas yang hilang dari bagian atas pelat penyerap karena konveksi alam dan karena radiasi ke permukaan dalam dari pelat penutup kaca,tetapi dalam analisis ini hal itu akan diabaikan. Panas ini dikonduksikan oleh pelat kaca ke permukaan luarnya,kemudian dipindahkan ke atmosfer luar secara konveksi dan radiasi.
Kerugian panas ini dinamai kerugian atas (top loss),dinyatakan dengan:
Ut (tp-ta) W/m2
Dimana Ut disebut koefisien kerugian atas ,W/(m2.K), dan Tp dan Ta masing-masing adalah temperatur pelat dan temperatur lingkungan. Kebalikan dari Ut,1/Ut, adalah jumlah tahanan terhadap perpindahan panas dari pelat ke lingkungan yang dinyatakan dengan sirkuit seri-pararel sederhana.
Dalam sirkuit ini,
h1 = koefisien konveksi (alam) dalam h2 = koefisen radiasi (ekivalen) dalam
R (kaca) = harga R dari kaca,tebal/konduktivitas termal =t/k,m2.K/W Ho = koefisien konveksi luar
Hro = koefisien radiasi (ekivalen) luar
Dimana satuan-satuan untuk koefisien konveksi dan koefisien radiasi adalah W/(m2.K)
Karena dalam suatu sirkuit pararel konduktansi-konduktansi dijumlahkan, dan dalam suatu sirkuitseri tahanannya dijumlahkan, maka tahanan total dapat ditulis
= ℎ + ℎ + � ��� + ℎ + ℎ
32
antara 0o dan 70+oy yang dinyatakan dalam bilangan Rayleigh (perbandingan gaya apung terhadap gaya viskos) dan sudut miring β1. Koefisien tersebut dapat
dengan mudah dinyatakan dari sela z, antara pelat penyerap dan penutup kaca, dengan sudut miring sebagai parameter. Fungsi-fungsi ∅1,∅2 dan ∅3 didefenisikan sebagai berikut:
Dan temperatur rata-rata (Tm) :
Tm =Tp+Tc/2
koefisien radiasi dalam (ekivalen) hri
Penukaran panas radiasi antara penyerap dan penutup adalah : q = � � −�
� +� −
yang dapat ditulis sebagai fungsi koefisien radiasi ekuivalen hri sebagai
q = hri (Tp-Tc)
dimana:
hri = � ��−�� (��−��− )(��−��)
Tahanan termal kaca dinyatakan dengan R(kaca) =
Dimana t adalah tebal kaca, m dan k adalah konduktivitas termal W/(m.K)
33 ho = 5,7 + 3.8 V
dimana V adalah kecepatan angin dalam m/s Koefisien radiasi luar ekivalen dapat ditulis sebagai
Hro = �� ��−�� ���
��−�� ��� W/(m 2.K)
Dimana temperatur langit diperkirakan oleh Swinbank adalah
Tlangit = 0,0552 (Ta2/3) Temperatur luar Ta adalah dalam derajat Kelvin (K)
Pelepasan panas sebuah kolektor surya lebih baik sebagai fungsi dari temperatur masuk fluida Ti. Hal ini dapat dilakukan dengan memakai faktor pelepasan panas yang diberilambang FR. Apabila kerugian panas dinyatakan sebagai fungsi temperatur fluida masuk Ti maka kerugian tersebut dinyatakan sebgai :
UL(Ti-Ta)
Dimana Ti selalu lebih kecil dari pada temperatur pelat yang menjadi dasar bagi UL. Maka perolehan panas yang dinyatatakan sebagai fungsi temperatur fluida masuk, menjadi :
FR [(GT ( α) - UL (Ti-Ta)]
2.3. Kondensor
34
Kondensor bisa di sebut juga suatu alat untuk terjadinya kondensasi refrigeran uap dari kompresor dengan suhu tinggi dan tekanan tinggi. Kondensor sebagai alat penukar kalor berguna untuk membuang kalor dan mengubah wujud refrigeran dari uap menjadi cair.
Faktor-faktor yang mempengaruhi kapasitas kondensor adalah :
1. Luas muka perpindahan panasnya meliputi diameter pipa kondensor, panjang pipa kondensor dan karakteristik pipa kondensor
2. Aliran udara pendinginnya secara konveksi natural atau aliran paksa oleh fan
3. Perbedaan suhu antara refrigeran dengan udara luar 4. Sifat dan karakteristik refrigeran di dalam sistem
Kondensor ditempatkan di luar ruangan yang sedang didinginkan, agar dapat melepas keluar kepada zat yang mendinginkannya. Tekanan refrigeran yang meninggalkan kondensor harus cukup tinggi untuk mengatasi gesekan pada pipa dan tahanan dari alat ekspasi, sebaliknya jika tekanan di dalam kondensor sangat rendah dapat menyebabkan refrigeran tidak mampu mengalir melalui alat ekspansi.
2.3.1. Klasifikasi Ekspansi
Menurut zat yang mendinginkannya, kondensor dapat dibagi menjadi tiga jenis yaitu:
1. Kondensor berpendingin udara (Air Cooled Condenser)
35
Untuk melayani kebutuhan kapasitas yang lebih besar biasanya digunakan multiple air colled condenser. Udara sebagai pendingin kondensor dapat mengalir secara alamiah atau dialiri paksa oleh fan. Kulkas pada umumnya menggunakan kondensor berpendingin udara secara alamiah (konveksi natural) yang umum disebut sebagai kondensor statis. Fan dapat meniupkan udara kearah kondensor dalam jumlah yang lebih besar, sehingga dapat memperbesar kapasitas pelepasan panas oleh kondensor.
Refrigeran dari kompresor pada suhu dan tekanan tinggi dialirkan ke bagian paling atas kondensor. Di dalam kondensor, refrigeran melepas kalor embunnya sehingga mengembun, wujudnya berubah dari uap menjadi cair. Refrigeran dengan tekanan tinggi ini dialirkan dari bagian bawah kondensor ke saringan dan alat ekspansi. Pelepasan panas ini dapat dirasakan yaitu muka kondensor menjadi hangat.
Kondensor berpendingin udara bentuknya sederhana, tidak memerlukan perawatan khusus. Ini adalah keuntungan dari kondensor berpendingin udara. Sistem refrigerasi yang berkapasitas kurang dari 1 kW umumnya menggunakan kondensor jenis ini. Dapat Kita lihat pada Gambar 2.7 Kondensor berpendingin udara.
36
Kondensor jenis ini digunakan pada system yang berskala besar untuk keperluan komersil di lokasi yang mudah memperoleh air bersih. Kondensor jenis ini menjadi pilihan yang ekonomis bila terdapat suplai air bersih mudah dan murah. Pada umumnya kondensor seperti ini berbentuk tabung yang di dalamnya berisi pipa (tubes) tempat mengalirnya air pendingin. Uap refrigeran berada di luar pipa tetapi di dalam tabung (shell). Kondensor seperti ini disebut shell and tube water cooled condenser. Air yang menjadi panas, akibat kalor yang dilepas oleh refrigeran yang mengembun, kemudian air yang telah menjadi panas ini didinginkan di dalam alat yang disebut menara pendingin (cooling tower). Setelah keluar dari cooling tower, air menjadi dingin kembali dan disalurkan dengan pompa kembali ke kondensor. Dengan cara inilah pendingin disirkulasikan. Kondensor jenis ini biasanya digunakan pada sistem berkapasitas besar. Dapat kita lihat seperti Gambar 2.8 Kondensor berpendingin air
Gambar 2.8 Kondensor berpendingin air
37
Kondensor jenis ini disebut juga evaporative condenser. Kondensornya sendiri berbentuk seperti kondensor dengan pendingin air, namun diletakkan di dalam menara pendingin. Percikan air dari atas menara akan membasahi muka kondensor jadi kalor dari refrigeran yang mengembun diterima oleh air dan kemudian diberi pada aliran udara yang mengalir dari bagian bawah ke bagian atas menara. Sebagai akibatnya air yang telah menjadi panas tersebut diatas, didinginkan oleh aliran udara, sehingga pada saat air mencapai bagian bawah menara, air ini sudah menjadi dingin kembali. Selanjutnya air dingin ini dipompakan ke bagian atas menara demikian seterusnya. Dalam Negara yang bemusim empat, pada musim dingin sering kali tidak dibutuhkan percikan air dari atas menara, karena udara sudah cukup dingin dan mampu secara langsung menerima beban kondensor. Dalam keadaan seperti ini, dikatakan bahwa evaporative condenser dioperasikan secara kering. Dengan cara ini maka evaporative condenser dioperasikan secara kering. Maka evaporative condenser ini akan berfungsi seperti kondensor berpendingin udara. Seperti yang terihat pada gambar 2.9 Kondensor berpendingin campuran udara dan air
Gambar 2.9 Kondensor berpendingin campuran udara dan air
2.3.2. Prinsip Kerja Kondensor
38
di kondensor. Panas uap dari refrigeran secara konveksi akan mengalir ke pipa kondensor. Panas akan mengalir ke sirip-sirip kondensor sehingga panas tersebut dibuang ke udara bebas melalui sirip dengan cara konveksi alamiah.
Sehingga untuk memperluas daya konveksi maka luas sirip dirancang semaksimal mungkin. Suhu uap refrigeran didalam kondensor ini akan turun tetapi tekanannya tetap tidak berubah. Bila penurunan suhu gas mencapai titik pengembunannya maka akan terjadi proses pengembunan (kondensasi), dalam hal ini terjadi perubahan wujud gas menjadi liquid yang tekanan dan suhunya masih cukup tinggi (tekanan kondensing).
Proses pendinginan dikondensasikan tersebut menghasilkan refrigeran berbentuk cairan (liquid). Proses kondensasi yang terjadi selama proses percobaan tidak stabil karena menggunakan pendingin udara yang kecepatan udaranya tidak konstan. Jika semakin tinggi kecepatan udara maka pembuangan panas ke udara semakin efektif.
2.3.3. Adsorpsi
Adsorpsi adalah suatu proses yang terjadi ketika suatu fluida (cairan maupun gas) terikat kepada suatu padatan dan akhirnya membentuk suatu film (lapisan tipis) pada permukaan padatan tersebut. Berbeda dengan absorpsi, dimana fluida terserap oleh fuida lainnya dengan membentuk suatu larutan.
Sistem pendingin adsorpsi dapat menggunakan panas tingkat rendah dan menggunakan refrigeran dengan nol ODP dan GWP. Keuntungan dari adsorpsi adalah sebagai berikut :
39
menghasilkan masalah korosi, sedangkan dalam sistem absorpsi, korosi akan mulai terjadi pada suhu di atas 200 oC.
2. Sistem pendingin adsorpsi cocok untuk kondisi dengan getaran yang kuat, seperti di perahu nelayan dan lokomotif, tapi pada sistem absorpsi karena bahan penyerapnya (absorben) dalam bentuk cairan mengalami masalah karena absorben dapat mengalir dari generator ke evaporator atau dari absorber ke kondensor. Ketika absorben berpindah, refrigeran menjadi tercemar dan sistem tidak dapat bekerja secara normal.
3. Sistem adsorpsi jauh lebih sederhana dibandingkan dengan sistem absorpsi. Sebagai contoh, dalam sistem adsorpsi NH3-H2O, peralatan dephlegmate harus digabungkan ke dalam sistem karena titik didih air mirip dengan amonia.
Walaupun adsorpsi biasanya dikaitkan dengan perpindahan dari suatu gas atau cairan ke suatu permukaan padatan, perpindahan dari suatu gas ke suatu permukaan cairan juga terjadi. Substansi yang terkonsentrasi pada permukaan didefinisikan sebagai adsorbat dan material pada mana adsorbat terakumulasi didefinisikan sebagai adsorben.
Pada dasarnya adsorben dibagi menjadi tiga yaitu :
1. Adsorben yang mengadsorpsi secara fisik (karbon aktif, silika gel dan zeolit)
2. Adsorben yang mengadsorpsi secara kimia (calcium chloride, metal hydrides dan complex salts )
3. Adsorben yang mengadsorpsi secara kimia dan fisik (composite adsorbent)
40
adsorbat terikat secara lemah karena adanya gaya van der Waals. Adsorpsi ini relatif berlangsung cepat dan bersifat reversibel (reversible). Karena dapat berlangsung di bawah temperatur kritis adsorbat yang relatif rendah, maka panas adsorpsi yang dilepaskan juga rendah. Adsorbat yang terikat secara lemah pada permukaan adsorben, dapat bergerak dari suatu bagian permukaan ke bagian permukaan lain. Peristiwa adsorpsi fisika menyebabkan molekul-molekul gas yang teradsorpsi mengalami kondensasi. Besarnya panas yang dilepaskan dalam proses adsorpsi fisika adalah kalor kondensasinya Proses adsorpsi fisik terjadi tanpa memerlukan energi aktivasi, sehingga proses tersebut membentuk lapisan jamak (multilayers) pada permukaan adsorben. Ikatan yang terbentuk dalam adsorpsi fisika dapat diputuskan dengan mudah, yaitu dengan cara degassing atau pemanasan pada temperatur 150-200 0C selama 2-3 jam. Seperti yang terlihat pada gambar 2.10 Siklus refrigerasi adsorpsi (clapeyron diagram).
Gambar 2.10 Siklus refrigerasi adsorpsi (Clapeyron diagram)
Keterangan Gambar :
Dalam adsorber 1-2, panas masuk (pemanasan isosteric); 2-3, panas masuk (pemanasan isobarik dan desorpsi); 3-4, panas keluar (pendinginan isosteric) 3-4-1, panas keluar (pendinginan dan isobarik adsorpsi).
Dalam evaporator – kondensor 2‟- 3‟ panas keluar (kondensasi isobarik); 3‟-
41
2. Adsorben yang mengadsorpsi secara kimia (calcium chloride, metal hydrides dan complex salts )
Untuk adsorpsi kimia antara adsorben dan refrigeran, kekuatan pasang kerja adsorpsi kimia umumnya meliputi fungsi kompleksasi, koordinasi, hidrogenasi dan oksidasi. Siklus adsorpsi kimia mencakup empat proses dibagi menjadi dua fase dekomposisi, kondensasi, evaporasi dan sintesis yang ditunjukkan dalam Gambar 2.11
Gambar 2.11 Adsorpsi kimia titik 1, dekomposisi (Desorpsi); titik 2 kondensasi; titik 3 penguapan; butir 4, sintesis (Adsorpsi)
3. Adsorben yang mengadsorpsi secara kimia dan fisik (composite adsorbent)
Pasangan kerja utama adsorpsi komposit adalah silika gel / klorida / air. Adsorben komposit dengan silika gel biasanya dihasilkan aditif klorida. pasangan kerja Klorida/ air, misalnya CaCl2/H2O, bukan merupakan adsorpsi padat karena CaCl2 mencair setelah menyerap sejumlah air, tetapi kuantitas adsorpsi tertinggi CaCl2/H2O sekitar enam kali nilai yang didapat dengan silika gel.
Menurut Aristov et al, karakteristik adsorpsi dari adsorben komposit silika gel dapat dimodifikasi dengan:
a. mengubah struktur pori silika gel. b. mengubah jenis garam.
42
2.4. 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.
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.
Perpindahan Kalor Didalam Evaporator
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
43 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.
Dimana tiap 1 lb es yang mencair membutuhkan panas 144 btu, maka :
1RT = x / = .
1RT = = . � / �
Kapasitas mesin pendingin pada umumnya ditentukan tiga hal, yaitu; jumlah refrigeran yang diuapkan tiap jam, temperatur penguapan refrigeran didalam evaporator, jenis refrigeran yang digunakan.
2.4.1. Jenis Evaporator
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
44
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 itu, laju perpindahan kalor dalam evaporator jenis setengah basah lebih tinggi dari pada 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
45
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 evaporatorsebelum masuk kekompresor. 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.
Adsorpsi adalah proses dimana satu atau lebih unsur-unsur pokok dari suatu larutanfluida akan lebih terkonsentrasi pada permukaan suatu padatan tertentu (adsorbent).Dengan cara ini, komponen-komponen dari suatu larutan, baik itu dari larutan gasataupun cairan, bisa dipisahkan satu sama lain (Treybal, 1980).
Adsorpsi melibatkan proses perpindahan massa dan menghasilkan kesetimbangan distribusi dari satu ataulebih larutan antara fasa cair dan partikel. Pemisahan dari suatu larutan tunggal antaracairan dan fasa yang diserap membuat pemisahan larutan dari fasa curah cair dapatdilangsungkan. sperti yang terlihat pada gambar 2.12
Gambar 2.12 penyerapan suatu zat oleh zat pengadsorpsi.
46
proses adsorpsi bisadilakukan secara tunggal namun bisa pula merupakan kelanjutan dari proses pemisahan dengan cara distilasi.
Jenis-Jenis Adsorpsi
1. Adsorpsi Fisik
Adsorpsi fisik adalah adsorpsi yang terjadi akibat gaya interaksi tarik-menarik antara molekul adsorben dengan molekul adsorbat. Adsorpsi ini melibatkan gaya-gaya
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 adsorbendengan molekul adsorbat. Proses ini pada umumnya menurunkan kapasitas dari adsorben karena gaya adhesinya yang kuat sehingga proses ini tidak reversibel.
3. 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)
47
Konsentrasi zat yang diadsorpsi (adsorbate)
Temperatur
Kesetimbangan Adsorpsi
Fasa kesetimbangan antara cairan dan fasa yang diserap oleh satu atau lebih komponen dalam proses adsorpsi merupakan faktor yang menentukan di dalam kinerja 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.
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.
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.
Isoterm Freundlich
48
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.
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.
49
memasuki evaporator temperaturnya akan berada di bawah temperatur lingkungan. Pada komponen evaporator inilah terjadi proses pendinginan suatu produk dimana kalornya diserap oleh refrigeran untuk selanjutnya menuju adsorben.
2.4.2. Refrigeran
Untuk terjadinya suatu proses pendinginan diperlukan suatu bahan yang mudah dirubah bentuknya dari gas menjadi cair atau sebaliknya untuk mengambil 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 :
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 pembuatan mesin pendingin ini bahan refrigeran yang digunakan adalah metanol. Metanol dipilih karena memiliki kelebihan sebagai berikut :
1. Pada tekanan atmosfir metanol berbentuk cairan yang ringan, mudah menguap dibandingkan dengan air meskipun pada tekanan 1 atm.
50 3. Tidak korosif terhadap besi atau baja.
4. Dapat dgunakan sistem absorpsi dan kompresi.
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. Contoh metanol dapat kita lihat pada gambar 2.13
Gambar 2.13 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 (ρ) : 0,791- 0793 g/cm3 Titik didih : 64-65 0C
51
Viskositas : 0.59 Mpa pada suhu 20 0C
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.
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:
� = � Dimana :
QL = Kalor laten zat (J)
Le = Kapasitas kalor spesifik laten (J/kg) m = Massa zat (kg)
Kalor sensibel
52
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.
Qs= m.Cp.∆T
Dimana :
Qs = Kalor sensibel zat (J)
Cp = Kapasitas kalor spesifik sensibel (J/kg. K) .T = Beda temperatur (K)
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 : 1. konduksi,
2. konveksi 3. radiasi.
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 yang makin membesar.
53
gerakan elektron bebas. Fourier telah memberikan sebuah model matematika untuk proses ini. Dalam hal satu dimensi, model matematikanya yaitu:
Q= − �∆
k = daya hantar (konduktivitas) termal (W/mK)
Persamaan untuk laju perpindahan kalor konduksi secara umum dinyatakan dengan bentuk persamaan diferensial di bawah ini :
Qx=- kA � �
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) danbila didorong, misal dengan fan atau pompa disebut konveksi paksa (forced convection). Besarnya konveksi tergantung pada :
Luas permukaan benda yang bersinggungan dengan fluida (A). Perbedaan suhu antara permukaan benda dengan fluida (.T). koefisien konveksi (h)
54
Beberapa parameter yang telah diuji dan mengenal bentuk korelasi yang banyak digunakan untuk menentukan koefisien konveksi (hc) yaitu :
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:
Re= �. . � Dimana :
ρ = rapat massa (kg/m3)
v = kecepatan aliran fluida (m/s) D = diameter aliran fluida (m) µ = viskositas fluida (Pa.det)
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:
Pr = �.� Dimana :
Cp = panas spesifik fluida (J/kg.K) µ = viskositas fluida (Pa.det)
55 Bilangan Nusselt (Nu)
Nu=ℎ�.
Dimana :
hc = koefisien konveksi (W/m2K) 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 :
Nu = C (Ren) (Prm)
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. Untuk benda hitam, radiasi termal yang dipancarkan per satuan waktu per satuan luas pada temperatur T kelvin adalah :
E = e. T4
Dimana =
: konstanta Boltzmann : 5,67 x 10-8 W/ m2 K4.
56 BAB III
METODE PENELITIAN
3.1. Metode Pelaksanaan Rancang Bangun
Dalam pelaksaan penelitian ini dilakukan kegiatan-kegiatan yang meliputi tahapan yaitu:
Tidak Study Literatur
Perancangan Mesin Pendingin Tenaga Surya
pembuatan Kondensor pembuatan Adsorber
/ Kolektor
pembuatan Evaporator Tahapan Persiapan, Survey dan pembelian Alat Dan Bahan
Uji Mesin Adsorpsi Karbon Aktif,
Assembling Mesin Pendingin Mulai
57 3.2.Tempat pembuatan
Pembuatan Mesin Pendingin Tenaga Surya dengan Luas Kolektor 0,25 m2 dilakukan di bengkel di kota Binjai.
3.3.Bahan dan alat
3.3.1. Bahan-bahan
1. Pelat stainless steel
Ada pun bahan utama dalam pembuatan mesin pendingin ini kita banyak menggunakan Plat Stainless steel dengan tebal 1mm sebanyak 1 lembar. Alasan menggunakan plat ini karena plat ini di buat dari logam paduan dari beberapa unsur logam dengan komposisi tertentu. sehingga di dapatkan sifat baru dari logam tersebut yang lebih kuat, lebih tahan terhadap terhadap korosif dan sifat unggul lainnya.
Selain itu energy kalor yang di serap juga lebih baik, karena seperti yang kita ketahui energy kalor pada zat padat dihantarkan melalui dua mekanisme berikut:
a. melalui angkutan electron bebas yang bergerak di dalam struktur kisi-kisi bahan, disamping dapat mengangkut muatan listrik, dapat pula membawa energy kalor dari daerah yang bersuhu tinggi ke daerah yang bersuhu rendah. Elektron ini disebut juga Gas elekttron.
b. Melalui Getaran kisi (phonon), yang mana pada mekanisme ini energy berpindah sebagai energy getaran dalam struktur kisi bahan. Getaran kisi-kisi adalah gelombang tetap (standing waves) yang bergerak melalui material dengan kecepatan suara (Eckert, E.R.G., 1972)
2. Katup/valve 4 buah
Yang mana pada mesin pendingin ini menggunakan katup/ valve
58 3. Manometer vacuum
Pada mesin pendingin ini juga terdapat Manometer Vacuun sebanyak dua buah, yang di letakkan di pipa pada evaporator dan pada absorber, yang mana fungsi dari manometer ini adalah untuk mengetahui tekanan pada saat pemvacuuman terjadi sehingga kita dapat mengetahui mesin pendingin tersebut bocor atau tidak.
4. Karbon aktif
Karbon aktif ini adalah salah satu bahan untuk pembuatan kolektor, karena pada kolektor di isi 13 Kg karbon aktif tadi. karena karbon aktif merupakan adsorben yang paling umum di gunakan untuk proses adsorpsi karena kapasitas adsorpsinya yang tinggi. Kapasitas adsorpsi dari karbon aktif tidak hanya bergantung pada luas permukaan, tetapi juga pada struktur pori internal, karakteristik permukaan, dan adanya gugus fungsi pada permukaan pori, sehingga panas yang di serap lebih baik.
5. 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 ) .
59
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 % .
6. Biji besi ukuran 25mm
Biji Besi ini akan di letakkan di dalam kolektor bersamaan dengan karbon aktif dan alumina aktif. yang berfungsi untuk penyerapan panas
pipa stainless steel ini di gunakan dalam pembuatan kondensor. di gunakan pipa yang terbuat dari stainless steel karena uap yang dihasilkan oleh panas dan penguapan methanol itu mengandung cairan, maka nya di gunakan pipa jenis ini agar menghindari karat yang terkena cairan tadi dan cairan dari sekitar sperti hujan dan lain-lain sehingga mesin dapat bertahan lama.
9. Selang karet 1 meter
Selang karet ini di gunakan untuk menyambungkan pipa kolektor ke kondensor dan dari kondensor ke evaporator.
10.Busa 1 lembar 1x 1 meter
60 11.Lem araldite
Lem araldite ini di gunakan untuk menempel bekas las agar meminimalisir kebocoran yang terjadi pada kolektor, kondensor, da evaporator. Lem araldite ini terdiri dari 2 macam yaitu lem berwarna merah dan berwarna biru. Sedangkan lem yang digunakan pada mesin ini adalah lem araldite yang warna merah karena lem yang berwarna merah lebih cepat mengering.
12.Papan
Papan ini di gunakan untuk membuat kotak tempat kolektor akan di letakkan. fungsinya adalah agar panas yang di serap tidak terbuang, sedangkan papan yang di gunakan adalah dari kayu kelapa.
13.Paku ½ "
Paku ini di gunakan dalam pembuatan kotak kolektor.
14.kaca tebal 3 mm
Setelah kotak kolektor selesai di buat dan di beri busa tadi, kemudian kilektor di masukkan ke dalam. lalu di tutup dengan kaca yang tebalnya 3mm. fungsi dari kaca ini adalah untuk menjaga agar panas yang didapat dari sinar matahari tidak terbuang.
15.Pelat besi siku 50 x 50 x 5
Plat besi suku ini di gunakan dalam pembuatan rangka mesin. besi siku di potong beberapa bagian, kemudian di las dan di bentuk sesuai dengan gambar.
16.Cat hitam
