RANCANG BANGUN EVAPORATOR TIPE KOTAK PADA MESIN PENDINGIN TENAGA SURYA

RANCANG BANGUN EVAPORATOR TIPE KOTAK PADA MESIN PENDINGIN TENAGA SURYA

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

NIKO SYAHPUTRA SINURAT NIM. 150401012

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA M E D A N

2020

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang telah melimpahkan Rahmat dan Karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaiakan penulisan laporan penelitian skripsi yang berjudul “Rancang Bangun Evaporator Tipe Kotak pada Mesin Pendingin 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. Orang tua penulis, Martuahman Sinurat dan Ibu Karmawani Saragih yang selalu memberikan dukungan moril dan materil kepada penulis

6. Rekan satu tim penulis, Musa Weby Four Putra Siringo-ringo, Pande Bosi M. Siahaan dan Makmur B. Hutasoit atas kerja sama dan bantuannya.

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.

Penulis menyadari bahwa laporan skripsi ini masih belum sempurna. Hal ini dikarenakan terbatasnya pengetahuan dan pengalaman yang dimiliki penulis.

Untuk itu penulis sangat mengharapkan kritik dan saran-saran yang membangun dari semua pihak untuk perbaikan penulisan ini.

Medan, Agustus 2020 Penulis,

Niko Syahputra Sinurat Nim.150401012

ABSTRAK

Evaporator adalah suatu alat yang digunakan untuk memisahkan dua fasa antar liquid gas dan liquid cair dengan menggunakan media pemanas.Dalam perancangan alat evaporator banyak hal penting yang harus di perhatikan yaitu mulai dari pemahaman cara kerja dari evaporator ,perancangan desain yaitu mengunakan material aluminium dengan dimensi 170 mm x 170 mm x 240 mm dan menggunakan ketebalan aluminium 3 mm dan menggunakan pipa aluminium 3 buah dengan dimensi 100 mm.Pemilihan material yang digunakan ,hal ini bertujuan untuk mndapatkan hasil yang optimal dari kerja alat evaporator.Pengaruh temperatur merupakan hal yang sangat penting dalam proses yang terjadi di dalam evaporator hal tersebut akan menentukan efektifitas dari evaporator sehingga mampu memisahkan kandungan air dalam metanol. Dengan cara memanaskan hingga salah satu komponen menguap pada trayek didihnya,sehingga dapat terpisah dari komponen lainnya dengan menggunakan metanol 90% .Dari hasil perancangan evaporator yang dibuat menghasilkan volume evaporator sebesar 4,046 L.

Kata kunci : Perpindahan panas ,metanol,evaporator.

ABSTRACT

Evaporator is a device used to separate two phases between liquid gas and liquid liquid by using heating media. In the design of evaporator tools many important things must be considered, starting from understanding the workings of the evaporator, designing the design using aluminum material with dimensions 170 mm x 170 mm x 240 mm and using 3 mm aluminum thickness and using 3 pieces of aluminum pipe with dimensions of 100 mm. The choice of material used, it aims to obtain optimal results from the work of the evaporator. The effect of temperature is very important in the process that occurs in the evaporator will determine the effectiveness of the evaporator so that it can separate the water content in methanol. By heating until one component evaporates on its boiling route, so that it can separate from other components by using 90% methanol. From the results of the design of the evaporator that is made produces an evaporator volume of 4.046 L

Keywords: heat transfer, methanol, evaporator

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR ... i

ABSTRAK ... iii

ABSTRACK ... iv

DAFTAR ISI ... v

DAFTAR GAMBAR ... viii

DAFTAR TABEL ... x

DAFTAR NOTASI ILMIAH ... xi

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Tujuan Penelitian ... 2

1.3 Batasan Masalah ... 3

1.4 Manfaat Penelitian ... 3

1.5 Sistematika Penulisan ... 3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Teori Siklus Adsorpsi ... 4

2.1.1 Perbedaan Sistem Adsorpsi dengan Sistem Kompresi Uap ... 4

2.2. Siklus Dasar Adsorpsi ... 5

2.3. Adsorben ... 7

2.4. Metanol Sebagai Adsorbat ... 9

2.5 Perpindahan Panas. ... 10

2.5.1 Perpindahan Panas Konduksi ... 10

2.5.2 Perpindahan Panas Konveksi ... 11

2.5.3 Perpindahan Panas Radiasi ... 12

2.5.4 Kalor Laten ... 14

2.5.5 Sifat Aliran Fluida ... 15

2.5.6 Pola Suhu Udara dan Kelembapan... 15

2.6 Teori Dasar Evaporator ... 16

2.6.1. Klasifikasi Evaporator ... 17

2.6.1.1 Evaporator Pipa Telanjang (Bare Tube Evaporator) ... 17

2.6.1.2 Evaporator Plat (Plate Surface Evaporato ... 18

2.6.1.3 Evaporator Bersirip (Finned Evaporator) ... 18

2.7 Material Evaporator ... 19

2.8 Siklus Refrigerasi dan Analisa Kinerja Refrigeran ... 21

BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Tempat dan Waktu ... 24

3.2 Alat Dan Bahan ... 24

3.2.1. Alat ... 24

3.2.2. Bahan ... 26

3.3 Metode Pelaksanaan Rancang Bangun ... 30

3.4 Objek Penelitan ... 31

3.5 Parameter Desain Evaporator ... 31

3.5.1.Aluminium ... 32

3.5.2.Pipa ... 34

3.5.3.Methanol ... 36

3.6. Langkah Pembuatan Mesin Pendingin Adsorpsi ... 37

3.6.1. Pembuatan evaporator ... 37

3.6.2. Pembuatan Kotak Insulasi Evaporator ... 38

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Perancangan Evaporator ... 39

4.2 Perancangan Wadah Vaksin (Coldbox) ... 41

4.3 Perancangan Kotak Insulasi Evaporator ... 42

4.4 Perhitungan Termodinamika ... 43

4.5 Refrijeran Metanol ……….. ... 45

4.6 Beban Pendingin Evaporator ... 46

4.7 Efektivitas Evaporator…… ... 48

4.8 Temperatur Evaporator dan Air yang Didinginkan ... 49

4.9 Kekuatan Material………… ... 50

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan ... 52 5.2 Saran ... 52 DAFTAR PUSTAKA ... 53 LAMPIRAN

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Siklus Dasar Refrijerasi Adsorpsi ... 5

Gambar 2.2. Diagram Clapeyron Ideal Siklus Adsorpsi ... 6

Gambar 2.3. Karbon Aktif Serbuk ... 8

Gambar 2.4. Metanol Pro Analysis ... 9

Gambar 2.5. Bare Tube Evaporato ... 17

Gambar 2.6.Plate Surface Evaporator ... 18

Gambar 2.7. Finned Evaporator ... 19

Gambar 3.1. Mesin las ... 24

Gambar 3.2. Mesin Gerinda ... 25

Gambar 3.3. Meteran ... 25

Gambar 3.4. Plat Aluminium ... 26

Gambar 3.5 Pipa Aluminium ... 27

Gambar 3.6. Sterofoam ... 27

Gambar 3.7 Aluminium Foil ... 28

Gambar 3.8. Laptop ... 28

Gambar 3.9. Busa Hitam ... 29

Gambar 3.10. Triplek ... 29

Gambar 3.11. Diagram Alir Perancangan ... 30

Gambar 3.12. Perbedaan siklus kompresi uap dengan siklus absorpsi ... 31

Gambar 3.13 Siklus pendingin Adsorpsi……….32

Gambar 3.14.Posisi titik berat untuk pipa luar ... 35

Gambar 3.15. Momen Inersia satu sumbu dengan orientasi pipa lurus Vertikal ... 36

Gambar 3.16. Momen Inersia satu sumbu dengan orientasi pipa lurus yang tegak lurus dengan bidang acuan ...35

Gambar 3.15. Evaporator ... 38

Gambar 3.16. Kotak Insulasi Evaporator ...38

Gambar 4.1. Evaporator...40

Gambar 4.2. Wadah Vaksin (Coolbox) ... 41

Gambar 4.3. Kotak Insulasi Evaporator ... 42

Gambar 4.4. Ruang Bagian Dalam Kotak Insulasi Evaporator ... 42

Gambar 4.5. Kotak Insulasi Evaporator Bagian Atas ... 42

Gambar 4.6 Diagram P-h ... 43

Gambar 4.7 Grafik Temperatur Evaporator dan Air yang Didinginkan pada Siklus Pertama (2-3 November 2019) ... 49

Gambar 4.8 Grafik Temperatur Evaporator dan Air yang Didinginkan pada Siklus Kedua (3-4 November 2019) ... 49

Gambar 4.9 Grafik Temperatur Evaporator dan Air yang Didinginkan pada Siklus Ketiga (4-5 November 2019) ... 50

DAFTAR TABEL

Tabel. 2.1 Syarat Mutu Karbon Aktif... 8

Tabel 2.2 Sifat Metanol ... 10

Tabel 2.3 Konduktivitas Termal Beberapa Bahan ... 11

Tabel 2.4 Nilai Koefisien Konveksi ... 12

Tabel 3.1 Sifat Fisik Aluminium ... 33

Table 4.1 Kekuatan Material Bahan ... 49

DAFTAR NOTASI ILMIAH

Simbol Keterangan Satuan

m Massa zat Kg

Le Panas laten zat J/^oC

dt Beda temperatur K

k Konduktivitas termal W/kgK

A Luas Permukaan Perpindahan Kalor m²

qcond Laju Aliran Kalor W

qconv Laju perpindahan panas konveksi W

qrad Laju perpindahan panas radiasi W

T Temperatur lingkungan K

P Tekanan mmHg

dt Beda Temperatur K

dx Panjang m

h Koefisien Konveksi W/m²K

𝐴_𝑠 Luas penampang perpidahan panas m²

𝑇_𝑠𝑢𝑟 Suhu lingkungan K

𝑇_𝑠 Temperatur permukaan K

𝑇_∞ Temperatur fluida K

𝜀 Emisivitas bahan

𝜎 Kontanta Stefan-Boltzmann (5,67 x

10-8 W/m² K⁴)

𝑄𝐿 Kalor laten

J

𝜇 Viskositas Kg/ms

D Diameter pipa m

V Kecepatan Aliran m/s

R_𝑒 Bilangan Reynold

Ao Luas penampang semula mm2

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Di berbagai daerah sekarang ini sistem pengkondisian udara untuk diperlukan pada lingkungan yang tidak mampu di kondisikan hanya dengan system ventilasibiasa.Indonesia berada di Wilayah Khatulistiwa,pada waktu tertentu wilayah Indonesia berada pada kondisi termal yang panas.Udara khususnya sistem pendingin untuk mencapai memindahkan kalor yang banyak dalam satu ruang.Salah satu usaha untuk meningkatkan kapasitas pendingin adalah dengan memvariasikan beban pendingin.

Di dalam energi surya dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi panas dan sebagai sumber energi listrik. Salah satu aplikasi dari pemanfaatan energi termal matahari adalah mesin pendingin tenaga surya. Mesin ini digerakkan oleh tenaga matahari dan tidak menggunakan energi listrik atau energi mekanik sama sekali.

Dengan karakteristik iklim cuaca Indonesia, sangat diperlukan pendinginan yang umumnya digunakan untuk pengkondisian udara. Keunggulan utama mesin ini adalah temperatur regenerasi yang relatif rendah sehingga cocok untuk aplikasi energi surya dan tidak memiliki bagian yang berputar karena semua gerakan fluida memanfaatkan efek alamiah sehingga tidak membutuhkan energi listrik.

Kebutuhan akan sistem pendingin di daerah terpencil untuk berbagai kebutuhan dalam pengawetan dan penyimpanan bahan makanan dirasakan semakin meningkat, sementara sistem pendingin konvensional yang ada belum tentu bisa dipakai karena tidak semua daerah terpencil memiliki jaringan listrik, sehingga sistem pendingin tenaga surya sederhana salah satu alternatif untuk pemecahan permasalahan kebutuhan sistem pendingin di daerah terpencil seperti ini.

Salah satu pemanfaatan energi surya untuk sistem pendingin adalah dengan pemanfaatan sistem adsorpsi, pada sistem ini sebagian pengoperasiannya berkaitan dengan pemberian panas pada generator dan tidak membutuhkan daya sehingga lebih ekonomis dan untuk mendapatkan energi panas jauh lebih mudah, salah-satunya dengan memanfaatkan panas dari sinar matahari.

Teknologi kolektor surya jauh lebih sederhana dibandingkan dengan sistem pendingin kompresi uap dan umumnya dapat dibuat dan diperbaiki di industri lokal.

Selain kolektor surya sistem pendingin adsorpsi membutuhkan refrijeran dan adsorben. Dalam beberapa tahun terakhir penelitian metanol sebagai refrijeran dan karbon aktif sebagai adsorben banyak dilakukan untuk membuat pendingin adsorpsi surya yang sederhana dan tanpa polusi.

1.2. Tujuan Penelitian

Tujuan dalam penelitian ini adalah:

1. Untuk merancang sebuah evaporator pada mesin pendingin adsorpsi pemanfaatan energi surya.

2. Mengetahui efektivitas teoritis dari evaporator yang di rancang.

1.3. Batasan Masalah

Dalam penelitian ini, penulis membatasi masalah pada:

1. Pada penelitian ini hanya pada perancangan evaporator pada mesin pendingin adsorpsi.

2. Membuat gambar rancangan dengan AUTOCAD . 3. Menguji kekuatan material yang di pilih.

1.4. Manfaat Penelitian

Manfaat penelitian ini adalah:

1. Dapat dimanfaatkan untuk komponen utama mesin pendingin adsorpsi tenaga surya.

1.5. Sistematika Penulisan

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

BAB I PENDAHULUAN

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

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Pada bab ini membahas teori-teori dari buku-buku pedoman,jurnal,e-mail,e- news, yang dapat mendukung dan menjadi pedoman dalam penyusunan skripsi. Pada

bab ini dibahas prinsip kerja mesin pendingin.

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

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

BAB IV HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA

Pada bab ini membahas tentang data yang didapat dari pengujian alat dan perhitungan hasilnya.

BAB V KESIMPULAN

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

Daftar Pustaka

Daftar pustaka berisikan literatur-literatur penulisan yang digunakan dalam menyusun laporan ini.

Lampiran

Lampiran berisikan data dari hasil penelitian yang didapatkan dan gambar selama proses pengerjaan dan pengujian alat.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Teori Siklus Adsorpsi

Adsorpsi merupakan suatu proses yang terjadi ketika fluida yang dapat digunakan sebagai siklus refigerasi yang digerakkan oleh suatu energi yang berbentuk panas pada suatu padatan atau cairan pada permukaannya yang di bantu oleh energi surya. Adsorpsi merupakan peristiwa penyerapan pada lapisan permukaan atau antar fasa, dimana molekul dari suatu materi terkumpul pada bahan pengadsorpsi atau adsorben. Ditinjau dari bahan yang teradsorpsi dan bahan pengadsorben adalah dua fasa yang berbeda, oleh sebab itu dalam peristiwa adsorpsi, meteri teradsorpsi akan terkumpul antar muka kedua fasa tersebut. Pada fenomena adsorpsi, terjadi gaya tarik- menarik antara substansi terserap dan penyerapnya.

Siklus adsorpsi termasuk siklus dari termodinamika yang dapat menghasilkan suatu efek refigerasi.Siklus ini memanfaatkan kemampuan dalam mengikat dan melepas suatu zat kimia antara refrijeran dan absorbent. Dalam sistem adsorpsi, fasa teradsorpsi dalam solid disebut adsorbat sedangkan solid tersebut adalah adsorben.

Proses adsorpsi dapat terjadi karena adanya gaya tarik suatu atom atau molekul pada permukaan suatu padatan yang tidak seimbang dan adanya gaya ini, padatan yang dapat menarik molekul-molekul lain yang bersentuhan dengan permukaan padatan, baik fasa gas dan larutan kedalam permukaannya.

2.1.1. Perbedaan Sistem Adsorpsi dengan Sistem Kompresi Uap

Pada siklus adsorpsi hampir sama dengan beberapa siklus kompresi uap yang beroperasi dengan peralatan seperti kondensor,katup ekspansi /pipa kapiler,dan evaporator.perbedaan yaitu dengan cara menaikan uap tekanan rendah dari evaporator menjadi uap tekanan tinggi yang di alirkan ke kondensor.

Dalam proses siklus kompresi uap ini disebut juga proses siklus yang di operasikan oleh sistem kerja (work operated cycle).karena kenaikan tekanan tekanan dari refrijeran di lakukan oleh komproser .Sedangkan siklus adsorpsi adalah siklus yang diopersikan oleh kalor (heat operated cycle) karena sebagian daya operasi

berkaitan dengan pemberian kalor yang di butuhkan untuk melepaskan uap dari suatu zat cair yang bertekanan tinggi.Karena proses ini sama dengan kondensasi maka selama proses jalanya kalor akan di lepaskan.

2.2. Siklus Dasar Adsorpsi

Siklus adsorpsi dari mesin pendingin tenaga surya ini dapat dilihat pada Gambar 2.1.

Gambar 2.1. Siklus Dasar Refrijerasi Adsorpsi [6]

Dari gambar 2.1. diatas, kondisi awal sistem berada pada tekanan dan temperatur rendah, adsorben memiliki konsentrasi refrijeran yang tinggi dan vessel lain terdapat refrijeran dalam bentuk gas (gambar a). Vessel yang terdapat adsorben dipanaskan yang mengakibatkan naiknya temperatur dan tekanan sistem sehingga kandungn adsorbat yang ada di dalam adsorben pada kasus ini di sebut desorpsi.

Refrijeran yang terdesorpsi kemudian terkondensasi sebagai cairan di dalam labu kedua dengan dikeluarkannya panas ke lingkungn dimana tekanan dan temperatur sistem masih tinggi (gambar b). Pemanasan pada labu pertama dihentikan, lalu pada botol labu yang pertama terjadi perpindahan panas ke lingkungan sehingga tekanan sistem menjadi rendah. Tekanan sistem yang rendah menyebabkan adsorbat cair pada botol labu yang kedua menguap dan terserap ke botol pertama yang berisi adsorben.

Proses adsorpsi menghasilkan efek pendinginan yang terjadi pada botol labu kedua, dimana pada tekanan rendah panas dari lingkungan diserap untuk menguap adsorbat (gambar b) sampai sistem kembali ke kondisi awal.

Gambar 2.2. Diagram Clapeyron Ideal Siklus Adsorpsi [7]

Proses yang terjadi dapat di uraikan sebagai berikut ini:

1. Proses Pemanasan (Pemberian Tekanan)

Proses pemanasan dimulai dari titik A dimana adsorben berada pada temperatur rendah TA dan tekanan rendah Pe (tekanan evaporator). Pada proses ini adsorbat masih berbentuk uap adsorpsi.

2. Proses Desorpsi

Proses desorpsi berlangsung pada waktu panas diberikan dari titik B ke C 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 dan mengalir ke kondensor.

3. Proses Pendinginan (Penurunan Tekanan)

Proses pendinginan berlangsung dari titik C ke D, 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 D ke A, Adsorber terus melepaskan panas sehingga adsorber mengalami penurunan temperatur dan tekanan yang menyebabkan timbulnya uap adsorpsi. Adsorbat dalam bentuk uap dihasilkan dari proses penyerapan kalor oleh adsorbat dari air yang ada disekitar evaporator sebesar kalor laten penguapan adsorbat tersebut.

2.3. Adsorben

Adsorben merupakan zat padat yang dapat menyerap partikel fluida dalam suatu proses adsorpsi. Adsorben bersifat spesifik dan terbuat dari bahan bahan yang berpori. Ada beberapa jenis adsorben yang efektif digunakan antara lain zeolit, silika gel, dan karbon aktif. Pemilihan jenis adsorben dalam proses adsorpsi harus disesuaikan dengan sifat dan keadaan zat yang akan diadsorpsi. Dalam pengujian ini jenis adsorben yang digunakan adalah karbon aktif.

Karbon aktif merupakan suatu bahan berupa karbon armof yang sebagian besar teridiri atas karbon bebas serta memiliki “permukaan dalam” (internal surface) sehingga mempunyai kemampuan daya serap yang baik. Karbon aktif umumnya mengandung senyawa karbon hingga 85% sampai 95%. ^[11]

Karbon aktif dibagi atas 2 tipe, yaitu karbon aktif sebagai pemucat dan sebagai penyerap uap. Karbon aktif sebagai pemucat biasanya berbentuk serbuk yang sangat halus, digunakan dalam fase cair, dan berfungsi untuk memindahkan zat - zat pengganggu yang menyebabkan warna dan bau yang tidak diharapkan pada pelarut.

Sementara karbon aktif sebagai penyerap uap biasanya berbentuk granular atau pelet yang sangat keras, digunakan pada fase gas, dan berfungsi untuk pengembalian pelarut, katalis, dan pemurnian gas. Karbon aktif yang digunakan dapat dilihat pada gambar 2.3.

Gambar 2.3. Karbon Aktif Serbuk

Tabel. 2.1 Syarat Mutu Karbon Aktif ^[10]

No. Uraian Satuan

Persyaratan

Butiran Serbuk

1. Bagian yang hilang pada

Pemanasan 950^oC % Maks. 15 Maks. 25

2. Air % Maks. 4,4 Maks. 15

3. Abu % Maks. 2,5 Maks. 10

4. Daya Serap mg/g Min. 750 Min. 750

5. Karbon Aktif Murni % Min. 80 Min. 65

2.4. Metanol Sebagai Adsorbat

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 dari pada etanol).

Metanol digunakan sebagai bahan pendingin anti beku, pelarut, bahan bakar dan sebagai bahan additive bagi etanol 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.

Gambar 2.4. Metanol Pro Analysis

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 2.2 Sifat Metanol ^[11]

No Sifat Metanol Nilai Sifat Metanol

1 Massa Jenis (cair) 0,79 kg/liter

2 Titik Lebur -97,7 °C

3 Titik Didih 64,5 °C

4 Klasifikasi EU Flamamable (F), Toxic (T)

5 Panas Jenis (Cp) 2530 J/kgK

6 Panas Laten Penguapan 1168 kJ/kg

7 Kemurnian 99 %

2.5 Perpindahan Panas

Perpindahan panas adalah ilmu yang mempelajari tentang perpindahan energi (dalam bentuk panas) yang terjadi karena adanya perbedaan suhu diantara kedua benda atau material. Ilmu perpindahan panas melengkapai hokum pertama dan kedua termodinamika, sebagai contoh pada perisitiwa pendinginan yang berlangsung pada suatu batangan baja panas yang dicelupkan ke dalam air. Dengan termodinamika kita dapat menentukan suhu kesetimbangan akhir dari suatu batangan baja, namun termodinamika tidak akan dapat menunjukkan kepada kita berapa lama waktu yang diperlukan untuk mencapai kesetimbangan atau berapa suhu batangan itu pada saat sebelum tercapainya keseimbangan. Sebaliknya ilmu perpindahan panas dapat membawa kita untuk menentukan suhu batangan baja sebagai fungsi waktu. Jenis-jenis perpindahan panas yang terjadi pada siklus adsorpsi, yaitu:

1. Perpindahan panas secara konduksi (hantaran) 2. Perpindahan panas secara konveksi (aliran) 2.5.1 Perpindahan Panas Konduksi

Perpindahan panas secara konduksi adalah proses perpindahan panas dimana kalor mengalir dari daerah yang bersuhu tinggi ke daerah bersuhu rendah dalam suatu medium (padat) atau medium-medium yang berlainan yang bersinggungan secara

langsung. Secara umum laju aliran panas konduksi dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut: ^[14]

𝑞_{𝑐𝑜𝑛𝑑} = −𝑘𝐴^d𝑡

d𝑥 ... (2.1) dimana :

𝑞_{𝑐𝑜𝑛𝑑} = laju aliran kalor (W)

𝑘 = konduktifitas termal bahan (W/m².K) d𝑡 = beda temperature (K)

d𝑥 = panjang (m)

𝐴 = luas permukaan perpindahan kalor (m²)

Tanda minus diselipkan agar memenuhi hukum kedua termodinamika yaitu kalor mengalir ke temperatur yang lebih rendah, arah aliran energi kalor adalah dari titik bersuhu tinggi ke titik bersuhu rendah.

Berikut ini merupakan nilai konduktivitas termal (k) dari beberapa bahan.

Tabel 2.3 Konduktivitas Termal Beberapa Bahan

2.5.2 Perpindahan Panas Konveksi

Perpindahan panas konveksi adalah perpindahan kalor atau panas yang disertai dengan perpindahan zat perantaranya. Konveksi sedikit mirip dengan konduksi,

bedanya konduksi merupakan perpindahan panas tanpa disertai zat perantara sedangkan konveksi merupakan perpindahan panas yang diikuti zat perantaranya.

Syarat utama mekanisme perpindahan panas konveksi adalah adanya aliran fluida.

Untuk perpindahan panas konveksi, persamaan laju aliran panas dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut ini ^[14]:

𝑞_{𝑐𝑜𝑛𝑣} = h 𝐴_𝑠 (𝑇_𝑠− 𝑇_∞) ...(2.2) dimana :

𝑞_{𝑐𝑜𝑛𝑣} = Laju perpindahan panas konveksi (W) h = Koefisien konveksi (W/m²K)

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

𝑇_∞ = Temperatur fluida (K)

Berikut ini merupakan nilai dari koefisien konveksi (h) berdasarkan kondisi konveksinya:

Tabel 2.4 Nilai Koefisien Konveksi

2.5.3 Perpindahan Panas Radiasi

Radiasi adalah perpindahan panas tanpa adanya perantara. Perpindahan panas secara radiasi tidak membutuhkan zat perantara bahkan bila terdapat ruangan hampa di antara benda-benda tersebut (tanpa perantara). 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 mentransmisikan radiasi thermal sehingga penerapan transmisivitas dianggap nol. Radiasi terjadi pada permukaan yang diserap dan kemudian perpindahan panas radiasi terjadi antara permukaan-permukaan pada temperature yang berbeda.

Energi radiasi yang dipancarkan oleh suatu permukaan dengan temperature 𝑇_𝑠 per satuan luas disebut dengan daya emisi dan dinyatakan dengan persamaan Stefan- Bolztmann, yaitu: ^[14]

𝐸 = σ𝑇_𝑠⁴ ...(2.3) Persamaan di atas merupakan persamaan daya emisi untuk benda hitam (blackbody), sedangkan untuk benda real persamaan tersebut harus dikalikan dengan factor emisivitas (ε), sehingga menjadi: ^[14]

𝑞_𝑟𝑎𝑑 = εAσ (𝑇_𝑠⁴− 𝑇_𝑠𝑢𝑟⁴) ...(2.4) dimana:

𝑞_𝑟𝑎𝑑 = laju perpindahan panas radiasi (W) ε = emisivitas bahan

A = luas permukaan (m²)

σ = kontanta Stefan-Boltzmann (5,67 x 10-8 W/m² K⁴) 𝑇_𝑠 = suhu permukaan (K)

𝑇_𝑠𝑢𝑟 = suhu lingkungan (K)

Penggunaan energi surya meliputi pengaturan kedudukan permukaan pengumpul (kolektor) pada berbagai sudut dengan bidang horizontal. Sementara pengukuran radiasi pada permukaan horizontal di banyak tempat sudah dilaksanakan.

Pemanasan pada permukaan miring harus dihitung. Lapisan luar matahari yang disebut fotosfer memancarkan suatu spektrum radiasi yang kontiniu.

Perpindahan panas secara radiasi dipengaruhi oleh beberapa faktor berikut ini:

1. Luas permukaan benda yang bertemperatur, yang akan menentukan besar kecilnya jumlah pancaran yang akan dapat dilepaskan

2. Sifat permukaan yang berhubungan dengan kemudahan memancarkan atau menyerap panas

3. Kedudukan masing-masing permukaan satu terhadap yang lain akan menentukan besar fraksi pancaran yang dapat diterima oleh permukaan lain

Ketika radiasi sampai ke permukaan, sebagian dari energi itu akan diserap, sebagian lagi ditransmisikan, dan sisanya direfleksikan. Energi radiasi yang diserap disebut dengan absorbtivitas (α), yang ditransmisikan disebut dengan transimitas (η) dan energi radiasi yang dipantulkan disebut reflektivitas (ρ).

absorbvitas = α = Radiasi Absorpsi 0 ≤ α ≤ 1 transimitas = η = Radiasi Transimitas 0 ≤ η ≤ 1 reflectivitas = ρ = Radiasi Reflektivitas 0 ≤ ρ ≤ 1 2.5.4 Kalor Laten

Kalor laten adalah panas yang diserap oleh suatu bahan atau sitem termodinamika selama proses dengan temperatur konstan. Dalam proses ini terjadi perubahan fasa benda (bahan). Kalor laten juga dapat didefinisikan sebagai kalor yang diperlukan oleh satu kilogram zat untuk berubah wujud. Kalor laten yang diperlukan untuk merubah fasa dari bahan bermassa m adalah ^[14]:

𝑄𝐿 = 𝐿_𝑒 𝑥 𝑚 ... (2.5) dimana:

𝑄𝐿 = kalor laten (J)

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

2.5.5 Sifat Aliran Fluida

Dalam allat penukar kalor selalu di inginkan agar alirannya turbulen sehingga kapasitas perpindahan panasnya meningkat.Aliran turbulen dapat diperoleh dengan pemasangan baffle atau dengan pembuatan dinding saluran kasar.Jenis aliran turbulen atau laminar dapat ditentukan oleh perhitungan bilangan Reynold.Bilangan Reynold untuk aliran luar dan dalam pipa didefinisikan dengan menggunakan rumus

Aliran dalam pipa rumus mencari Re adalah:

R_𝑒^Di.mr

μ.Ai……….(2.6)

Untuk aliran luar menggunakan rumus:

R_𝑒 =^ρ.D.V

μ ……….……….(2.7)

Dimana :

ρ = massa jenis kg/m3 v = kecepatan aliran (m/s) D = diameter pipa (m)

𝜇 = viskositas dinamik (kg/m.s)

Untuk menghitung luas aliran dalam pipa

Luas permukaan perpindahan panas dan permukaan dalam pipa (Ai)

𝐴i_𝑎 =^π

4 𝐷………..………(2.8)

2.5.6 Pola Suhu Udara dan Kelembaban

Untuk mengevaluasi ketergantungan antara evaporasi dengan parameter cuaca yakni suhu udara, kelembaban relatif, lama penyinaran, kecepatan angin dan defisit tekanan uap air dilakukan standarisasi nilai masing-masing parameter menjadi nilai tanpa dimensi dengan rumus persamaan :

𝑧_𝑖 = ^{𝑋𝑖−𝜇}

𝜎 ... (2.9)

Dimana

X = Parameter cuaca

i = nilai ke i parameter cuaca µ = rata-rata parameter cuaca 𝛔 = standar deviasi parameter cuaca

Berdasarkan data suhu udara bulanan dan kelembaban udara yang telah didapat ,menjadi salah satu hal yang mempengaruhi kelembaban suatu udara. Penyinaran yang tinggi akan menurunkan kelembaban yang tinggi. Hal ini tidak lepas dari kandungan uap air pada suatu udara. Penyinaran matahari akan menghilangkan kandungan uap air sehingga akan berdampak pada menurunnya tingkat kelembaban udara.

2.6 Teori Dasar Evaporator

Evaporator dalam sistem refrijerasi adalah alat penukar kalor yang memegang peranan penting di dalam siklus refrijerasi, yaitu mendinginkan media sekitarnya Tujuan sistem refrijerasi adalah untuk membebaskan panas dari fluida seperti udara, air atau beberapa benda yang lain. Evaporator diletakkan dibagian unit pendingin dari lemari pendingin dan akan bersentuhan langsung dengan media yang akan didinginkan, yaitu air. Cairan metanol akan menguap pada saat temperatur adsorben naik atau pada saat pemanasan adsorben. Metanol akan mencair dikondensor dan cairannya akan terkumpul kembali di evaporator, dan malam hari temperatur adsorben akan turun perlahan – lahan dan akan menyerap metanol. Akibatnya metanol akan menguap dan menyerap kalor dari sekitarnya sehingga temperatur akan turun. ^[4]

Kemampuan evaporator ditentukan oleh kemampuan laju perpindahan kalor yang dapat terjadi dalam evaporator itu sendiri. Artinya semakin besar koefisien Evaporator mempunyai fungsi sebagai alat penukar kalor pada siklus refrigerasi atau pendinginan. Tekanan cairan refrigerant yang diturunkan pada pipa kapiler, didistribusikan secara merata ke dalam pipa evaporator. Dalam hal ini refrigerant akan menguap dan menyerap kalor udara luar yang dialirkan mengenai permukaan pipa

bagian luar evaporator.perpindahan panas, maka luas bidang pendingin yang diperlukan aka semakin kecil.

2.6.1 Klasifikasi Evaporator

Berdasarkan pemakaiannya, evaporator dibagi menjadi 2 macam, yaitu : 1. Ekspansi langsung (direct expansion)

2. Ekspansi tidak langsung (indirect expansion)

Berdasarkan cara kerjanya, evaporator dibagi menjadi 2 macam, yaitu : 1. Evaporator kering (dry evaporator)

2. Evaporator banjir (flooded evaporator)

Berdasarkan bentuk dan permukaan koilnya, evaporator dibagi menjadi 3 macam, yaitu : ^[1]

1. Evaporator Pipa Telanjang (Bare Tube Evaporator) 2. Evaporator Plat (Plate Surface Evaporator)

3. Evaporator Bersirip (Finned Evaporator)

2.6.1.1 Evaporator Pipa Telanjang (Bare Tube Evaporator)

Evaporator ini umumnya terbuat dari tembaga atau baja. Untuk bahan tembaga biasanya digunakan pada evaporator yang berukuran kecil dimana refrijeran yang digunakan adalah selain dari ammonia. Sedangkan untuk bahan baja biasanya digunakan pada evaporator yang berukuran besar dimana refrijeran yang digunakan adalah ammonia. Gambar bare tube evaporator dapat dilihat pada gambar 2.5.

Gambar 2.5 Bare Tube Evaporator [8]

2.6.1.2 Evaporator Plat (Plate Surface Evaporator)

Dalam evaporator jenis ini, sering digunakan sebagai permukaan untuk pemanasan, bukanlah tabung atau shell penukar kalor. Assembling dari pada piring ini mempunyai kesamaan dengan piring penukar kalor yang dilengkapi dengan laluan uap dalam jumlah besar. Gambar plate surface evaporator dapat dilihat pada gambar 2.6.

Gambar 2.6Plate Surface Evaporator [9]

2.6.1.3 Evaporator Bersirip (Finned Evaporator)

Evaporator bersirip adalah tipe bare tube evaporator yang ditutupi dengan sirip. Ketika fluida (udara atau air) yang akan didinginkan mengalir melalui bare tube evaporator, terdapat banyak efek pendinginan dari refrijeran yang terbuang sia-sia karena kurangnya permukaan untuk mentransfer panas dari cairan ke refrijeran. Fluida cenderung mengalir di antara ruang terbuka dari tabung dan tidak bersentuhan langsung dengan permukaan kumparan, maka itu bare tube evaporator menjadi kurang efektif. Sirip pada permukaan luar dari bare tube evaporator meningkatkan kontak permukaan dari tabung logam dengan fluida dan meningkatkan laju perpindahan panas, sehingga finned evaporator lebih efektif dibandingkan dengan bare tube evaporator. Gambar finned evaporator dapat dilihat pada gambar 2.7

Gambar 2.7 Finned Evaporator [14]

2.7. Material Evaporator 1. Aluminium

Untuk material evaporator yang digunakan yaitu Alluminium composite panel (ACP), kayu, Sterofoam, Alumunium Foil adalah material yang digunakan sebagai body evaporator.

Aluminium ini merupakan logam non ferro yang memiliki sifat ringan dan tahan karat.

Aluminium dipakai sebagai paduan berbagai logam murni, sebab tidak kehilangan sifat ringan dan sifat–sifat mekanisnya dan mampu cornya diperbaiki dengan menambah unsur–unsur lain. Unsur-unsur paduan itu adalah tembaga, silikon, magnesium, mangan, nikel, dan sebagainya yang dapat merubah sifat paduan aluminium.

Untuk mengetahui kekuatan tarik atau beban ultimate maka dapat menggunakan rumus:

𝜎𝑢 = ^𝑃𝑈

100 x 4ton/A0 ... (2.10) Dimana : σu = Tegangan Ultimate atau Kekuatan Tarik (kg/mm²)

Pu = Beban tertinggi yang bekerja (kg) Ao = Luas penampang semula (mm²)

4 ton = beban yang diberikan pada saat pengujian

Material ini bebas dari serangan rayap dan lumut selain itu ada beberapa hal yang mempertimbangkan mengapa desain mengguakan ACP yaitu:

1. Permukaan yang rata

Bagian basin dari evaporator harus serata mungkin sebab akan di beri warna hitam pekat supaya energi matahari dapat diserap dengan merata dan proses evaporasi maksimal.

2. Fleksibel

Pada dasarnya Alumunium Composite Panel mudah dibentuk, dilipat, dibor dan dilengkungkan dengan peralatan konvensional maupun peralatan sederhana lainnya, sehingga dalam pembangunan alat lebih mudah.

3. Penghambat panas yang baik

ACP dapat menghambat panas dengan baik, hal ini dikarenakan bahan utamanya merupakan lembaran alumunium dan juga bahan inti polyethylene yang tidak akan menembuskan panas keluar dari area basin evaporator.

4. Anti karat

Dalam pengaplikasiannya, ACP akan dipasang di luar ruangan sebagai wadah air laut dalam evaporator dimana sangat rentan terjadinya korosi serta paparan sinar matahari dan hujan. Maka dengan bahan ACP yang tahan terhadap karat, merupakan pilihan paling tepat sebagai bahan perancangan.

5. Harga yang relatif murahHarga alumunium composite panel alias ACP terbilang lebih terjangkau jika dibandingkan dengan material lainnya menjadi salah satu alasan memilih ACP sebagai material perancanga.

2. Kayu

Kayu sebagai salah satu bahan memiliki karakteristik yang spesifik dibanding bahan lainnya seperti baja dan beton. Kayu sebagai bahan alamiah memiliki ciri yang alamiah pula terhadap karakteristik mekanikanya. Kayu digolongkan sebagai bahan yang anisotropic yang memiliki karakteristik tegangan yang berbeda antara tegangan tekan, tegangan tarik, tegangan lentur dan tegangan gesernya. (Baik tegangan arah serat, tegak lurus serat, maupun bersudut terhadap serat).

Kerapatan kayu, berat jenis kayu harus diperhatikan dalam pemilihan pembuatan evaporator sebagai bahan konstruksi (ini bisa dilihat dengan memperhatikan kahalusan / kekasaran seratnya).

Kerapatan kayu berhubungan erat dengan berat jenis dan kekuatan kayu. Kayu sukar ditentukan berat jenisnya, karena berat jenis kayu dipengaruhi oleh kadar lengasnya.

3. Sterofoam

Digunakan sebagai isolator untuk mengurangi panas dari dalam evaporator terbuang ke lingkungan. Dengan adanya sterofoam ini, akan meningkatkan suhu pada evaporator dan menghambat terjadinya kehilangan energi dari sistem sehingga losses bisa diasumsikan sangat kecil.

2.8. Siklus Refrijerasi dan Analisa Kinerja Refrijeran

Beban pendinginan sebenarnya adalah jumlah panas yang dipindahkan oleh sistem pengkondisian udara setiap waktu. Beban pendinginan terdiri atas panas yang berasal dari ruang dan tambahan panas. Siklus refrigerasi dan analisa kinerja refrigeran pada mesin refrigerasi dapat diamati pada skema instalasi mesin refrigerasi seperti :^[16]

1. Evaporasi

Proses evaporasi terjadi pada evaporator atau penguap yang digunakan pada mesin refrigerasi berbentuk pipa bersirip plat. Tekanan cairan refrigerant yang diturunkan pada katup ekspansi didistribusikan secara merata kedalam evaporator oleh refrigeran. Refrigeran akan menguap dan menyerap kalor dari udara ruangan yang dialirkan melalui permukaan luar pipa evaporator. Jadi cairan refrigeran diuapkan secara berangsur-angsur karena menerima kalor sebanyak kalor laten penguapan selama mengalir di dalam setiap pipa dari koil evaporator.

2. Kompresi

Kompresi Bila suatu gas dikompresi berarti ada energi mekanik yang diberikan dari luar kepada gas. Energi tersebut diubah menjadi energi panas sehingga temperatur gas akan naik jika tekanan semakn tinggi [Sularso, 2006]. Proses kompresi yang terjadi pada kompresor menyebabkan naiknya tekanan refrigeran sehingga memudahkan pencairannya kembali. Energi yang diperlukan untuk kompresi diberikan oleh motor listrik yang menggerakkan kompresor. Dalam proses kompresi, energi diberikan kedalam uap refrigeran.

3. Kondensasi

Uap refrigeran yang bertekanan dan bertemperatur tinggi pada akhir kompresi dapat dengan mudah didinginkan dengan udara pendingin yang ada pada temperatur normal. Dengan kata lain, uap refrigeran menyerahkan panasnya (kalor laten pengembunan) pada udara pendingin didalam kondensor sehingga mengembun dan

menjadi cair. Karena udara pendingin menyerap udara dari refrigeran, maka udara akan menjadi panas pada saat keluar dari kondensor.

4. Ekspansi

Untuk menurunkan tekanan dari refrigeran cair yang dicairkan didalam kondensor supaya dapat mudah menguap, maka dipergunakan katup ekspansi atau pipa kapiler. Cairan refrigeran dari katup ekspansi kemudian mengalir kedalam evaporator, tekanannya turun dan menerima kalor penguapan dari udara, sehingga mengalami penguapan secara berangsur-angsur.

Upaya untuk meningkatkan efektivitas kinerjan pada evaporator,modifikasi dilakukan dengan menambahkan sirip pendingin dari berbagai bahan dan konstruksinya serta penambahan blower udara, dimaksudkan untuk meningkatkan efektivitas kinerja Penelitian ini mengungkap pengaturan sudut lengkung sirip menara pendingin akan mempengaruhi range yang terjadi guna meningkatkan efektivitas kinerja menara System menara pendingin yang terdiri dari rangka, casing, sirip pendingin, pompa air, blower yang dapat diatur putarannya serta unit water heater.

Untuk pengambilan data; thermometer air diletakkan pada sisi air masuk dan keluar menara pendingin, thermometer udara bola basah diletakkan pada sisi masuk dan keluar menara pendingin, anemometer diletakkan pada sisi udara keluar menara pendingin, serta flow meter air^[19]. Dalam penelitian pada variasi sudut lengkung sirip berhasil mengukur besaran data: temperatur air masuk dan keluar menara pendingin, laju volume air, temperatur wet bulb ambient masuk dan keluar menara pendingin, laju udara. Hasil penelitian memperlihatkan besarnya perubahan range yang terjadi akibat pengaturan sudut lengkung sirip serta menunjukkan peningkatan efektivitas kinerja menara pendingin sehingga menghasilkan peningkatan laju pendinginan air. Kata kunci: menara pendingin, sudut lengkung sirip, range, efektivitas kinerja.

Perkembangan dalam penerapan menara pendingin pada system mesin pengkondisi udara yang bersifat stationer dan system pembangkitan tenaga listrik, mengalami peningkatan yang sangat pesat.. Sistem menara pendingin memiliki komponen utama rangka, casing, sirip pendingin, kolam air dingin, drift eliminator, saluran udara masuk, nozel dan fan. (Unep, 2006). Banyak dijumpai modifikasi sistem menara pendingin dengan menambahkan sirip pendingin dari berbagai bahan serta

penggunaan blower udara maupun pengaturan dan perubahan laju aliran air dan udara akibat variasi musim, perlakuan modifikasi tersebut diharapkan dapat meningkatkan kapasitas pendinginan, sehingga akan mempengaruhi efektivitas kinerja.

Kevakuman dalam evaporator ditentukan oleh efisiensi pompa yang mana hal itu dengan tujuan untuk meningkatkan konsentrasi dari suatu bahan Penukar panas pipa rangkap (double pipe heat exchanger), dalam jenis Ini bertujuan untuk membuat turbulensi aliran fluida,kompresor dan Pipa Kapiler, pada keadaan stedi harus sampai pada tekanan isap dan buang tertentu, yang menyebabkan laju aliran massa yang sama melalui kompresor dan Pipa Kapiler. Keadaan ini disebut titik kesetimbangan. Tekanan kondensor dan evaporator adalah tekanan jenuh pada temperatur kondensor dan evaporator tersebut,menunjukkan variasi laju aliran massa dengan tekanan evaporator melalui kompresor dan pipa kapiler.^[20]

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1. Tempat Dan Waktu

Penelitian ini dilakukan dilantai 4 gedung Magister Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara yang dimulai pada tanggal 1 Agustus 2019 sampai Januari2020.

3.2. Alat Dan Bahan 3.2.1. Alat

1.Mesin Las

Mesin las adalah mesin untuk menyambung aluminium menjadi suatu rangkaian yang utuh sehingga membentuk sebuah kotak evaporator.

Gambar 3.1 Mesin Las

2.Gerinda

Gerinda merupakan suatu mesin untuk memotong sebuah plat dan pipa aluminium sesuai dimensi rancangan kotak evaporator.

Gambar 3.2 Mesin Gerinda

3.Meteran

Meter digunakan untuk mengukur plat aluminium ,pipa aluminium sesuai ukuran desain perancangan evaporator.

Gambar 3.3 Meteran

3.2.2. Bahan

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

1. Plat aluminium

Plat Alumunium adalah salah satu bahan logam berbentuk lembaran ringan yang kuat,ring dan padat alumunium yang tahan cuaca,tidak mudah terbakar dan anti karat menjadikannya pilihan untuk kebutuhan perancangan evaporator.

Gambar 3.4 Plat Aluminium Spesifikasi Plat Aluminium:

a. Tebal : 3mm

b. Berat : 1.25 kilogram

c. Ukuran : 170mm × 140m

2. Pipa aluminium

Pipa aluminium adalah salah satu bahan untuk penghubung penguapan dari evaporator ke kolektor.

Gambar 3.5. Pipa Aluminium

Spesifikasi Pipa Aluminium:

a. Tebal : 3mm

b. Jumlah pipa : 3 buah

c. Ukuran : 19 mm × 100 mm (3/4")

3. Sterofoam

Digunakan sebagai isolator untuk mengurangi panas dari dalam evaporator terbuang ke lingkungan. Dengan adanya sterofoam ini, akan meningkatkan suhu pada evaporator dan menghambat terjadinya kehilangan energi dari sistem sehingga losses bisa diasumsikan sangat kecil.

Gambar 3.6. Sterofoam

4. Aluminium Foil

Digunakan sebagai isolasi pada permukaan sterofoam guna untuk menahan panas dari evaporator ke limgkungan.

Gambar 3.7. Aluminium Foil 5. Laptop

laptop yang digunakan untuk mendesain atau merancang seluruh alat penelitian

Gambar 3.8. Laptop

Laptop yang digunakan memiliki spesifikasi sebagai berikut:

- Processor : AMD Quad-Core Processor A6-5200 (2GHz)

- RAM : 4 GB

- CPU :2 GHz

- Sistem : Windows 8 Pro

- VGA : AMD Radeon^TM HD 840

6. Busa hitam

Digunakan sebagai isolator untuk mengurangi panas dari dalam evaporator terbuang ke lingkungan.

Gambar 3.9. Busa Hitam

7.Triplek

Tripleks merupakan bahan bangunan yang kerap digunakan sebagai bahan pembuatan evaporator. Penggunaannya sendiri dinilai efektif, murah, dan tidak merepotkan pemiliknya. Bahan ini digunakan untuk membentuk ruang bagian dalam kotak insulasi evaporator.

Gambar 3.10. Triplek

3.3. Metode Pelaksanaan Rancang Bangun

Dalam pelaksanaan perancangan ini dilakukan kegiatan-kegiatan yang meliputi tahapan yaitu:

Tidak

Ya

Gambar 3.11. Diagram Alir Perancangan MULAI

Studi Literatur

Desain Parameter Alat

Tahap Persiapan dan

Pembelian Alat dan

Bahan

Efektifitas Evaporator dan Kesimpulan

Selesai Pembuatan Evaporator

3.4 Objek Penelitian

Pada penelitian ini di lakukan di Gedung Magister Pascasarjana Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara melakukan rancang bangun alat evaporator mesin pendingin adsorpsi tipe kotak. Racang bangun alat dilakukan dengan mensurvey bahan terlebih dahulu, menentukan ukuran yang digunakan. Rancang bangun dilakukan untuk mendesain seluruh perangkat kerja melalui dari desain evaporator meliputi dimensi, jenis material,dan efektifitas evaporator.

3.5 Parameter Desain Evaporator

Pada perancangan evaporator terlebih dahulu menentukan jenis fluida yang mengalir dimana fluida pendingin memiliki temperature, tekanan. Perancangan evaporator dimulai dengan menentukan kapasitas pendinginan yang diinginkan ,setelah itu kita dapat menentukan jumlah metanol yang dibutuhkan dalam proses pendingin. Evaporator ini terdiri dari pipa silinder, dengan menggunakan material aluminium karena memiliki kemampuan memindahkan panas yang tinggi, tahan terhadap korosi, tahan terhadap panas,mudah dibentuk, harga terjangkau dan mudah di temukan dipasaran. Pemilihan jenis bahan dan ukuran evaporator didasarkan pada besarnya aliran fluida, dan temperature. Evaporator yang digunakan memiliki sistem pendingin adsorpsi/desorpsi yang digunakan untuk melepas antara karbon dan metanol.

Gambar 3.12. Perbedaan siklus kompresi uap dengan siklus absorpsi

Salah satu keunggulan sistem absorbsi adalah karena menggunakan panas sebagai energi penggerak. Panas sering disebut sebagai energi tingkat rendah (low

level energy) karena panas merupakan hasil akhir dari perubahan energi dan sering kali tidak didaur ulang. Pemberian panas dapat dilakukan dengan berbagai cara, seperti menggunakan kolektor surya, biomassa, limbah, atau dengan boiler yang menggunakan energi komersial.

3.5.1. Aluminium

Pembuatan pola benda merupakan bagian yang penting dalam proses pembuatan evaporator karena itu yang akan menentukan bentuk dan ukuran dari benda. Kekerasan aluminium dapat didefinisikan sebagai ketahanan logam terhadap indentasi.Nilai kekerasan berkaitan dengan kekuatan luluh logam karena selama identasi logam mengalami deformasi plastis.

Ketika melakukan perancangan pada sistem pendingin, parameter penting yang diperlukan adalah melakukan estimasi beban pendingin yang meliputi beban metabolik penumpang, beban kebutuhan udara segar. Untuk dapat melakukan estimasi beban pendingin, diperlukan survei secara mendalam Ketika melakukan perancangan pada sistem pendingin prosedur penting dan menjadi paling utama adalah dengan melakukan kalkulasi radiasi dan beban konduksi dari dinding.^[18]. Untuk mendapatkan estimasi beban pendingin, diperlukan survei secara mendalam agar dapat dilakukan analisis yang detil terhadap sumber- sumber beban pendinginan, sehingga dari estimasi tersebut dapat ditentukan jenis peralatan dan energi yang dipergunakan.

Tabel 3.1 Sifat fisik aluminium

Langkah-langkah yang digunakan didalam desain evaporator meliputi: . Penetapan parameter operasi Parameter yang digunakan sebagai data inputan dalam perancangan ini meliputi:

Kondisi udara dengan Tinlet = 65ºC (diasumsikan) Kondisi udara luar Tinlet = 35ºC, (diasumsikan)

3.5.2. Pipa

Dalam menerapkan kode standar desain, kita harus mengerti prinsip dasar dari tegangan pipa dan halhal yang berhubungan dengannya. Tegangan dalam yang terjadi pada pipa di sebabkan oleh tekanan dari dalam pipa, beban luar seperti berat mati dan pemuaian thermal, dan bergantung pada bentuk geometri pipa serta jenis material pipa.

1.Jenis Pipa

secara umum jenis pipa dapat dikelompokkan menjadi dua bagian yaitu:

a. Jenis pipa tanpa sambungan (pembuatan pipa tanpa sambungan pengelasan).

b. Jenis pipa dengan sambungan (pembuatan pipa dengan pengelasan) 2. Bahan-bahan Pipa Secara Umum

Bahan-banan pipa yang dimaksudkan disini adalah struktur bahan baru pipa yang dapat dibagi secara umum sebagai berikut:

• Carbon steel, Carbon moly, Galvanize, Ferro nikel

• Stainless steel, PVC (paralon) dan Chrome moly 3. Komponen Perpipaan

Komponen perpipaan harus dibuat berdasarkan spesifikasi, standar yang terdaftar dalam simbol dan kode yang telah dibuat atau dipilih sebelumnya. Komponen perpipaan yang dimaksud disini meliputi:

Pipe (pipa), Flange (flens), Fitting (sambungan), Valve (katup), Bolting (baut) dan Gasket.

4. Macam Sambungan Perpipaan

Sambungan perpipaan dapat dikelompokkan sebagai berikut:

a. Sambungan dengan menggunakan pengelasan.

b. Sambungan dengan menggunakan ulir.

5. Diameter, Ketebalan, Schedule

Diameter nominal adalah diameter pipa yang dipilih untuk pemasangan ataupun perdagangan (commodity). Ketebalan dan schedule sangatlah berhubungan, hal ini karena ketebalan pipa tergantung dari pipa itu sendiri. Schedule pipa ini dapat dikelompokkan sebagai berikut:

• Schedule: 5, 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120, 160.

• Schedule standard.

• Schedule extra strong (XS).

• Schedule double extra strong (XXS)

• Schedule special.

Beban Ekspansi adalah adalah stress yang terjadi akibat adanya perubahan temperatur, jika temperatur naik akan mengakibatkan pemuaian sedangkan jika suhu menurun maka akan terjadi pengkerutan. Pemuaian dan pengkerutan akan mengakibatkan kegagalan dan kebocoran pada sambungan, misalnya sambungan pada pompa, vessel, tank dan lain-lain.

Untuk menganalisis momen tekuk yang terjadi akibat perubahan temperatur maka terdapat teknik tersendiri yang dijadikan penulis sebagai acuan yaitu dengan menggunakan metode Grinnell. Tegangan ekspansi yang terjadi akan dibandingkan dengan tegangan izin bahan, jika tegangan ekspansi yang terjadi lebih kecil dari tegangan izin bahan maka kontruksi sistem pipa tersebut aman. Adapun langkah-

langkah yang dilakukan dalam melakukan menghitung momen tekuk pada sistem perpipaan dengan teknik single plane antara lain.

1. Menentukan titik berat dari setiap komponen pipa dalam satu rangkaian

Untuk pipa lurus, seperti terlihat pada gambardibawah ini.

Gambar 3.14.Posisi titik berat untuk pipa lurus

2. Menenentukan titik pusat (centeroid) untuk satu bidang acuan Untuk pipa lurus, seperti terlihat pada gambar dibawah ini

Gambar 3.15. Momen Inersia satu sumbu dengan orientasi pipalurus Vertikal

Untuk pipa lurus yang tegak lurus dengan bidang, seperti terlihat pada gambar dibawah ini.

Ix = 1,3.L.Y² Iy = 1,3.L.X²

Gambar 3.16. Momen Inersia satu sumbu dengan orientasi pipa lurus yang tegak lurus dengan bidang acuan.

3.5.3 Methanol

Untuk menentukan massa dan volume methanol yang digunakan dalam penelitian ini dapat diperoleh berdasarkan acuan luas permukaan atas kolektor.

Biasanya massa optimum karbon aktif yang digunakan adalah 20-26 kg untuk kolektor yang memiliki luas permukaan atas 1 m². Pada penelitian ini, massa karbon aktif yang digunakan adalah 10 kg.

Untuk 10 kg karbon aktif, maka:

Massa metanol maksimum = 26% x 10 kg karbon aktif

= 2,6 kg

= 3,29 liter ( ρ = 0,790 kg/liter)

Pada pengujian ini, digunakan metanol pro-analis sebanyak 3 liter dengan pertimbangan karena karbon aktif yang digunakan adalah karbon aktif dengan kualitas biasa/teknis sehingga volume metanol tersebut diharapkan dapat teradsorpsi dengan maksimal.

3.6. Langkah Pembuatan Mesin Pendingin Adsorpsi

3.6.1. Pembuatan evaporator

Langkah-langkah dalam pembuatan evaporator pada penelitian ini adalah sebagai berikut :

1. Siapkan plat alumunium dengan tebal 3 mm dan pipa alumunium dengan diameter ¾ inch .

2. Potong plat dan pipa sesuai dengan bentuk dan dimensi yang sudah ditentukan.

3. Sambungkan plat dan pipa yang telah dipotong dengan cara dilas sambungkan juga wadah untuk vaksin.

4. Uji evaporator dengan pompa vakum untuk mengetahui ada tidaknya kebocoran.

5. Jika tidak ada kebocoran maka evaporator siap untuk digunakan.

Gambar 3.17. Evaporator

3.6.2. Pembuatan Kotak Insulasi Evaporator

Langkah-langkah dalam pembuatan kotak insulasi evaporator pada penelitian ini adalah sebagai berikut :

1. Siapkan triplek, styrofoam, busa hitam, busa kft, rockwool dan aluminium foil.

2. Bentuk kotak dengan menggunakan triplek.

3. Masukkan material insulasi kedalam kotak sesuai dengan ukuran yang telah direncanakan.

4. Bungkus material insulasi dengan aluminium foil.

Gambar 3.18. Kotak Insulasi Evaporator

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Perancangan Evaporator

Evaporator dalam sistem refrigerasi merupakan alat penukar kalor yang sangat penting dalam siklus refrigerasi yaitu untuk mendinginkan dan untuk membebaskan panas dari fluida seperti udara,air atau beberapa benda yang lain.

Di dalam evaporator terdapat cairan metanol akan menguap pada saat temperatur adsorben naik pada saat pemanasan adsorben. Metanol akan mencair di kondensor dan cairannya akan terkumpul kembali didalam evaporator, dan malam hari temperatur adsorben akan turun secara perlahan-lahan dan akan menyerap metanol.

Didalam penelitian ini perancangan luas evaporator dilakukan untuk mendapatkan panjang dan lebar evaporator sebagai wadah proses refigerasi.

Berikut ini adalah perhitungan dimensi evaporator pada perancangan:

Luas penampang evaporator:

Aevap = 2(p.l+p.t+l.t) = 2(170 × 170 +170 × 140 + 170 × 140) = 0.153 m²

Luas penampang coldbox:

Acoldbox = 2(p.l+p.t+l.t) = 2(100 × 100 +100 × 50 + 100 × 50) = 0,02 m²

Jadi,

Aevap total = Aevap − Acoldbox = 0.153 m² − 0,02 m²

= 0,133 m² Volume evaporator:

Vevap = p × l × t = 170 × 170 × 140 = 4046000 mm³= 4,046 L

Volume coldbox:

Vcoldbox = p × l × t = 100 × 100 × 50 = 500000 mm³

= 0,5 L

Jadi volume metanol pada evaporator, Vevap total = Vevap − Vcoldbox = 4,046 L − 0,5 L = 3,546 L

Berikut ini merupakan bentuk evaporator yang telah di rancang:

Gambar 4.1. Evaporator

Spesifikasi Evaporator:

a. Material : Aluminium

b. Tebal : 3 mm

c. Dimensi : 170 mm × 170 mm × 240 mm

d. Dimensi pipa : 19 mm × 100 mm (3/4") e. Jumlah pipa : 3 Buah

f. Volume maksimum : 3,5 𝑑𝑚³

4.2 Perancangan Wadah Air (Coldbox)

Berikut merupakan bentuk dan dimensi dari wadah air yang digunakan dalam penelitian ini :

Gambar 4.2. Wadah Air (Coolbox)

Spesifikasi Wadah Airr:

a. Material : Aluminium

b. Tebal : 2 mm

c. Volume : 0,5 𝑑𝑚³

d. Dimensi luar : 100 mm × 100 mm × 50 m

4.3 Perancangan Kotak Insulasi Evaporator

Berikut merupakan bentuk dan dimensi dari kotak insulasi evaporator yang digunakan dalam penelitian ini :

Gambar 4.3. Kotak Insulasi Evaporator

Gambar 4.4. Ruang Bagian Dalam Kotak Insulasi Evaporator

Gambar 4.5. Kotak Insulasi Evaporator Bagian Atas Busa Hitam Styrofoam

Triplek Busa kft

Spesifikasi Kotak Insulasi Evaporator Bagian Atas :

a. Dimensi luar : 326 mm × 326 mm × 296 mm b. Tebal styrofoam : 30 mm

c. Tebal busa hitam : 20 mm d. Tebal busa kft : 30 mm e. Tebal triplek : 8 mm

4.4 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 menngunakan kompresor, jika tidak ada kalor yang hilang pada evaporator penerapan hukum pertama pada masing-masing komponen akan memberikan:

Qe= mr. (h1-h4)

Dimana Q (kW) adalah laju aliran panas, mr (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.

Gambar 4.6 Diagram P-h

Dimana;

Qev : laju aliran panas pada evaporator (kW) Qa : laju aliran panas pada kompresor (kW) Qg : laju aliran panas pada adsorber (kW) Qkd : laju aliran panas pada kondensor (kW)

Panas yang digunakan untuk menjalankan siklus dapat berupa sumber panas kompresor) yang temperaturnya kurang dari 200˚C [21]. 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:

Temperatur evaporasi, Te = 0˚C Temperatur kompresor, Ta = 80˚C Temperatur adsorber, Tg = 40˚C Temperatur kondensasi, Tkd = 35C

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

h,1 = 1210 kJ/kg h,2 = 1084,4 kJ/kg h,3 = h,4 kJ/kg h,4 = 11673 kJ/kg

Menghitung laju aliran massa di evaporator

𝑄e= 𝑚̇ . (h1̇ −ℎ4) 𝑚̇= ^𝑄𝑒

ℎ1−ℎ4

= ^0,1

1210−1163

= 2,127 . 10^-3 kg/s

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

4.5. Refrijeran Metanol

Laju aliran massa ( m) = 0,14373 kg/s

Temperatur masuk (𝑇_𝑖𝑛) = 65℃ (diasumsikan) Temperatur keluar (T_𝑜𝑢𝑡) = 35℃ (diasumsikan) Temperatur rata rata sesuai dengan persamaan

T_𝑟 = ^{𝑇𝑖𝑛+T𝑜𝑢𝑡}

2

T_𝑟 = ⁶⁵⁺³⁵

2

T_𝑟 = 50℃

Pada kondisi refrijeran 50℃ = 323 k di peroleh dari tabel lampiran sifat properties metanol diperoleh dengan menginterpolasi.

Sifat metanol pada suhu 50℃.

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.

Menghitung laju aliran perpindahan panas pada evaporator:

 Pada aliran internal

Luas aliran fluida pada persamaan 2.8

𝐴i_𝑎 =^π

4 𝐷𝑖² =^π

4 (0,017)² =2,26. 10⁻⁴ m²

Bilangan Reynold pada persamaan 2.6

R_𝑒 = ^Di.mr

μ.Ai

R_𝑒 = 0,017.0,14373 0,000010335.2,26

R_𝑒=534,311

 Pada aliran eksternal

Dengan asumsi kecepatan angin 1 m/s V = ^ST

ST−Di

= ^0,05

0,05−0,017

=1,5151 m/s²

4.6. Beban Pendingin Evaporator

Dalam penelitian ini, target metanol hasil dari desorpsi dan adsorpsi yang dihasilkan sebesar 3 liter dalam pengujian satu hari dari pukul 08.00-17.00 dan 17.00- 08.00 WIB.

Maka:

V= 3liter 𝜌 =0,79 kg/liter 𝜌 =^𝑚

𝑣

0,79 kg/l = ^𝑚

3𝑙

m= 2,37 kg