PENGUJIAN MESIN PENDINGIN ADSORPSI BERTENAGA SURYA DENGAN LUAS KOLEKTOR 1 m
2SUDUT KOLEKTOR 0
OSKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
DISUSUN OLEH:
EFSARTUA BUTARBUTAR 110401057
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
ABSTRAK
Matahari merupakan salah satu potensi sumber daya energi terbarukan. Salah satu pemanfaatan energi surya digunakan sebagai sumber tenaga mesin pendingin siklus adsorpsi untuk menghasilkan efek pendinginan. Pada penelitian ini, jenis kolektor yang digunakan adalah tipe kolektor plat datar. Isolasi kolektor pada mesin pendingin menggunakan triplek, busa hitam, sterofoam, rockwool, dan kaca. Luas permukaan kolektor adalah 1 m2 dengan tebal pelat 1 mm. Pada penelitian ini karbon aktif yang digunakan adalah karbon aktif teknis/granular yang diisi pada kolektor sebanyak 18,5 kg, metanol yang digunakan adalah pro- analisis dengan kemurnian 99,9% sebanyak 5 liter, dan air sebagai media pendinginan sebanyak 6 liter. Sudut kemiringan kolektor pada pengujian ini adalah 0o. Dari hasil penelitian ini diperoleh suhu terendah air sebagai media pendinginan adalah 9,98 oC. Total energi yang diserap kolektor tertinggi sebesar 3,186 MJ dengan temperatur lingkungan rata – rata 28,6 oC.
Kata kunci : mesin pendingin, energi surya, karbon aktif, metanol, kolektor/adsorber, adsorpsi.
ABSTRACT
The sun is one of potential renewable energy resources. One of the utilization of solar energy as the main source of energy for the adsorption refrigeration cycle cooling machine to produce cooling effect. In this research, the type of collector used is flat plate collector. Collector insulation on refrigeration machine use plywood, EVA foam, styrofoam, rockwool, and glass. The surface area of collector is 1 m2 with thick of the plate is 1 mm. In this reasearch carbon active used is technical carbon active/granular filled in collectors as much as 18,5 kg, methanol used is pro-analysis with purity 99,9% as much as 5 liters, and water as cooling medium as much as 6 liters. Tilt angle of collector in this reasearch is 0o. From this reasearch obtained lowest temperature of water is 9,98 oC. Highest total energy absorbed by collector as much as 3,186 MJ with ambient temperature about 28,6 oC.
Keyword : refrigerant machine, solar energy, activated carbon, methanol, collector/adsorber, adsorption.
KATA PENGANTAR
Penulis mengucapkan puji syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Kuasa, karena dengan rahmat, karunia-Nya, dan perlindungan-Nya, sehingga penyusunan dan penulisan, skripsi ini dapat terlaksana dengan baik sesuai dengan apa yang diharapkan penulis sebelumnya. Skripsi ini disusun adalah merupakan salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara Medan.
Adapun Tugas Akhir yang dipilih merupakan bidang Teknik Pendingin
dengan judul “PENGUJIAN MESIN PENDINGIN ADSORPSI
BERTENAGA SURYA DENGAN LUAS KOLEKTOR 1 m2 SUDUT KOLEKTOR 0o”
Pada kesempatan ini penulis menyampaikan terima kasih banyak kepada :
1. Orang tua penulis Bapak Efendi Butarbutar dan Ibunda Sarli Sinaga yang tidak pernah putus-putusnya memberikan dukungan materil dan doa serta kasih sayangnya yang tak terhingga kepada penulis. Kepada adik penulis Eflianto Butarbutar yang terus memberikan semangat.
2. Bapak Tulus Burhanuddin Sitorus,S.T.,M.T., sebagai dosen pembimbing yang telah banyak memberikan pengarahan dan bimbingan selama penulisan skripsi ini.
3. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.
4. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT. selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera.
5. Seluruh staf pengajar dan pegawai administrasi Departemen Teknik Mesin di Universitas Sumatera Utara, yang telah banyak membantu penulis dan memberikan bimbingan selama perkuliahan.
6. Rekan satu tim skripsi Daniel C. Sibarani, John P. Simanjuntak, dan Anthony Tannady yang telah berjuang keras dan terus menyemangati.
7. Teman – teman saya kaum terpelajar yang terus memberi semangat kepada penulis.
8. Seluruh mahasiswa Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara terkhusus stambuk 2011 yang tidak dapat saya sebutkan satu per satu.
Penulis menyadari bahwa penulisan skripsi ini masih memiliki berbagai kekurangan. Untuk itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun dari berbagai pihak. Penulis juga mengharapkan skripsi ini dapat menjadi tambahan pengetahuan bagi pembaca dan bermanfaat untuk kita semua. Terima kasih.
Medan, Januari 2017 Penulis,
EFSARTUA BUTARBUTAR NIM. 110401057
DAFTAR ISI
ABSTRAK ... i
ABSTRACT ... ii
KATA PENGANTAR ... iii
DAFTAR ISI... v
DAFTAR GAMBAR ... ix
DAFTAR TABEL ...xii
DAFTAR SIMBOL ...xiv
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1. Latar Belakang ... 1
1.2. Tujuan Penelitian ... 2
1.3. Batasan Masalah ... 2
1.4. Manfaat Penelitian ... 3
1.5. Sistematika Penulisan Laporan ... 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 5
2.1. Energi Surya ... 5
2.2. Intensitas Radiasi... 7
2.3. Teori Umum Adsorpsi... 9
2.3.1. Jenis – Jenis Adsorpsi ... 11
2.3.1.1. Adsorpsi Fisika ... 11
2.3.1.2. Adsorpsi Kimia... 12
2.3.2. Faktor – Faktor yang Mempengaruhi Daya Adsorpsi... 12
2.3.2.1. Jenis Adsorbat ... 12
2.3.2.2. Temperatur... 12
2.3.2.3. Tekanan Adsorbat ... 12
2.3.2.4. Karkteristik Adsorben ... 13
2.3.3. Faktor – Faktor yang Mempengaruhi Efisiensi Adsorpsi ... 13
2.3.4. Isoterm Adsorpsi ... 14
2.4. Sistem Refrigerasi Adsorpsi ... 14
2.5. Studi Literatur Jurnal Internasional ... 17
2.6. Adsorben ... 21
2.6.1. Jenis – Jenis Adsorben ... 21
2.6.1.1 Adsorben Tidak Berpori ... 21
2.6.1.2. Adsorben Berpori ... 22
2.7. Karbon Aktif Sebagai Adsorben ... 22
2.7.1. Penggunaan Karbon Aktif ... 24
2.7.2. Jenis – Jenis Karbon Aktif ... 25
2.7.2.1. Karbon Aktif Untuk Fasa Cair ... 25
2.7.2.2. Karbon Aktif untuk Fasa Uap ... 25
2.7.3. Aktivasi Karbon Aktif ... 26
2.7.4. Spesifikasi Karbon Aktif ... 27
2.8. Metanol Sebagai Adsorbat ... 28
2.9. Kalor (Q)... 29
2.9.1. Kalor Laten ... 30
2.9.2. Kalor Sensibel ... 31
2.9.3. Perpindahan Kalor... 31
2.9.3.1 Konduksi ... 31
2.9.3.2. Konveksi... 33
2.9.3.2.1. Konveksi Alamiah ... 34
2.9.3.3. Radiasi ... 34
2.10. Panas Yang Diserap Matahari ... 36
2.11. Energi Panas Aktual yang Digunakan Kolektor untuk Proses Adsorpsi ... 38
2.12. Kapasitas Kalor Pendingin (Quc) dan Koefisien Performansi (COP) ... 38
2.13. Effisiensi Aktual Kolektor... 39
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 42
3.1. Tempat dan Waktu ... 42
3.2. Bahan ... 42
3.3. Alat ... 43
3.4. Set-Up Eksperimental ... 50
3.5. Dimensi Komponen Utama Mesin Pendingin Adsorpsi ... 52
3.5.1. Kolektor ... 52
3.5.1.1. Adsorber ... 52
3.5.1.2. Kotak Insulasi Adsorber... 54
3.5.1.3. Kaca Penutup Kolektor ... 54
3.5.2. Kondensor ... 55
3.5.3. Evaporator ... 56
3.5.3.1. Wadah Air ... 57
3.5.3.2. Kotak Insulasi Evaporator ... 58
3.6. Langkah Pembuatan Mesin Pendingin Adsorpsi... 59
3.6.1. Pembuatan Kolektor (Adsorber) ... 59
3.6.2. Modifikasi Insulasi dengan Kaca Penutup... 62
3.6.3. Pembuatan Kondensor ... 63
3.6.4. Pembuatan Evaporator ... 64
3.7. Pelaksanaan Penelitian... 66
3.8. Variabel Penelitian... 69
3.8.1. Variabel Bebas ... 69
3.8.2. Variabel Terikat... 69
3.9. Metode Pelaksanaan Penelitian ... 70
BAB IV ANALISA DATA ... 71
4.1. Hasil Pengujian ... 71
4.1.1. Pengujian Hari Pertama... 71
4.1.2. Pengujian Hari Kedua ... 72
4.1.3. Pengujian Hari Ketiga ... 74
4.2. Analisa Grafik ... 75
4.2.1. Kondisi Cuaca Selama Pengujian ... 75
4.2.2. Kondisi Temperatur dan Tekanan Komponen Mesin Pendingin.. 77
4.2.2.1. Kondisi Temperatur Komponen Pengujian Pertama... 77
4.2.2.2. Kondisi Temperatur Komponen Pengujian Kedua ... 78
4.2.2.3. Kondisi Temperatur Komponen Pengujian Ketiga ... 80
4.2.2.4. Kondisi Tekanan Komponen Selama Pengujian ... 80
4.3. Analisa Perubahan Air Menjadi Es ... 81
4.4.Volume Metanol ... 82
4.5. Pengolahan Data... 85
4.5.1. Pengolahan Data Kolektor ... 87
4.5.1.1. Perhitungan Energi Yang Sampai Ke Kolektor ... 87
4.5.1.2. Perhitungan Energi yang Diserap Kolektoor ... 88
4.5.1.3. Panas Aktual yang Diserap Oleh Kolektor ... 91
4.5.1.3.1. Nilai Qic Pada Pengujian Hari Pertama ... 91
4.5.1.3.2. Nilai Qic Pada Pengujian Hari Kedua ... 92
4.5.1.3.3. Nilai Qic Pada Pengujian Hari Ketiga ... 92
4.5.1.4. Efisiensi Aktual Kolektor... 93
4.5.1.4.1. Efisiensi Aktual Pengujian Pertama... 93
4.5.1.4.2. Efisiensi Aktual Pengujian Kedua ... 94
4.5.1.4.3. Efisiensi Aktual Pengujian Ketiga ... 93
4.5.2. Pengolahan Data Kondensor... 94
4.5.3. Perhitungan Data Evaporator ... 99
4.5.4. Kapasitas Pendinginan Aktual (Quc) dan Koefisien Performansi (COP) Aktual Siklus ...103
4.5.4.1. Pengujian Pertama ...103
4.5.4.2. Pengujian Kedua ...104
4.5.4.3. Pengujian Ketiga ...105
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ...106
5.1. Kesimpulan ...106
5.2. Saran ...107
DAFTAR PUSTAKA ...xvi LAMPIRAN
DAFTAR GAMBAR
No. Judul Halaman
2.1. Bidang horizontal (a), dan bidang yang dimiringkan ... 8
2.2. Ilustrasi Proses Adsorpsi ... 10
2.3. Siklus Dasar Refrigerasi Adsorpsi ... 15
2.4. Diagram Clayperon pada Sistem Pendingin Siklus Adsorpsi ... 16
2.5. Komponen Siklus Adsorpsi ... 18
2.6. Prinsip kerja mesin pendingin siklus adsorpsi ... 20
2.7. Karbon Aktif ... 23
2.8. Methanol Pro Analisys... 29
2.9. Perpindahan panas pada kolektor surya ... 33
3.1. Alat pengukur jarak laser ... 43
3.2. Pompa Vakum... 44
3.3. Ball Valve ... 45
3.4. LaptopAcer Apsire 3810T ... 46
3.5. Data Logger... 46
3.6. Termokopel Tipe K ... 47
3.7. Hobo Micro station Data Logger ... 48
3.8. Manometer Vakum ... 49
3.9. Proses desorpsi mesin pendingin ... 50
3.10. Proses adsorpsi mesin pendingin ... 51
3.11. Model kolektor ... 52
3.12. Ruang bagian dalam adsorber ... 53
3.13a. Model kotak isolasi adsorber ... 54
3.13b. Dimensi kotak isolasi adsorber ... 54
3.14. Model kaca kolektor... 55
3.15. Model kondensor... 56
3.16. Model evaporator ... 56
3.17 Ukuran evaporator (dalam cm) ... 57
3.18 Ukuran wadah air (cm) ... 57
3.19 Kotak insulasi evaporator... 58
3.20. Karbon aktif dimasukkan ke adsorber ... 60
3.21. Pemasangan Kawat Kasa ... 60
3.22. Adsorber dicat hitam doff ... 61
3.24. Kotak Insulasi setelah dimodifikasi ... 62
3.25. Adsorber siap digunakan... 63
3.26 Proses pengerjaan Kondensor ... 64
3.27. Pembuatan pelampung untuk indikator volume ... 65
3.28. Evaporator siap digunakan... 65
3.29. Mesin pendingin adsorpsi setelah terpasang ... 66
3.30. Titik-titik tempat pemasangan termokopel ... 67
3.31. Diagram Alir Penelitian ... 70
4.1 Intensitas Radiasi Matahari Hari Pertama... 76
4.2. Intensitas Radiasi Matahari Hari Kedua ... 76
4.3 Intensitas Radiasi Matahari Hari Ketiga ... 77
4.4 Temperatur Komponen Hari Pertama ... 78
4.5 Tekanan Awal dan Adsorpsi Hari Pertama... 78
4.6 Temperatur Komponen Hari Kedua... 79
4.7 Tekanan Desorpsi dan Adsorpsi Hari Kedua ... 80
4.8 Temperatur Komponen Hari Ketiga ... 81
4.9 Tekanan Desorpsi dan Adsorpsi Hari Ketiga... 81
4.10 Kotak Insulasi Evaporator... 99
DAFTAR TABEL
No. Judul Halaman
2.1 Sifat Adsorben Karbon Aktif ... 23
2.2 Penggunaan Karbon Aktif ... 24
2.3 Sifat Metanol ... 28
3.1 Spesifikasi Pyranometer ... 49
3.2 Konduktivitas Termal Bahan Insulasi ... 59
3.3 Skala Ketinggian Volume Metanol ... 68
4.1 Pemanasan Awal Kolektor (22 September 2016)... 71
4.2 Siklus Adsorpsi (22 - 23 September 2016) ... 72
4.3 Siklus Desorpsi (26 September 2016) ... 72
4.4 Siklus Adsorpsi (26-27 September 2016) ... 73
4.5 Siklus Desorpsi (27 September 2016) ... 74
4.6 Siklus Adsorpsi (27 - 28 September 2016) ... 75
4.7 Volume Metanol Hari Pertama ... 82
4.9 Volume Metanol Hari Ketiga ... 83
4.10 Rekapitulasi Temperatur Komponen Mesin Pendingin Selama Pengujian ... 84
4.11 Data Pengujian Hari I selama 60 menit ... 87
4.12 Hasil Perhitungan Energi yang sampai ke kolektor... 88
4.13 Energi yang diserap kolektor ... 90
4.14 Rekapitulasi Nilai Qic, Qit, S ... 94
4.15 Rekapitulasi nilai 𝑄̇𝑐𝑜𝑛𝑣 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 selama pengujian ... 98
4.16 Data insulasi evaporator ... 100
4.17 Rekapitulasi efiseinsi evaporator selama pengujian ... 103
DAFTAR SIMBOL
Simbol Keterangan Satuan
Qs Kalor sensible J
m Massa zat kg
Cp Panas jenis zat J/kgoC
Le Panas laten zat J/kg
ΔT Beda temperature oC
K Konduktivitas termal W/moC
A Luas bidang m2
Δx Tebal material m
qcond Laju perpindahan panas konduksi W
qconv Laju perpindahan panas konveksi W
Ts Temperatur permukaan oC
T∞ Temperatur lingkungan oC
mr Massa refrigeran (metanol) kg
Vr Volume refrigeran (metanol) Liter
xr Ketinggian permukaan methanol Cm
hsg Panas laten methanol kJ/kg
Tw Temperatur air oC
H Koefisien Konveksi W/m2.K
P Tekanan Psi Nu Bilangan Nusselt
Spesifik Volum Kg/m3
𝜇 Viskositas Dinamik N.s/m2
𝛽 Koefisien Ekspansi K-1
Pr Bilangan Prandtl Gr Bilangan Grashof Ra Bilangan Rayleigh
∑ 𝑅𝑡ℎ Tahanan Termal Keseluruhan oC/W
QL Kapasitas Kalor Penguapan Metanol J
h Entalpi kJ/kg
s Entropi kJ/kg.K
𝑚̇ Laju Aliran Massa kg/s
𝜂 Efisiensi %
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Sebagai negara yang beriklim tropis, kota – kota besar di Indonesia umumnya membutuhkan pendingin untuk pengkodisian udara. Konsumsi energi listrik untuk pendingin dan pengkondisian udara pada gedung – gedung komersial di kota – kota besar Indonesia dapat mencapai 60%. Oleh karena itu, solusi yang sedang dikembangkan saat ini adalah teknik pendinginan dengan memanfaatkan energi surya. Kepulauan Indonesia berada di daerah katulistiwa yaitu 60 LU – 110LS, dimana lintasan semu matahari tidak berubah sepanjang tahun. Maka wilayah Indonesia akan selalu disinari matahari rata - rata 10 – 12 jam dalam sehari. Menurut data putih energi Indonesia tahun 2006, diperkirakan rata – rata intesitas radiasi matahari yang jatuh pada wilayah permukaan pulau – pulau di Indonesia sekitar 4,8 kWh/m2 setiap harinya[1]. Energi ini dapat dimanfaatkan dalam bentuk listrik langsung (fotovoltik) dan juga dalam bentuk termal. Karena efisiensi konversi energinya masih lebih baik, maka pada penelitian ini difokuskan pada pemanfaatan energy surya secara termal. Pemanfaatan energi surya termal dapat digunakan untuk beberapa aplikasi, seperti pengeringan dan pendingin (solar cooling). Dari kedua fakta di atas, potensi energi surya yang cukup besar dan kebutuhan akan pendingin yang cukup besar, menjadi latar belakang penelitian ini. Tema besar penelitian adalah menangkap energi radiasi surya dalam
bentuk termal dan memanfaatkannya untuk menghasilkan pendinginan (refrigerasi).
1.2. Tujuan Penelitian
Adapun tujuan dari penelitian skripsi ini antara lain : 1. Mengetahui temperatur minimum air yang didinginkan.
2. Mengetahui perubahan volume metanol pada proses adsorpsi dan desorpsi.
3. Mengetahui nilai efisiensi komponen mesin pendingin adsorpsi.
4. Mengetahui nilai COP aktual mesin pendingin.
1.3. Batasan Masalah
Dalam penelitian penulis membatasi bidang penelitian terhadap beberapa hal : 1. Pengujian dilakukan di kota Medan, Sumatera Utara dengan letak
astronomis 3° 30' LU – 3° 43' LU dan 98° 35' BT - 98° 44' BT.
2. Karbon aktif yang digunakan merupakan jenis karbon aktif biasa yang terbuat dari cangkang kelapa sebanyak 18,5 kg.
3. Metanol yang digunakan adalah metanol jenis pro analis dengan kadar kemurnian 99% sebanyak 5 liter.
4. Volume air yang didinginkan 6 liter.
5. Kolektor yang digunakan adalah jenis pelat datar dengan luas 1 m2 dan sudut kolektor pada saat pengujian adalah 0o (datar).
1.4. Manfaat Penelitian
Manfaat penelitian dari skripsi ini adalah :
1. Sebagai wacana dan referensi untuk penelitian selanjutnya mengenai mesin pendingin bertenaga surya terutama dari segi luas kolektor dan kemiringan sudut kolektor.
2. Menghasilkan mesin pendingin yang hemat energi dan ramah lingkungan.
3. Diharapkan nantinya dapat dikembangkan untuk memenuhi kebutuhan masyarakat dengan tujuan menghemat penggunaan energi listrik.
1.5. Sistematika Penulisan Laporan
Skripsi ini dibagi menjadi beberapa bab dengan garis besar tiap bab sebagai berikut:
Bab I Pendahuluan
Bab ini akan membahas latar belakang penulisan skripsi, perumusan masalah, batasan masalah, tujuan dan manfaat serta sistematika penulisan skripsi.
Bab II Tinjauan Pustaka
Bab ini membahas teori-teori yang dapat mendukung dan menjadi pedoman dalam penyusunan skripsi. Pada bab ini dibahas adsorben, adsorbat, serta prinsip kerja alat penguji kapasitas adsorpsi dan perpindahan panas.
Bab III Metodologi Penelitian
Bab ini penulis membahas tentang alat dan bahan yang digunakan dalam perancangan alat. Serta gambar alat-alat dan bahan yang digunakan.
Bab IV Hasil Pengujian dan Analisa
Bab ini penulis membahas tentang data pengujian dalam bentuk tabel dan dalam bentuk grafik dan dianalisa data yang didapat dari pengujian alat dan perhitungan teknik hasilnya.
Bab V Kesimpulan
Bab ini berisi tentang kesimpulan dari skripsi yang telah selesai dikerjakan dan saran-saran yang diperlukan untuk penyempurnaan hasil penelitian.
Daftar Literatur/ Pustaka
Daftar Pustaka berisikan literatur-literatur yang digunakan untuk menyusun laporan ini.
Lampiran
Lampiran berisikan data dari hasil penelitian yang didapatkan dan gambar selama proses pengerjaan alat perakitan/ pembuatan mesin pendingin dan saat pengujian.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Energi Surya
Energi surya adalah energi yang didapat dengan mengubah energi panas surya (matahari) melalui peralatan tertentu menjadi sumber daya dalam bentuk lain. Sumber energi surya yang utama diperoleh dari matahari, matahari memancarkan energi yang besar ke permukaan bumi. . Energi matahari dapat dipresentasikan dalam parameter intensitas radiasi yaitu jumlah daya matahari yang datang pada suatu permukaan persatuan luas area. Pada keadaan cuaca cerah, permukaan bumi menyerap sekitar 1000 watt energi matahari permeter persegi.
Kurang dari 30% energi tersebut dipantulkan kembali ke angkasa, 47%
dikonversikan menjadi panas, 23% digunakan untuk seluruh sirkulasi kerja yang terdapat di atas permukaan bumi, sebagian kecil 0,25% ditampung angin, gelombang dan arus dan masih ada bagian yang sangat kecil 0,025% disimpan melalui proses fotosintesis di dalam tumbuh-tumbuhan yang akhirnya digunakan dalam proses pembentukan batu bara dan minyak bumi (bahan bakar fosil, proses fotosintesis yang memakan jutaan tahun) yang saat ini digunakan secara ekstensif dan eksploratif. Bukan hanya untuk bahan bakar tetapi juga untuk bahan pembuat plastik, formika, bahan sintesis lainnya. Sehingga bisa dikatakan bahwa sumber segala energi adalah energi matahari[1].
Suatu teori yang akhir-akhir ini dapat diterima para ahli mengatakan bahwa radiasi gelombang elektromagnetik merupakan kombinasi dari gelombang elektrik arus bolak-balik berkecepatan tinggi dengan gelombang medan magnet
energi yang memancar melalui ruangan angkasa memberikan pancaran radiasi dengan panjang gelombang yang berbeda-beda. Radiasi gelombang elektromagnetik dikelompokkan pada panjang gelombang yang memberikan rangsangan energi yang lebih besar dimana semakin pendek panjang gelombangnya semakin besar energinya. Radiasi yang akan dipancarkan melalui permukaan matahari mempunyai variasi panjang gelombang dari yang paling panjang (gelombang radio) sampai yang paling pendek (gelombang sinar X dan sinar gamma).
Matahari memancarkan energi dalam bentuk radiasi elektromagnetik.
Radiasi tersebut hanya sekitar 50% yang dapat diserap oleh bumi. Menurut pengukuran yang dilakukan oleh badan luar angkasa Amerika Serikat NASA (National Aeronautics and Space Administration) melalui misi ruang angkasanya pada tahun 1971, diperoleh data tentang besaran konstanta matahari yang harganya sama dengan 1353 Watt/m2. Dari besaran tersebut 7,85% atau 105,8 Watt/m2 dipancarkan melalui sinar ultraviolet, 47,33% atau 640.4 Watt/m2 dipancarkan oleh sinar yang dapat dilihat oleh manusia (visible light) dan 44,85%
atau 606,8 Watt/m2 dipancarkan oleh sinar infra merah. Pada dasarnya energi radiasi yang dipancarkan oleh sinar matahari mempunyai besaran yang tetap (konstan), tetapi karena lintasan bumi berbentuk ellips maka jarak dari matahari ke bumi tidak konstan. Jarak terdekat 1,47 x 1011 m terjadi pada 3 januari dan jarak terjauh 1.52 x 1011 m pada 4 juli. Potensi energi surya di Indonesia sangat besar yakni sekitar 4.8 KWh/m2 atau setara dengan 112.000 GWp, namun yang sudah dimanfaatkan baru sekitar 10 MWp. Energi matahari dapat dimanfaatkan dengan berbagai cara salah satunya menjadi kolektor surya yang dapat
menyimpan panas sesuai dengan ukuran kolektor yang dibuat. Penyimpanan panas pada kolektor sangat bergantung pada kondisi matahari. Semakin panas matahari maka semakin banyak panas yang terserap. Kolektor surya beroperasi tanpa mengeluarkan suara (tidak seperti turbin angin besar) sehingga tidak menyebabkan polusi suara. Kolektor surya biasanya memiliki umur yang sangat lama, dan biaya pemeliharaannyasangat rendah karena tidak ada bagian yang bergerak. Kolektor surya juga cukup mudah untuk diinstal.
2.2. Intensitas Radiasi
Intensitas radiasi matahari merupakan jumlah energi radiasi matahari yang diterima oleh suatu permukaan per satuan luas dan per satuan waktu[5].Total energi radiasi matahari dapat dihitung dengan persamaan berikut[8] :
𝑄𝑟𝑎𝑑 = ∫𝑡𝑠𝑠𝑡𝑠𝑟𝐼𝑑𝑡 [𝑊/𝑚2]...(2.1)
dimana:
tsr dan tss = waktu terbit dan terbenam matahari I = intensitas radiasi matahari (W/m2)
dt = lama waktu penyinaran.
Sedangkan Qitdapat dihitung dengan menggunakan rumus di bawah ini[18]:
= 2
1
Idt A
Qit ...(2.2)
dimana:
A = luas penampang dari pelat absorber (m2) I = intensitas radiasi matahari (W/m2)
Intensitas radiasi matahari yang diterima bidang datar (horizontal) dan bidang miring (tilt) berbeda, ditunjukkan pada gambar berikut:
Gambar 2.1.Bidang horizontal (a), dan bidang yang dimiringkan (b)[8]
Perbandingannya dapat dinyatakan dengan persamaan berikut:
𝑅𝑏 = 𝐺𝑏 ,𝑇
𝐺𝑏 = 𝐺𝑏𝑛.𝑐𝑜𝑠𝜃
𝐺𝑏𝑛.𝐶𝑜𝑠 𝜃𝑧 ...(2.3) dimana :
Rb = rasio intensitas radiasi pada bidang miring dengan bidang horizontal
Gb,T = intensitas radiasi pada bidang miring (W/m2)
Gbn = intensitas radiasi matahari dengan sudut masuk normal pada bidang horizontal (W/m2)
𝜃 = sudut datang radiasi (o) 𝜃𝑧 = sudut zenith (o).
Nilai 𝑐𝑜𝑠𝜃 dapat ditentukan dengan persamaan:
𝑐𝑜𝑠𝜃 = cos(∅ − 𝛽) . 𝑐𝑜𝑠𝛿𝑐𝑜𝑠𝜔 + sin(∅ − 𝛽) . 𝑐𝑜𝑠𝛿 ...(2.4) Untuk permukaan yang dimiringkan, cos θ = cos θT (tilt). Beberapa parameter pada persamaan di atas dijelaskan sebagai berikut:
a. Posisi Lintang (∅)
Yaitu posisi suatu tempat dari bidang khatulistiwa, utara bernilai positif; -90o≤
∅≥ 90o
b. Deklinasi (𝛿)
Yaitu sudut posisi matahari pada siang hari sehubungan dengan bidang khatulistiwa. Utara bernilai positif; -23,45≤ δ≥ 23,45. Nilai δ dapat ditentukan dengan persamaan berikut:
𝛿 = 23,45 sin(360288+𝑛
365 )...(2.5) dimana :
n = hari keberapa dalam tahun tersebut.
c. Kemiringan (𝛽)
Yaitu sudut antara bidang permukaan tertentu dengan bidang horizontal; 0o≤ β≥ 90o (β > 90o berarti permukaan bidang menghadap ke bawah).
d. Sudut Jam Matahari (𝜔)
Yaitu pergeseran sudut dari matahari kearah timur/barat dari garis bujur local akibat rotasi bumi pada porosnya sebesar 15o per jam; pagi negatif, sore positif.
Nilai ω dapat ditentukan dengan persamaan berikut:
𝜔 = (𝑡𝑠 − 12) 𝑥 360
24...(2.6) 2.3. Teori Umum Adsorpsi
Adsorpsi merupakan suatu proses penyerapan oleh padatan tertentu terhadap zat tertentu yang terjadi pada permukaan zat padat karena adanya gaya tarik atom atau molekul pada permukaan zat padat tanpa meresap kedalam. Bila gas atau uap bersentuhan dengan permukaan padatan yang bersih, maka gas atau uap tadi
sebagai adsorben, sedangkan gas atau uap disebut sebagai adsorbat. Semua padatan dapat menyerap gas atau uap pada permukaan. Banyak gas yang teradsorpsi yang bergantung pada suhu dan tekanan gas serta luas permukaan padatan. Padatan yang paling efisien adalah padatan yang sangat porous seperti arang dan butiran padatan yang sangat halus[4]. Proses adsorpsi dapat terjadi karena adanya gaya tarik atom atau molekul pada permukaan padatan yang tidak seimbang. Adanya gaya ini, padatan cenderung menarik molekul-molekul lain yang bersentuhan dengan permukaan padatan, baik fasa gas atau fasa larutan ke dalam permukaannya. Akibatnya konsentrasi molekul pada permukaan menjadi lebih besar dari pada dalam fasa gas zat terlarut dalam larutan. Pada adsorpsi interaksi antara adsorben dengan adsorbat hanya terjadi pada permukaan adsorben[1]. Untuk mengetahui karateristik yang terjadi dalam proses adsorpsi dapat diilustrasikan dengan gambar 2.2. di mana padatan berpori (pores) yang menghisap (adsorp) dan melepaskan (desorp) suatu fluida disebut adsorben. Molekul fluida yang
dihisap tetapi tidak terakumulasi atau melekat pada adsorben disebut adsorptive, sedangkan yang terakumulasi disebut adsorbat.[7]
Gambar 2.2. Ilustrasi Proses Adsorpsi 2.3.1. Jenis – Jenis Adsorpsi
Berdasarkan Interaksi molekular antara permukaan adsorben dengan adsorbat, adsorpsi dibagi menjadi 2 yaitu :
2.3.1.1. Adsorpsi Fisika
Adsorpsi Fisika terjadi karena adanya gaya Van der Waals. Pada adsorpsi fisika, gaya tarik menarik antara molekul fluida dengan molekul pada permukaan padatan (Intermolekuler) lebih kecil dari pada gaya tarik menarik antar molekul fluida tersebut sehingga gaya tarik menarik antara adsorbat dengan permukaan adsorben relatif lemah pada adsorpsi fisika, adsorbat tidak terikat kuat dengan permukaan adsorben sehingga adsorbat dapat bergerak dari suatu bagian permukaan ke permukaan lainnya dan pada permukaan yang ditinggalkan oleh adsorbat tersebut dapat digantikan oleh adsorbat lainnya. Keseimbangan antara permukaan padatan dengan molekul fluida biasanya cepat tercapai dan bersifat reversibel. Adsorpsi fisika memiliki kegunaan dalam hal penentuan luas permukaan dan ukuran pori.
2.3.1.2. Adsorpsi Kimia
Adsorpsi kimia terjadi karena adanya ikatan kimia yang terbentuk antara molekul adsorbat dengan permukaan adsorben. Ikatan kimia dapat berupa ikatan kovalen/ion. Ikatan yang terbentuk kuat sehingga spesi aslinya tidak dapat ditentukan. Karena kuatnya ikatan kimia yang terbentuk maka adsorbat tidak mudah terdesorpsi. Adsorpsi kimia diawali dengan adsorpsi fisik di mana adsorbat mendekat ke permukaan adsorben melalui gaya Van der Waals/ Ikatan Hidrogen kemudian melekat pada permukaan dengan membentuk ikatan kimia yang biasa merupakan ikatan kovalen[2].
Adapun faktor- faktor yang mempengaruhi daya adsorpsi yaitu : 2.3.2.1. Jenis Adsorbat
• Ukuran molekul adsorbat, ukuran molekul adsorbat yang sesuai merupakan hal yang penting agar proses adsorpsi dapat terjadi, karena molekul-molekul yang dapat diadsorpsi adalah molekul- molekul yang diameternya lebih kecil atau sama dengan diameter pori adsorben.
• Kepolaran zat, Adsorpsi lebih kuat terjadi pada molekul yang lebih polar dibandingkan dengan molekul yang kurang polar pada kondisi diameter yang sama. Molekul-molekul yang lebih polar dapat menggantikan molekul-molekul yang kurang polar yang telah lebih dahulu teradsorpsi . Pada kondisi dengan diameter yang sama, maka molekul polar lebih dahulu diadsorpsi.
2.3.2.2.Temperatur
Saat molekul-molekul adsorbat menempel pada permukaan adsorben terjadi pembebasan sejumlah energi sehingga adsorpsi digolongkan bersifat eksoterm.
Bila suhu rendah maka kemampuan adsorpsi meningkat sehingga adsorbat bertambah.
2.3.2.3. Tekanan Adsorbat
Pada adsorpsi fisika bila tekanan adsorbat meningkat jumlah molekul adsorbat akan bertambah namun, pada adsorpsi kimia jumlah molekul adsorbat akan berkurang bila tekanan adsorbat meningkat.
2.3.2.4. Karakteristik Adsorben
Ukuran pori dan luas permukaan adsorben merupakan karakteristik penting adsorben. Ukuran pori berhubungan dengan luas permukaan, semakin kecil ukuran pori adsorben maka luas permukaan semakin tinggi. Sehingga jumlah molekul yang teradsorpsi akan bertambah. Selain itu kemurnian adsorben juga merupakan karakterisasi yang utama di mana pada fungsinya adsorben yang lebih murni yang lebih diinginkan karena kemampuan adsorpsi yang baik.
2.3.3. Faktor – Faktor yang Mempengaruhi Efisiensi Adsorpsi
Adapun faktor – faktor yang mempengaruhi efisiensi adsorpsi yaitu :
• Temperatur, oleh karena proses adsorpsi adalah proses yang eksotermis, maka adsorpsi akan berkurang pada temperatur lebih tinggi. Jika terdapat reaksi antara kontaminan yang teradsorpsi dan permukaan adsorben antara 2 atau lebih kontaminan kimia tersebut maka laju reaksinya akan meningkat pada temperatur yang lebih tinggi.
• Kelembapan, uap air mudah diadsorpsi oleh jenis adsorben polar sehingga kelembapan yang tinggi dapat mempengaruhi dan mengurangi kemampuan adsorben tersebut untuk mengadsorpsi kontaminan.
• Laju alir pengambilan sampel, jika terlalu tinggi laju alir dapat mengurangi efisiensi adsorpsi
• Adanya kontaminan lain, adanya kontaminan lain dapat mengurangi efisiensi adsorpsi karena adanya kompetisi antar kontaminan tersebut pada bagian adsorpsi. Reaksi antar senyawaan juga mungkin terjadi,
sehingga diperoleh hasil konsentrasi yang lebih rendah yang seharusnya.
• Adsorpsi zat terlarut oleh zat padat, penyerapan zat dari larutan, mirip dengan penyerapan gas oleh zat padat. Penyerapan bersifat selektif yang diserap hanya zat terlarut oleh pelarut. Bila didalam suatu larutan terdapat 2 buah zat ataupun lebih maka zat yang satu akan diserap lebih kuat dibanding zat yang lain. Zat yang dapat menurunkan tegangan permukaan maka lebih kuat diserap. Makin kompleks zat terlarut makin kuat diserap oleh adsorben. Makin tinggi temperatur, maka makin kecil daya serap. Namun pengaruh temperatur tidak sebesar pada adsorpsi gas [5].
2.3.4. Isoterm Adsorpsi
Isoterm adsorpsi adalah hubungan kesetimbangan antara konsentrasi dalam fase fluida dan konsentrasi di dalam partikel adsorben pada suhu tertentu. Ada beberapa isoterm adsorpsi yang diketahui seperti model isoterm Langmuir, Freundlich dan juga model isoterm Brunauer, Emmet, dan Teller (BET).
2.4. Sistem Refrigerasi Adsorpsi
Siklus pendingin adsorpsi berlangsung dengan penyerapan refrigeran/adsorbat dalam fasa uap ke dalam adsorben pada tekanan rendah, kemudian refrigeran yang terserap pada adsorben didesorpsi dengan memberikan panas pada adsorben[8].
Gambar 2.3. Siklus Dasar Refrigerasi Adsorpsi[11]
Kondisi awal sistem berada pada tekanan dan temperatur rendah, adsorben memiliki konsentrasi refrigeran yang tinggi dan vessel lain terdapat refrigeran dalam bentuk gas. Vessel yang terdapat adsorben dipanaskan yang mengakibatkan naiknya temperatur dan tekanan sistem sehingga kandungan adsorbat yang ada di dalam adsorben berkurang atau menguap. Proses berkurangnya kandungan adsorbat pada adsorben pada kasus ini disebut desorpsi.
Refrigeran yang terdesorpsi kemudian terkondensasi sebagai cairan di dalam labu kedua dengan dikeluarkannya panas ke lingkungan di mana tekanan dan temperatur sistem masih tinggi (gambar b). Pemanasan pada labu pertama dihentikan, lalu pada botol labu yang pertama terjadi perpindahan panas ke
menyebabkan adsorbat cair pada botol labu yang kedua menguap dan terserap ke botol pertama yang berisi adsorben. Proses terserapnya adsorbat ke adsorben pada kasus ini disebut adsorpsi. Proses adsorpsi menghasilkan efek pendinginan yang terjadi pada botol labu kedua, di mana pada tekanan rendah panas dari lingkungan diserap untuk menguap adsorbat (d) sampai sistem kembali ke kondisi awal.
Siklus mesin pendingin adsorpsi dapat digambarkan pada diagram Clayperon berikut ini.
Gambar 2.4. Diagram Clayperon pada Sistem Pendingin Siklus Adsorpsi[19]
Proses yang terjadi dapat di uraikan sebagai berikut ini.
1. Proses Pemanasan (pemberian tekanan)
Proses pemanasan dimulai dari titik 1 di mana adsorben berada pada temperatur rendah TA dan tekanan rendah Pe (tekanan evaporator). Adsorber akan menerima panas sehingga temperatur adsorber meningkat dan diikuti peningkatan tekanan evaporasi menjadi tekanan kondensasi. Selama proses ini tidak ada aliran refrigeran.
2. Proses Desorpsi
Proses desorpsi berlangsung pada waktu panas diberikan dari titik 2 ke 3 sehingga adsorber mengalami peningkatan temperatur yang menyebabkan timbulnya uap desorpsi. Sehingga, adsorbat yang berada pada adsorben dalam bentuk gas mengalir ke kondensor untuk mengalami proses kondensasi menjadi cair.
3. Proses Pendinginan (penurunan tekanan)
Proses pendinginan berlangsung dari titik 3 ke 4 yang berlangsung pada malam hari. Adsorber melepaskan panas dengan cara didinginkan sehingga suhu di adsorber turun dan diikuti oleh penurunan tekanan dari tekanan kondensasi ke tekanan evaporasi.
4. Proses Adsorpsi
Proses adsorpsi berlangsung dari titik 4 ke 1. Adsorber terus melepaskan panas sehingga adsorber mengalami penurunan temperatur dan tekanan yang menyebabkan timbulnya uap adsorpsi.
2.5. Studi Literatur Jurnal Internasional
Pada sistem refrigerasi dengan menggunakan konsep adsorpsi, sebuah adsorber termal menggantikan fungsi kompresor listrik dalam mesin kommpresi uap umumnya, dimana keseluruhan mesin pada dasarnya belum dimodifikasi. Reaktor terdiri dari sebuah penutup transparan, isolasi sisi dan isolasi bagian bawah, dan selubung persegi yang berisi medium berpori yang memiliki kemampuan untuk mengadsorpsi dan desorpsi refrigeran. Sedangkan lemari pendingin dirancang untuk mendinginkan sejumlah volume air pada penelitian ini [7].
Sistem refrigerasi dengan menggunakan konsep siklus adsorpsi ini telah menarik
adsorpsi ini, medium yang digunakan sebagai pengadsorpsi (adsorbent) dapat dibagi menjadi dua bagian utama, yaitu adsorpsi fisik (physical adsorption) dan adsorpsi kimia (chemical adsorption). Adsorpsi fisik disebabkan oleh gaya Van de Walls antara molekul adsorben dan adsorbat[13]. Karena memiliki porositas yang tinggi, adsorben ini dapat menyerap adsorbat dan menempatkannya dalam celah - celahnya. Sementara adsorpsi kimia disebabkan oleh reaksi kimia antara adsorben dan adsorbat. Transfer elektron, pembentukan dan pemutusan ikatan kimia selalu terjadi pada adsorpsi kimia[14]. Adsorbent fisik yang umum digunakan pada refrigerasi adsorpsi adalah karbon aktif (activated carbon), karbon aktif fiber (activated carbon fiber), silica gel, dan zeloit[15]. Khusus untuk adsorben karbon aktif dibuat dari material yang banyak mengandung karbon antara lain dari kayu, batubara, limbah penyulingan minyak, dan cangkang kelapa.
Gambar 2.5. Komponen Siklus Adsorpsi
Sebagai langkah awal telah dilakukan studi literatur hasil - hasil penelitian tentang mesin pendingin siklus adsorpsi khususnya yang menggunakan pasangan karbon aktif dan metanol telah dipublikasikan secara international. Sistem mesin pendingin siklus adsorpsi terdiri dari kolektor yang sekaligus bertindak sebagai
generator, kondensor, dan evaporator. Komponen dari siklus ini d apat dilihat pada gambar 2.5. yang menjelaskan prinsip kerja proses desorpsi dan adsorpsi. Di dalam kolektor ini dimuat karbon aktif yang massa optimumnya menurut adalah sebesar 20 – 26 kg/m2. Kolektor ini harus tertutup, tidak tembus udara luar dan memiliki pipa penghubung yang menjadi laluan refrigeran masuk dan keluar dari generator. Karbon aktif akan menyerap uap refrigeran, uap ini akan menempati celah - celah kosong di antara karbon aktif dengan fasa hampir cair. Karbon aktif yang mengandung metanol ini jika dipanaskan dengan menggunakan sinar matahari, maka temperatur dan tekanannya akan naik. Kondisi ini akan membuat uap refrigeran pada suhu dan tekanan tinggi akan terlepas dari adsorben di mana prosesnya disebut adsorpsi. Uap refrigeran ini akan mengaliri kondensor dan karena pendinginan uap akan berubah menjadi cair dan terakumalasi di evaporator. Proses ini akan berlangsung selama adanya energi panas dan sinar matahari. Pada malam hari atau jika adsorber ditutup, temperatur dan tekanan generator akan turun. Pada kondisi ini karbon aktif siap untuk menyerap metanol kembali. Kondisi ini akan membuat metanol yang ada di evaporator menguap dan diserap oleh karbon aktif dan proses ini disebut adsorpsi.
Gambar 2.6. Prinsip kerja mesin pendingin siklus adsorpsi
Proses evaporasi metanol ini akan menyerap kalor dari air sebesar kalor latennya.
Proses ini akan membuat air yang berada di evaporator akan berubah menjadi es.
Pada hari berikutnya proses akan berulang kembali. Dengan menggunakan siklus adsorpsi, penelitian yang menggunakan pasangan karbon aktif dan metanol sebagai refrigeran yang digerakkan oleh energi matahari telah banyak dilakukan dan dilaporkan dalam beberapa jurnal ilmiah. Pons dan Guillminot[16] merupakan pelopor penelitian di bidang ini, mereka melakukan perancangan dan pengujian mesin pembuat es yang digerakkan tenaga matahari. Kolektor yang digunakan adalah tipe plat datar dengan luas bidang penyerapan 6 m2 yang mengandung 130 kg karbon aktif dan metanol sebagai refrigeran sebanyak 18 kg. Pada kondisi sinar matahari yang baik dan lokasi pengujian ada di daerah Orsay, Francis, mereka mengklaim dapat menghasilkan 30 – 35 kg es per hari. Li dkk [17]
melakukan pengujian performansi dan analisis mesin pembuat es dengan menggunakan solar kolektor tipe dua plat datar dengan metanol sebagai refrigeran. Pengujian dilakukan di laboratorium dan sinar matahari disimulasikan
dengan menggunakan lampu quartz. Dengan total radiasi dan lampu sebesar 28 - 30 MJ dapat dihasilkan 7 – 10 kg es. Khattab [18], melakukan penelitian di Kairo (300 latitute), juga menggunakan pasangan karbon aktif (produk lokal) dan metanol dan melakukan modifikasi pada kolektor. Hasil yang didapatkan adalah 6,9 kg es/m2 pada musim dingin dan 9,4 kg es/m2 pada musim panas. Li dkk melakukan pengembangan mesin pembuat es tanpa menggunakan katup.
Kolektornya adalah tipe plat datar dengan luas 1 m2 dan mengandung 19 karbon aktif yang diproduksi di China. Dengan kapasitas penyinaran sebesar 18 – 22 MJ/m2 didapatkan es sebanyak 5 kg.
2.6.Adsorben
Adsorben merupakan bahan yang sangat berpori dan adsorpsi berlangsung terutama pada dinding-dinding pori atau pada letak-letak tertentu di dalam partikelnya. Karena pori-porinya biasa kecil maka luas permukaan dalam mencapai beberapa orde besaran lebih besar dari permukaan luar dan bisa sampai 2000 m2/gr. Dalam kebanyakan hal komponen yang diadsorpsi melekat sedemikian kuat sehingga memungkinkan pemisahan komponen itu secara menyeluruh dari fluida tanpa terlalu banyak adsorpsi terhadap komponen lain.
2.6.1. Jenis – jenis Adsorben
2.6.1.1. Adsorben Tidak Berpori (Non-Porous Sorbent)
Adsorben tidak berpori dapat diperoleh dengan cara presipitasi deposit kristalin seperti BaSO4 atau penghalusan padatan kristal. Luas permukaan spesifiknya kecil tidak lebih dari 10 m2/g dan umumnya antara 0,1 s/d 1 m2/g. Adsorben yang tidak berpori seperti filter karet (rubber filters) dan karbon hitam bergrafit (graphitized
Carbon Black) adalah jenis adsorben tidak berpori yang telah mengalami perlakuan khusus sehingga luas permukaannya dapat mencapai ratusan m2/g.
2.6.1.2. Adsorben Berpori (Porous Sorbents)
Luas permukaan spesifik dsorben berpori berkisar antara 100 s/d 1000 m2/g.
Biasanya digunakan sebagai penyangga katalis, dehidrator, dan penyeleksi komponen. Adsorben ini umumnya berbentuk granular. Klasifikasi pori menurut International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) adalah :
• Pori-pori berdiameter kecil (Mikropores d < 2 nm )
• Pori-pori berdiameter sedang ( Mikropores 2 < d <50 nm)
• Pori-pori berdiameter besar ( Makropores d > 50 nm )
2.7. Karbon Aktif Sebagai Adsorben
Karbon aktif secara komersial diketahui pertama kali karena penggunaannya sebagai topeng uap pada perang dunia I. Namun, sudah diketahui bahwa karbon hasil dekompresiasi kayu dapat menyingkirkan bahan berwarna. Penerapan secara komersil arang kayu digunakan dalam sebuah pabrik gula di Inggris[4]. Karbon aktif merupakan adsorben terbaik dalam sistem adsorpsi. Ini dikarenakan arang aktif memiliki luas permukaan yang besar dan daya adsorpsi yang tinggi sehingga pemanfaatannya dapat optimal. Karbon aktif yang baik harus memiliki luas permukaan yang besar sehingga daya adsorpsinya juga besar. Luas permukaan karbon aktif umumnya berkisar antara 300–3000 m2/g dan ini terkait dengan struktur pori pada karbon aktif tersebut. Karbon aktif adalah material berpori dengan kandungan karbon 87%-97% dan sisanya berupa hidrogen, oksigen, sulfur, dan material lain. Karbon aktif merupakan karbon yang telah diaktivasi sehingga terjadi pengembangan struktur pori yang bergantung pada metode
aktivasi yang digunakan. Struktur pori menyebabkan ukuran molekul teradsorpsi terbatas, sedangkan bila ukuran partikel tidak masalah, kuantitas bahan yang diserap dibatasi oleh luas permukaan karbon aktif [4]. Perbedaan antara arang dan arang aktif adalah pada bagian permukaannya. Bagian permukaan arang masih ditutupi oleh deposit hidrokarbon yang menghalangi keaktifannya, sementara bagian permukaan arang aktif relatif bebas dari deposit dan permukaannya lebih luas serta pori–pori yang terbuka sehingga dapat melakukan penyerapan.
Kemampuan adsorpsi arang aktif tidak hanya bergantung pada luas permukaannya saja tetapi juga struktur dalam pori-pori arang aktif, karakteristik permukan dan keberadaan grup fungsional pada permukaan pori[15].
Gambar 2.7. Karbon Aktif
Karbon aktif yang digunakan dalam penelitian ini terbuat dari cangkang kelapa.
Adapun sifat dari adsorben karbon aktif yang digunakan adalah sebagai berikut.
Tabel 2.1. Sifat Adsorben Karbon Aktif [7]
No Sifat Adsorben Karbon Aktif Nilai Sifat Karbon Aktif
1 Massa Jenis 352,407 – 544,629 m3/Kg
2 Pore Volume 0,56 – 1,20 cm3/g
3 Diameter Rata-rata Pori 15-25 Å
5 Ukuran Karbon Aktif 3 mm
2.7.1. Penggunaan Karbon Aktif
Karbon aktif terbagi atas 2 tipe yaitu karbon aktif sebagai pemucat dan karbon aktif sebagai penyerap uap. Karena hal tersebut maka karbon aktif banyak digunakan oleh kalangan industri. Adapun penggunaan karbon aktif secara umum dapat dilihat pada tabel berikut.
Tabel 2.2. Penggunaan Karbon Aktif [7]
No PEMAKAI KEGUNAAN JENIS/ MESH
1 Industri obat dan
makanan Menyaring, penghilang bau dan rasa 8x30,325 2 Minuman keras dan
ringan
Penghilang warna dan bau pada
minuman 4x8, 4x12
3 Kimia perminyakan Penyulingan bahan mentah 4x8, 4x12 4 Pembersih air Penghilang warna, bau, penghilang
resin 8x30
5 Budi daya udang Pemurnian, penghilangan ammonia,
netrite phenol dan logam berat 4x8, 4x12 6 Industri gula
Penghilang zat-zat warna, menyerap, proses penyaringan menjadi lebih
sempurna
4x8, 4x12
7 Pelarut yang digunakan
kembali Penarikan kembali sebagai pelarut 4x8, 4x12, 8x30 8 Pemurnian gas Menghilangkan sulfur, gas beracun,
bau busuk asap 4x8, 4x12 9 Katalisator Reaksi katalisator pengangkut vinil
chloride, vinil acetat 4x8, 4x30 10 Pengolahan pupuk Pemurnian, penghilangan bau 8x30
2.7.2. Jenis – jenis Karbon Aktif
Ukuran diameter pori untuk karbon fase cair umumnya mendekati atau lebih besar dari 30Å sedangkan untuk karbon fase gas umumnya diameter pori berukuran 10
sampai 25Å. Efektifitas karbon aktif biasanya ditentukan dengan test kimia yang sesuai dimana test tersebut dapat menyerap di bawah kondisi standar. Untuk fase gas biasanya digunakan CCl4 sedangkan untuk fase cair digunakan adsorpsi iodin.
Berdasarkan penggunaannya, karbon aktif terbagi menjadi 2 jenis yaitu :
2.7.2.1. Karbon Aktif untuk Fasa Cair
Karbon aktif untuk fasa cair biasanya berbentuk serbuk. Karbon aktif fasa cair biasanya dibuat dari bahan yang memiliki berat jenis rendah seperti kayu, batu bara, lignit, dan bahan yang mengandung lignin seperti limbah hasil pertanian.
Karbon aktif jenis ini banyak digunakan untuk pemurnian larutan dan penghilangan rasa dan bau pada zat cair misalnya untuk penghilangan polutan berbahaya seperti gas amonia dan logam berbahaya pada proses pengolahan air.
2.7.2.2. Karbon Aktif untuk Fasa Uap
Karbon aktif untuk fasa uap biasanya berbentuk butiran/granula. Karbon aktif jenis ini biasanya dibuat dari bahan yang memiliki berat jenis lebih besar seperti tempurung kelapa, batubara, cangkang kemiri, residu minyak bumi, karbon aktif jenis ini digunakan dalam adsorpsi gas dan uap misalnya adsorpsi emisi gas hasil pembakaran bahan bakar pada kendaraan seperti CO dan NOx. Pernyataan mengenai bahan baku yang digunakan dalam pembuatan karbon aktif untuk masing – masing jenis yang disebutkan bukan merupakan suatu keharusan, karena ada karbon aktif untuk fasa cair yang dibuat dari bahan yang mempunyai densitas besar seperti tulang, kemudian dibuat dalam bentuk granula dan digunakan sebagai pemucat larutan gula. Begitu pula dengan karbon aktif yang digunakan untuk fasa uap dapat diperoleh dari bahan yang memiliki densitas kecil, seperti
2.7.3. Aktivasi Karbon Aktif
Proses aktivasi dilakukan untuk meningkatkan luas permukaan dan daya adsorpsi karbon aktif. Pada proses ini terjadi pelepasan hidrokarbon, tar, dan senyawa organik yang melekat pada karbon tersebut. Proses aktifasi terdapat 2 jenis yaitu :
1. Aktivasi Fisika Pada aktivasi secara fisika, karbon dipanaskan pada suhu sekitar 800 – 1000 oC dan dialirkan gas pengoksida seperti uap air, oksigen/O2. Gas pengoksida akan bereaksi dengan karbon dan melepaskan karbon monoksida dan hidrogen untuk gas pengoksida berupa uap air. Senyawa – senyawa produk samping pun akan terlepas pada proses ini sehingga akan memperluas pori dan meningkatkan daya adsorpsi. Klasifikasi karbon dengan uap air dan CO2 terjadi melalui reaksi bersifat endotermis berikut ini (Marsh, 2006).
C + H2O → CO + H2 ( 117 kj/mol) C + CO2 → 2 CO ( 159 kj / mol )
Sedangkan aktivasi fisika dengan oksigen melalui reaksi bersifat eksotermis berikut ini :
C + O2 → CO2 ( -406 kj / mol )
Pada aktivasi fisika terjadi pengurangan massa karbon dalam jumlah yang besar karena adanya pembentukan struktur karbon. Namun pada aktivasi fisika seringkali terjadi kelebihan oksida eksternal sewaktu gas pengoksid a berdifusi
pada karbon sehingga terjadi pengurangan ukuran adsorben. Selain itu, reaksi sulit dikontrol.
2. Aktivasi kimia, Pada cara ini proses aktivasi dilakukan dengan menggunakan bahan kimia sebagai aktivating agent. Aktivasi arang ini dilakukan dengan merendam arang kedalam larutan kimia seperti NaCl, ZnCl2 , KOH, KCl, dll. Sehingga bahan kimia akan meresap dan membuka permukaan arang yang semula tertutup oleh deposit tar .Pada proses aktivasi ini karbon atau arang dipanaskan dengan suhu tinggi didalam sistem tertutup tanpa udara sambil dialiri gas inert. Saat ini terjadi proses lanjutan pemecahan atau peruraian sisa deposit tar dan senyawa hidrokarbon sisa karbonisasi keluar dari permukaan karbon sebagai akibat gas suhu tinggi dan adanya aliran gas inert, sehingga akan dihasilkan karbon dengan luas permukaan yang cukup luas atau disebut dengan arang aktif.
2.7.4. Spesifikasi Karbon Aktif
Pada saat pemilihan karbon aktif yang dipakai, ada beberapa spesifikasi yang perlu diperhatikan :
1. Kekerasan karbon aktif
Penggunaaan karbon aktif sebagai penyaringan air, maka kekerasan karbon aktif, atau kuatnya karbon aktif terhadap abrasi sangat berpengaruh pada hasil penyaringan.
2. Densitas karbon aktif
Densitas karbon aktif yang paling bagus adalah yang paling rendah, dimana
dan semakin rapat karbon aktif yang dipakai untuk memenuhi satu wadah dibandingkan dengan karbon aktif yang memiliki densitas yang tinggi.
3. Kadar iodine
Kadar iodine adalah suatu nilai yang sangat penting dilihat pada saat pemilihan untuk aplikasi adsorbsi, kadar iodine menunjukan seberapa besar pori-pori berukuran mikro yang terdapat dalam karbon aktif tersebut, atau total permukaan dalam karbon aktif. Untuk aplikasi adsorbsi ini penulis menggunakan karbon aktif dengan nilai iodine menengah.
2.8. Metanol Sebagai Adsorbat
Untuk terjadinya suatu proses pendinginan diperlukan suatu bahan yang mudah menguap ataupun berubah dari gas menjadi cair atau sebaliknya. Adapun sifat metanol dapat dilihat seperti tabel berikut ini.
Tabel 2.3. Sifat Metanol [7]
No Sifat Metanol Nilai Sifat Metanol
1 Massa Jenis (cair) 787 Kg/m3
2 Titik Lebur -97.7 oC
3 Titik Didih 64,5 oC
4 Klasifikasi EU Flamamable (F), Toxic (T)
5 Panas Laten Penguapan (Le) 1100 kJ/kg
Metanol merupakan bentuk alkohol paling sederhana. Pada keadaan atmosfer metanol berbentuk cairan yang ringan, mudah menguap, tidak berwarna, mudah terbakar, dan beracun dengan bau yang khas (berbau lebih ringan daripada etanol).
Metanol digunakan sebagai bahan pendingin anti beku, pelarut, bahan bakar dan sebagai bahan adidtif bagi metanol industri. Metanol diproduksi secara alami oleh
metabolisme anaerobik oleh bakteri. Hasil proses tersebut adalah uap metanol (dalam jumlah kecil) di udara. Setelah beberapa hari, uap metanol tersebut akan teroksidasi oleh oksigen dengan bantuan sinar matahari menjadi karbon dioksida dan air. [2]
Gambar 2.8. Methanol Pro Analisys 2.9.Kalor (Q)
Kalor adalah energi yang berpindah yang mengakibatkan perubahan temperatur [12]. Pada abad ke-19 berkembang teori bahwa kalor merupakan fluida ringan yang dapat mengalir dari suhu tinggi ke suhu rendah, jika suatu benda mengandung banyak kalor, maka suhu benda itu tinggi (panas). Sebaliknya, jika benda itu mengandung sedikit kalor, maka dikatakan benda itu bersuhu rendah (dingin). Kuantitas energi kalor (Q) dihitung dalam satuan joules (J). Laju aliran kalor dihitung dalam satuan joule per detik (J/s) atau watt (W). Laju aliran energi ini juga disebut daya, yaitu laju dalam melakukan usaha.
2.9.1. Kalor Laten
Suatu bahan biasanya mengalami perubahan temperatur bila terjadi perpindahan kalor antara bahan dengan lingkungannya. Pada suatu situasi tertentu, aliran kalor
ini tidak merubah temperaturnya. Hal ini terjadi bila bahan mengalami perubahan fasa. Misalnya padat menjadi cair, cair menjadi uap dan perubahan struktur kristal (zat padat) [12]. Energi yang diperlukan disebut kalor laten. Kalor yang diperlukan untuk merubah fasa dari bahan bermassa m adalah:
QL= Le m...(2.7)
dimana :
QL = Kalor laten (J)
Le = Kapasitas kalor spesifik laten (J/kg) m = Massa zat (kg)
2.9.2. Kalor Sensibel
Tingkat panas atau intensitas panas dapat diukur ketika panas tersebut merubah temperatur dari suatu substansi. Perubahan intensitas panas dapat diukur dengan termometer. Ketika perubahan temperatur didapatkan, maka dapat diketahui bahwa intensitas panas telah berubah dan disebut sebagai kalor 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 [12].
Qs = m Cp ΔT...(2.8) dimana:
Qs = Kalor sensible (J)
Cp = Kapasitas kalor spesifik sensibel (J/kg.K) ΔT = Beda temperatur (K)
2.9.3. Perpindahan Kalor
Panas hanya akan berpindah jika ada perbedaan temperatur, yaitu dari sistem yang bertemperatur tinggi ke sistem bertemperatur rendah. Perbedaan temperatur ini mutlak diperlukan sebagai syarat terjadinya perpindahan panas. Selama ada perbedaan temperatur antara dua sistem maka akan terjadi perpindahan panas.
Mekanisme perpindahan panas yang terjadi dapat dikategorikan atas 3 jenis yaitu:
konduksi, konveksi dan radiasi.
2.9.3.1.Konduksi
Konduksi adalah proses perpindahan panas yang mengalir melalui suatu bahan padat dari daerah yang bersuhu lebih tinggi ke daerah yang bersuhu lebih rendah di dalam suatu medium (padat, cair atau gas). Peristiwa ini menyangkut pertukaran energi pada tingat molekuler. Pengamatan gejala fisika dan serentetan pemikiran telah menghasilkan laju aliran kalor untuk konduksi. Kepadatan aliran (flux) energi perpindahan kalor secara konduksi disebuah batangan padat, sebanding dengan beda suhu dan luas penampang serta berbanding terbalik dengan panjangnya [12].
Pengamatan dibuktikan dengan serentetan percobaan sederhana. Fourter telah memberikan sebuah model matematika untuk proses ini. Dalam hal satu dimensi, model matematikanya yaitu :
𝑞 = −𝑘. 𝐴.𝑑𝑇
𝑑𝑥...(2.9) dimana :
q = Laju perpindahan panas (W)
A = Luas penampang dimana panas mengalir (m2)
dT
dx = Gradien suhu pada penampang, atau laju perubahan suhu T terhadap jarak
k = Konduktivitas termal bahan (W/m.K)
Daya hantar termal merupakan suatu karakteristik dari bahan dan perbandingan K/l disebut hantaran (konduktivitas) yang ditentukan oleh struktur molekul bahan.
Semakin rapat dan tersusun rapinya molekul-molekul yang umumnya terdapat pada logam akan memindahkan energi yang semakin cepat dibandingkan dengan susunan yang acak dan jarang yang pada umumnya terdapat pad a bahan bukan logam. Nilai angka konduktifitas termal menunjukan beberapa cepat kalor mengalir dalam bahan tertentu.
Gambar 2.9. Perpindahan panas pada kolektor surya
Peristiwa perpindahan konduksi pada mesin pendingin tenaga surya terjadi pada sisi-sisi kolektor yang diisolasi oleh rockwool, sterofoam,busa hitam dan kayu.
Energi panas hilang (Qloss) dan berpindah dari ruang dalam kolektor menuju temperatur yang lebih dingin (temperatur lingkungan).
2.9.3.2. Konveksi
Perpindahan panas konveksi adalah perpindahan panas antara permukaan padat yang berbatasan dengan fluida mengalir. Fluida di sini bisa dalam fasa cair atau fasa gas. Syarat utama mekanisme perpindahan panas konveksi adalah adanya aliran fluida.[6]
qconv = hAs (Ts − T∞)...(2.10) dimana:
q = Laju perpindahan panas konveksi (W) h = koefisien pindahan panas konveksi (W/m2C) As = luas penampang (m2)
Ts = suhu permukaan bidang (oC) T∞ = suhu lingkungan (oC)
2.9.3.2.1. Konveksi Alamiah
Konveksi jenis ini terjadi karena proses pemanasan yang menyebabkan fluida berubah densitasnya (kerapatannya) dan bergerak naik. Gerakan fluida dalam konveksi bebas terjadi karena gaya buoyancy (apung) yang dialaminya apabila kerapatan fluida di dekat permukaan perpindahan kalor berkurang sebagai akibat proses pemanasan.[19] Bilangan Grashof merupakan perbandingan antara gaya buoyancy terhadap gaya viskositas fluida.
𝐺𝑟𝐿 = 𝑔𝛽 (𝑇𝑠− 𝑇∞) 𝐿𝑐
3
𝑣2 ……...…..………..(2.11) dimana :
g = percepatan gravitasi (m/s2)
𝛽 = koefisien ekspansi volume, 1/K (𝛽 = 1𝑇 untuk gas ideal) Ts = temperatur permukaan (oC)
𝑇∞ = temperatur fluida yang bergerak di sekitar permukaan (oC) Lc = karateristik panjang dari bentuk geometri (m)
𝜈 = viskositas kinematik (m2/s).
Tabel 2.4. Korelasi empiris bilangan Nusselt rata-rata yang terjadi pada permukaan proses konveksi bebas[17].
Dari nilai Grashof dan Prandtl dapat dihitung nilai Rayleigh dengan pers 2.6 untuk plat datar dan pers 2.7 untuk fin :
𝑅𝑎
𝐿 = 𝑔𝛽(𝑇𝑠−𝑇∞)𝐿3
𝜗2 𝑃𝑟 ……….(2.12)
𝑅𝑎
𝐿 = 𝑔𝛽(𝑇𝑠−𝑇∞)(
𝐴𝑠 𝑝)3
𝜗2 𝑃𝑟……….(2.13)
Dimana As adalah luas seluruh perukaan fin, dan p adalah total perimeter atau panjang rusuk fin.
2.9.3.3.Radiasi
Radiasi adalah proses perpindahan panas tanpa melalui media. Bila energi radiasi mengenai permukaan suatu bahan, maka sebagian akan dipantulkan (refleksi) , sebagian lagi akan diserap (absorbsi) dan sebagian lagi akan diteruskan (transmisi). Kebanyakan benda padat tidak bisa meneruskan radiasi thermal sehingga penerapan transmisivitas dianggap nol[13].
Energi yang diradiasikan dari suatu permukaan ditentukan dalam bentuk daya pancar (emissive power) yang secara termodinamika dapat dibuktikan bahwa daya pancar tersebut sebanding dengan pangkat empat dari temperatur absolutnya.
Untuk radiator ideal, biasanya berupa benda hitam (black body).
Persamaan untuk mencari perpindahan panas radiasi adalah sebagai berikut:
𝑞𝑟𝑎𝑑 = 𝜀 𝐴 𝜎(𝑇𝑠4− 𝑇𝑠𝑢𝑟4 )...(2.14) dimana :
qrad = laju perpindahan panas radiasi (W) ε = emisivitas bahan
A = luas permukaan (m2)
𝜎 = kontanta Stefan – Boltzmann (5,67 x 10-8 W/m2K4) Ts = suhu permukaan (K)
Tsur = suhu lingkungan (K)
Penggunaan energi surya meliputi pengaturan kedudukan permukaan pengumpul
![Gambar 2.3. Siklus Dasar Refrigerasi Adsorpsi[11]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/1939526.4009028/31.893.222.719.126.636/gambar-siklus-dasar-refrigerasi-adsorpsi.webp)
![Gambar 2.4. Diagram Clayperon pada Sistem Pendingin Siklus Adsorpsi[19]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/1939526.4009028/32.893.229.706.429.777/gambar-diagram-clayperon-pada-sistem-pendingin-siklus-adsorpsi.webp)
![Tabel 2.4. Korelasi empiris bilangan Nusselt rata-rata yang terjadi pada permukaan proses konveksi bebas[17]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/1939526.4009028/50.893.172.701.208.812/tabel-korelasi-empiris-bilangan-nusselt-terjadi-permukaan-konveksi.webp)
