Rancang Bangun Generator pada Mesin Pendingin Menggunakan Siklus Absorpsi Memanfaatkan Panas Buang Motor Bakar dengan Pasangan Refrijeran-Absorben Amonia-Air

(1)

(2)

(3)

(4)

Lampiran 3. Diagram Tekanan-Konsentrasi-Temperatur larutan Amoni-air

(5)

Lampiran 4. Diagram spesifik termal larutan Amonia-air

(6)

Lampiran 5. Diagram viskositas larutan Amonia-air

(7)

Lampiran 6. Konduktifitas termal larutan Amonia-air

(8)

(9)

Lampiran 8. Tabel ukuran standar tube

Lampiran 9. Tabel bilangan nusselt untuk aliran laminar

(10)

(11)

(12)

30 116 77,3 28,4 70,8

Lampiran 12. Data temperatur percobaan ketiga

(13)

(14)

Lampiran 13. Data laju perpindahan panas percobaan pertama

(15)

Lampiran 14. Data laju perpindahan panas percobaan kedua

(16)

0.071663 0.023129 94.7923752 0.071679 0.026006 97.6847138

Lampiran 15. Data laju perpindahan panas percobaan ketiga

(17)

0.07173 0.022847 94.576556 0.071722 0.0232 94.922017 0.071722 0.020441 92.162888 0.071718 0.023482 95.200138

(18)

(19)

DAFTAR PUSTAKA

Annual book of ASTM. 2016. Standart Specification for Pipe Stainless Steel. Stainless Materials

ASHRAE. 1997. Ashrae Handbook Fundamentals Atlanta. GA C.P Arora.1989. Refrigeration and Air Conditioning, Third Edition.

Mc Graw-Hill Publishing Company Limited : New York Bp Statistical Review. 2015. Produksi Energi Indonesia (Internet)

(Diakses 2016 Mei 29). Tersedia pada : http//www.bp.com/global/energy-economics

Conde M .2006. Thermophysical Properties of NH3 + H2O Mixtures

for Industrial Design of Absorption Refrigeration Equipment. M Conde

Engineering : Zurich

Frank Kreith. 1991. Prinsip Prinsip Perpindahan Panas, Edisi Ketiga. Erlangga : Jakarta

Incropera, Dewitt, Bergman, Lavine. 2006. Fundamentals of Heat and Mass Transfer, Sixth Edition. Willey : New York

Michael J. Moran.1998. Termodinamika Teknik, Jilid Dua. Erlangga : Jakarta

Mark Miller. 2006. Air Conditioning and Refrigeration Mc Graw-Hill : New York

Raymond Chang. 2003. Kimia Dasar, Edisi Ketiga. Erlangga : Jakarta Shan K. Wang. 1991. Hand Book of Air Conditioning and Refrigeration,

second Edition. Mc Graw-Hill Company, Inc : New York

(20)

Soekimin. 2008. Perencanaan Unit Mesin Pendingin Pebuah Pabrik

Es Balok dengan Kapasitas 42 ton per Siklus di Kecamatan Bedagai

Kabupaten Serdang Bedagai. (Skripsi). Universitas Sumatera Utara :

Medan

William S. Janna. 2000. Engineering Heat Transfer, Second Edition. CRC Press LLC : Florida

Yunus A. Cengel. 1989. Heat and Mass Transfer A Practical Approach, Third Edition. Mc Graw-Hill, Book Company, Inc : Singapore

(21)

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Waktu Dan Tempat Penelitian

Adapun penelitian ini dilakukan dalam kurun waktu kurang lebih 5 bulan yaitu dimulai dari perancangan alat, pembuatan alat, serta pengujian alat. Tempat penelitian dilakukan di Laboratoriun Foundry, Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.

3.2 Alat dan Bahan baku 3.2.1 Alat

Alat yang dipakai dalam penelitian ini terdiri dari:

1. Pompa Air DAP DB-125A

Berfungsi untuk mengalirkan air dari drum penampung ke absorber agar temperatur yang diinginkan tercapai.

Gambar 3.1 Pompa Air

Spesifikasi pompa:

 Jenis pompa : DB-125A  Kapasitas Pompa : 42L/min

(22)

 Frekuensi : 50 Hz  Daya Masukan : 230 Watt  Daya keluaran : 125 Watt

 Kapasitor : 6µF/450 V

 Suhu cairan masuk : 350C  Tinggi dorong : 12 meter  Tinggi total maksimum : 21 meter  Tinggi hisap maksimal : 9 meter 2. Pompa Vakum

Pompa vakum berfungsi untuk memvakumkan rangkaian mesin pendingin.

Gambar 3.2 Pompa Vakum

Spesifikasi :

 Merek : Robin air  Model No : 15601  Capacity : 142 L/m  Motor h.p : ½

(23)

3. Pressure Gauge

Digunakan untuk mengukur tekanan ammonia air pada generator.

Gambar 3.3 Pressure Gauge Spesifikasi Pressure Gauge :

 Buatan : Jepang

 Tekanan maksimal : 10 Bar  Tekanan minimal : 0 Bar 4. Stop watch

Stop watch digunakan untuk menghitung waktu yang diperlukan pada

perubahan suhu selama proses pengujian.

(24)

5. Termometer digital

Termometer digital digunakan untuk mengukur temperatur amonia air dan gas buang yang masuk dan keluar dari generator.

Gambar 3.5 Termometer digital

6. Alat bantu perbengkelan

Alat bantu perbengkelan, seperti : kunci pas, kunci ring, lem silikon, obeng,

tang, palu, lem.

7. Drum

Drum digunakan sebagai tempat penampungan air yang akan dialirkan pada

absorber.

8. Kran dan Penyambung Pipa

Kran digunakan untuk menutup dan menghubungkan aliran fluida dan

(25)

Gambar 3.6 Penyambung Pipa dan kran

9. Rockwool

Bahan ini digunakan sebagai lapisan isolator pada generator.

Gambar 3.7 Rockwool

10.Busa Hitam

Bahan ini memiliki fungsi yang sama dengan rockwool.

(26)

3.2.2 Bahan

Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah Ammonium hydroxide

(NH4OH) yaitu sebagai pasangan refrigerant-absorbent.

Gambar 3.9 ammonium hydroxide (NH4OH)

3.3 Eksperimental set up

Pengujian generator dilakukan dengan menghubungkan sensor termometer pada

aliran amonia-air dan gas buang yang keluar dan masuk generator, adapun fungsi

dari alat tersebut adalah untuk mengukur parameter berikut ini :

1. Temperatur ammonia air keluar generator

2. Temperatur ammonia masuk generator

3. Temperatur gas buang masuk generator

(27)

Gambar 3.10 Titik Eksperimental set up

3.4 Prosedur pengujian

Langkah langkah prosedur pengujian yang dilakukan pada percobaan ini adalah

sebagai berikut:

1. Rangkaian mesin pendingin siklus absorbsi divakumkan dengan

menggunakan pompa vakum dimana proses pemvakuman berfungsi untuk

mengkosongkan udara dan juga untuk mengecek kebocoran.

2. Setelah langkah pertama selesai dilanjutkan dengan menghidupkan mesin

dengan kecepatan yang telah ditentukan. Proses ini bertujuan untuk

menanaskan generator dengan mengalirkan gas buang masuk generator.

Adapun temperatur gas buang yang diperlukan memenaskan generator

adalah sebesar 1100C. Proses pemanasan ini membutuhkan waktu kira-kira

10-15 menit.

3

2 1

(28)

3. Kemudian larutan ammonia air diisi ke dalam mesin pendingin melalui

kran yang terletak di absorber.adapun larutan amonia air yang diisi

sebanyak 5 liter.

4. Selanjutnya menghidupkan pompa,kipas kondensor,thermometer digital,

dan kipas evaporator.

5. Langkah selanjutnya membuka kran/katup pada absorber agar larutan

ammonia-air di dalam absorber dapat dialirkan pompa dan menghidupkan

stopwatch.

6. memasukkan temperatur yang tertera di thermometer digital dan tekanan

yang tertera di pressure gauge ke lembar data.

7. Menghitung waktu yang diperlukan sampai tercapai temperatur paling

rendah.

3.5 Proses Pembuatan Mesin Pendingin Absorpsi

1. Proses pembuatan Generator Shell and Tube

Generator dibuat dengan menggunakan jenis shell and tube. Untuk

mendapatkan sambungan yang kuat dan mencegah kebocoran maka generator di

las menggunakan argon. Generator yang dibuat dengan panjang 1,1 m dengan

(29)

Gambar 3.11 Proses Pengelasan Generator

Gambar 3.12 Buffel atau sekat Generator

2. Proses pembuatan kondensor

Jenis kondensor yang digunakan adalah jenis kondensor tube aliran

(30)

Gambar 3.13 Pembuatan kondensor

3. Pembuatan Absorber

Jenis absorber yang digunakan adalah jenis absorber annulus. Dimana

larutan ammonia-air pada aliran luar sedangkan pada aliran dalam air

pendingin.

(31)

4. Pembuatan evaporator

Evaporator yang digunakan adalah jenis bare tube atau dengan kata lain

tanpa fin atau sirip. Jenis aliran adalah aliran menyilang dengan jumlah laluan

pipa adalah 5 laluan.

Gambar 3.15 Pembuatan evaporator

5. Proses pembuatan rangka mesin pendingin

Rangka mesin pendingin dibuat menggunakan besi siku dengan dimensi

2m x 1m x 1m. Yang terdiri dari dudukan generator, dudukan kondensor, dudukan

absorber, dudukan kotak pendingin dan dudukan pompa.

(32)

6. Rangkaian mesin pendingin siklus absorpsi

Setelah semua bagian alat telah jadi, maka alat dirangkai pada rangka

mesin pendingin. Begitu juga dengan pipa dan sambungan-sambungan

dihubungkan sehingga terbentuk siklus.

(33)

3.6 Tahapan Prosedur Penelitian

Gambar 3.18 Diagram alir proses pengujian Perhitungan dan Diskusi Perancangan mesin

pendingin siklus absorpsi

Pembuatan komponen mesin pendingin siklus absorpsi

Pengujian alat dan Pengambilan Data

Hasil Analisa hasil

percobaan

Kesimpulan

Selesai Mulai

Studi Literatur

Buku Referensi, Jurnal, Internet, dll

Ya

(34)

BAB IV

HASIL DAN ANALISA PENGUJIAN

4.1 Analisa Termodinamika

Untuk mendapatkan panjang generator yang diperlukan terlebih dahulu dihitung panas yang dibutuhkan di generator. Setelah mendapatkan panas yang dibutuhkan dilanjutkan dengan perhitungan panas yang tersedia dalam gas buang, dan selanjutnya kita bisa menghitung perancangan pipa generator. Maka dimulai dengan menghitung panas yang dibutuhkan di generator.

Gambar 4.1 Siklus absorpsi

(Sumber : Miller, 2006; Moran, 1998; Shan, 1991)

4.1.1 Panas yang dibutuhkan Generator

Tahap awal dimulai dengan menentukan temperatur di evaporator, kondensor, generator dan absorber. Maka ditentukan sebagai berikut :

Temperatur Evaporator : 0°C

Temperatur Kondensor : 35°C

Temperatur Generator : 90°C

(35)

Dari temperatur ini kita akan menghitung besar tekanan, enthalphy, dan entrophy. Hasil perhitungan ini diperoleh dari tabel Thermophysical Properties of Refrigerants dan hasilnya ditampilkan pada tabel di bawah ini.

Tabel 4.1 Tekanan, Enthalphy dan Entrophy

Titik Tekanan (P) Enthalphy (h)

Beban di evaporator ditentukan sebesar 50 watt pada perancangan ini. Dari tabel di atas kita dapat menghitung laju aliran massa di evaporator.

Laju aliran massa =

Laju aliran massa = 4,56483. × 10-5 kg/s

Dengan mengetahui laju aliran massa di evaporator maka besar pembebanan di kondensor bisa dihitung,yaitu :

Pembebanan kondensor = Laju aliran massa × (enthalpi di titik 3 - enthalpi di titik 2)

Pembebanan kondensor = ṁ × ( h3 – h2)

Pembebanan kondensor = 4,56483. × 10-5 kg/s × (1615,007 kJ/kg - 366,48 kJ/kg)

(36)

Selanjutnya ditentukan konsentrasi larutan amonia-air. Konsentrasi amonia-air dapat ditentukan berdasarkan grafik konsentrasi amonia air (terlampir).

Dari grafik tersebut diketahui :

Pada tekanan 13,5105 Bar dan temperatur 90°C konsentrasi larutan amonia-air sebesar 0,533 dan konsentrasi larutan ini konsentrasi kuat. Pada tekanan 4,2941 Bar dan temperatur 35°C konsentrasi larutan amonia-air sebesar 0,4 dankonsentrasi larutan ini konsentrasi lemah.

Dengan mengetahui konsentasi larutan amonia-air maka enthalpi di titik 5, 6, 7, dan 8 dapat dicari pada grafik temperatur, konsentasi dan enthalpi.

Tabel 4.2 konsentrasi dan enthalpi

Titik Temperatur Konsentrasi Enthalpi

5 30 0,4 -100 kJ/kg

6 30 0,4

7 90 0,533 175 kJ/kg

8 90 0,533

Selanjutnya menghitung laju aliran massa dititik 7, dan 8. Dari hukum kekekalan massa refrigeran pada generator diketahui persamaan :

ṁ6.X6 = ṁ7.X7 + ṁ1

(37)

Hukum kekekalan energi pada absorber adalah :

Qa = ṁ8.h8+ ṁ1.h1- ṁ5.h5

Qa = 0,115372136 kW

Hukum kekekalan energi pada generator adalah :

Qg = ṁ2.h2+ ṁ7.h7- ṁ6.h6

Qg = 0,122365337 kW

4.1.2 Panas yang tersedia dalam gas buang

Pada pembahasan sebelumnya telah diketahui bahwa energi yang diperlukan generator adalah 0,122365337 kW. Sehingga dicari mesin diesel yang diharapkan bisa menghasilkan panas gas buang sebesar energi 0,122365337 kW. Mesin diesel itu kemudian kami uji agar bisa menghasilkan panas yang sesuai dan didapatkan :

Temperatur gas buang : 110°C

Penggunaan solar : 80 ml/10 menit

Perbandingan udara dan bahan bakar : 14,5:1 ρ solar : 884,1 kg/m3

Maka laju aliran massa bahan bakar,

m = V x ρ

m = 80 ml/10menit x 884,1 kg/m3

m = (80.10-6 m3/ 360 s) x 884,1 kg/m3

m = 0,000232 kg/s

dengan perbandingan udara dan bahan bakar 14,5 : 1, maka :

(38)

laju aliran massa gas buang = 15,5 x 0,000232 kg/s

laju aliran massa gas buang = 0,0036 kg/s

. Dengan diketahui laju aliran massa dan temperatur masuk gas buang maka temperatur keluar gas buang dicari agar menghasilkan beban yang diinginkan. Untuk mendapatkan temperatur gas buang keluar generator dilakukan try and error pada persamaan Q = ṁ.Cp ( ti – to ) dikarenakan nilai panas jenis cp yang belum diketahui

*Diasumsikan maka Cp = 924,2 kJ/kgK

*Diasumsikan maka Cp = 915,7477kJ/kgK

*Diasumsikan maka Cp = 915,6282 kJ/kgK

*Diasumsikan maka Cp = 915,6265kJ/kgK

(39)

4.2 Perhitungan Panjang pipa generator

Perhitungan ini bertujuan untuk menghitung seberapa panjang tube atau shell yang diperlukan agar larutan ammonia-air konsentrasi kuat pada temperatur 30°C yang masuk pada sisi masukan tube menjadi 90°C pada sisi keluaran tube.

Adapun perancangan generator menggunakan alat penukar kalor tipe shell and tube .

Dimensi utama dari generator :

Diameter dalam tube, = 1,1 cm

Jarak tube pitch, p = 2,3 cm

Jarak antar buffle, b = 7 cm

Jumlah tube, n = 20

c = p – di,t, c = 1 cm

shell

Diameter dalam shell, = 15 cm

(40)

Gambar 4.2 Jarak antar tube

4.2.1 Perhitungan Koefisien Perpindahan Panas Konveksi Internal Shell

Sebelumnya telah diketahui data-data berikut ;

Laju aliran massa gas buang,m = 0,0036 kg/s

Temperatur masuk, = 1100C

Temperatur keluar, = 72,877570C

Temperatur rata-rata, = 91,438790C

Pada temperature 91,43879 diperoleh :

µ = 1,7639. 10-5Pa.s

Pr = 0,7393052

k = 0,02185672 W/m.K

Cp = 0,9156265 kJ/kg.K

(41)

= (4xp2 /(3,14xdi ))-di

= 0,050262

Luas aliran shell,

A = di x b x c / p

A = 0,005478

Laju aliran shell,

Gs = m / A

Gs = 0,0036/0,005478

Gs = 0,657143

Bilangan Reynold

=

= 1872,533 (aliran laminar)

Bilangan nusselt,

= 20,55183

(42)

=

= 8,937028 W/m2K

Faktor pengotoran pada shell

Maka koefisien konveksi eksternal total,

= 8,921083 W/m2K

4.2.2 Koefisien Perpindahan Panas Konveksi Internal Pada Tube

Pada perencanaan generator temperatur amonia air masuk dan keluar generator adalah 30°C dan 90°C, dan laju aliran massa 0,00016kg/s. Maka :

Laju aliran massa gas buang, m = 0,00016 kg/s

Temperatur masuk, = 300C

Temperatur keluar, = 900C

Temperatur rata-rata, = 600C

Pada temperatur 60°C diperoleh :

µ = 3,942308. 10-4 Pa.s

Pr = 3,545189409

k = 0,4875 W/m.K

(43)

Maka didapat, diameter hidrolik tube, = = 0,011 m

Luas aliran tube,

A = n x 3,14x di2 / 4

A = 0,0019

Laju aliran tube,

Gt = m / A

Gt = 0,00016/0,0019

Gt = 0,084373

Bilangan Reynold

=

= 2,354221 (aliran laminar)

Bilangan nusselt,

Maka koefisien perpindahan panas konveksi,

=

= 193,2273 W/m2K

(44)

Maka koefisien konveksi eksternal total,

= 186,0378 W/m2K

4.2.3 Perpindahan panas menyeluruh

Material yang digunakan untuk tube adalah stainless steel 304, pada suhu 600C koefisien thermalnya adalah 14,9 W/mK

=

= 8,541951 W/m2 K

4.2.4 Nilai LMTD

Nilai LMTD yang didapat pada perancangan generator adalah sebagai berikut.

LMTD =

=

(45)

4.2.5 Luas Penampang Total (A)

Besar kalor yang diterima oleh larutan pada generator adalah = 122,365 W, maka luas penampang total pipa untuk generator adalah sebagai berikut.

A =

A = 0,477525 m2

4.2.6 Panjang Generator, L

Dari luas penampang total selanjutnya dihitung panjang generator. Panjang generator yang didapatkan dari perhitungan yaitu :

L =

L = 0,691264 m

Maka panjang dari generator adalah 0,691264 m

4.3 Dimensi dan material dari generator

Berdasarkan perhitungan di atas maka dibuat benda jadi generator dengan dimensi generator yang digunakan adalah sebagai berikut :

Diameter luar shell, = 0,16827 m

Diameter dalam shell, = 0,15 m

(46)

Diameter luar tube, = 0,013 m

Diameter dalam tube, = 0,011 m

Material shell = Stainless steel 304

tube = Stainless steel 304

4.4 Data Hasil pengujian Generator

4.4.1 Data hasil pengujian pertama

Pengujian ini dilakukan selama 40 menit dengan mengukur temperatur di titik yang telah ditentukan dan hasil pengujian dapat dilihat pada tabel berikut ini.

(47)

22 115.6 76.6 28.5 68.3

Gambar 4.3 Grafik antara Temperatur generator terhadap waktu

Pada pengujian pertama maka didapatkan kesimpulan sebagai berikut :

(48)

Temperatur terendah : 111,4°C Temperatur rata-rata : 115,835°C 2. Pada temperatur keluar gas buang

Temperatur tertinggi : 76,7°C Temperatur terendah : 73,8°C Temperatur rata-rata : 75,8125°C 3. Pada temperatur masuk amonia air

Temperatur tertinggi : 34,9°C Temperatur terendah : 28°C Temperatur rata-rata : 29,5475°C 4. Pada temperatur keluar amonia air

Temperatur tertinggi : 72,5°C Temperatur terendah : 62,3°C Temperatur rata-rata : 67,8975°C

4.4.2 Data hasil pengujian kedua

Tabel 4.4 Data hasil percobaan kedua

(49)

(50)

Pada pengujian kedua maka didapatkan kesimpulan sebagai berikut :

1. Pada temperatur masuk gas buang Temperatur tertinggi : 117,5°C Temperatur terendah : 112,8°C Temperatur rata-rata : 114,9975°C 2. Pada temperatur keluar gas buang

Temperatur tertinggi : 79°C Temperatur terendah : 74°C Temperatur rata-rata : 76,6975°C 3. Pada temperatur masuk amonia air

Temperatur tertinggi : 36,4°C Temperatur terendah : 28,1°C Temperatur rata-rata : 30,0925°C 4. Pada temperatur keluar amonia air

(51)

4.4.3 Data hasil pengujian ketiga

(52)

29 114 73,7 29,1 69,1

30 113,8 73,8 29,1 69,3

31 113,9 73,6 28,9 69,7

32 114,2 73,6 28,9 70,2

33 114,3 73,5 29,3 70,3

34 114,3 73,8 37,4 70,5

35 114,7 74,1 37,8 70,3

36 114,4 73,9 37,9 69,9

37 114,2 73,6 38 70,1

38 114,7 73,7 37,7 70,3

39 114,5 73,6 37,6 70,3

40 114,3 73,7 37,4 70,4

Pada pengujian ketiga maka didapatkan kesimpulan sebagai berikut :

(53)

Temperatur tertinggi : 73,9°C Temperatur terendah : 71,2°C Temperatur rata-rata : 73,145°C 3. Pada temperatur masuk amonia air

Temperatur tertinggi : 38°C Temperatur terendah : 28,8°C Temperatur rata-rata : 30,79°C 4. Pada temperatur keluar amonia air

Temperatur tertinggi : 70,5°C Temperatur terendah : 58,3°C Temperatur rata-rata : 65,89°C

4.5 Analisa kesetimbangan energi

Untuk menghitung laju perpindahan panas pada generator bagian dalam dapat dihitung dengan persamaan :

Q = Q1 + Q2

Q1 = m1.Cp.∆T

Q2 = m2.(h2 – h6)

= Kalor yang diserap air (kJ) = Laju aliran massa air (Kg/s) = Kalor spesifik air (J/kg K)

= Perubahan temperatur (0C) h = entalpi(kJ/kg.K)

(54)

Sehingga didapatkan laju perpindahan panas rata-rata pada percobaan pertama Q1 = 0,00016 × 4,383929 × (67,8975-29,5475)

Q1 = 0,026899 kW = 26,899 W

Q2= 4,56483.10-5 × ( 1485,33+87,5 )

Q2= 0,071797 kW = 71,797 W

Q = Q1 + Q2

Q = 26,899 W + 71,797 W

Q = 98,696 W

Gambar 4.6 Grafik antara Q dengan Temperatur larutan pada percobaan pertama

Grafik berdasarkan data laju perpindahan panas pada percobaan pertama (terlampir).

Laju perpindahan panas rata-rata pada percobaan kedua

Q = Q1 + Q2

Q1 = m1.Cp.∆T

Q2 = m2.(h2 – h6)

(55)

= Kalor spesifik air (J/kg K) = Perubahan temperatur (0C) h = entalpi(kJ/kg.K)

Dimana pada temperatur rata-rata didapatkan : 1 = 0,00016 kg/s

2 = 4,56483.10-5 kg/s = 4,383929 J/kgK

= (66,5575-30,0925)0C

h2 = 1486,16

h6 = 87,5

Sehingga didapatkan laju perpindahan panas rata-rata pada percobaan kedua Q1 = 0,00016 × 4,383929 × (66,5575-30,0925)

Q1 = 0,025622 kW = 25,622 W

Q2= 4,56483.10-5 × ( 1486,16 + 87,5 )

Q2= 0,0718349 kW = 71,8349 W

Q = Q1 + Q2

Q = 25,622 W + 71,8349 W

(56)

Gambar 4.7 Grafik antara Q dengan temperatur larutan pada percobaan kedua

Grafik berdasarkan data laju perpindahan panas pada percobaan kedua (terlampir).

Laju perpindahan panas rata-rata pada percobaan ketiga

Q = Q1 + Q2

Q1 = m1.Cp.∆T

Q2 = m2.(h2 – h6)

= Kalor yang diserap air (kJ) = Laju aliran massa air (Kg/s) = Kalor spesifik air (J/kg K)

= Perubahan temperatur (0C) h = entalpi(kJ/kg.K)

Dimana pada temperatur rata-rata didapatkan : 1 = 0,00016 kg/s

2 = 4,56483.10-5 kg/s = 4,383929 J/kgK

(57)

h2 = 1486,61

h6 = 87,5

Sehingga didapatkan laju perpindahan panas rata-rata pada percobaan ketiga Q1 = 0,00016 × 4,383929 × (65,89-30,79)

Q1 = 0,02462 kW = 24,62 W

Q2= 4,56483.10-5 × ( 1486,61 +87,5 )

Q2= 0,071855 kW = 71,855 W

Q = Q1 + Q2

Q = 24,62 W + 71,855 W

Q = 96,475 W

Gambar 4.8 Grafik antara Q dengan temperatur larutan pada percobaan ketiga

Grafik berdasarkan data laju perpindahan panas pada percobaan ketiga (terlampir).

4.6 Keefektifan generator

(58)

dapat digunakan rumus efektifitas yang tepat. Didalam perhitungan ini sifat-sifat fisik fluida dihitung pada temperatur rata-rata.

Cc = ṁccp,c Ch = ṁhcp,h

Bila Ch = Cmin maka keefektifan ε ε =

Bila Cc = Cmin maka keefektifan ε ε =

Dimana pada temperatur rata-rata didapatkan :

Maka didapat :

Dan untuk

Karena sehingga,

(59)

ε =

didapatkan keefektifan generator sebesar, ε = 44,444%

(60)

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

1. Generator yang merupakan bagian dari mesin pendingin siklus absorbsi dibuat dengan dimensi :

Diameter luar shell, = 0,16827 m Diameter dalam shell, = 0,15 m Panjang shell , = 0,6912 m Diameter luar tube, = 0,013 m Diameter dalam tube, = 0,011 m Material shell = Stainless steel 304 Material tube = stainless steel 304

2. Besar pembebanan di generator sebesar 122,365 W.

3. Dari hasil pengujian diperoleh laju perpindahan panas pada generator pada pengujian pertama didapatkan sebesar 90,078 W, pada percobaan kedua didapatkan sebesar 89,424 W dan pada percobaan ketiga sebesar 88,487 W.

4. Diperoleh keefektifan rata-rata percobaan pertama dari absorber sebesar 44,444%, pada percobaan kedua sebesar 42,948% dan percobaan ketiga sebesar 42,9542%.

(61)

5.2 Saran

Adapun saran untuk penelitian selanjutnya adalah :

1. Memperhatikan sambungan-sambungan agar tidak terjadi kebocoran.

2. Menggunakan sumber panas yang stabil agar panas yang dihasilkan sesuai dengan perencanaan.

(62)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Siklus Absorpsi

Siklus absorpsi adalah termodinamika yang dapat digunakan sebagai siklus refrigerasi dan pengkondisian udara yang digerakkan oleh energi dalam bentuk panas. Siklus absorpsi yang sering dijumpai sering digunakan untuk teknik pendingin tapi bisa juga digunakan untuk pengkondisian udara. Dari beberapa jenis siklus teknik pendingin dan pengkondisian udara, siklus absorpsi adalah siklus yang sangat efisien karena siklus absorpsi dapat dijalankan dengan sumber panas yang temperaturnya kurang dari 200 ⁰C dan panas ini bisa didapatkan dengan memanfaatkan panas terbuang seperti gas buang, geothermal, dan panas matahari. Maka berdasarkan sumber panasnya mesin pendingin siklus absorbsi dapat dibagi menjadi :

• Pembakaran dengan bahan bakar (direct-fired), dimana bahan bakar yang digunakan dapat berupa minyak bumi (solar) dan gas. Pada sistem pembakaran langsung diperlukan peralatan burner untuk pembakaran bahan bakarnya.

• Uap (steam-fired), tenaga yang dihasilkan berasal dari uap panas (steam) yang biasanya dihasilkan oleh steam boiler atau bisa juga dari panas bumi (geothermal).

• Air panas (hot water-fired) sumber air panasnya dapat berupa diesel genset.

• Dan yang terakhir adalah memanfaatkan panas terbuang seperti gas buang dari pabrik-pabrik atau mesin, geothermal, panas matahari.

(63)

dipasarkan secara komersial untuk industri-industri seperti industri perminyakan dan kimia. Namun pada tahun 1915 ketika kompresor amonia tenaga listrik diperkenalkan dan diterima masyarakat dengan baik, perkembangan teknik pendingin siklus absorpsi mulai berkurang.

2.1.1 Teori Umum Siklus Absorpsi

Pada dasarnya siklus absorpsi memanfaatkan ikatan kimia antara dua zat yaitu zat penyerap dan zat yang diserap. Proses pengikatan ini dapat terjadi secara alami atau tanpa energi luar. Tetapi untuk proses pelepasan ikatannya, akan diperlukan panas. Setelah terpisah oleh panas , kedua pasangan zat ini akan dapat dicampur kembali. Proses ini dapat diulang menjadi sebuah siklus. Dan siklus inilah yang dimanfaatkan untuk dijadikan siklus refrigerasi dan menjadi dasar siklus absorpsi. Zat yang dapat diserap (diikat) oleh zat lain akan disebut absorbate, sementara zat yang bertugas menyerap (mengikat) akan dinamakan

absorben. Zat yang diikat bertindak sebagai fluida kerja yang melakukan pendinginan, sehingga absorbate sebagai refrijeran dan disebut juga fluida utama (primer), sedangkan fluida sekunder adalah absorben. Pasangan yang sering digunakan adalah Amonia dengan Air dan pasangan Litium Bromida dengan Air. Pasangan ini dapat dijumpai di pasaran pada mesin-mesin pendingin siklus absorpsi. Pada penelitian ini pasangan absorbent-absorbate yang digunakan adalah larutan ammonia-air. Air bertindak sebagai absorben (penyerap) dan amonia bertindak sebagai absorbate (yang diserap). Air akan menyerap amonia dan bersatu menjadi larutan. Dan larutan ini akan berpisah, jika diberikan panas tertentu. Siklus absorpsi menggunakan energi mekanik yang sangat kecil yaitu penggunaan pompa untuk mensirkulasikan fluida kerjanya, persentasinya hanya sekitar 1% dibandingkan dengan energi panas yang digunakan.

Siklus absorpsi sederhana terdiri atas beberapa komponen utama yaitu evaporator, kondensor, generator, absorber, katup ekspansi,dan pompa. Siklus

(64)

Gambar 2.1 Komponen utama siklus absorpsi sederhana

(Sumber : Miller, 2006; Moran, 1998; Shan, 1991)

Untuk mengetahui prinsip kerja siklus absorbsi sederhana ini maka pertama siklusnya dibagi menjadi dua bagian siklus, yaitu siklus pertama merupakan siklus ketika refrijeran terpisah dari absorben, ditunjukkan dengan titik 1-2-3-4. Siklus kedua adalah siklus dimana absorben dan refrijeran terlarut atau terikat. Pada gambar ditunjukkan pada titik 5-6-7-8. Penjelasan prinsip kerja siklus absorpsi sederhana ini dimulai dari titik 1-2-3-4.

Pada siklus pertama atau titik 1-2-3-4, yaitu :

1. Refrijeran menguap dari evaporator di titik 1. Kemudian uap ini akan masuk ke siklus kedua dan keluar di titik 2 pada kondisi uap kering (super heat) dan tekanan tinggi.

2. Dari titik 2, uap refrijeran masuk menuju kondensor. Di kondensor panas dilepaskan ke lingkungan. Proses pelepasan panas ini terjadi secara isobarik, dan akhirnya refrijeran berubah menjadi cair di titik 3. 3. Kemudian refrijeran mengalir dari titik 3 menuju titik 4. Pada proses

ini terjadi penurunan tekanan secara adiabatik oleh katub ekspansi. Pada saat tekanan turun temperatur juga akan turun dan sebagian cairan akan berubah menjadi uap di titik 4.

(65)

Pada siklus kedua atau titik 5-6-7-8, yaitu :

1. Setelah selesai dari siklus pertama uap refrijeran keluar dari titik 1 masuk ke absorber dan keluar melalui titik 6. Di absorber terjadi proses pengikatan uap oleh larutan yang datang dari titik 5 yaitu larutan konsentrasi lemah. Proses ikatan kimia ini akan melepas sejumlah panas ke lingkungan.

2. Kemudian larutan dari titik 6 menjadi larutan konsentrasi kuat akan dipompakan ke titik 7 menuju generator oleh pompa.

3. Larutan dari titik 7 masuk ke generator, disini larutan akan dipanaskan sehingga terjadi proses pelepasan refrijeran dan absorben. Refrijeran akan keluar dari titik 2 sedangkan absorben atau larutan konsentrasi lemah keluar dari titik 8.

4. Dari titik 8 larutan konsentrasi lemah akan diturunkan tekanannya oleh katub ekspansi dan keluar menuju titik 5. Sebagai catatan, untuk membuat siklus absorpsi dapat terjadi rasio tekanan pada generator atau kondensor dan absorber atau evaporator harus diatur cukup tinggi.

Diagram p-h dari siklua absorpsi sederhana dengan komponen siklus kedua ditampilkan pada Gambar 2.2.

(66)

2.1.2. Perbedaan Siklus Absorpsi dengan Siklus Kompresi Uap

Perbedaan siklus absorpsi dengan siklus kompresi uap terletak pada bagaimana caranya menaikkan tekanan refrijeran. Pada siklus kompresi uap refrijeran yang datang dari evaporator akan masuk menuju kompresor. Kompresor inilah yang digunakan untuk menaikkan tekanan refrijeran yang dialirkan kembali masuk ke kondensor. Sedangkan pada siklus absorpsi larutan yang datang dari evaporator akan masuk menuju absorber. Di absorber larutan dari evaporator akan berikatan dengan larutan konsentrasi lemah yang merupakan hasil pemisahan dari generator. Kemudian dipompakan menuju generator, dan di generator terjadi pemisahan larutan yang menghasilkan refrijeran dan larutan konsentrasi lemah. Refrijeran inilah yang akan masuk menuju kondensor. Perlu diketahui bahwa siklus absorpsi dan siklus kompresi uap akan melakukan proses yang sama mulai dari refrijeran masuk ke kondensor sampai keluar dari evaporator.

Jadi dapat disimpulkan bahwa proses siklus absorpsi dan siklus kompresi uap hampir sama hanya saja fungsi dari kompresor pada siklus kompresi uap diganti menjadi absorber, pompa generator dan katup ekspansi pada siklus absorpsi. Hal inilah yang menyebabkan perkembangan siklus absorpsi bertolak belakang dengan siklus kompresi uap. Jika siklus kompresi uap berkembang maka siklus absorsi akan melambat. Tetapi ada beberapa keunggulan siklus absorpsi dibandingkan siklus kompresi uap, yaitu :

1. Pengoperasian yang tidak bising 2. Umurnya yang relatif panjang

3. Efisien dan ekonomis jika memanfaatkan panas terbuang seperti gas buang, geothermal, dan panas matahari.

4. Mudah mengontrol kapasitasnya.

2.2 Pasangan Refrijeran-absorben siklus absorpsi

(67)

refrijeran dan absorben ada beberapa syarat yang harus dipenuhi, yaitu sebagai berikut ini :

1. Tidak boleh membentuk fasa padat selama siklus untuk mencegah aliran siklus terhenti.

2. Refrijeran lebih mudah menguap dengan tujuan mengurangi panas masukan di generator.

3. Antara refrijeran dan absorben harus memiliki ikatan yang kuat agar mengurangi jumlah absorben yang bersirkulasi di dalam siklus sehingga dimensi berkurang.

4. Tekanan operasi tidak terlalu tinggi di generator dan tidak terlalu rendah di absorber. Bertujuan untuk mengurangi dimensi peralatan daya pompa. 5. Tidak korosif

6. Stabil, maksudnya refrijeran dan absorben tidak berubah sifat agar bisa dipakai dalam waktu yang lama.

7. Refrijeran dan absorben harus aman yaitu tidak beracun, tidak mudah terbakar, dan tidak merusak lingkungan.

Syarat syarat diatas belum bisa dipenuhi semua pada pasangan refrijeran dan absorben. Tetapi ada pasangan refrijeran dan absorben yang mendekati yang bisa digunakan yaitu pasangan amonia-air (amonia sebagai refrijeran dan air sebagai absorben) dan pasangan air-lithium bromida (air sebagai refrijeran dan lithium bromida sebagai absorben). Kedua pasangan inilah yang sering dijumpai pada siklus absorpsi yang dikomersialkan.

Ada beberapa keunggulan dan kekurangan antara pasangan amonia-air dan air-lithium bromida, yaitu :

1. Pasangan amonia-air

(68)

kerja yang tinggi serta sifat amonia yang sedikit beracun sehingga membatasi penggunaannya untuk pengkondisian udara. Pasangan amonia-air dapat dioperasikan pada temperatur evaporasi dibawah 0 ºC.

2. Pasangan air- lithium bromida

Pasangan air- lithium bromida memiliki beberapa keunggulan yaitu aman dikarenakan tidak bersifat racun, memiliki volalitas yang tinggi, stabil, dan memiliki panas laten yang tinggi. Tetapi pasangan ini mempunyai kelemahan yaitu pasangan air- lithium bromida tidak dapat dioperasikan mendekati temperatur evaporasi 0 ºC. Hal ini disebabkan air sebagai refrijeran akan berubah menjadi padat sehingga siklus terhenti. Sehingga tidak digunakan bekerja pada temperatur yang rendah.

2.2.1 Amonia

Amonia adalah senyawa kimia dengan rumus NH3. Biasanya senyawa ini didapati berupa gas dengan bau tajam yang khas I (disebut bau amonia). Sifat amonia dapat dilihat seperti tabel di bawah ini.

Tabel 2.1 Sifat Amonia

(Sumber : Chang, 2003)

Titik lebur dan titik didih yang rendah menjadi keunggulan tersendiri dari amonia yaitu pada siklus absorpsi mesin dapat bekerja pada temperatur evaporasi di bawah 0 ºC. Walaupun amonia memberi sumbangan penting bagi keberadaan

Sifat Amonia Massa jenis Titik lebur Titik didih Klasifikasi EU

Panas Laten Penguapan (Le)

(69)

nutrisi di bumi, amonia sendiri adalah senyawa kaustik dan dapat merusak kesehatan. Kontak dengan gas amonia berkonsentrasi tinggi dapat menyebabkan kerusakan paru-paru dan bahkan kematian. Sekalipun amonia diatur sebagai gas tak mudah terbakar, amonia masih digolongkan sebagai bahan beracun jika terhirup.

2.3 Generator

Generator merupakan alat penukar kalor. Pada siklus refrigerasi atau pendinginan generator berfungsi sebagai tempat proses pelepasan refrijeran dari absorben atau disebut desorpsi. Agar proses ini terjadi maka diberikan energi dalam bentuk panas. Dengan demikian generator berfungsi sebagai pemanas. Pada penelitian ini energi dalam bentuk panas diperoleh dari gas buang motor bakar. Adapun proses yang terjadi di generator yaitu dimulai dengan larutan konsentrasi kuat akan masuk ke generator. Kemudian larutan ini dipanaskan oleh gas buang dari motor bakar. Pemanasan ini menyebabkan temperatur larutan meningkat sehingga refrijeran dan absorben berpisah. Refrijeran menjadi uap masuk ke kondensor sedangkan absorben masuk ke katub ekspansi. Absorben ini disebut juga larutan konsentrasi rendah.

Berdasarkan konstruksinya generator yang digunakan adalah heat exchanger tipe tubular (shell and tube) dan berdasarkan bentuk aliran fluida

termasuk heat exchanger single pass (counter flow).

Heat exchanger tipe tubular

Heat exchanger tipe ini melibatkan penggunaan tube pada desainnya.

(70)

kondisi fluida kerja bertekanan dan bertemperatur tinggi dikarenakan tidak ada jenis heat exchanger lain yang mampu untuk bekerja pada kondisi tersebut.

Heat exchanger tipe tubular jenis shell and tube.

Heat exchanger tipe shell and tube merupakan satu tipe yang paling

mudah dikenal. Tipe ini melibatkan tube sebagai komponen utamanya. Salah satu fluida mengalir di dalam tube, sedangkan fluida lainnya di luar tube. Pipa-pipa tube disusun berada di dalam sebuah ruang berbentuk silinder yang disebut

dengan shell, sehingga pipa-pipa tube tersebut berada sejajar dengan sumbu shell.

K o m

Gambar 2.2 heat exchanger tipe shell and tube

(Sumber : Donald Q. Kern, 2006)

Komponen utama dari heat exchanger tipe shell and tube

Komponen utama dari heat exchanger tipe shell and tube adalah sebagai berikut :

1. Tube.

Tube berpenampang lingkaran menjadi jenis yang paling banyak

(71)

1. Shell

ini menjadi tempat mengalirnya fluida kerja yang lain selain yang mengalir di dalam tube. Umumnya shell didesain berbrntuk silinder dengan penampang melingkar. Material untuk membuat shell ini adalah pipa silindris jika diameter desain dari shell tersebut kurang dari 0,6 meter. Sedangkan jika lebih dari 0,6 meter, maka digunakan bahan plat metal yang dibentuk silindris dan disambung dengan proses pengelasan.

2. Front-End dan Rear-End Head

Bagian ini berfungsi sebagai tempat masuk dan keluar dari fluida sisi tube. Selain itu bagian ini juga berfungsi untuk menghadapi adanya efek

pemuaian.

3. Buffle

4.

Ada dua jenis buffle yang ada pada heat exchanger tipe shell and tube, yakni tipe tranversal dan longitudinal. Keduanya berfungsi sebagai pengatur arah aliran fluida sisi shell.

Tubesheet

Tube yang melintang longitudinal membutuhkan penyangga agar

posisinya bisa stabil. Jika sebuah heat exchanger menggunakan baffle tranversal maka ia juga berfungsi ganda sebagai penyangga. Namun jika tidak menggunakan buffle maka membutuhkan penyangga khusus.

Heat exchanger single-pass

(72)

(Sumber : Donald Q. Kern, 2006) Gambar 2.3 Ilustrasi aliran fluida single-pass

Tipe single-pass counter flow heat exchanger

Fluida-fluida yang mengalir pada heat exchanger tipe ini sejajar, akan tetapi memiliki arah yang saling berlawanan. Hal itu membuat desain ini menghasilkan efisiensi perpindahan panas yang paling baik diantara jenis heat exchanger yang lain. Hal ini disebabkan karena fluida dingin yang masuk ke

(73)

2.4 Perpindahan panas

Ketika besi dipanasi, air dimasak, dan matahari menyinari bumi terjadi perpindahan panas. Perpindahan panas adalah ilmu yang mempelajari tentang perpindahan energi (dalam bentuk panas) yang terjadi karena adanya perbedaan suhu diantara kedua benda atau material. Perpindahan panas terdiri atas,konduksi, konveksi, dan radiasi. Konduksi terjadi pada besi yang dipanasi, konveksi terjadi pada air yang dimasakdan radiasi terjadi pada pada saat matahari menyinari bumi. Ilmu perpindahan kalor dapat digunakan untuk menentukan suhu batangan baja sebagai fungsi waktu artinya, ilmu perpindahan kalor dapat mengetahui waktu yang dibutuhkan untuk mencapai temperatur akhir. Adapun perpindahan panas yang terjadi pada siklus absorbsi yaitu :

• Konduksi (hantaran)

• Konveksi (aliran)

2.4.1 Perpindahan panas konduksi

Perpindahan kalor secara konduksi adalah proses perpindahan kalor dimana kalor mengalir dari daerah yang bersuhu tinggi ke daerah yang bersuhu rendah dalam suatu medium (padat, cair, gas) atau medium-medium yang berlainan yang bersinggungan secara langsung. Laju perpindahan panas konduksi melalui suatu lapisan material dengan ketebalan tetap adalah berbanding lurus dengan beda suhu di pangkal dan ujung lapisan tersebut, berbanding lurus dengan luas permukaan tegak lurus arah perpindahan panas dan berbanding terbalik dengan ketebalan lapisan.

Rumus hukum Fourier:

………...…(2.1)

Keterangan :

(74)

k = konduktifitas termal bahan (W/(m2.0C)

= gradient suhu kearah perpindahn kalor (0C/m)

A = luas penampang (m2)

Pada alat penukar kalor perpindahan konduksi terjadi pada bagian tabung/pipa,tahanan termal yang terjadi pada tabung/pipa adalah seperti pada gambar 2.3

Gambar 2.4 Mode perambatan panas pada dinding tube (Sumber : Cengel, 1989)

2.4.2 Perpindahan Panas Konveksi

Bila ada fluida yang bergerak terhadap suatu permukaan, dan kedua suhunya tidak sama, maka akan terjadi mekanisme perpindahan panas secara konveksi. Semakin cepat gerakan fluida tersebut, maka semakin besar laju perpindahan panas konveksinya. Bila fluida tidak bergerak, maka mekanisme perpindahan panas akan menjadi mekanisme perpindahan konduksi kembali.

(75)

disebabkan oleh perbedaan massa jenis fluida akibat adanya variasi suhu pada fluida tersebut. Logikanya, kalau suhu fluida tinggi, tentunya dia akan menjadi lebih ringan dan mulai bergerak keatas.

Sementara konveksi paksa trjadi karena bergeraknya fluida bukan karena faktor alamiah. Fluida bergerak karena adanya alat yang digunakan untuk menggerakkan fluida tersebut, seperti kipas, pompa, blower dan sebagainya.

Konveksi paksa terdiri atas dua yaitu :

a) Konveksi paksa (Aliran Luar)

Gambar 2.5 Aliran luar

(Sumber : Cengel, 1989)

Pada persoalan aliran luar tersebut lapisan batas aliran berkembang secara bebas, tanpa batasan yang disebabkan oleh permukaan yang berada di dekatnya. Sehubungan dengan itu akan selalu ada daerah lapisan batas yang berada di sisi luar aliran dimana gradien kecepatan temperatur dapat di abaikan. Sebagai contoh meliputi pergerakan fluida diatas plat datar dimana laju perpindahan panasnya :

………(2.2) Dimana :

(76)

T∞ = Suhu udara/Gas buang q = Laju perpindahan panas

b) Konveksi paksa (Aliran Dalam)

Gambar 2.6 Aliran dalam

Berbeda dengan aliran luar yang tanpa ada batasan luar,pada aliran dalam seperti halnya yang terjadi didalam pipa adalah sesuatu dimana fluida dibatasi oleh permukaan sehingga lapisan batas tidak dapat berkembang secara bebas seperti halnya pada luar.

Laju perpindahan panas aliran dalam :

……….…………(2.3)

h = Koefisien perpindahan pans konveksi As = Luas permukaan perpindahan kalor Ts = Suhu pada plat

T∞ = Suhu fluida

(77)

c) Perpindahan panas secara keseluruhan

Pada banyak kasus perpindahan panas yang melibatkan proses konveksi dan konduksi, dimana laju perpindahan panas total :

……….……..(2.4)

Dimana untuk mencari U ( koefisien perpindahan panas keseluruhan ) adalah :

………(2.5)

Panas dari generator di alirkan ke larutan amonia-air yang besarnya dapat di tentukan dari persamaan :

……….………(2.6) Dimana:

= Suhu gas buang masuk generator = Suhu gas buang keluar generator

2.5 Parameter dalam Perhitungan nilai Perpindahan Panas Generator

(78)

yang lebih besar atau dalam ruang sebuah shell yang memuat banyak pipa, perpindahan panas berlangsung secara radial terhadap pipa. Antara lain fluida di dalam pipa dan permukaan dinding pipa sebelah dalam, panas dipertukarkan secara konveksi, kemudian panas menjalar secara konduksi melalui logam dinding pipa sedangkan diluar pipa terjadi lagi konveksi.

Nilai laju perpindahan panas dalam alat penukar kalor dapat dihitung berdasarkan teori perpindahan panas secara konveksi. Selain laju perpindahan panas, parameter penting yang mempengaruhi efektifitas suatu alat penukar kalor adalah nilai koefisien perpindahan panasnya. Besarnya koefisien perpindahan panas secara konveksi diperkirakan dari persamaan persamaan empiris lain daripada untuk konveksi luar pipa. Banyak buku yang memuat keterangan tentang koefisien perpindahan panas baik dalam bentuk persamaan maupun dalam bentuk lain. Dalam mencari persamaan empiris itu harus diperhatikan sifat fluida, sifat aliran, jenis perpindahan panas (pemanasan atau pendinginan), letak pipa dan lain sebagainya.

2.5.1 Sifat sifat termodinamika fluida

a) Temperatur rata-rata fluida

………...………(2.7)

Dimana : Temperatur inlet (Tci)

Temperatur outlet (Tco)

b) Mencari Temperatur rata-rata gas buang

……….….(2.8)

Dimana : Temperatur inlet (Thi)

(79)

2.5.2 Sifat aliran fluida

Aliran dapat diklasifikasikan (digolongkan) menjadi aliran laminar dan aliran turbulen. Aliran laminar adalah aliran dengan fluida yang bergerak dalam kecepatan rendah, semua partikel partikelnya mempunyai sifat aliran yang seragam. Kedua adalah aliran turbulen pada aliran ini masing masing partikelnya mempunyai arah kecepatan yang berlainan dan tidak seragam sehingga setiap partikelnya mempunyai arah kecepatan yang berlainan dan tidak seragam sehingga setiap partikelnya mempunyai kesempatan yang sama untuk menyentuh permukaan atau dinding saluran, dengan demikian kesempatan fluida mengambil atau mentransfer panas pada dinding saluran menjadi lebih besar. Dalam heat exchanger selalu diinginkan agar alirannya turbulen sehingga kapasitas

perpindahan panasnya meningkat. Aliran turbulen dapat diperoleh dengan pemasangan baffle atau dengan membuat permukaan dinding saluarn kasar. Jenis aliran turbulen atau laminar dapat ditentukan perhitungan bilangan reynold. Bilangan reynold untuk aliran dalam pipa dapat didefinisikan dengan menggunakan rumus :

……….…………..(2.9)

Keterangan : ρ = kerapatan fluida (kg/m3)

V = kecepatan aliran (m/s)

D = diameter pipa (m)

µ = viskositas dinamik (kg/m.s)

Bilangan Reynolds digunakan sebagai kriteria untuk menunjukkan sifat aliran fluida, apakah aliran termasuk aliran laminar, transisi atau turbulen. Untuk Re < 2000 biasanya termasuk jenis aliran laminar sedangkan untuk 2000 < Re <4000 adalah jenis aliran transisi dan untuk Re> 4000 adalah jenis aliran turbulen.

(80)

………(2.110

Pada bagian pintu masuk dimana aliran belum berkembang atau bersifat aliran transisi, bilangan nusselt dapat dituliskan dalam persamaan :

………..………(2.11)

Dan bilangan nusselt untuk laminar dapat dituliskan dalam persamaan :

……..………..(2.12)

Keterangan : n = 0,3 untuk pendingin

n = 0,4 untuk pemanasan

Re = Bilangan Reynolds

Pr = Bilangan Prandtl

d = diameter tabung

L = Panjang tabung

2.5.3 Laju perpindahan kalor pada alat penukar kalor

Pada dasarnya laju perpindahan kalor pada alat penukar kalor dipengaruhi oleh adanya tiga (3) hal, yaitu:

1. Koefisien perpindahan kalor menyeluruh (U)

Nilai koefisien perpindahan panas menyeluruh dapat didasarkan atas luas dalam atau luar tabung, menurut selera perancang sehingga cara menghitungnya bias dengan 2 cara yaitu:

• Koefisien perpindahan panas menyeluruh berdasarkan pipa dalam (Ui)

(81)

• Koefisien perpindahan panas menyeluruh berdasarkan pipa dalam ho = Koefisien perpindahan kalor konveksi

pada pipa bagian luar (W/m2K) hi = Koefisien perpindahan kalor konveksi

pada pipa bagian dalam (W/m2K)

L = Panjang pipa

Kmaterial = Konduktivitas panas material (W/m0K)

Koefisien perpindahan kalor pada masing masing proses perpindahan kalor dapat dijabarkan sebagai berikut :

• Menghitung nilai koefisien perpindahan panas konveksi bagian dalam (hi)

………(2.15)

Keterangan :

hi = koefisien perpindahan panas konveksi bagian dalam

(W/m2K)

Nu = Bilangan nusselt

k = Konduktifitas thermal (W/m20C)

(82)

• Menghitung nilai koefisien perpindahan panas konveksi bagian luar (ho)

……….(2.16)

Keterangan :

ho = koefisien perpindahan panas konveksi bagian luar

(W/m2K)

Nu = Bilangan nusselt

k = Konduktifitas thermal (W/m20C)

Do = Diameter luar (m)

2. Luas perpindahan panas (A)

• Menghitung luas perpindahan panas (A)

Luas permukaan perpindahan panas permukaan dalam pipa (Ai)

……….(2.17)

Luas permukaan perpindahan panas permukaan luar pipa (Ao)

……….(2.18)

Luas permukaan penukar kalor total dapat juga dihitung berdasarkan

persamaan :

• Luas permukaan penukar panas (Atotal)

……….…………(2.19)

……….………….(2.20)

(83)

Ai = Luas permukaan total, luar (m2) Do = Diameter pipa bagian luar total (m) Di = Diameter pipa bagian dalam (m)

L = Panjang pipa (m)

Uo = Koefisien perpindahan panas menyeluruh Berdasarkan pipa luar (W/m2K)

F = Faktor koreksi

ΔTLMTD = Beda suhu rata-rata log

3. Beda suhu rata-rata log atau Logarithmic Mean Temperatur Difference

(ΔLMTD)

(84)

Q = U.A.F.ΔT LMTD. Bila terdapat perubahan fase seperti kondensasi atau

penguapan, fluida biasanyaberada pada suhu yang hakekatnya tetap maka nilai factor koreksi F = 1,0

2.5.4 Penukar panas dalam aliran paralel

Dari gambar di bawah ini,maka persamaan kekekalan energi dapat di tulis :

………..………..(2.24)

………..………(2.25)

Dan

Karena

Maka ……….………(2.26)

Gambar 2.7 Penukar panas dalam arah parallel

(85)

Perpindahan kalor dinyatakan dengan :

………...………(2.27)

Bila persamaan 2.28 di substitusikan ke persamaan 2.27 kemudian di integralkan :

Atau

……….(2.28)

Apabila di substitusikan dengan persamaan 2.25 dan persamaan 2.26 maka :

………..……….(2.29)

Dengan demikian maka laju perpindahan kalor dapat ditulis :

………..……….(2.30)

Dimana :

2.5.5 Penukar panas dengan arah yang berlawanan

(86)

Gambar 2.8 Penukar panas dengan aliran fluida berlawanan

2.6 Faktor Pengotoran

Performansi alat penukar kalor biasanya semakin menurun dengan bertambahnya waktu pemakaian sebagai akibat terjadinya penumpukan kotoran pada permukaan alat penukar kalor. Lapisan kotoran tersebut menimbulkan hambatan tambahan pada proses perpindahan panas dan mengakibatkan penurunan laju perpindahan panas pada alat penukar kalor. Penumpukan kotoran pada alat penukar kalor disebut faktor kotoran Rf yang menjadi ukuran dalam tahanan termal (Janna, 2000; Incropera, 2006) .

(87)

kecepatan. Persamaan sebelumnya perlu dimodifikasi sebagai efek dari kotoran pada permukaan dalam dan luar tabung. Untuk alat penukar kalor tabung cangkang yang tidak memiliki sirip, persamaan sebelumnya menjadi :

………..(2.31)

Tabel 2.2 Faktor pengotoran beberapa fluida Fluida

Air laut, air sungai, air mendidih, air suling

Dibawah 50 oC

Diatas 50 oC

0,0001

0,0002

Bahan bakar 0,0009

Uap air (bebas minyak) 0,0001

Refrijeran (cair) 0,0002

Refrijeran (gas) 0,0004

Alcohol (gas) 0,0001

Udara 0,0004

(Sumber : Janna, 2000)

2.7 Keefektifan

Untuk menghitung keefektifan dari generator maka terlebih dahulu mencari nilai Cmin dan Cmaks., Dengan diperoleh hasil perhitungan Cmindan Cmaks maka akan dapat digunakan rumus efektifitas yang tepat. Didalam perhitungan ini sifat-sifat fisik fluida dihitung pada temperatur rata-rata.

(88)

Ch = ṁhcp,h

Bila Ch = Cmin maka keefektifan ε

ε = ………(2.32)

Bila Cc = Cminmaka keefektifan ε

(89)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Kenyamanan merupakan salah satu hal yang sangat penting bagi manusia. Begitu juga ketika anda berada di sebuah ruangan atau bangunan, ketika hari panas kita akan membutuhkan kesejukan agar betah berada di ruangan tersebut. Sehingga manusia berusaha mencari solusi agar dapat menikmati kenyamanan ketika berada di ruangan tadi. Pengkondisian udara adalah solusinya. Pengkondisian udara adalah perlakuan terhadap udara untuk mengatur suhu, kelembaban, kecepatan udara dan laju aliran udara guna mencapai kondisi nyaman yang diperlukan oleh orang yang berada di dalam suatu ruangan. Alat yang digunakan biasa disebut AC ( Air Conditioning). Atau ketika hari panas anda mungkin membutuhkan minuman dingin. Untuk mendinginkan minuman kita bisa menyimpan minuman ke dalam lemari es atau biasa disebut kulkas. Proses ini disebut refrigerasi (refrigeration) atau lebih sering disebut teknik pendingin. Teknik pendingin adalah teknik yang digunakan untuk menurunkan temperatur suatu medium lebih rendah dari pada temperatur lingkungan. Selain untuk mendinginkan minuman teknik refrigerasi juga dapat digunakan untuk industri makanan, industri kimia dan farmasi, industri manufaktur, dll.

Teknik pendingin dan pengkondisian udara yang sering kita jumpai saat ini pada umumnya menggunakan siklus kompresi uap. Pengggunaan siklus kompresi uap lebih banyak dikarenakan satu unit siklus ini lebih murah dari siklus yang lainnya dan pemakaian serta instalasinya lebih mudah dan efisien. Tetapi biaya operasional untuk siklus kompresi uap lebih mahal karena menggunakan energi mekanik yaitu kompresor. Kompresor ini membutuhkan pemakaian listrik yang besar.

(90)

teknik pendingin dan pengkondisian udara menggunakan siklus absorpsi. Siklus absorpsi adalah siklus termodinamika yang dapat digunakan sebagai siklus pendingin dan pengkondisian udara yang digerakkan energi dalam bentuk panas. Panas yang dapat digunakan untuk menjalankan siklus absorpsi dapat berupa sumber panas yang temperaturnya kurang dari 200⁰C. Sehingga siklus absorpsi bisa dioperasionalkan menggunakan energi matahari atau panas buang. Siklus ini menggunakan energi mekanik yang persentasinya sangat kecil yaitu sekitar 1% untuk mensirkulasikan fluida kerjanya.

Prinsip kerja teknik pendingin dan pengkondisian udara menggunakan siklus absorpsi hampir sama dengan siklus kompresi uap. Hanya saja fungsi dari

komponen kompresor digantikan oleh komponen generator, absorber, pompa dan katup ekspansi tambahan. Sehingga analisa termodinamika komponen kondensor dan evaporator pada siklus absorpsi sama dengan analisa termodinamika

komponen kondensor dan evaporator pada siklus kompresi uap.

Mengetahui bahwa teknik pendingin dan pengkondisian udara menggunakan siklus absorpsi lebih hemat energi, maka dilakukan penelitian teknik pendingin siklus absorpsi dengan menggunakan pasangan refrijeran-absorben amonia-air yaitu amonia sebagai absorbate atau refrijeran (zat yang dapat diserap atau diikat) dan air sebagai absorben (zat yang bertugas menyerap atau mengikat). Penelitian ini direncanakan untuk menghasilkan temperatur 0⁰C.

1.2.Tujuan Penelitian

Tujuan dilakukan penelitian skripsi ini yaitu:

1. Merancang serta membuat benda jadi dari generator yang merupakan salah satu komponen dari mesin pendingin siklus absorbsi.

2. Menganalisa unjuk kerja dari generator dengan menggunakan pasangan refrijeran-absorben amonia-air.

3. Mengetahui cara kerja dan fungsi generator pada sistem pendingin absorbsi.

(91)

1.3.Batasan Masalah

Batasan masalah penelitian skripsi ini, adalah: 1. Perancangan serta pembuatan generator.

2. Pasangan Refrijeran-Absorben yang digunakan adalah Amonia dan air. 3. Variabel yang diamati pada penelitian ini adalah temperatur.

1.4.Manfaat Penulisan

Manfaat penulisan skripsi ini adalah :

1. Pemanfaatan gas buang untuk teknik pendingin siklus absorpsi.

2. Menghasilkan teknik pendingin dan pengkondisian udara yang hemat energi.

3. Sebagai referensi untuk penelitian selanjutnya yang berhubungan dengan teknik pendingin siklus absorpsi.

1.5. Sistematika Penulisan

Skripsi ini dibagi menjadi beberapa bab dengan garis besar tiap bab sebagai berikut :

 Bab I : Pendahuluan

Bab ini berisikan latar belakang, tujuan, manfaat, dan ruang lingkup pengujian.

 Bab II : Tinjauan Pustaka

Bab ini berisikan landasan teori yang digunakan yaitu mengenai siklus absorbsi, perbedaan siklus absorpsi dengan siklus kompresi uap, dan dasar-dasar perhitungan generator.

 Bab III : Metodologi Penelitian

Bab ini memberikan informasi mengenai tempat pelaksanaan pengujian, bahan dan peralatan yang dipakai, serta tahapan dan prosedur pengujian.  Bab IV : Hasil dan Analisa Pengujian

(92)

 Bab V : Kesimpulan dan Saran

Bab ini sebagai penutup yang berisikan kesimpulan dan saran yang diperoleh.

 Daftar Pustaka

Daftar pustaka berisikan literatur yang digunakan untuk menyusun laporan.

 Lampiran

(93)

ABSTRAK

Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui kapasitas generator, serta keefektifan generator. Pada penelitian ini dirancang sebuah generator yang digunakan untuk memanaskan larutan ammonia air pada mesin pendingin siklus absorpsi. Sumber panas dari generator ini berasal dari panas gas buang motor bakar. Generator yang digunakan adalah jenis shell and tube. Generator akan memanaskan temperatur larutan amonia air dari 30°C menjadi 90°C. Setelah dilakukan perhitungan termodinamikanya maka didapatkan kapasitas dari generator adalah sebesar 122,365 W dan laju aliran massa di generator adalah sebesar 0,00016 kg/s. Kemudian dilakukan perhitungan panjang generator dan dari perhitungan didapatkan panjang generator 0,83 m dengan jumlah tube sebanyak 20 buah. Dari hasil rancangan maka dibuat benda jadi dari generator. Kemudian dilakukan percobaan pada generator untuk mendapatkan kapasitas generator, serta keefektifan generator.

(94)

ABSTRACT

This research aims to determine the capacity of the generator, as well as

the effectiveness of the generator. In this research designed a generator that is

used to heat a solution of ammonia water in absorption refrigeration cycle. The

source of heat the generator is derived from the hot exhaust gas internal

combustion. The generator used is a type of shell and tube. The generator will

heat the ammonia water solution temperature of 30°C to 90°C. After calculation

thermodinamic then obtained the capacity of the generator is equal to 122.365 W

and the mass flow rate in the generator is equal to 0.00016 kg / s. Then calculate

the length of generator, and from the calculation, generator length of 0.83 m with

tube 20 pieces. From the results it is made objects to design the generator. Then

conducted experiments on the generator to get the generator capacity, as well as

the effectiveness of the generator.

(95)

RANCANG BANGUN GENERATOR PADA MESIN PENDINGIN MENGGUNAKAN SIKLUS ABSORPSI MEMANFAATKAN PANAS

BUANG MOTOR BAKAR DENGAN PASANGAN REFRIJERAN -ABSORBEN AMONIA-AIR

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi

Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

LAMHOT RIKARDO ARITONANG

NIM : 100401057

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(96)

(97)

(98)

(99)

(100)

(101)

(102)

(103)

(104)

ABSTRAK

Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui kapasitas generator, serta keefektifan generator. Pada penelitian ini dirancang sebuah generator yang digunakan untuk memanaskan larutan ammonia air pada mesin pendingin siklus absorpsi. Sumber panas dari generator ini berasal dari panas gas buang motor bakar. Generator yang digunakan adalah jenis shell and tube. Generator akan memanaskan temperatur larutan amonia air dari 30°C menjadi 90°C. Setelah dilakukan perhitungan termodinamikanya maka didapatkan kapasitas dari generator adalah sebesar 122,365 W dan laju aliran massa di generator adalah sebesar 0,00016 kg/s. Kemudian dilakukan perhitungan panjang generator dan dari perhitungan didapatkan panjang generator 0,83 m dengan jumlah tube sebanyak 20 buah. Dari hasil rancangan maka dibuat benda jadi dari generator. Kemudian dilakukan percobaan pada generator untuk mendapatkan kapasitas generator, serta keefektifan generator.

(105)