RANCANG BANGUN KONDENSOR TIPE SIRIP PADA MESIN PENDINGIN ADSORPSI TENAGA SURYA

RANCANG BANGUN KONDENSOR TIPE SIRIP PADA MESIN PENDINGIN ADSORPSI TENAGA SURYA

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

PANDE BM SIAHAAN NIM: 150401049

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

2020

Penelitian ini bertujuan untuk membuat suatu rancang bangun kondensor tipe sirip pada mesin pendingin adsorpsi tenaga surya dengan aliran menyilang untuk mengkondensasikan fluida kerja yaitu metanol,dengan fluida pendinginnya yaitu udara lingkungan. Kondensor yang dirancang memiliki tinggi 57 cm, lebar 40 cm, diameter pipa horizontal 2,5 cm, diameter pipa vertikal 1,9 cm , jarak antar pipa 5 cm, panjang sirip 40 cm, lebar sirip 7 cm, tebal sirip 0,2 cm, jarak antar sirip 2,05 cm, jumlah sirip 15 buah, jumlah pipa vertikal 5 buah, pipa horizontal 2 buah. Dari hasil perhitungan secara teoritis didapat efektivitas kondensor 0,57. Tegangan ijin 68,5 Mpa dan beban maksimum 34343,75 N.

Kata kunci : Perpindahan panas,Alat penukar kalor, Kondensor, Kekuatan tarik.

This study aims to create a fin-type condenser design on a solar adsorption cooling machine with a cross flow to condense the working fluid, methanol, with its cooling fluid, environmental air. The designed condenser has a height of 57 cm, width of 40 cm, diameter of horizontal pipe 2,5 cm, diameter of vertikal pipe of 1,9 cm, distance between pipes 5 cm, fin lenght of 40 cm, fin width of 7 cm, fin thickness of 0,2 cm, the distance between the fin is 2.05 cm, the number of fins 15 pieces, the number of vertical pipes 5 and 2 horizontal pipes.

From the theoretical calculations the effectiveness of the condenser 0,57. Permit voltage 68,5 Mpa and maximum load 34343,75 N.

Keywords : Heat transfer, Heat exchanger, Condenser, Tensile strenght

Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang telah melimpahkan rahmatNya sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan laporan penelitian skripsi yang berjudul “Rancang Bangun Kondensor Tipe Sirip Pada Mesin Pendingin Adsorpsi Tenaga Surya”

Pembuatan laporan ini untuk melengkapi salah satu persyaratan untuk menyelesaikan pendidikan di Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada ;

1. Bapak Dr. Tulus B. Sitorus,ST.MT selaku Dosen pembimbing, yang selalu memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis.

2. Bapak Dr. Ir. M. Sabri, M.T. selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

3. Bapak Terang UHSG,ST.,MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera.

4. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin, yang telah membantu segala keperluan yang diperlukan selama penulis kuliah.

5. Kedua orang tua penulis, yang selalu memberikan dukungan moril dan materil kepada penulis

6. Rekan satu tim penulis.

7. Seluruh rekan mahasiswa Teknik Mesin yang telah memberikan bantuannya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini dan seluruh pihak yang telah membantu selama penulis kuliah dan menyelesaikan skripsi ini.

Akhir kata, Penulis ucapkan terima kasih banyak kepada semua pihak yang telah membantu. Penulis juga berharap semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi kita semua.

Medan, Februari 2020 Penulis,

Pande BM Siahaan

ABSTRAK...…...…. i

ABSTRACT...…... ii

KATA PENGANTAR ... iii

DAFTAR ISI ... iv

DAFTAR GAMBAR ...vi

DAFTAR TABEL ...viii

DAFTAR NOTASI ILMIAH ...….ix

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Tujuan Penelitian ... 2

1.3 Batasan Masalah ... 2

1.4 Manfaat Penelitian ... 2

1.5 Sistematika Penulisan ... 2

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 4

2.1 Teori Umum Adsorpsi ... 4

2.2 Refrigerasi Adsorpsi ... 7

2.3 Adsorben ... 8

2.3.1 Karbon aktif sebagai adsorben……….. 10

2.4 Kalor ... 11

2.4.1 Kalor Laten ... 12

2.4.2 Kalor Sensibel ... 12

2.5 Tinjauan perpindahan panas ... 13

2.5.1 Perpindahan panas konduksi ... 13

2.5.2 Perpindahan panas konveksi ... 15

2.6 Sifat Termodinamika Fluida ... 16

2.6.1 Sifat Aliran Fluida ... 17

2.9 Efisiensi Sirip dan Keseluruhan Permukaan ... 23

2.10 Efektivitas Heat Exchanger ... 26

2.11 Aluminium ... 27

2 .12 Kondensor ... 30

2.12.1 Jenis-jenis Kondensor ... 31

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 35

3.1 Metode Pelaksanaan Rancang Bangun ... 35

3.2 Tempat dan Waktu ... 36

3.3 Parameter Desain ... 36

3.4 Gambar Teknik Desain ... 37

3.5 Alat dan Bahan ... 37

3.5.1 Alat ... 37

3.5.2 Bahan ... 39

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN... 41

4.1 Perhitungan termodinamika ... 41

4.2 Perancangan Kondensor... 44

4.2.1 Dimensi Kondensor Perancangan ... 44

4.2.2 Penentuan Dimensi Permukaan Kondensor ... 46

4.2.3 Menghitung Koefisien Perpindahan Panas Konveksi ... 47

4.2.4 Efisiensi Sirip dan Efektivitas Kondensor ... 51

4.3 Pembuatan Kondensor ... 54

4.4 Menghitung kekuatan material ... 56

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 58

5.1 Kesimpulan ... 58

5.2 Saran ... 58

DAFTAR PUSTAKA ... 59

Gambar 2.1 Proses adsorpsi dan desorpsi... 5

Gambar 2.2 Diagram Clayperon pada sisitem pendingin siklus adsorpsi ... 7

Gambar 2.3 Karbon aktif ... 10

Gambar 2.4 Perbedaan perpindahan panas konduksi,konveksi dan radiasi ... 13

Gambar 2.5 Perpindahan panas konduksi ... 14

Gambar 2.6 Konveksi pada plat datar ... 15

Gambar 2.7 Selisih perbedaan temperatur rata-rata logaritmik kondensor ... 21

Gambar 2.8 Distribusi temperatur ... 23

Gambar 2.9 Persamaan luas dan efisiensi dari sirip yang umum ... 24

Gambar 2.10 Jenis susunan sirip ... 25

Gambar 2.11 Rekayasa perilaku tegangan-regangan. ... 28

Gambar 2.12 Kondensor Tabung dan Pipa Bersirip Horizontal ... 31

Gambar 2.13 Kondensor Tabung dan Koil ... 32

Gambar 2.14 Kondensor Dengan Pendingin Udara ... 33

Gambar 3.1 Diagram alir penelitian ... 35

Gambar 3.2 Gambar Teknik Desain ... 37

Gambar 3.3 Gerinda ... 37

Gambar 3.4 Las TIG ... 38

Gambar 3.5 Mesin Bor ... 38

Gambar 3.6 Meter ... 38

Gambar 3.7 Tang ... 39

Gambar 3.8 Plat aluminium 2 mm ... 39

Gambar 3.10 Pipa Aluminium 1 inch ... 40

Gambar 3.11 Kawat Las TIG ... 41

Gambar 4.1 Siklus pendingin Adsorpsi ... 42

Gambar 4.2 Diagram p-h Enthalpy ... 44

Gambar 4.3 Kondensor Perancangan ... 45

Gambar 4.4 Gambar AutoCAd Kondensor ... 54

Gambar 4.5 Proses pembuatan kondensor ... 55

Gambar 4.6 Kondensor ... 55

Tabel 2.1 Pasangan adsorben dan refrijeran yang sering digunakan... 9

Tabel 2.2 Sifat karbon aktif ... 11

Tabel 2.3 Konduktivitas termal beberapa bahan ... 14

Tabel 2.4 Nilai koefisien konveksi... 16

Tabel 2.5 Faktor pengotoran beberapa fluida ... 20

Tabel 2.6 Sifat-Sifat Fisik Aluminium ... 27

Simbol Keterangan Satuan

Qs Kalor sensibel J

Q_L kalor laten J

Cp Panas jenis zat J/kg^oC Le Panas laten zat J/kg Beda temperatur K m Massa Zat Kg

K Konduktivitas termal W/m².K

A Luas bidang m²

q_cond Laju perpindahan panas konduksi W qconv Laju perpindahan panas konveksi W

T Temperatur lingkungan K

P Tekanan mmHg

h Koefisien konveksi W/m²K

Ts Temperatur permukaan K

dx Panjang m

ρ Massa jenis Kg/m³

V Kecepatan aliran m/s D Diameter pipa m µ Viskositas dinamik kg/m.s U Koefisien pepindahan panas menyeluruh W/m^2oC Rfo Faktor pengotoran sisi luar m^{2 o}C/W g Gaya grafitasi m/s² L Panjang pipa m F Beban yang diberikan N T_i Tegangan ijin Mpa

C Kapasitas kalor J/K C Kalor jenis zat J/kg.K

BAB I

PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang

Seiring dengan perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi saat ini, banyak bidang yang mengalami perkembangan yang sangat pesat, salah satunya adalah kemajuan dalam teknik pendingin. Dalam kehidupan sehari-hari mesin pendingin sudah merupakan suatu kebutuhan manusia baik itu dalam keperluan rumah tangga, industri ataupun komersial. Adapun mesin pendingin yang sering digunakan dan ditemui dalam rumah tangga yaitu lemari es, air conditioner, pendingin buah-buahan dan sayur-sayuran di supermarket, pengawetan ikan dan daging dan lain sebagainya

Pengkondisian udara di indonesia sebagian besar masih menggunakan sistem kompresi uap, terdapat beberapa dampak negatif dari penggunaan kompresi uap yaitu konsumsi energi yang relatif banyak, pemanasan global dan merusak lapisan ozon.

Energi surya merupakan energi terbarukan saat ini yang dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi panas dan energi listrik, salah satu penggunaan energi surya dengan pemanfaatan panas matahari adalah mesin pendingin tenaga surya. Kelebihan mesin ini adalah memiliki temperatur regenerasi yang rendah, ramah lingkungan, tidak membutuhkan energi listrik dan tidak memiliki bagian yang berputar.

Mesin pendingin ini terbentuk dari beberapa komponen utama, salah satu diantaranya adalah kondensor. Kondensor merupakan alat yang berfungsi untuk menurunkan temperatur atau mengembunkan uap, sehingga terjadi perubahan fase dari uap menjadi cair [ 1]

Untuk meningkatkan efektivitas mesin pendingin dapat dilakukan dengan memperbesar luas permukaan dengan menambahkan sirip pada kondensor. Sirip pada kondensor berfungsi untuk membantu memperbesar laju perpindahan panas dari permukaan kondensor terhadap lingkungan [ 2].

1.2. Tujuan Perancangan

Tujuan dalam perancangan ini adalah:

1. Untuk merancang sebuah kondensor tipe sirip yang dapat meningkatkan laju perpindahan panas dari luas permukaan terhadap lingkungan dan untuk mngetahui dimensi-dimensi komponen kondensor.

2. Untuk mengetahui efektivitas kondensor secara teoritis

1.3. Batasan Masalah

Dalam batasan masalah ini, perancangan hanya sampai pada:

1. Rancang Bangun dan Perakitan kondensor

2. Membuat gambar teknik hasil desain dengan menggunakan AUTOCAD.

1.4. Manfaat Perancangan

Manfaat perancangan ini adalah:

1. Menghasilkan rekomendasi sistem pendingin yang ramah lingkungan dan hemat energi.

2. Sebagai wacana untuk rancang bangun kondensor tipe sirip agar dapat diperoleh kondensor yang lebih efektif .

1.5. Sistematika Penulisan

Skripsi ini disusun atas beberapa bab dengan garis besar tiap bab sebagai berikut:

BAB I PENDAHULUAN

Pada bab ini membahas latar belakang penulisan skripsi, tujuan penulisan, pembatasan masalah dan manfaat penulisan skripsi.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Pada bab ini membahas teori-teori yang mendukung dan menjadi pedoman dalam penyusunan skripsi. Pada bab ini dibahas tentang teori mengenai teori umum adsorbsi, sistem refrigerasi dan kondensor.

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

Pada bab ini membahas tentang alat dan bahan yang digunakan dan tahapan-tahapan yang dilakukan dalam pembuatan kondensor.

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

Pada bab ini membahas tentang data yang didapat dari alasan penentuan desain,pemilihan material yang digunakan dan perhitungan kekuatan material yang digunakan

BAB V KESIMPULAN

Pada bab ini berisikan tentang kesimpulan dari skripsi yang telah selesai dikerjakan dan saran-saran yang diperlukan untuk memperbaiki hasil perancangan selanjutnya.

Daftar Pustaka

Daftar pustaka berisikan literatur-literatur yang digunakan untuk menyusun laporan ini.

Lampiran

Lampiran berisikan data dan gambar selama proses pengerjaan alat.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Teori Umum Adsorpsi

Adsorpsi merupakan suatu proses yang ada saat fluida, baik cairan ataupun gas diikat oleh suatu padatan dan pada akhirnya membentuk lapisan yang tipis (film) diatas permukaan padatan. Bedanya dengan desorpsi, yaitu ketika fluida terserap oleh fluida yang lain dengan terbentuknya larutan [ 3] .

Proses adsorpsi dan desorpsi ialah suatu peristiwa yang terjadi secara reversibel. Adsorpsi adalah proses exothermic yaitu ketika padatan (adsorben) dan fluida (adsorbat) melepaskan kalor yang menyebabkan menurunnya pergerakan molekul adsorbat sehingga adsorbat lengket di permukaan adsorben serta membentuk lapisan yang tipis [ 4].

Adsorpsi ialah proses yang berlangsung pada permukaan. Secara umum, adsorpsi diartikan sebagai akumulasi beberapa molekul,ion ataupun atom yang berlangsung pada perbatasan dua fasa. Adsorben disebut sebagai fasa yang menyerap serta adsorbat adalah fasa yang terserap. Umumnya, adsorben merupakan bahan-bahan yang mempuyai pori, karena adsorpsi terjadi terutama di bagian dinding-dinding pori atau bagian-bagian tertentu didalam adsorben [ 5].

Adsorpsi merupakan proses yang dapat berlangsung jika permukaan padatan serta molekul-molekul gas ataupun cairan dikontakkan dengan molekul- molekul tersebut, sehingga terdapat gaya kohesif didalamnya meliputi juga gaya hidrostatik serta gaya ikatan hydrogen yang bekerja diantara molekul seluruh material. Ketidakseimbangan gaya-gaya pada perbatasan fasa tersebut mengakibatkan berubahnya konsentrasi molekul pada fluida atau onterface solid [6]. Bagaimana karakteristik yang terjadi dalam proses adsorpsi dapat dilihat melalui ilustrasi gambar dibawah ini.

Gambar 2.1 Proses adsorpsi dan desorpsi[6]

Adsorben ialah padatan berpori yang menghisap (adsorption) dan melepaskan (desorption) suatu fluida. Molekul fluida yang dihisap tetapi tidak terakumulasi/melekat kepermukaan disebut adsorptive sedangkan yang terakumulasi/melekat disebut adsorbat.

Banyaknya fluida yang teradsorpsi pada permukaan adsorben dipengaruhi oleh bebrapa faktor, yaitu :

Jenis adsorbat

Ukuran molekul adsorbat

Kesesuaian ukuran molekul adalah hal yang penting supaya proses adsorpsi dapat berlangsung, karena molekul-molekul yang dapat diadsorpsi ialah molekul-molekul yang diameternya lebih kecil atau sama dengan diameter pori adsorben.

Kepolaran zat

Jika berdiameter sama, molekul-molekul polar yang lebih kuat diadsorpsi dibanding molekul-molekul yang kurang polar. Molekul-molekul yang lebih polar dapat menggantikan molekul-molekul yang kurang polar yang telah lebih dulu teradsorpsi.

Karakteristik adsorben dan kemurnian adsorben

Adsorben adalah zat yang digunakan untuk mengadsorpsi, sehingga adsorben yang lebih murni lebih diinginkan karena memiliki kemampuan adsorpsi yang lebih baik.

Luas permukaan dan volume pori adsorben

Dengan bertambahnya luas permukaan dan volume pori adsorben, jumlah molekul adsorbat yang teradsorpsi akan meningkat. Seringkali pada proses adsorpsi, adsorben diberikan perlakuan awal guna meningkatkan luas permukaan adsorben yang merupakan salah satu faktor utama yang mempengaruhi proses adsorpsi.

Temperatur

Proses adsorpsi merupakan proses eksotermis, yang artinya peningkatan temperatur pada tekanan yang tetap akan menyebabkan berkurangnya jumlah senyawa yang teradsorpsi berdasarkan Chatelier. Apabila temperatur rendah maka kemampuan adsorpsi meningkat sehingga adsorbat bertambah.

Tekanan adsorbat

Pada adsorpsi fisika, apabila tekanan adsorbat dinaikkan maka jumlah zat yang diadsorpsi bertambah. Namun sebaliknya pada adsorpsi kimia, jumlah zat yang diadsorpsi akan berkurang apabila tekanan adsorbat dinaikkan.

Ketika fluida yang mengandung adsorbat dikontakkan dengan padatan adsorben, maka molekul-molekul adsorbat akan berpindah dari fluida ke padatan sampai konsentrasi adsorbat di aliran fluida berada dalam keadaan setimbang dengan adsorbat yang teradsorpsi dalam padatan adsorben. Adsorpsi isotermis ialah data kesetimbangan adsorpsi yang dihasilkan pada temperatur konstan, dimana ada hubungan antara jumlah zat yang teradsorpsi per unit massa padatan dan tekanan gas adsorbatnya. Adsorpsi isotermis ini dapat dihitung dengan cara

mengukur tekanan adsorbat sebelum terjadi kesetimbangan atau di awal dan ketika terjadinya kesetimbangan .

2.2 Sistem Refrigerasi Adsorpsi

Jika sumber listrik tidak ada, salah satu pilihan teknik pendinginan yang dapat digunakan adalah teknik pendinginan adsorpsi dan juga sebagai pengganti refrigeran yang tidak ramah lingkungan. Dalam metode ini, sumber energi panas diperlukan sebagai penghasil siklus pendinginan. Sumber energi tersebut dapat diperoleh dari biomassa, energi radiasi surya, maupun panas buangan [ 7].

Mesin pendingin adsorpsi ini memerlukan energi panas yaitu energi radiasi matahari yang dipergunakan sebagai energi guna berlangsungnya proses pendinginan. Pada gambar 2.2 dapat dilihat siklus pendingin adsorpsi. Sistem pendingin adsorpsi ini terdiri atas empat proses yang dapat dijelaskan sebagai berikut :

Gambar 2.2 Diagram Clayperon pada sisitem pendingin siklus adsorpsi[ 8]

Dibawah ini merupakan penjelasan dari gambar diatas : 1. Proses pemanasan (pemberian tekanan)

Dimulai dari titik A yaitu proses pemanasan, dimana adsorben dalam keadaan dengan temperatur rendah TA serta pada tekanan rendah Pe (takanan evaporator).

Proses pemanasan ini terjadi pada siang hari, proses AB: Adsorber menerima panas yang menyebabkan temperatur adsorber naik lalu diikuti dengan peningkatan tekanan dari tekanan evaporasi menjadi tekanan kondensasi. Selama proses ini terjadi, tidak terjadi aliran metanol baik yang masuk maupun keluar dari adsorber.

2. Proses desorpsi

Proses ini terjadi ketika panas diberikan dari titik B ke D sehingga peningkatan suhu dialami oleh adsorber yang mengakibatkan timbulnya uap desorpsi.

Sehingga, adsorbat dalam bentuk gas yang berada pada adsorben mengalir ke kondensor untuk dikondensasi menjadi cair dan mengalir ke kondensor.

3. Proses pendinginan (penurunan tekanan)

Proses pendinginan terjadi pada malam hari, dapat dilihat pada gambar diatas berlangsung dari titik D ke F, dengan cara didinginkan, adsorber melepaskan panas yang menyebabkan turunnya suhu di adsorber turun dan diikuti oleh penurunan tekanan dari tekanan kondensasi ke tekanan evaporasi.

4. Proses adsorpsi

Proses ini terjadi dari titik F ke A, adsorber mengalami penurunan temperatur karena terus melepaskan panas dan juga penurunan tekanan yang mengakibatkan timbulnya uap adsorpsi. Proses penyerapan kalor oleh adsorbat dari air yang ada diarea evaporator sebesar kalor laten dari penguapan adsorbat sebelumnya, akan menghasilkan adsorbat dalam bentuk uap.

2.3 Adsorben

Dalam memilih pasangan adsorben-refrijeran harus sangat berhati-hati, sebab untuk memperoleh hasil serta efektif dari sistem pemilihan yang tepat sangat diperlukan. Ada kombinasi antara adsorben dan adsorbat yang tersedia dan setiap adsorben maupun adsorbat mempunyai kelebihan dan kekurangan

tertentu dalam penggunaannya. Pemilihan yang tepat tergantung pada hal berikut [ 9 ]:

Karakteristik yang diinginkan dari sistem pendingin Sifat-sifat dari pasangan adsorben-adsorbat

Temperatur sumber panas Biaya

Ketersediaan

Dampak terhadap lingkungan.

Ada satu hal yang perlu diperhatikan dalam pemilihan tersebut, yaitu untuk aplikasi refrijeran apapun, adsorben harus mempunyai tingkat adsorbivitas yang rendah saat temperatur dan tekanan yang tinggi atau adsorptivitas yang tinggi ketika dari adsorben harus berada pada suhu tinggi dan tekanan tinggi.

Dibawah ini adalah tabel pasangan adsorben dan refrijeran yang umum digunakan:

Tabel 2.1 Pasangan adsorben dan refrijeran yang sering digunakan[ 9]

Jenis pasangan Suhu °C Tekanan (Bar)

Panas adsorpsi (KJ/Kg)

Kapasitas pendingin- an spesifik

Aplikasi

Silica gelwater Dibawah 90 °C

0,01-0,3 (Vakum)

1000- 1500

Tinggi Air condition

Activated

carbonMethanol

Dibawah 120 °C

0,01 - 0,35

1800- 2000

Normal Ice making

Activated carbon – Ammonia

Diatas 150

°C

3-10,4 2000- 2700

Higher than silica gel- water

Refrigeration / ice making

Zeolite – water

Diatas 200

°C

3,4-8,5 3300- 4200

Normal Air

conditioning

Zeolite- Ammonia

150-200

°C

3,5-7 4000- 6000

High Refrigeration / ice making

Pada penelitian ini, pasangan adsorben-refrijeran yang dipakai adalah karbon aktif dan metanol.

2.3.1 Karbon aktif sebagai adsorben

Karbon aktif adalah zat padat yang berpori serta mengandung 85-95%

karbon, diperoleh dengan pemanasan suhu tinggi pada bahan-bahan yang didalamnya terkandung karbon. Saat proses pemanasan, diusahakan supaya tidak ada kebocoran atau masuknya udara ke dalam ruangan pemanasan agar bahan yang mengandung karbon tidak teroksidasi tetapi hanya terkarbonisasi saja.

Selain dimanfaatkan sebagai bahan bakar, karbon aktif ini juga bisa digunakan sebagai penyerap (adsorben). Luas permukaan partikel menentukan daya serap dan kemampuan untuk menyerap dapat ditingkatkan jika dilakukan aktivasi pada karbon aktif tersebut dengan menggunakan aktif faktor bahan-bahan kimia atau pemanasan dengan suhu tinggi [10].

Karbon aktif terbagi atas 2 tipe, yang pertama karbon aktif sebagai pemucat dan kedua adalah karbon aktif sebagai penyerap uap. Biasanya, karbon aktif yang digunakan sebagai pemucat bentuknya adalah bubuk yang sangat halus, dipergunakan dalam fase cair fungsinya untuk membuang zat-zat penggangu dalam pelarut yang dapat mengakibatkan warna dan bau yang tidak diinginkan dalam pelarut. Dan pada industri kimia serta industri baru, juga memanfaatkan karbon jenis ini. Didapatkan dari serbuk-serbuk gergaji, ampas pembuatan kertas ataupun bahan baku yang memiliki densitas kecil dan mempunyai struktur yang lemah.

Gambar 2.3 Karbon aktif serbuk

Adsorben karbon aktif yang digunakan dalam penelitian ini terbuat dari cangkang kelapa. Adsorben karbon aktif yang digunakan pada penelitian ini memiliki sifat sebagai berikut ini:

Tabel 2.2 Sifat karbon aktif [11]

NO Sifat adsorben karbon aktif Nilai sifat karbon aktif

1 Massa jenis 22-34 lb/ft³

2 Panas spesifik 0,27-0,36 BTU/lb°F

3 Pori volume 0,56-1,20 cm³/g

4 Diameter rata-rata pori 15-25 A

5 Temperatur regenerasi 100-140 °C

6 Temperatur maksimum diizinkan 150 °C

2.4 Kalor

Kalor merupakan salah satu bentuk dari energi yang dapat menyebabkan suhu berubah. Di abad ke 19 terdapat teori yang menyatakan bahwa kalor adalah fluida ringan yang dapat mengalir dari suhu yang tinggi ke suhu rendah, apabila di suatu benda memiliki banyak kalor, maka suhu benda itu tinggi (panas). Tetapi, bila benda itu mengandung sedikit kalor, maka benda itu akan bersuhu rendah (dingin). Jumlah energi kalor (Q) dihitung dengan satuan joules (J). Laju aliran kalor dihitung dalam satuan joule per detik (J/s) atau watt (W). Laju aliran dari kalor ini juga disebut daya, yaitu laju dalam melakukan usaha[10].

2.4.1 Kalor Laten

Biasanya, suatu bahan akan mengalami perubahan temperatur jika perpindahan kalor antara bahan dengan lingkungannya terjadi. Dalam kondisi tertentu, aliran kalor ini tidak merubah temperaturnya. Hal seperti itu terjadi apabila ada perubahan fasa pada bahan. Contohnya dari padat menjadi cair, wujud cair berubah jadi uap dan perubahan struktur kristal (zat padat). Energi yang dibutuhkan disebut kalor transformasi. Kalor yang diperlukan untuk merubah fasa dari bahan bermassa m adalah :

...(2.1) Dimana :

QL = kalor laten (J)

Le = kapasitas kalor spesifik laten (J/kg) m = massa zat (kg)

2.4.2 Kalor Sensibel

Intensitas panas ataupun tingkat panas dapat diukur disaat panas tersebut mengubah suhu dari suatu substansi. Berubahnya panas dapat diukur dengan termometer. Disaat perubahan temperature sudah diperoleh, maka dapat diketahui bahwa intensitas panas sudah berubah dan dinyatakan sebagai kalor sensibel.

Artinya, kalor sensibel ialah kalor yang diberikan ataupun dilepaskan oleh suatu jenis fluida yang menyebabkan temperaturnya naik atau turun tanpa mengakibatkan fasa fluida tersebut berubah.

...(2.2) Dimana:

Q_s = Kalor sensible (J)

Cp = Kapasitas kalor spesifik sensibel (J/kg.K) ΔT = Beda temperatur (K)

2.5. Tinjauan Perpindahan Panas

Energi termal yang berpindah disebabkan oleh adanya perbedaan temperatur merupakan defenisi dari perpindahan panas. Panas pindah dari sistem dengan temperatur tinggi ke sistem yang temperaturnya rendah. Perbedaan temperatur adalah hal yang mutlak dibutuhkan untuk syarat supaya perpindahan panas dapat terjadi. Selama perbedaan temperatur diantara dua sistem masih ada, maka perpindahan panas akan terjadi. Proses berpindahnya panas yang terjadi dapat diklasifikasikan atas 3 jenis yaitu: konduksi, konveksi dan radiasi [12].

Gambar 2.4 Perbedaan perpindahan panas konduksi,konveksi dan radiasi[12]

Gambar tersebut memperlihatkan perbedaan perpindahan panas dari beberapa media berbeda yang dilewati panas tersebut. Disaat gradien suhu berada pada media stasioner padat ataupun cairan disebut dengan konduksi, disaat perpindahan berlangsung antara benda padat dengan fluida adalah konveksi.

Sementara berpindahnya tanpa melalui media adalah radiasi.

2.5.1 Perpindahan panas konduksi

Perpindahan kalor konduksi ialah proses berpindahnya kalor dimana kalor mengalir dari daerah bersuhu tinggi ke daerah yang bersuhu rendah didalam suatu

media padat ataupun medium-medium berlainan yang bersentuhan secara langsung.

Untuk perpindahan panas konduksi, dikenal hukum fourier untuk persamaan laju aliran panasnya yaitu persamaan dibawah ini: [ 12].

...(2.3) Dimana :

q_cond = laju aliran kalor (W)

k = konduktifitas termal bahan (W/m².K) dT = Beda temperatur (K)

dx = panjang (m)

A = luas permukaan perpindahan kalor (m²)

Pada persamaan diatas, diselipkan tanda minus untuk terpenuhinya hukum ke 2 termodinamika dimana kalor mengalir ke suhu yang lebih rendah, arah dari aliran energi kalor adalah dari titik bersuhu tinggi ke titik bersuhu rendah.

Gambar 2.5 Perpindahan panas konduksi [ 12]

Dibawah ini adalah nilai konduktivitas termal k dari beberapa bahan : Tabel 2.3 Konduktivitas termal beberapa bahan[13]

2.5.2 Perpindahan panas konveksi

Perpindahan panas ini merupakan berpindahnya panas diantara permukaan padat yang berbatasan dengan fluida mengalir. Fluida yang dimaksud disini dapat dalam wujud cair ataupun wujud gas. Dalam proses perpindahan panas konveksi, syarat utamanya adalah ada aliran fluida. Lihat gambar berikut ini.

Gambar 2.6 Konveksi pada plat datar[12]

Persamaan untuk menghitung laju perpindahan panas konveksi adalah persamaan dibawah ini [12]:

...(2.4) Dimana : q_conv = Laju perpindahan panas konveksi (W)

h = Koefisien konveksi (W/m²K)

A = Luas penampang perpidahan panas (m²) T_s = Temperatur permukaan (K)

T∞ = Temperatur fluida (K)

Berdasarkan kondisi konveksinya, berikut ini adalah nilai dari koefisien konveksi h:

Tabel 2.4 Nilai koefisien konveksi [13]

2.6 Sifat - Sifat Termodinamika Fluida

a) Temperatur rata-rata refrijeran

………...………(2.5) Dimana : Temperatur inlet (T_r,i)

Temperatur outlet (T_r,o) b) Mencari Temperatur rata-rata udara

……….….(2.6) Dimana : Temperatur inlet (Tu,i)

Temperatur outlet (Tu,o)

2.6.1 Sifat Aliran Fluida

Di alam ini terdapat dua jenis aliran fluida. Pertama dikenal dengan aliran laminar dimana sifatnya tenang, kecepatanya 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 menerima atau mentransfer panas pada dinding pipa menjadi lebih besar.

Dalam alat penukar kalor selalu diinginkan agar alirannya turbulen sehingga kapasitas perpindahan panasnya meningkat. Aliran turbulen dapat diperoleh dengan pemasangan baffle atau dengan membuat permukaan dinding saluaran kasar. Jenis aliran turbulen atau laminar dapat ditentukan oleh perhitungan bilangan reynold. Bilangan reynold untuk aliran luar dan dalam pipa dapat didefinisikan dengan menggunakan rumus [17] :

Aliran dalam pipa rumus mencari Re adalah :

……….………..…..……(2.7) Untuk aliran luar menggunakan rumus :

µ ……….……….…………..(2.8)

Keterangan :

ρ = massa jenis (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.

Bilangan nusselt untuk aliran laminar biasanya ditentukan oleh bentuk penampang dari pipa nilainya dibuat dalam bentuk tabel, berikut ketetapan untuk beberapa bilangan nusselt sesuai dengan besar bilangan Reynolds dan bentuk penampang.

- Untuk konveksi aliran dalam perhitungan bilangan Nusselt adalah [18]:

………(2.9) Dengan ketentuan (0,7 ≤ Pr ≥ 160)

- Untuk konveksi aliran luar perhitungan bilangan Nusselt aliran menyilang yaitu:

……….(2.10)

2.7 Laju Perpindahan Kalor pada Kondensor

Pada dasarnya laju perpindahan kalor pada kondensor dalam hal ini kondensor dipengaruhi oleh adanya tiga (3) hal, yaitu :

1. Koefisien perpindahan kalor menyeluruh (U)

Koefisien perpindahan panas yang terjadi pada kondensor adalah konveksi yang terjadi di dalam dan di luar tube serta konduksi pada tubenya. koefisien perpindahan panas total yang terjadi merupakan kombinasi dari ketiganya. Harga koefisien perpindahan panas menyeluruh ditentukan dengan menggunakan persamaan berikut [17]:

……….….(2.11)

Dengan:

U = Koefisien pepindahan panas menyeluruh (W/m^2oC) hi = Koefisien perpindahan panas sisi refrijeran (W/m^{2 o}C) h_o = Koefisien perpindahan panas sisi udara (W/m^{2 o}C) Do = Diameter luar pipa (m)

Di = Diameter dala pipa (m) 1 = Tebal pipa

k = Konduktivitas termal pipa (W/m˚C) Rf_{o =} Faktor pengotoran sisi luar (m^{2 o}C/W) Rfi = Faktor pengotoran sisi dalam (m^{2 o}C/W)

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

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

Berdasarkan perhitungan perubahan fasa pada kondensasi digunakan rumus persamaan Cato yaitu :

.……….……(2.12)

Keterangan :

hi = Koefisien perpindahan panas konveksi bagian dalam (W/m²K) kl,r = Konduktifitas thermal cair refrijeran (W/m²K)

g = Gaya grafitasi (m/s²)

ρl,r = Massa jenis cair refrijeran (kg/m³) ρv,_{r =} Massa jenis uap refrijeran (kg/m³)

µl,r = Viskositas dinamik cair refrijeran ( kg/m.s) Tsat = Temperatur saturasi (K)

Ts = Temperatur dinding (K) hfg = Kalor laten (kJ/kg)

Cpl,r = Spesifik thermal cair refrijeran

• Menghitung nilai koefisien perpindahan panas konveksi bagian luar (ho) ……….….(2.13)

Keterangan :

ho = koefisien perpindahan panas konveksi bagian luar (W/m²K) k = Konduktifitas thermal (W/m²⁰C)

Do= Diameter luar (m)

• Menghitung Faktor Pengotoran Koefisien Perpindahan Panas

Setelah dipakai beberapa lama, permukaan perpindahan kolar penukar kalor mungkin dilapisi oleh endapan yang biasa terdapat dalam aliran, atau permukaan itu mungkin mengalami korosi sebagai akibat interaksi antara fluida dengan bahan yang digunakan dalam kontruksi penukar kalor. Dari kedua hal tersebut, lapisan itu memberikan tahanan termal tambahan terhadap aliran kalor, dan hal ini menyebabkan menurunnya kemampuan kerja alat itu.

Pengaruh menyeluruh daripada hal tersebut diatas dinyatakan dengan faktor pengotoran, tahanan pengotoran (R_f). Beberapa besaran faktor pengotoran hasil pengujian dan penelitian sebagai berikut

……….. (2.14)

………….………(2.15) Keterangan :

𝑕′𝑖 = Koefisien konveksi internal total (W/m²K)

𝑕′𝑜 = Koefisien konveksi eksternal total (W/m²K)

Tabel 2.5 Faktor pengotoran beberapa fluida

Fluida 𝑅𝑅𝑇𝑇 , 𝑚𝑚² , ⁰𝐶𝐶/𝑊𝑊 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

Alkohol (gas) 0,0001

Udara 0,0004

(Sumber :Janna, 2000) 2. Luas perpindahan panas

• Menghitung luas aliran dalam pipa

Luas permukaan perpindahan panas permukaan dalam pipa (Ai)

………..….(2.16) Luas aliran permukaan luar pipa (Ao)

𝑜 𝑜 ……….……….(2.17) Luas permukaan penukar kalor total dapat juga dihitung berdasarkan persamaan :

• Luas permukaan penukar panas

𝑄𝑘 = 𝑈.Atotal. 𝛥TLMTD ………..………...……(2.18)

……….…………....……….(2.19)

Keterangan :

Ao = Luas permukaan total,dalam (m²) Ai = Luas permukaan total,luar (m²) L = Panjang pipa (m)

U = Koefisien perpindahan panas menyeluruh (W/m²K) ΔT LMTD = Beda suhu rata-rata logaritmik

3. Beda suhu rata-rata log atau Logarithmic Mean Temperatur Difference (ΔT LMTD)

Di dalam kondensor, banyaknya perpindahan kalor dihitung berdasarkan perbedaan temperatur logaritmik. Hal tersebut dilukiskan pada gambar 2.7.

Makin besar perbedaan temperatur rata-rata, makin kecil ukuran penukar kalor (luas bidang perpindahan kalor) yang bersangkutan.

Gambar 2.7 Selisih perbedaan temperatur rata-rata logaritmik kondensor

𝛥T1=Tr,o-Tu,i ……….…………..(2.20) 𝛥T2 = Tr,i-Tu,o ……….…………..……..(2.21)

……….……….….…..(2.22)

Keterangan :

Tr,i = Temperatur refrijeran masuk (^oC) Tr,o = Temperatur refrijeran keluar (^oC) Tu,i = Temperatur udara masuk (^oC) Tu,o = Temperatur udara keluar (^oC)

Dimana LMTD ini disebut beda suhu rata-rata log atau beda suhu pada satu ujung kalor dikurangi beda suhu pada ujung lainnya dibagi dengan logaritma alamiah daripada perbandingan kedua beda suhu pada ujung lainnya. Konfigurasi aliran alternative adalah alat penukar panas dimana fluida bergerak dalam arah aliran melintang (cross flow) atau dengan sudut tegak lurus satu sama lainya melalui alat penukar panas tersebut, jika suatu penukar kalor yang bukan jenis pipa ganda digunakan, perpindahan kalor dihitung dengan menerapkan faktor koreksi terhadap LMTD untuk pipa susunan ganda aliran lawan arah dengan suhu

fluida panas dan dingin yang sama, maka persamaan perpindahan panas menjadi Q = U.A.ΔT_LMTD [17].

2.8 Aliran dan Distribusi Temperatur pada Kondensor

Untuk dapat menggambarkan aliran dan distribusi temperature pada kondensor itu, maka harus diketahui proses apa yang terjadi dalam kondensor itu.

Dalam kondensor terjadi perubahan fase uap menjadi fase cair. Ini terjadi karena uap basah (saturated steam) itu memberikan panas yang dikandung ( latent heat ) kepada udara pendingin. Temperatur udara pendingin biasanya sama dengan temperatur lingkungan. Diagram distribusi temperature panjang atau luas tube dapat digambarkan pada gambar 2.8 sebagai berikut :

Gambar 2.8 (a) distribusi temperatur – panjang (luas) tube pada kondensor aliran paralel, (b) distribusi temperatur – panjang (luas) tube pada kondensor aliran berlawanan arah [1].

2.9 Efisiensi Sirip dan Keseluruhan Permukaan

Persamaan untuk efisiensi dan luas permukaan beberapa geometri sirip yang umum digunakan dapat dilihat pada gambar 2.9. Meskipun hasil untuk sirip dengan ketebalan atau diameter seragam diperoleh dengan mengasumsikan ujung adiabatik, serta efek konveksi yang diperoleh dengan menggunakan panjang dan radius yang diperoleh dari korelasi koreksi sebelumnya. Sirip segitiga dan parabola memiliki ketebalan tidak seragam yang berkurang hingga nol pada ujung siripnya[12].

Berbeda dengan efisiensi sirip 𝜂𝑓, yang menyatakan kinerja sirip tunggal, efisiensi keseluruhan permukaan 𝜂𝑜, menyatakan kinerja dari keseluruhan sirip dan permukaan seperti yang terlihat pada gambar 2.9

Dimana S adalah jarak sirip. Secara umum efisiensi keseluruhan permukaan dapat dirumuskan sebagai :

𝜂𝑜 ...………... (2.23)

Gambar 2.9 Persamaan luas dan efisiensi dari sirip yang umum [12]

Dimana q_t adalah laju perpindahan panas total pada seluruh permukaan baik sirip maupun pada bentuk dasar At, jika terdapat sebanyak N sirip, maka luas tiap sirip adalah A_f dan luas dari bentuk dasar adalah A_b, sehingga luas total dapat dirumuskan sebagai :

𝑓 ... (2.24)

Tingkat panas maksimum akan dapat dicapai, jika seluruh permukaan sirip dan juga permukaan dasar yang terbuka dijaga tetap pada temperatur dasar T_b. Total laju perpindahan panas secara konveksi pada permukaan bersirip maupun tidak, dapat dirumuskan sebagai berikut :

𝜂𝑓𝑕 𝑓 𝑕 …...………... (2.25)

Dimana koefisien konveksi h diasumsikan setara untuk permukaan bersirip maupun tidak, dan 𝜂𝑓 adalah efisiensi sirip tunggal, sehingga :

Gambar 2.10 Jenis susunan sirip[12]

Sehingga dengan mensubstitusikan persamaan diatas, maka diperoleh :

.…..……...(2.26)

𝜂𝑜 ( ) 𝜂𝑓 …...………...(2.27)

Dalam kasus terbatas dimana sirip memilki tahanan termal nol, yaitu sirip memiliki konduktivitas termal tak terhingga, maka suhu keseluruhan sirip akan seragam pada nilai T_b. Dalam hal demikian, perpindahan panas akan mencapai maksimum dan dinyatakan dengan: [2]

𝑄 𝑖 𝑖 , 𝑚 𝑘 𝑕 𝑓𝑖 𝑇 𝑇 ……….………(2.28)

Untuk memperhitungkan efek penurunan suhu terhadap perpindahan panas, digunakan istilah efisiensi sirip (ηsirip) yang didefenisikan sebagai rasio perpindahan panas aktual dari sirip terhadap erpindahan panas ideal (maksimum) jika keseluruhan sirip berada pada suhu Tb: [2]

𝜂 ………..…(2.29)

2.10 Efektivitas Heat Exchanger

Metode umum analisis alat penukar kalor adalah menentukan efektivitasnya. Efektivitas penukar panas didefinisikan sebagai berikut:[2]

...………...(2.30)

Dengan Q adalah laju perpindahan panas aktual dan Qmax adalah laju perpindahan panas yang mungkin. Laju perpindahan panas aktual dari suatu penukar kalor ditentukan dari persamaan keseimbangan energi fluida panas atau dingin, sebagai berikut: [2]

𝑄 𝐶 𝑇 , 𝑜 𝑇 , 𝑖 𝐶𝑕 𝑇𝑕, 𝑖 𝑇𝑕, 𝑜 ………(2.31)

Dengan 𝐶 𝑚 𝐶 adalah laju kapasitas panas fluida dingin dan 𝐶𝑕 𝑚𝑕 𝐶 𝑕 adalah laju kapasitas panas fluida panas. Jadi laju perpindahan panas maksimum yang mungkin terjadi dalam suatu penuka kalor adalah:

𝑄𝑚 𝐶𝑚𝑖 𝑇𝑕, 𝑖 𝑇 , 𝑖 ………..………(2.32)

dengan Cmin adalah kapasitas panas yang lebih rendah.

2.11 Aluminium

Aluminium merupakan salah satu jenis logam yang memiliki sifat hantar listrik yang baik, tahan korosi dan ringan. Aluminium juga merupakan logam yang memiliki kekuatan rendah dan lunak. Material ini banyak digunakan untuk peralatan rumah tangga, konstruksi, industri dan lain-lain [14].

 Sifat Fisik Aluminium Sifat-sifat aluminium:

a. Penghantar panas dan listrik yang baik b. Tahan terhadap korosi

c. Memiliki berat jenis ringan (2,7gr/cm²)

d. Kekuatannya akan meningkat bila dipadukan dengan logam lain (alloy) e. Mudah ditempa atau difabrikasi

f. Harga yang ekonomis

Tabel 2.6 Sifat-Sifat Fisik Aluminium [14]

Sifat-sifat Kemurnian Al (%)

99,996 >99,0

Massa jenis (20˚C) 2,6989 2,71

Titik cair 660,2 653-657

Panas jenis (cal/g.

˚C)(100 ˚C)

0,2226 0,2297

Hantaran listrik (%) 64,94 59 (dianil)

Tahanan listrik koefisien temperatur (/˚C)

0,00429 0,0115

Koefisien pemuaian (20- 100 ˚C)

23,86x10^-6 23,5x10^-6

 Sifat Mekanik Aluminium

Sifat mekanik adalah sifat yang menyatakan kemampuan suatu material/komponen untuk menerima beban, gaya dan energi tanpa menimbulkan

kerusakan pada material ataupun komponen tersebut. Kekuatan (strenght) merupakan kemampuan suatu material untuk menerima tegangan tanpa menyebabkan material menjadi patah. Berdasarkan pada jenis beban yang bekerja, kekuatan dibagi menjadi beberapa macam yaitu kekuatan tarik, kekuatan geser, kekuatan tekan, kekuatan torsi dan kekuatan lengkung [19].

Tujuan utama mekanika bahan ialah untuk menentukan tegangan (stress), regangan (strain) dan peralihan (displacement) pada struktur serta komponen- komponennya akibat beban yang bekerja [20].

Kekuatan tarik (tensile strenght) adalah tegangan maksimum pada kurva tegangan- regangan teknik gambar dibawah ini [20]:

Gambar 2.11 Rekayasa perilaku tegangan-regangan. F adalah titik patah, TS adalah kekuatan tarik pada titik M [21].

Besarnya tegangan dinyatakan dalam rumus berikut ini:

... (3.33)

F : Beban yang diberikan (N)

Ao : Luas penampang (m²)

Untuk perpanjangan (elongation) yang terjadi pada pada spesimen setelah dilakukan uji tarik atau regangan mekanis dirumuskan sebagai berikut [20]:

... …….(3.34)

Dimana; l₁ : panjang awal (m) lo : panjang akhir (m)

Untuk sebagian besar logam yang ditekankan dalam tegangan dan pada tingkat yang relatif rendah, tegangan dan regangan sebanding satu sama lain dikenal dengan hukum Hooke [20]:

... …….(3.35)

Dengan E adalah modulus elastisitas ataupun modulus Young dengan satuan GPa.

Sedangkan tegangan ijin merupakan tegangan yang terjadi akibat pembebanan yang berlangsung tak terbatas lamanya pada suatu elemen mesin tanpa mengakibatkan terjadinya kepatahan maupun perubahan bentuk yang menuju ke kerusakan. Besarnya tegangan ijin tergantung pada jenis material, jenis pembebanan, dan jenis beban yaitu beban statis atau beban dinamis.untuk menghitung besarnya tegangan ijin digunakan persamaan dibawah ini [20]:

𝑇𝑖 𝑆 ... …….(3.36)

Dimana; Ti : tegangan ijin (Mpa)

_u : tegangan maksimum (Mpa)

SF : faktor keamanan

2.12 Kondensor

Terdapat sebuah bagian yang sangat penting pada mesin pendingin, yang fungsinya membuang panas yang dihasilkan dari uap refrigeran sehingga mesin pendingin mampu bekerja sesuai dengan tujuannya yaitu kondensor. Kondensor ini mempunyai kemampuan untuk membuang panas karena refrijeran mengalami penurunan oleh kondisi superheated yang kemudian diubah jadi uap jenuh yang mengakibatkan berubahnya fasa refrijeran dari wujud uap menjadi fasa cair.

Proses perubahan itu bisa terjadi jika pada mesin pendingin berlangsung proses pengembunan atau melepaskan panas sebanyak panas laten yaitu dengan cara mendinginkan uap refrijeran menggunakan media pendingin. Dengan begitu jumlah panas yang dilepaskan oleh kondensor harus sama dengan jumlah panas yang diserap refrijeran didalam kondensor. Dan juga, panas ekuivalen dengan energi yang diberikan supaya proses kerja kompresi dapat terjadi. [15]

Kalor laten dilepaskan oleh uap dari refrijeran pada fluida pendingin yang menyebabkan refrijeran menjadi mengembun dan juga menjadi cair. Pada siklus aktual, penurunan tekanan terjadi serta temperatur karena adanya gesekan antara refrijeran dengan pipa kondensor. Sementara pada siklus ideal, berbeda dengan siklus aktual dimana tidak ada terjadi penurunan tekanan dan temperatur.

Beberapa faktor yang berpengaruh terhadap kapasitas kondensor adalah sebagai berikut ini:

1. Luas permukaan perpindahan panasnya termasuk diameter pipa kondensor, karakteristik pipa kondensor dan panjang pipa kondensor,.

2. Aliran dari udara pendinginnya apakah secara konveksi natural atau aliran paksa oleh fan

3. Perbedaan suhu antara refrijeran dengan udara luar.

4. Sifat dan karakteristik refrijeran di dalam sistem.

Kondensor berada di luar ruangan yang sedang didinginkan, sehingga dapat melepaskan panas ketika mengkondensasi metanol pada proses desorpsi.

Tekanan dari refrijeran yang meninggalkan kondensor harus cukup tinggi agar mengatasi gesekan pada pipa dan tahanan dari alat ekspansi, tetapi sebaliknya apabila tekanan di dalam kondensor sangat rendah bisa mengakibatkan refrijeran tidak mampu mengalir melalui alat ekspansi.

2.12.1 Jenis-jenis Kondensor

a) Kondensor Tabung dan Pipa Horizontal

Pada kondensor ini terdapat bagian tabung dan pipa pada kondensor dengan bermacam-macam ukuran mulai dari yang kecil sampai ukuran yang besar dimana fungsinya sebagai tempat untuk mengalirnya unit pendingin air dan udara baik pada amonia maupun untuk freon. Dapat dilihat pada gambar berikut ini, ada banyak pipa pendingin di dalam kondensor tabung dan pipa, dimana dalam pipa tersebut mengalir air pendingin. Ujung serta pangkal dari pipa tersebut terhubung dengan plat pipa, sementara diantara plat pipa dan tutup tabung dibuat sekat-sekat gunanya agar aliran yang melewati pipa-pipa tersebut terbagi tetapi juga berfungsi mengatur supaya kecepatannya cukup tinggi 1 sampai 2 m/detik [15].

Gambar 2.12 Kondensor Tabung dan Pipa Bersirip Horizontal [16]

Keterangan:

1. Saluran air pendingin keluar 2. Saluran air pendingin masuk 3. Pelat pipa

4. Pelat distribusi 5. Pipa bersirip

6. Pengukur muka cairan 7. Saluran masuk refrigeran 8. Tabung keluar refrigeran

9. Tabung

Dari bagian bawah kondensor air pendingin masuk, lalu masuk ke dalam pipa pendingin kemudian keluar dari bagian atas. Oleh sekat-sekat tersebut, terbentuk jumlah saluran air yang disebut jumlah saluran. Jumlah maksimum saluran yang digunakan ialah 12. Dengan banyaknya jumlah saluran akan menyebabkan bertambah besarnya tahanan aliran air pendingin dalam pipa.

Ciri-ciri kondensor tabung dan pipa adalah berikut ini:

1. Supaya relatif berukuran lebih kecil dan ringan, dapat dibuat dengan pipa pendingin yang bersirip.

2. Bentuknya sederhana dan mudah melakukan pemasangan 3. Pipa mudah untuk di bersihkan

4. Pipa air dapat dibuat lebih mudah

b) Kondensor Tabung dan Koil

Kondensor jenis tabung dan koil banyak dipakai pada unit dengan freon sebagai refrijeran yang kapasitasnya relatif kecil, seperti pada penyegar udara jenis paket, pendingin air dan lainnya. Pada gambar 2.13 dapat dilihat kondensor tabung dan koil dimana koil pipa pendingin berada dalam tabung dan ditempatkan dengan posisi vertikal. Biasanya, koil pipa pendingin ini dibuat dari tembaga, dengan adanya sirip atau tanpa sirip, pipa tersebut dibuat dengan mudah serta harganya yang murah.

Gambar 2.13 Kondensor Tabung dan Koil [16]

Untuk kondensor ini, air mengalir di dalam pipa pendingin. Apabila ditemukan endapan serta kerak yang terbentuk dalam pipa harus dibersihkan menggunakan zat kimia (deterjen).

Ciri-ciri dari kondensor tabung dan koil adalah:

1. Membuatnya yang mudah

2. Menghemat biaya, karena harganya relatif murah 3. Pembersihannya harus dengan menggunakan deterjen

c). Kondensor dengan Pendingin Udara

Kondensor berpendingin udara ini terdiri dari koil pipa pendingin serta bersirip pelat. Dimana pipanya tembaga dan siripnya aluminium ataupun pipa dari tembaga dan siripnya juga tembaga.

Udara yang mengalir tegak lurus dengan bidang pendingin. Gas atau uap refrigeran dengan temperatur yang tinggi masuk ke bagian atas koil dan dengan perlahan-lahan menjadi cair ketika mengalir ke bagian bawah koil.

Gambar 2.14 Kondensor Dengan Pendingin Udara [16]

Ciri-ciri dari kondensor dengan udara sebagai pendinginnya adalah:

1. Pipa air pendingin tidak dibutuhkan, penampung air serta pompa air juga tidak diperlukan karena tidak menggunakan air.

2. Dimana saja bisa dipasang, asalkan ada udara bebas.

3. Korosi tidak mudah terjadi karena permukaan koil yang kering.

4. Karena biasanya kondensor jenis ini ditempatkan diluar rumah, maka diperlukan pipa refrijeran bertekanan tinggi yang panjang.

5. Tekanan pengembunan perlu dikontrol ketika musim dingin, supaya gangguan yang mengkin terjadi yang disebabkan oleh turunnya tekanan pengembunan yang terlalu besar dikarenakan suhu udara atmosfir rendah dapat diatasi [16].

BAB III

METODOLOGI PERANCANGAN

3.1. Metode Rancang Bangun

Dalam pelaksanaan rancang bangun ini dilakukan kegiatan-kegiatan yang meliputi tahapan yaitu:

Gambar 3.1. Diagram Alir Perancangan Kondensor Perancangan Kondensor

Selesai Pembuatan Kondensor

Mulai

Study Literatur

Tahapan Persiapan, Survei

dan Pembelian Alat dan Bahan

3.2. Tempat Dan Waktu

Penelitian ini dilakukan dilantai 4 gedung Magister Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara yang berlangsung pada tanggal 01 Agustus 2019 sampai Januari 2020.

3.3 Parameter Desain

Dalam rancang bangun kondensor tipe sirip berpendingin udara, terlebih dahulu menentukan jenis fluida yang mengalir dalam tube dimana masing-masing fluida panas dan fluida pendingin memiliki; kapasitas, temperatur, density serta sifat-sifat yang berbeda. Kondensor ini merupakan kondensor yang terdiri dari pipa silinder dan sirip persegi dengan aliran silang (cross-flow), dari segi konstruksi memiliki bentuk yang sederhana. Tube yang digunakan harus mampu memindahkan panas diantara fluida dalam tube dengan diluar tube. Material tube yang digunakan adalah aluminium karena memiliki kemampuan memindahkan panas yang tinggi, tahan tehadap korosi, tahan terhadap panas, tahan terhadap erosi, mudah dibentuk, harga terjangkau serta mudah ditemukan dipasaran.

Pemilihan jenis bahan dan ukuran tube didasarkan pada besarnya aliran fluida, temperatur, korosif atau tidak serta faktor pengotoran.

Tube yang sering digunakan dan mudah ditemukan adalah tube berukuran

¾ inchi dan 1 inchi. Dalam memilih tube, hal lain yang perlu dipertimbangkan adalah panjangnya. Standar ukuran panjang tube adalah 6 ft (1,83 m), 8 ft (2,44 m), 12 ft (3,66 m) dan 16 ft (4,88 m). Dalam mendesain kondensor ini, terlebih dahulu ditentukan tujuan dan kemampuan dari kondensor yang dirancang.

Kondensor yang didesain bertujuan untuk mendinginkan metanol sebagai fluida panas dan udara sebagai fluida pendingin.

3.4 Gambar Teknik Desain

Gambar 3.2 Gambar Teknik Desain 3.5. Alat Dan Bahan

3.5.1. Alat

Adapun alat-alat yang digunakan selama rancang bangun ini berlangsung adalah sebagai berikut ini :

1. Gerinda

Gerinda digunakan untuk memotong pipa dan plat yang digunakan untuk sirip pada kondensor.

Gambar 3.3 Gerinda, gambar diatas merupakan alat yang digunakan untuk memotong bahan

2. Las TIG

Digunakan untuk menyambung pipa dan sirip

Gambar 3.4 Las TIG, gambar diatas merupakan alat yang digunakan untuk menyambung komponen-komponen pada kondensor

3. Mesin Bor

Mesin bor digunakan untuk membuat lubang pada sirip

Gambar 3.5 Mesin Bor, gambar diatas merupakan alat yang digunakan untuk membuat lubang pada pipa 1 inch

4. Meter

Digunakan untuk mengukur pipa dan sirip

Gambar 3.6 Meteran, gambar diatas merupakan alat digunakan untuk mengukur bahan sesuai dengan dimensi yang ditentukan

5. Tang

Tang digunakan untuk menahan beban pada saat pengelasan dan pemotongan pada material

Gambar 3.7 Tang, Gambar diatas merupakan alat yang digunakan untuk menjepit bahan yang akan dipotong atau dilas

3.5.2. Bahan

Adapun bahan-bahan yang digunakan selama proses penelitian adalah sebagai berikut:

1. Plat aluminium dengan 2 mm secukupnya untuk membuat sirip kondensor.

Gambar 3.8 Plat aluminium 2 mm, gambar diatas merupakan bahan ynag digunakan untuk membuat sirip kondensor

2. Pipa aluminium dengan tebal ¾ inch sepanjang 3 meter

Gambar 3.9 Pipa Aluminium ¾ inch, gambar diatas merupakan bahan yang digunakan untuk komponen pipa kondensor yang vertikal

3. Pipa alumunium dengan tebal 1 inch sepanjang 1 meter

Gambar 3.10 Pipa Aluminium 1 inch, gambar diatas merupakan bahan yang digunakan komponen pipa horizontal pada kondensor

4. Kawat las TIG

Gambar 3.11 Kawat las TIG, Gambar diatas merupakan bahan yang digunakan ng untuk menyambung komponen kondensor

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Perhitungan Termodinamika

Analisis termodinamika sebuah sistem adsorpsi, tetap menggunakan prinsip- prinsip penerapan hukum kekekalan massa dan hukum kekekalan energi. Intinya adalah menndapatkan entalphy dimasing-masing titik. Pada siklus ini tidak menggunakan kompresor, jika tidak ada kalor yang hilang pada kondensor dan evaporator penerapan hukum pertama pada masing-masing komponen akan memberikan:

Q_e= m_r. (h1-h4) Q_k= m_r. (h2-h1)

Dimana Q (kW) adalah laju aliran panas, m_r (kg/s) adalah laju aliran refrijeran dan h (kJ/kg) adalah entalpi pada masing-masing titik. Pada katup ekspansi jika dianggap ekspansi yang terjadi adalah adiabatik maka entalpinya akan sama yaitu h4=h3. Entalpi dapat ditentukan pada masing-masing titik dengan menggunakan tabel properties refrijeran metanol yang tercantum dalam lampiran 3.

Dimana;

Q_e : laju aliran panas pada evaporator (kW)

Qa : laju aliran panas pada absorber (kW) Qg : laju aliran panas pada generator (kW) Q_{k :} laju aliran panas pada kondensor (kW)

Panas yang digunakan untuk menjalankan siklus dapat berupa sumber panas (generator) yang temperaturnya kurang dari 200˚C [17]. Dalam rancangan ini, suhu pendinginan yang diharapkan adalah berkisar 0-8˚C (evaporator) dan penentuan temperatur kondensasi untuk memperingan beban evaporator dalam menguapkan refrijeran. Beban evaporator yang di rancang adalah sebesar 100 W, dimana suhu pada setiap titik diasumsikan sebagai berikut:

Gambar 4.1 Siklus pendingin Adsorpsi

generator kondensor

absorber evaporator

Uap Metanol 2

7

5

3

4 1

6

8

Q g Q k

Q a Q e

Katup ekspansi Katup ekspansi

Ẇp Pompa

Temperatur Evaporasi, Te = 0˚C

Temperatur Absorber, Ta = 30˚C

Temperatur Generator, T_g = 90˚C

Temperatur Kondensasi, Tk = 35˚C

Dari suhu tersebut maka dapat dihitung nilai entalphi pada setiap titik, menggunakan lampiran 3 dengan cara menginterpolasi .

h1 = 1210 kJ/kg

h2 = 1057,2 kJ/kg h3 = h,4

h3 = 1184,3 kJ/kg

Menghitung laju aliran massa di evaporator

𝑄e= 𝑚 𝑕4)

𝑚 =

, ^,

= 3,891 . 10^-3 kg/s

Besar laju aliran massa pada titik 1,2,3,dan 4 adalah sama.

Keadaan dikondensor dapat digambarkan pada diagram P-h, seperti terlihat pada gambar 4.2

Pembebanan pada kondensor 𝑄𝑘 = 𝑚 𝑕2 𝑕3)

𝑄𝑘 = 3,891 . 10 ³𝑘𝑔/ (1057,2 𝑘j/𝑘𝑔 – 1184,3 𝑘j/𝑘𝑔) 𝑄𝑘= 0,4945 𝑘𝑊 = 494,5 𝑊

4.2 Perancangan Kondensor

4.2.1 Dimensi Kondensor Perancangan

Adapan dimensi kondensor perancangan ini dibuat didasari pertimbangan dari segi konstruksi. Oleh karena itu digunakan kondensor dengan media pendingin udara. Material yang digunakan untuk membuat kondensor adalah aluminium.

Terdapat beberapa sifat penting yang dimiliki aluminium sehingga banyak digunakan sebagai material teknik diantaranya; konduktivitas termal yang tinggi, mudah difabrikasi, ringan, tahan korosi dan tidak beracun, harga ekonomis dan mudah ditemukan dipasaran. Berikut dimensi kondensor perancangan:

Gambar 4.2 Diagram P h -

1

h ( kJ/kg )

2 2’

3

4

T in refrijeran

T out refrijeran

Gambar 4.3 Kondensor Perancangan

a. Diameter luar pipa (DO) =3/4" (19 mm) b. Diameter dalam pipa (DI) =3/4'' (15 mm) c. Temperatur masuk refigeran (tr,i) = 65˚C (338 K) d. Temperatur keluar refrigeran (tr,o) = 35˚C (308 K) e. Temperatur udara masuk (tu,i) = 30˚C (303 K) f. Temperatur udara keluar (tu,o) = 31˚C (304 K) g. Beban kondensor total (Qk) = 0,4945 kW h. Tekanan refrigeran dalam kondensor = 13,51 Bar i. Konduktivitas bahan aluminium = 204 W/m.K

T in udara T out udara

4.2.2 Penentuan Dimensi Permukaan Kondensor

Dalam menentukan dimensi permukaan kondensor, diperlukan data-data berikut ini:

Sifat-sifat fluida

 Aliran udara

Kecepatan udara : 1m/s

Massa jenis udara : 1,1614 kg/m³ Luas aliran udara : 0,174 m² Laju aliran massa udara (mu )

mu = ρ . 𝑉 . A

mu = 1,1614 . 1 . 0,174

mu = 0,202804 kg/s Temperatur udara keluar

𝑄𝑘 = 𝑚 . 𝐶 . (t 𝑜 −t 𝑖) Sehingga,

tou = , 𝑖 tou = , , ^, to,u = 30,069˚C

Temperatur rata-rata udara dengan menggunakan persamaan (2.6) tr = ^{, ,}

tr = ^, tr = 30,034 ˚C

Maka sifat udara pada temperatur 30,34˚C = 303,34 K diperoleh dari lampiran 1 sifat properties udara

µ = 186,008 x 10^-7 Pa.s Pr = 0,70657

K = 26,652 x 10^-3 W/m.K

Cp = 1,00713 KJ/Kg.K ρ = 1,1514 kg/m³

 Refrijeran Metanol

Laju aliran masssa (mr) = 0,14373 kg/s Temperatur masuk (tr,i) = 65˚C

Temperatur keluar (t_r,o) =s 35˚ C

Temperatur rata, tr sesuai dengan persamaan (2.6) t_r =

tr = tr = 50˚C

Pada kondisi refrijeran 50˚C = 323 K diperoleh dari tabel lampiran 2 sifat properties metanol diperoleh dengan menginterpolasi.

Sifat metanol pada suhu 50˚C µv = 0,000010335 Pa.s µl = 0,000369 Pa.s kv = 0,00168. W/m.k kl = 0,2025 W/m.K Cpv = 1,535 KJ/Kg.K Cpl = 1,26 KJ/Kg. K pv = 0,0503 Kg/m³ pl = 783,25 Kg/m³

4.2.3 Menghitung Koefisien Perpindahan Panas Konveksi

 Pada aliran internal

-Luas aliran fluida pada persamaan (2.16) Ai_a= Di²

= (0,015)² = 0,000176 m²

=1,76. 10^-4 m2

-Bilangan reynold pada persamaan (2.7) Re=

Re= , , , ,

Re= 118,265

-Koefisien perpindahan panas konveksi persamaan (2.12)

hi = 0,555 * ^, , , , ,

, , ) , ^, (64,7-50)]^0,25 hi = 117015,5076 W

-Faktor pengotoran pada tube pada persamaan (2.14)

Rf = -

h^"i = ,

,

Maka koefisien konveksi internal total h'i = 2447,705 W/m²K

 Pada aliran eksternal

-Dengan asumsi kecepatan angin 1m/s V =

= _{, ,} ^,

= 1,428571 m/s²

-Bilangan reynold pada persamaan (2.8) 𝑅

= , , , ,

= 1680,23

-Bilangan Nusselt pada persamaaan (2.10) Nu = 0,683 (Re)^0,446 Pr^1/3

= 0,683 1680,23^0,446 0,7065^1/3

= 14,24792