ANALISA KOMPONEN EVAPORATOR MESIN PENDINGIN
ADSORPSI DENGAN MENGGUNAKAN SIMULASI 3D
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
DISUSUN OLEH:
ANTHONY TANNADY
110401139
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
ABSTRAK
Energi surya merupakan energi terbesar di muka bumi, di Indonesia sendiri energi surya dapat dimanfaatkan ke berbagai hal. Berdasarkan data penyinaran matahari yang dihimpun dari 18 lokasi di Indonesia, radiasi surya di Indonesia untuk Kawasan Barat Indonesia (KBI) mencapai 4,5 kWh/m2 /hari dengan variasi bulanan sekitar 10%, sementara itu untuk Kawasan Timur Indonesia (KTI) sekitar 5,1 kWh/m2 /hari dengan variasi bulanan sekitar 9%. Dengan demikian Energi surya tersebut dimanfaatkan sebagai sumber energi utama pada mesin pendingin siklus adsorpsi untuk menghasilkan efek pendinginan. Objek simulasi pada penelitian ini adalah evaporator dengan menggunakan software ansys 15.0 dan dimodelkan dengan software 3D CAD. Evaporator diisi dengan 5 liter metanol dan air yang akan didinginkan adalah sebanyak 6 liter. Simulasi dilakukan selama 30 menit awal prosess desorpsi yaitu dari jam 17.30 WIB sampai 18.00 WIB waktu aktual pengujian. Hasil simulasi yang didapat adalah temperatur air terendah yang dapat pada adalah sebesar 19,79
℃ tekanan 12665 Pa, dengan ralat sebesar 7,21% dari hasil praktek. Efisiensi evaporator yang dihitung secara teoritis adalah sebesar 57,292% dan memiliki ralat terhadap praktek adalah sebesar 5,21%. Koefisien preformansi siklus secara teoritis adalah sebesar 0,039.
Kata kunci: energi surya, mesin pendingin, adsorpsi, evaporator, 3D,
ABSTRACT
Solar Energy is the biggest energy on the earth, solar enegy in Indonesia
can be utilized for variety of things. Based on solar radiation data collected from
18 locations in Indonesia, solar radiation for West Indonesia area has reached
4,5 kWh/m2 /day with monthly variation about 10%, while East Indonesia area
has reached about 5,1 kWh/m2 /day with monthly variation about 9%. Therefore,
the solar energy can be utilized as the main source of energy for the adsorption
refrigeration cycle cooling machine to produce cooling effect. The simulation
object of this research is evaporator, which simulated with Ansys 15.0 and
modeled with 3D CAD software. Evaporator is filled with 5 litres of methanol,
and 6 liters of chilled water. This simulation simulated 30 minutes of desorption
which start from 5.30 p.m to 6.00 p.m GMT+7 actual research time. The lowest
chilled water temperature get from this simulation is about 19,79 ℃ at 12665 Pa
pressure, and have an error presentage about 7,21% compared with the actual
experiment. Theoretical efficiency of the evaporator is about 57,292% and have
an error presentage about 5,21% compared with the actual experiment.
Coefficient of Preformance from this cycle is 0,039.
KATA PENGANTAR
Puji dan Syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas kasih karunia-Nya kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini dengan baik pada waktunya. Penulisan Skripsi ini merupakan salah satu syarat bagi mahasiswa S-1 untuk dapat menyelesaikan pendidikan agar memperoleh gelar sarjana di Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
Adapun Tugas Akhir yang dipilih merupakan bidang Teknik Pendingin dengan judul “ANALISA KOMPONEN EVAPORATOR MESIN PENDINGIN ADSORPSIDENGAN MENGGUNAKAN SIMULASI 3D”.
Dalam penulisan skripsi ini, penulis mendapat banyak dukungan dan masukan ide dari beberapa pihak. Pada kesempatan ini penulis mengucapkan banyak terima kasih kepada:
1. Bapak Tulus Burhanuddin Sitorus, ST., MT., selaku dosen pembimbing yang telah meluangkan waktu untuk membimbing penulis dalam pengujian dan penyusunan laporan skripsi, serta memberikan bahan-bahan referensi kepada penulis.
2. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri, selaku Ketua Departemen Teknik Mesin, Universitas Sumatera Utara.
3. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT., selaku Sekertaris Departemen Teknik Mesin, Universitas Sumatera Utara.
4. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara, yang telah membantu dan melengkapi segala keperluan dalam pengerjaan laporan ini.
6. Rekan satu tim penelitian, Efsartua Butarbutar, Daniel C Sibarani, dan John Piter Simanjuntak atas kerja sama yang keras dalam melakukan pengujian dan penyelesaian skripsi
7. Kepada teman saya Herry Gozali, S.Kom serta teman lainnya yang tidak terucapkan satu per satu atas dukungan yang telah diberikan.
8. Seluruh teman-teman mahasiswa Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara angkatan 2011 yang memberikan semangat serta solusi kepada penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada seluruh pihak yang yang tidak dapat Penulis sebutkan satu persatu yang telah memberikan bantuan dan dukungan selama penyelesaian skripsi ini.
Akhir kata, Penulis juga berharap skripsi ini dapat bermafaat kedepannya, sebagai referensi untuk meningkatkan penelitian terhadap sistem pendingin adsorbsi ketahap yang lebih lanjut. Jika ada kesalahan pada penulisan dan penyusunan skripsi dapat diberi masukan melalui email penulis yaitu
Medan, Desember 2016
Penulis,
Anthony Tannady
NIM. 110401139
DAFTAR ISI
ABSTRAK ... i
ABSTRACT ... ii
KATA PENGANTAR ... iii
DAFTAR ISI ... v
1.2. Perumusan Masalah ………2
1.3. Batasan Masalah... 2
1.4. Tujuan Penelitian ... 3
1.5. Manfaat Penelitian ... 3
1.6. Sistematika Penulisan ... 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 5
2.1.Teori Umum Adsorpsi ... 5
2.1.1. Jenis-jenis Adsorpsi ... 5
2.1.1.1. Adsorpsi Fisika ... 5
2.1.1.2. Adsorpsi Kimia ... 6
2.1.2. Faktor-faktor yang Mempengaruhi Daya Adsorpsi ... 6
2.1.2.1. Jenis Adsorbat ... 6
2.1.2.2. Suhu ... 7
2.1.2.3. Tekanan Adsorbat ... 7
2.1.3. Faktor – Faktor yang Mempengaruhi Efisiensi Adsorpsi ... 8
2.1.4. Isoterm Adsorpsi ... . 9
2.2.Sistem Refrigerasi Adsorpsi ... . 9
2.3. Adsorben ... 12
2.3.1. Jenis-jenis Adsorben ... 12
2.3.1.1.Adsorben Tidak Berpori (Non-Porous Sorbent) ... 12
2.3.1.2.Adsorben Berpori( Porous Sorbents) ... 12
2.3.2. Kriteria Adsorben untuk Menjadi Adsorben Komersil ... 13
2.4. Karbon Aktif sebagai Adsorben ... 14
2.5. Methanol sebagai Adsorbat ... 16
2.6. Studi Literatur Jurnal Internasional ... 17
2.7. Kalor (Q) ……… 22
2.7.1 Kalor Laten ……… 22
2.7.2 Kalor Sensibel ……….. 23
2.7.3 Perpindahan Kalor ……… 24
2.8. Computational Fluid Dynamics (CFD) ... 29
2.8.1 Penggunaan CFD ……….. 29
2.8.2 Manfaat CFD ……… 30
2.8.3 Metode Diskritisasi CFD ……….. 31
2.8.4 Heat Conduction Equation……… 32
2.8.5 Energy Equation……… 35
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 37
3.1.Objek Penelitian ……….. 37
3.2.Waktu dan Tempat ... 38
3.3.Alat dan Bahan ... 38
3.3.1. Perangkat keras (Hardware) ... 38
3.3.2. Perangkat lunak (Software) ... 39
3.4.Diagram Alir Simulasi ... 40
3.4.1 Studi Literatur ………. 41
3.4.2 Eksperimen dan Pengumpulan Data ………... 41
3.4.4 Analisa Data ………... 42
3.4.5 Penarikan Kesimpulan ……… 42
3.5. Skema Pengujian ... 42
BAB IV HASIL ANALISA DAN PEMBAHASAN... 44
4.1. Desain 3D Evaporator ... 44
4.2. Kondisi Batas dan Meshing pada Software Ansys 15.0 ... 45
4.3.Analisa pada Software Ansys 15.0 ... 46
4.3.1 Hasil Analisa pada Software Ansys 15.0 ………..…….. 46
4.3.1.1 Analisa Kontur Fasa ……….. 46
4.3.1.2 Analisa Kontur Temperatur ………... 47
4.3.1.3 Analisa Kontur Tekanan ……… 49
4.4.Grafik Perbandingan Hasil Eksperimen dan Hasil Simulasi ... 51
4.5. Perhitungan Teoritis Kondensor dan Evaporator ... 52
4.5.1. Kondensor ... 52
4.5.2. Evaporator ... 56
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 62
5.1. Kesimpulan ... 62
5.2. Saran ... 63
DAFTAR PUSTAKA………..xiii
DAFTAR GAMBAR
Nomor Judul Halaman
2.1. Siklus Dasar Refrigerasi Adsorpsi ... 9
2.2. Diagram Clayperon Ideal Sistem Pendingin Siklus Adsorpsi ... 11
2.3. Jenis-jenis adsorben ... 14
2.4. Karbon Aktif ... 16
2.5. Methanol Pro Analisys ... 18
2.6. Komponen utama siklus adsorpsi………. 19
2.7 Prinsip kerja mesin pendingin siklus adsorpsi……… 21
2.8. Perpindahan panas pada kolektor surya ……….... 25
2.9 Diagram Heat Conduction pada sistem ………. . 33
3.1. 3D Modeling Evaporator dengan software 3D CAD. ... 38
3.2. Laptop ... 39
3.3. Diagram Alir Simulasi ... . 40
3.4. Skema Pengujian Mesin Pendingin Adsorpsi……… 42
4.1. Dimensi Evaporator (dalam mm)... ..… 44
4.2. Tampak 3D Evaporator pada Ansys 15.0… ... … 45
4.4. Kontur fasa methanol liquid awal……….. 46
4.5. Hasil Analisa Kontur Fasa Methanol Liquid pada menit ke-30 …….. 47
4.6. Hasil Analisa Kontur Fasa Methanol Liquid pada menit ke-30 (Potongan) ……… 47
4.7. Kontur Suhu Air pada menit ke-30 ……… 47
4.8. Kontur Suhu pada menit ke-30 (Potongan) ………... 48
4.9. Kontur Tekanan pada menit ke-30 ... … . 49
4.10. Kontur Tekanan pada menit ke-30 (Potongan) ………. 49
4.11. Plot hasil temperature pada tengah-tengah methanol-liquid … .. ….. 50
4.12. Plot hasil temperature pada tengah-tengah methanol-vapour………… 50
4.13. Grafik Simulasi vs Analisa ... ….. 51
DAFTAR TABEL
Nomor Judul Halaman
2.1. Sifat Metanol ... 17
2.2. Korelasi empiris bilangan Nusselt rata-rata yang terjadi ……… 27
3.1. Input dan Output Simulasi ... 43
DAFTAR SIMBOL
Simbol Keterangan Satuan
Qs Kalor sensible J
ΔT Beda temperature o
K
C
Konduktivitas termal W/mo
A
qcond Laju perpindahan panas konduksi W qconv Laju perpindahan panas konveksi W
Ts Temperatur permukaan o
T∞
Vr Volume refrigeran (metanol) Liter xr Ketinggian permukaan methanol Cm hsg Panas laten methanol kJ/kg
Tw Temperatur air o
H
C
Koefisien Konveksi W/m2
U
.K Koefisien perpindahan panas menyeluruh W/m2o P
C
Nu Bilangan Nusselt
ρ Spesifik Volum Kg/m
�
3
Viskositas Dinamik N.s/m
�
2
Koefisien Ekspansi K
Pr
-1
Bilangan Prandtl Gr Bilangan Grashof Ra Bilangan Rayleigh
� ��ℎ Tahanan Termal Keseluruhan o
Q
C/W Kapasitas Kalor Penguapan Metanol
L J
h Entalpi kJ/kg
s Entropi kJ/kg.K
