PEMBUATAN ALAT PENGUJI KAPASITAS ADSORPSI
PADA MESIN PENDINGIN ADSORPSI DENGAN
MENGGUNAKAN ADSORBEN KARBON AKTIF
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
OLOAN PURBA
NIM. 090401037
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
PEMBUATAN ALAT PENGUJI KAPASITAS ADSORPSI
PADA MESIN PENDINGIN ADSORPSI DENGAN
MENGGUNAKAN ADSORBEN KARBON AKTIF
OLOAN PURBA
NIM. 09 0401 037
Diketahui / Disahkan :
Disetujui Oleh :
Departemen Teknik Mesin
Dosen Pembimbing,
Fakultas Teknik USU
Ketua,
PEMBUATAN ALAT PENGUJI KAPASITAS ADSORPSI
PADA MESIN PENDINGIN ADSORPSI DENGAN
MENGGUNAKAN ADSORBEN KARBON AKTIF
OLOAN PURBA
NIM. 090401037
Telah Disetujui Dari Hasil Seminar Skripsi
Period ke-670 pada Tanggal 13 November 2013
Pembimbing,
PEMBUATAN ALAT PENGUJI KAPASITAS ADSORPSI
PADA MESIN PENDINGIN ADSORPSI DENGAN
MENGGUNAKAN ADSORBEN KARBON AKTIF
OLOAN PURBA
NIM. 09 0401 037
Telah Disetujui Dari Hasil Seminar Skripsi
Period ke-760 pada Tanggal 13 November 2013
Pembanding I,
Pembanding II,
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK USU
MEDAN
KARTU
BIMBINGAN
TUGAS SARJA
NA MAHASISWA
NO : 2097/ TS/ 2013
Sub. Program Studi : Konversi Energi
Bidang Studi
: Teknik Pendingin
Judul Tugas
: Pembuatan Alat Penguji Kapasitas Adsorpsi pada Mesin
Pendingin Adsorpsi dengan Menggunakan Adsorben
Karbon Aktif
Diberikan Tgl.
: 15 Mei 2013
Selesai Tgl.: 23 Oktober 2013
Dosen Pembimbing : Tulus B Sitorus, ST., MT Nama Mhs: Oloan Purba
N.I.M: 090401037
No.
Tanggal
Kegiatan Asistensi Bimbingan
Tanda
Tangan
Dosen Pemb.
1.
15 Mei 2013
Spesifikasi judul
2.
25 Mei 2013
Survei bahan dan alat penguji
kapasitas adsorpsi
3.
10 Juni 2013
Perancangan alat penguji adsorpsi
4.
29 Juni2013
Assembling alat pengujian adsorpsi
5.
8 Agustus 2013
Pengujian alat adsorpsi
6.
21 Agustus 2013
Asistensi Laporan I
7.
26 Agustus 2013
Asistensi Laporan II
8.
2 September 2013 Asistensi Laporan III
9. 11 September 2013 Asistensi Laporan IV
10. 16 September 2013 Asistensi Laporan V
11. 23 September 2013 Asistensi Laporan VI
12
5 Oktober 2013
Asistensi Laporan VII
13.
18 Oktober 2013
Asistensi Laporan VIII
14.
19 Oktober 2013
Asistensi Laporan IX
15.
ACC seminar
CATATAN :
Diketahui,
1.
Kartu ini harus diperlihatkan kepada
Ketua Departemen Teknik
Mesin
Dosen Pembimbing setiap Asistensi.
F.T. U.S.U
2.
Kartu ini harus dijaga bersih dan rapi.
3.
Kartu ini harus dikembalikan ke Departemen,
bila kegiatan Asistensi telah selesai.
Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri
NIP 1964 1224 1992 111001
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
AGENDA : /TS/2013
FAKULTAS TEKNIK USU
DITERIMA : / /2013
TUGAS SARJANA
NAMA
: OLOAN PURBA
N I M
: 090401037
MATA PELAJARAN
: TEKNIK PENDINGIN
SPESIFIKASI : PEMBUATAN ALAT PENGUJI KAPASITAS
ADSORPSI DARI ADSORBEN KARBON AKTIF
TERHADAP BEBERAPA REFRIGERAN
SEPERTI METANOL, ETANOL, AMONIA DAN
MUSICOOL YANG DIGUNAKAN PADA MESIN
PENDINGIN ADSORPSI TENAGA SURYA.
DIBERIKAN TANGGAL
: 15 Mei 2013
SELESAI TANGGAL
: 23 Oktober 2013
MEDAN, 23 Oktober 2013
KETUA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN,
DOSEN PEMBIMBING,
Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri
Tulus B Sitorus, ST., MT
NIP.1964 1224 1992 111001
NIP. 1972 0923 2000 121003
PEMBUATAN ALAT PENGUJI KAPASITAS ADSORPSI
PADA MESIN PENDINGIN ADSORPSI DENGAN
MENGGUNAKAN ADSORBEN KARBON AKTIF
Telah disetujui oleh:
Pembimbing,
Tulus B Sitorus, ST., MT
NIP. 197209232000121003
Penguji I,
Penguji II,
Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri
Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST., MT
NIP. 196412241992111001
NIP. 197206102000121001
Diketahui oleh :
Departemen Teknik Mesin
Ketua,
Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri
NIP. 196412241992111001
KATA PENGANTAR
Penulisan Skripsi ini merupakan salah satu syarat bagi mahasiswa S-1
untuk dapat menyelesaikan pendidikan agar memperoleh gelar sarjan di
Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
Tugas Sarjana ini berjudul “
Pembuatan Alat Penguji Kapasitas
Adsorpsi pada Mesin Pendingin Adsorpsi dengan Menggunakan Adsorben
Karbon Aktif
”
yang akan membahas tentang pengujian terhadap beberapa
refrigeran (metanol, etanol, amonia dan musicool) dan karbon aktif sebagai
adsorben.
Dalam penulisan skripsi ini, penulis banyak mendapat dukungan dan
masukan ide dari beberapa pihak. Pada kesempatan ini penulis mengucapkan
terima kasih kepada:
1.
Bapak Tulus B Sitorus, ST., MT., selaku dosen Pembimbing yang telah
banyak meluangkan waktu untuk membimbing penulis dalam pengujian
dan penulisan laporan skripsi, memberikan bahan-bahan referensi, jurnal,
dll.
2.
Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri, selaku Ketua Departemen Teknik
Mesin, Universitas Sumatera Utara.
3.
Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT, selaku Sekretaris Departemen Teknik
Mesin, Universitas Sumatera Utara.
4.
Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin, yang
telah membantu dan melengkapi segala keperluan dalam pengerjaan
laporan ini.
5.
Kepada kedua Orang tua saya, P. Purba dan E. br. Ambarita yang selalu
memberikan dukungan kepada penulis dan kasih sayang.
6.
Kepada kakak dan abang saya: Ramaida Purba, Hotman M Purba,
Parningotan Purba, Rostiar Purba, Bintur Tio Ria Purba yang memberikan
dukungan, motivasi dan nasehat-nasehat kepada penulis.
7.
Rekan satu tim, Vinsensius Ginting atas kerja sama yang baik untuk
menyelesaikan penelitian ini.
9.
Seluruh rekan mahasiswa Teknik Mesin yang telah membantu penulis
sehingga skripsi ini dapat diselesaikan. Penulis juga mengucapkan terima
kasih kepada seluruh pihak yang tidak dapat Penulis sebutkan satu per satu
yang telah memberikan bantuan dan dukungan selama pengerjaan skripsi
ini.
Semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi pembaca dan peneliti
selanjutnya.
Medan, Desember 2013
Penulis,
Oloan Purba
Akhir-akhir ini mesin pendingin siklus adsorpsi semakin banyak diteliti
oleh para ahli karena disamping ekonomis juga ramah lingkungan dan
menggunakan energi terbarukan yaitu energi surya. Agar proses adsorpsi dan
desorpsi mesin pendingin adsorpsi dapat berjalan dengan baik perlu diketahui
jumlah perbandingan yang ideal antara adsorben dengan refrigeran yang
digunakan. Data tersebut dapat dicari menggunakan alat penguji kapasitas
adsorpsi. Alat penguji kapasitas adsorpsi yang digunakan dilengkapi dengan
lampu halogen 1000 W sebagai sumber panas. Adsorber pada alat penguji ini
terbuat dari bahan stainless steel yang bertujuan agar tahan terhadap korosi akibat
dari variasi refrigeran yang digunakan. Karbon aktif yang digunakan sebagai
adsorben yang terbuat dari bahan dasar batok kelapa sebanyak 1 kg. Sedangkan
variasi refrigeran yang digunakan ada 4 yaitu metanol, etanol, amonia dan
musicool. Diperoleh refrigeran yang paling optimal pada proses adsorpsi-desorpsi
adalah metanol. Kapasitas metanol yang dapat diadsorpsi dan didesorpsi oleh
adsorben karbon aktif adalah sebanyak 275 mL.
Kata kunci
: Adsorpsi, desorpsi, adsorber, karbon aktif, refrigeran.
Lately adsorption refrigeration cycle more and more scrutinized by
experts as well as eco-friendly and economical use of renewable energy is solar
energy. In order for the process of adsorption and desorption adsorption
refrigeration cycle can run well to note that the ideal number of comparisons
between the adsorbent with a refrigerant used. The data can be searched using
the adsorption capacity tester. Adsorption capacity tester is used equipped with a
1000 W halogen lamp as a heat source. Adsorber on this tester is made of
stainless steel which aims to resist corrosion due to the variation of refrigerant
used. Activated carbon is used as adsorbent materials made from coconut shell
base as much as 1 kg. While variations exist 4 refrigerant used is methanol,
ethanol, ammonia and Musicool. Obtained the optimum refrigerant
adsorption-desorption process is methanol. Capacity that can be adsorbed methanol and
desorption by activated carbon adsorbent is 275 mL.
Keywords:
Adsorption, desorption, adsorption, activated carbon, refrigerants.
KATA PENGANTAR
...
i
ABSTRAK
...
iii
ABSTRACT
...
iv
DAFTAR ISI
...
v
DAFTAR GAMBAR
...
viii
DAFTAR TABEL
...
xii
DAFTAR SIMBOL
...
xiii
BAB I PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang ...
1
1.2
Tujuan Penelitian ...
2
1.3
Batasan Masalah ...
2
1.4
Manfaat Penelitian ...
2
1.5
Sistematika Penulisan ...
3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Siklus Adsorpsi ...
4
2.1.1 Teori Umum Adsorpsi ...
4
2.2 Adsorben ...
7
2.2.1 Karbon Aktif ...
7
2.2.2 Pembuatan Karbon Aktif ...
9
2.2.3 Kegunaan Karbon Aktif ...
10
2.3 Refrigeran ...
11
2.3.1 Metanol ...
13
2.3.2 Etanol ...
14
2.3.3 Amonia ...
15
2..3.4 Musicool ...
16
2.4 Keamanan Refrigeran ...
18
2.5 Kalor (Q) ...
19
2.5.1 Kalor Laten ...
19
2.5.2 Kalor sensibel ...
19
BAB III METODOLOGI
3.1 Tempat dan Waktu ...
25
3.2 Bahan ...
25
3.3 Alat Ukur yang Digunakan pada Pengujian Kapasitas
Adsorpsi ...
25
3.4 Peralatan yang Digunakan ...
27
3.5
Set-Up
Eksperimental ...
29
3.5.1 Prosedur Pengujian ...
30
3.6 Alat Penguji Kapasitas Adsorpsi ...
32
3.6.1 Dimensi Utama Alat Penguji Kapasitas Adsorpsi ....
34
3.7 Langkah Pembuatan Alat Penguji Kapasitas Adsorpsi ...
36
3.7.1 Pembuatan Adsorber...
36
3.7.2 Pembuatan Gelas Ukur ...
39
3.8
Flowchart
Penelitian ...
40
BAB IV ANALISA DATA
4.1 Hasil Pengujian ...
41
4.1.1 Pengujian dengan Gelas ukur Tidak Diisolasi ...
42
4.1.2 Pengujian dengan Gelas Ukur Diisolasi ...
62
4.2 Neraca Kalor ...
78
4.2.1 Kalor yang Diserap Gelas Ukur...
78
4.2.2 Perhitungan Kalor Laten dengan Gelas Ukur
tidak Diisolasi ...
79
4.2.3 Perhitungan Kalor Laten dengan Gelas Ukur Diisolasi
81
4.3 Analisa Perpindahan Panas pada Adsorber saat Desorpsi ..
82
4.3.1 Perpindahan Panas pada Pengujian Metanol ...
83
4.3.2 Perpindahan Panas pada Pengujian Etanol ...
84
4.3.3 Perpindahan Panas pada Pengujian Amonia ...
84
4.4 Analisa Perpindahan Panas pada saat Adsorpsi ...
85
4.4.1 Konveksi Natural pada pengujian Metanol ...
85
4.4.2 Konveksi Natural pada pengujian Etanol ...
86
4.4.3 Effisiensi Gelas Ukur...
88
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan ...
93
5.2 Saran ...
95
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Siklus Dasar Refrigerasi Adsorpsi ...
5
Gambar 2.2 Diagram Clayperon pada Sistem Pendingin Siklus
Adsorpsi ...
6
Gambar 2.3 Adsorben Karbon Aktif ...
8
Gambar 2.4 Struktur Karbon Aktif ...
9
Gambar 2.5 Metanol ( CH
3OH) ...
14
Gambar 2.6 Etanol ( C
2H
5OH) ...
14
Gambar 2.7 Amonia Cair (NH
3) ...
16
Gambar 2.8 MC-134 ...
16
Gambar 2.9 Perpindahan Panas Konduksi Melalui Sebuah Pelat ...
20
Gambar 2.10 Perpindahan Panas Konveksi dari Permukaan Pelat ....
21
Gambar 2.11 Konveksi Natural pada Bidang Horizontal (tipe a) ...
23
Gambar 2.12 Konveksi Natural pada Bidang Horizontal (tipe b) ...
23
Gambar 3.1 Manometer Vakum ...
26
Gambar 3.2 Agilent ...
26
Gambar 3.3 Pompa Vakum ...
27
Gambar 3.4 Katup ...
27
Gambar 3.5 Pipa Penghubung ...
28
Gambar 3.6 Selang Karet ...
28
Gambar 3.7 Kotak Isolasi Syrofoam ...
29
Gambar 3.8 Set-Up Eksperimental pada Proses Desorpsi ...
29
Gambar 3.9 Set-Up Eksperimental pada Proses Adsorpsi ...
30
Gambar 3.10 Alat Penguji Kapasitas Adsorpsi dengan gelas ukur
tidak Disolasi ...
33
Gambar 3.11 Alat Penguji Kapasitas Adsorpsi dengan
gelas ukur Disolasi ...
34
Gambar 3.12 Dimensi Alat Penguji Kapasitas Adsorpsi ...
35
Gambar 3.13 Dimensi Adsorber ...
35
Gambar 3.14 Gelas Ukur ...
36
Gambar 3.15 Bentuk Adsorber ...
36
Gambar 3.17 Pemasangan Kawat Nyamuk ...
37
Gambar 3.18 Penyambungan Pelat Adsorber ...
37
Gambar 3.19 Pemasangan Pipa, Manometer Vakum dan Katup ...
38
Gambar 3.20 Adsorber Lengkap ...
38
Gambar 3.21 Adsorber Setelah Dicat Warna Hitam ...
38
Gambar 3.22 Pembuatan Gelas Ukur ...
39
Gambar 3.23 Gelas Ukur ...
39
Gambar 4.1 Letak Titik-Titik
thermocouple
pada Alat Penguji ...
41
Gambar 4.2 Grafik Temperatur vs Waktu Pemvakuman Alat
Penguji Adsorpsi (metanol) ...
43
Gambar 4.3 Grafik Suhu Rata-Rata vs Waktu pada Adsorber
(metanol) ...
43
Gambar 4.4 Grafik Temperatur vs Waktu Pemvakuman (etanol) ...
44
Gambar 4.5 Grafik rata-rata Temperatur vs Waktu pemvakuman
Adsorber (etanol) ...
45
Gambar 4.6 Grafik Temperatur vs Waktu Pemvakum (amonia) ...
46
Gambar 4.7 Grafik Suhu Rata-Rata vs Waktu pada Adsorber
(amonia) ...
46
Gambar 4.8 Awal Sebelum Pengisian Musicool ke dalam
Gelas Ukur ...
47
Gambar 4.9 Proses Pengisian Musicool ke dalam Alat Penguji ...
47
Gambar 4.10 Setelah Pengisian Musicool ke Alat Uji ...
48
Gambar 4.11 Grafik Tekanan vs Waktu Adsorpsi Metanol ...
49
Gambar 4.12 Grafik Temperatur vs Waktu Adsorpsi pada
Adsorber (metanol) ...
50
Gambar 4.13 Grafik Temperatur vs Waktu Adsorpsi Metanol Pada
Gelas Ukur ...
50
Gambar 4.14 Grafik Tekanan vs Waktu (etanol) ...
52
Gambar 4.15 Grafik Temperatur vs Waktu Adsorpsi Etanol
pada Adsorber ...
52
Gambar 4.17 Grafik Tekanan vs Waktu Adsorpsi Amonia ...
54
Gambar 4.18 Grafik Temperatur vs Waktu Adsorpsi Amonia
pada Adsorber ...
55
Gambar 4.19 Grafik Temperatur vs Waktu Adsorpsi Amonia
pada Gelas Ukur ...
55
Gambar 4.20 Grafik Temperatur dan Waktu Desorpsi Metanol
pada Adsorber ...
56
Gambar 4.21 Grafik Temperatur Rata-Rata Desorpsi Metanol
pada Adsorber ...
57
Gambar 4.22 Grafik Temperatur vs Waktu Desorpsi Metanol
pada Gelas Ukur ...
57
Gambar 4.23 Grafik Temperatur dan Waktu Desorpsi pada
Adsorber (etanol) ...
58
Gambar 4.24 Grafik Temperatur Rata-Rata Desorpsi Etanol pada
Adsorber ...
59
Gambar 4.25 Grafik Temperatur vs Waktu Desorpsi pada Gelas
Ukur (etanol) ...
59
Gambar 4.26 Grafik Temperatur dan Waktu Desorpsi Amonia
pada Adsorber ...
60
Gambar 4.27 Grafik Temperatur Rata-Rata Desorpsi Amonia
pada Adsorber ...
61
Gambar 4.28 Grafik Temperatur vs Waktu Desorpsi Amonia
pada Gelas Ukur ...
61
Gambar 4.29 Grafik Temperatur vs Waktu Pemvakuman Alat
Penguji Adsorpsi (metanol) ...
63
Gambar 4.30 Grafik Temperatur vs Waktu Pemvakuman (etanol) ...
64
Gambar 4.31 Grafik Temperatur vs Waktu Pemvakum (amonia) ...
64
Gambar 4.32 Grafik Tekanan vs Waktu Adsorpsi Metanol ...
66
Gambar 4.33 Grafik Temperatur vs Waktu Adsorpsi pada
Adsorber (metanol) ...
66
Gambar 4.34 Grafik Temperatur vs Waktu Adsorpsi Metanol Pada
Gambar 4.35 Grafik Tekanan vs Waktu (etanol) ...
69
Gambar 4.36 Grafik Temperatur vs Waktu Adsorpsi Etanol
pada Adsorber ...
69
Gambar 4.37 Grafik Temperatur vs Waktu Adsorpsi Etanol Pada
Gelas Ukur ...
70
Gambar 4.38 Grafik Tekanan vs Waktu Adsorpsi Amonia ...
71
Gambar 4.39 Grafik Temperatur vs Waktu Adsorpsi Amonia
pada Adsorber ...
72
Gambar 4.40 Grafik Temperatur vs Waktu Adsorpsi Amonia
pada Gelas Ukur ...
72
Gambar 4.41 Grafik Temperatur dan Waktu Desorpsi Metanol
pada Adsorber ...
73
Gambar 4.42 Grafik Temperatur vs Waktu Desorpsi Metanol
pada Gelas Ukur ...
74
Gambar 4.43 Grafik Temperatur dan Waktu Desorpsi pada
Adsorber (etanol) ...
75
Gambar 4.44 Grafik Temperatur vs Waktu Desorpsi pada Gelas
Ukur (etanol) ...
75
Gambar 4.45 Grafik Temperatur dan Waktu Desorpsi Amonia
pada Adsorber ...
76
Gambar 4.46 Grafik Temperatur vs Waktu Desorpsi Amonia
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Sifat Adsorben Karbon Aktif ...
8
Tabel 2.2 Kegunaan Karbon Aktif ...
11
Tabel 2.3 Standar Mutu Karbon Aktif ...
11
Tabel 2.4 Sifat Metanol ...
13
Tabel 2.5 Sifat Etanol ...
15
Tabel 2.6 Sifat Amonia ...
15
Tabel 2.7 Sifat Musicool ...
17
Tabel 4.1 Data Pengukuran Tekanan dan Temperatur Rata-Rata
pada Proses Adsorpsi (metanol) ...
48
Tabel 4.2 Data Pengukuran Tekanan dan Temperatur Rata-Rata
Adsorpsi Etanol ...
51
Tabel 4.3 Data Pengukuran Tekanan dan Temperatur Rata-Rata
Adsorpsi Amonia ...
53
Tabel 4.4 Data Pengukuran Tekanan dan Temperatur Rata-Rata
pada Proses Adsorpsi (metanol) ...
65
Tabel 4.5 Data Pengukuran Tekanan dan Temperatur Rata-Rata
Adsorpsi Etanol ...
68
Tabel 4.6 Data Pengukuran Tekanan dan Temperatur Rata-Rata
Adsorpsi Amonia ...
71
DAFTAR SIMBOL
Simbol
Arti
Satuan
Cp
Kalor spesifik tekanan tetap
J/kg.K
Q
LKalor laten
J
Le
Kapasitas kalor spesifik laten
J/kg
m
Massa zat
kg
Qs
Kalor sensibel
J
∆
T
Beda temperatur
K
∆
x
Panjang/tebal pelat
m
h
koefisien konveksi
W(m
2K)
A
Luas penampang
m
2k
Koefisien konduksi
W/m.K
t
interval waktu
s
T
glTemperatur gelas ukur
K
T
sTemperatur permukaan adsorber
K
T
bTemperatur bawah adsorber
K
T
fTemperatur film
K
T
GTemperatur gelas ukur
K
Q
cLaju perpindahan panas konduksi W
Q
hlaju perpindahan panas konveksi
W
Q
rlaju perpindahan panas radiasi
W
P
Tekanan Vakum
cmHg
ε
emisitas dari pelat penyerap
ρ
Massa jenis
kg/cm
3Akhir-akhir ini mesin pendingin siklus adsorpsi semakin banyak diteliti
oleh para ahli karena disamping ekonomis juga ramah lingkungan dan
menggunakan energi terbarukan yaitu energi surya. Agar proses adsorpsi dan
desorpsi mesin pendingin adsorpsi dapat berjalan dengan baik perlu diketahui
jumlah perbandingan yang ideal antara adsorben dengan refrigeran yang
digunakan. Data tersebut dapat dicari menggunakan alat penguji kapasitas
adsorpsi. Alat penguji kapasitas adsorpsi yang digunakan dilengkapi dengan
lampu halogen 1000 W sebagai sumber panas. Adsorber pada alat penguji ini
terbuat dari bahan stainless steel yang bertujuan agar tahan terhadap korosi akibat
dari variasi refrigeran yang digunakan. Karbon aktif yang digunakan sebagai
adsorben yang terbuat dari bahan dasar batok kelapa sebanyak 1 kg. Sedangkan
variasi refrigeran yang digunakan ada 4 yaitu metanol, etanol, amonia dan
musicool. Diperoleh refrigeran yang paling optimal pada proses adsorpsi-desorpsi
adalah metanol. Kapasitas metanol yang dapat diadsorpsi dan didesorpsi oleh
adsorben karbon aktif adalah sebanyak 275 mL.
Kata kunci
: Adsorpsi, desorpsi, adsorber, karbon aktif, refrigeran.
Lately adsorption refrigeration cycle more and more scrutinized by
experts as well as eco-friendly and economical use of renewable energy is solar
energy. In order for the process of adsorption and desorption adsorption
refrigeration cycle can run well to note that the ideal number of comparisons
between the adsorbent with a refrigerant used. The data can be searched using
the adsorption capacity tester. Adsorption capacity tester is used equipped with a
1000 W halogen lamp as a heat source. Adsorber on this tester is made of
stainless steel which aims to resist corrosion due to the variation of refrigerant
used. Activated carbon is used as adsorbent materials made from coconut shell
base as much as 1 kg. While variations exist 4 refrigerant used is methanol,
ethanol, ammonia and Musicool. Obtained the optimum refrigerant
adsorption-desorption process is methanol. Capacity that can be adsorbed methanol and
desorption by activated carbon adsorbent is 275 mL.
Keywords:
Adsorption, desorption, adsorption, activated carbon, refrigerants.
BAB I
PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang
Mesin pendingin pada saat ini merupakan kebutuhan yang sangat penting
bagi kehidupan manusia. Mesin pendingin sangat luas penggunaannya seperti
pada industri makanan, industri kimia dan farmasi, industri pengkondisian udara,
dll. Tetapi mesin pendingin yang banyak digunakan saat ini memanfaatkan energi
listrik yang cukup besar. Penelitian yang dilakukan oleh JICA (
Japan
International Cooperation Agency Electric Power Development CO.
Ltd. 2009)
pada tahun 2009 terhadap gedung-gedung komersial di kota-kota besar
perkantoran Swasta, kantor Pemerintah, Mall, Rumah Sakit dan Hotel diperoleh
bahwa konsumsi listrik terbesar berada pada pemakaian mesin pengkondisian
udara.
[2]Dari penelitian sebelumnya yang dilakukan di Laboratorium Teknik
Pendingin Departemen Teknik Mesin, Universitas Sumatera Utara dan juga dari
data Kementerian ESDM diperoleh radiasi untuk Kawasan Barat Indonesia
(khusunya Medan) mencapai sekitar 4,5 kWh/m
2per hari.
[8], [20]Melihat potensi energi surya di Kawasan Barat Indonesia khusunya Medan
cocok dimanfaatkan energi surya untuk mesin pendingin siklus adsorpsi. Mesin
ini digerakkan oleh tenaga matahari dan tidak menggunakan energi listrik atau
energi mekanik sama sekali. Dengan karakteristik iklim cuaca kota Medan, sangat
diperlukan pendinginan yang umumnya digunakan untuk pengkondisian udara.
Keunggulan utama siklus adsorpsi ini adalah temperatur regenerasi yang relatif
rendah dan tidak memiliki bagian yang berputar karena memanfaatkan efek
alamiah.
yang terjadi dapat berjalan dengan maksimal. Hal ini dapat ditanggulangi dengan
melakukan penelitian di laboratorium.
Pada penelitian ini digunakan digunakan adsorben karbon aktif dan variasi
refrijeran seperti metanol, etanol, amonia dan musicool. Penelitian ini dilakukan
untuk mendapatkan refrijeran yang paling baik diserap oleh adsorben karbon aktif
tersebut.
1.2
Tujuan Penelitian
Tujuan dilakukan penelitian skripsi ini adalah:
1.
Merancang dan membuat alat penguji kapasitas adsorpsi pada mesin
pendingin adsorpsi tenaga surya.
2.
Untuk mengetahui perbandingan yang ideal antara adsorben karbon aktif
dengan masing-masing refrigeran.
3.
Untuk mengetahui kapasitas adsorpsi dari adsorben karbon aktif terhadap
masing-masing refrigeran dan kapasitas desorpsinya.
1.3
Batasan Masalah
Dalam penelitian ini, penulis membatasi masalah pada:
1.
Perancangan dan pembuatan alat penguji kapasitas adsorpsi pada mesin
pendingin tenaga surya.
2.
Pasangan adsorben dan refrigeran yang dipakai adalah adsorben karbon
metanol, adsorben karbon etanol, adsorben karbon
aktif-amonia dan adsorben karbon aktif- musicool.
3.
Variabel yang diamati adalah temperatur, kapasitas adsorpsi, tekanan dan
waktu.
1.4
Manfaat Penelitian
Manfaat penelitian ini adalah:
1.
Memberikan rekomendasi kapasitas adsorpsi-desorpsi adsorben karbon
aktif terhadap beberapa refrigeran.
1.5
Sistematika Penulisan
BAB I PENDAHULUAN
Pada bab ini membahas latar belakang penulisan skripsi, tujuan
penelitian, batasan masalah dan manfaat penelitian.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Pada bab ini membahas teori-teori yang dapat mendukung dan menjadi
pedoman dalam penyusunan skripsi. Pada bab ini dibahas refrigeran, seperti
metanol, etanol, amonia dan musicool, adsorben, prinsip kerja alat penguji
kapasitas adsorpsi dan perpindahan panas.
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
Pada bab ini membahas tentang alat dan bahan yang digunakan dan
tahapan-tahapan yang dilakukan dalam penelitian serta
flowchart
penelitian.
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 penelitian yang telah
selesai dilakukan dan saran-saran yang diperlukan untuk perbaikan penelitian
selanjutnya.
Daftar Pustaka
Daftar pustaka berisikan literatur-literatur yang digunakan dalam
penyusunan laporan ini.
Lampiran
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Siklus Adsorpsi
2.1.1 Teori Umum Adsorpsi
Adsorpsi adalah suatu proses yang terjadi ketika suatu fluida
akhirnya membentuk suatu lapisan tipis atau film (zat terserap: adsorbat) pada
permukaannya. Berbeda dengan
fluida lainnya dengan membentuk suat
Adsorpsi secara umum adalah proses penggumpalan substansi terlarut
(
soluble
) yang ada dalam larutan oleh permukaan zat atau benda penyerap dimana
terjadi suatu ikatan kimia fisika antara substansi dengan penyerapnya.
Adsorpsi adalah pengumpulan dari adsorbat di atas permukaan adsorben,
sedang absorpsi adalah penyerapan dari adsorbat ke dalam adsorben dimana
disebut dengan fenomena sorption. Materi atau partikel yang diadsorpsi disebut
adsorbat, sedangkan bahan yang berfungsi sebagai pengadsorpsi disebut adsorben.
Adsorpsi dibedakan menjadi dua jenis, yaitu adsorpsi fisika yang
disebabkan oleh gaya
Van Der
dan secara kimia (terjadi reaksi antara zat yang
diserap dengan adsorben).
Adsorpsi kimia adalah reaksi yang terjadi antara zat padat dengan zat
terlarut yang teradsorpsi. Adsorpsi ini bersifat spesifik dan melibatkan gaya yang
jauh lebih besar daripada adsorpsi fisika. Karena adanya ikatan kimia maka pada
permukaan adsorben akan terbentuk suatu lapisan, di mana terbentuknya lapisan
tersebut akan menghambat proses penyerapan selanjutnya oleh bantuan adsorben
sehingga efektifitasnya berkurang.
[18]Perhatikan siklus dasar refrigerasi adsorpsi di bawah ini.
Gambar 2.1 Siklus Dasar Refrigerasi Adsorpsi
dipanaskan yang mengakibatkan naiknya temperatur dan tekanan sistem sehingga
kandungan adsorbat yang ada di dalam adsorben berkurang atau menguap. Proses
berkurangnya kandungan adsorbat pada adsorben pada kasus ini disebut desorpsi.
Refrigeran yang terdesorpsi kemudian terkondensasi sebagai cairan di
dalam labu
kedua dengan dikeluarkannya panas ke lingkungan 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 terserapnya adsorbat ke adsorben pada
kasus ini disebut adsorpsi. Proses adsorpsi menghasilkan efek pendinginan yang
terjadi pada botol labu kedua, dimana pada tekanan rendah panas dari lingkungan
diserap untuk menguap adsorbat (d) sampai sistem kembali ke kondisi awal.
Siklus mesin pendingin adsorpsi dapat digambarkan pada diagram
Clayperon berikut ini.
Gambar 2.2 Diagram Clayperon pada Sistem Pendingin Siklus Adsorpsi
Proses yang terjadi dapat di uraikan sebagai berikut ini.
1.
Proses Pemanasan (pemberian tekanan)
menerima panas sehingga temperatur adsorber meningkat dan diikuti peningkatan
tekanan evaporasi menjadi tekanan kondensasi. Selama proses ini tidak ada aliran
refrigeran.
2.
Proses desorpsi
Proses desorpsi berlangsung pada waktu panas diberikan dari titik B ke D
sehingga adsorber mengalami peningkatan temperatur yang menyebabkan
timbulnya uap desorpsi. Sehingga, adsorbat yang berada pada adsorben dalam
bentuk gas mengalir ke kondensor untuk mengalami proses kondensasi menjadi
cair.
3.
Proses Pendinginan (penurunan tekanan)
Proses pendinginan berlangsung dari titik D ke F yang berlangsung pada
malam hari. Adsorber melepaskan panas dengan cara didinginkan sehingga suhu
di adsorber turun dan diikuti oleh penurunan tekanan dari tekanan kondensasi ke
tekanan evaporasi.
4.
Proses Adsorpsi
Proses adsorpsi berlangsung dari titik F ke A. Adsorber terus melepaskan
panas sehingga adsorber mengalami penurunan temperatur dan tekanan yang
menyebabkan timbulnya uap adsorpsi.
2.2
Adsorben
2.2.1 Karbon Aktif
Karbon aktif dibagi atas 2 tipe, yaitu karbon aktif sebagai pemucat dan
sebagai penyerap uap. Karbon aktif sebagai pemucat biasanya berbentuk bubuk
yang sangat halus, digunakan dalam fase cair, berfungsi untuk memindahkan
zat-zat pengganggu yang menyebabkan warna dan bau yang tidak diharapkan,
membebaskan pelarut dari zat-zat pengganggu dan kegunaan lain yaitu pada
industri kimia dan industri baru. Diperoleh dari serbuk-serbuk gergaji, ampas
pembuatan kertas atau dari bahan baku yang mempunyai densitas kecil dan
mempunyai struktur yang lemah.
Gambar 2.3 Adsorben Karbon Aktif
Adsorben karbon aktif yang digunakan dalam penelitian ini terbuat dari
cangkang kelapa. Adapun sifat dari adsorben karbon aktif yang digunakan adalah
sebagai berikut ini.
Tabel 2.1 Sifat Adsorben Karbon Aktif.
[18,10]Sifat Adsorben Karbon Aktif
Massa Jenis
352,407-544,629 m
3/kg
Pore Volume
0,56-1,20 cm
3/g
Diameter rata-rata pori
15-25 Å
Regeneration Temperature
100-140
oC
(
Steaming
)
Ukuran Karbon Aktif
3 mm
Gambar 2.4 Struktur Karbon Aktif
[18]mempunyai daya serap/adsorpsi yang tinggi terhadap bahan yang berbentuk
larutan atau gas.
2.2.2 Pembuatan Karbon Aktif
Untuk membuat
antara lain:
1.
Karbonisasi atau pembuatan arang dari batok kelapa tua
2.
Aktivasi arang batok
Untuk membuat arang dari batok kelapa perlu memenuhi syarat antara
lain: tempurung dari kelapa tua dan berkadar air rendah. Syarat ini akan
memudahkan proses pengarangan, pematangannya akan berlangsung baik dan
merata.
Prinsip dasar aktivasi arang aktif adalah distilasi kering atau pirolisis yaitu
pembakaran tanpa menggunakan udara atau oksigen dengan suhu tinggi.
Berikut cara kerja pembuatan
1.
Karbonisasi atau pembuatan arang
Cirinya adalah jika asap tebal dan putih, berarti batok sedang mengering,
jika asap tebal dan kuning, berarti sedang terjadi pengkarbonan, Pada fase ini
sebaiknya tungku ditutup dengan maksud agar oksigen pada ruang pengarangan
serendah-rendahnya sehingga diperoleh hasil arang yang baik. Untuk pengaturan
udara di dalam tungku bisa diatur dengan membuka tutup lubang udara.
Kemudian jika asap semakin menipis dan berwarna biru, berarti
pengarangan hampir selesai, tunggu sampai arang menjadi dingin. Setelah dingin
arang bisa di bongkar.
2.
Aktivasi
Adapun prosedur atau langkah-langkah untuk mengaktifkan karbon dapat
dilakukan dengan berikut ini.
a.
Arang dimasukkan ke dalam tangki aktivasi (pirolisis) dan ditutup rapat.
b.
Pastikan sambungan pipa pendingin, dan
termocouple
untuk pengamatan
temperatur berfungsi sebagaimana mestinya.
c.
Alirkan air pendingin ke dalam pipa pendingin, kemudian kompor tungku
pirolisis mulai dinyalakan. Kompor bisa menggunakan bahan bakar
minyak tanah atau solar. Pengaturan api bisa diatur menggunakan
kompresor.
d.
Melakukan pengamatan terhadap kerja dari tungku aktivasi dengan
mengamati kenaikan temperatur. Temperatur selama proses sekitar 600°C
apabila temperatur telah mencapai 600°C dan terlihat pada ujung
pendingin tidak adanya tar (cairan berwarna coklat) yang keluar, ditandai
dengan adanya gelembung air, maka pembakaran dipertahankan selama 3
jam. Setelah waktu tersebut proses telah selesai.
e.
Kemudian api dimatikan, dan tungku aktivasi dibiarkan sampai dingin,
setelah itu bisa dibuka dan dikeluarkan untuk dilakukan penggilingan
sesuai mesh yang diinginkan. Arang aktif atau karbon aktif siap
digunakan.
2.3.3 Kegunaan Karbon Aktif
penjernih. Dalam jumlah yang kecil digunakan juga sebagai katalisator. Untuk
lebih jelasnya dapat dilihat dalam tabel berikut ini.
Tabel 2.2 Kegunaan Karbon Aktif
[17]Maksud/Tujuan
Pemakaian
1.
Pemurnian gas
Desulfurisasi, menghilangkan gas beracun, bau busuk,
asap, menyerap racun.
2.
Pengolahan LNG
Desulfurisasi dan penyaringan berbagai bahan mentah
dan reaksi gas.
3.
Katalisator
Reaksi katalisator atau pengangkut vinil klorida dan
vinil acetat
4.
Lain-lain
Menghilangkan bau dalam kamar pendingin dan
mobil, bahan adsorben pada mesin pendingin siklus
adsorpsi
Syarat mutu karbon aktif menurut Standar Industri Indonesia (SII No.
0254-79) adalah seperti tabel berikut ini.
Tabel 2.3 Standar Mutu Karbon Aktif
[17]Jenis Uji
Satuan
Persyaratan
1.
Bagian yang hilang pada pemanasan 95
oC %
Maksimum 15
2.
Air
%
Maksimum 10
3.
Abu
%
Maksimum 2,5
4.
Bagian yang tidak mengarang
%
Tidak ternyata
2.3
Refrigeran
Refrigeran adalah zat yang mengalir dalam mesin pendingin (refrigerasi)
atau mesin pengkondisian udara. Zat ini berfungsi untuk menyerap panas dari
benda atau udara yang didinginkan dan membawanya kemudian membuangnya ke
udara sekeliling di luar benda.
Berdasarkan jenis senyawanya, refrigeran dapat dikelompokan menjadi 7
kelompok yaitu sebagai berikut
[19]:
Kelompok refrigeran senyawa halokarbon diturunkan dari hidrokarbon
(HC) yaitu metana (CH4), etana (C2H6), atau dari propana (C3H8) dengan
mengganti atom-atom hidrogen dengan unsur-unsur halogen seperti khlor (Cl),
fluor (F), atau brom (Br). Jika seluruh atom hidrogen tergantikan oleh atom Cl
dan F maka refrigeran yang dihasilkan akan terdiri dari atom khlor, fluor dan
karbon. Refrigeran ini disebut refrigeran
chlorofluorocarbon
(CFC). Jika hanya
sebagian saja atom hidrogen yang digantikan oleh Cl dan atau F maka refrigeran
yang terbentuk disebut
hydrochlorofluorocarbon
(HCFC). Refrigeran halokarbon
yang tidak mengandung atom khlor disebut
hydrofluorocarbon
(HFC).
2.
Kelompok refrigeran senyawa organik
cyclic
.
Kelompok refrigeran ini diturunkan dari butana. Aturan penulisan nomor
refrigeran adalah sama dengan cara penulisan refrigeran halokarbon tetapi
ditambahkan huruf C sebelum nomor. Contoh dari kelompok refrigeran ini adalah:
1.
R-C316 C
4Cl
2F
61,2-dichlorohexafluorocyclobutane
2.
R-C317 C
4ClF
7chloroheptafluorocyclobutane
3.
R-318 C
4F
8octafluorocyclobutane
4.
Kelompok refrigeran campuran Zeotropik.
Kelompok refrigeran ini merupakan refrigeran campuran yang bisa terdiri
dari campuran refrigeran CFC, HCFC, HFC, dan HC. Refrigeran yang terbentuk
merupakan campuran tak bereaksi yang masih dapat dipisahkan dengan cara
destilasi.
5.
Kelompok refrigeran campuran Azeotropik.
Kelompok refrigeran Azeotropik adalah refrigeran campuran tak bereaksi
yang tidak dapat dipisahkan dengan cara destilasi. Refrigeran ini pada
konsentrasi, tekanan dan temperatur tertentu bersifat azeotropik, yaitu
mengembun dan menguap pada temperatur yang sama, sehingga mirip dengan
refrigeran tunggal. Namun demikian pada kondisi (konsentrasi, temperatur atau
tekanan) yang lain refrigeran ini bisa saja menjadi bersifat zeotropik.
Kelompok refrigeran ini sebenarnya terdiri dari unsur C, H dan lainnya.
Namun demikian cara penulisan nomornya tidak dapat mengikuti cara
penomoran refrigeran halokarbon karena jumlah atom H nya jika ditambah
dengan 1 lebih dari 10 sehingga angka kedua pada nomor refrigeran menjadi dua
digit. Sebagai contoh butana (C
4H
10), jika dipaksakan dituliskan sesuai dengan
cara penomoran refrigeran halokarbon, maka refrigeran ini akan bernomor
R-3110, sehingga akan menimbulkan kerancuan.
7.
Kelompok refrigeran senyawa anorganik.
Kelompok refrigeran ini diberi nomor yang dimulai dengan angka 7 dan
digit selanjutnya menyatakan berat molekul dari senyawanya. Contoh dari
refrigeran ini adalah:
•
R-702 : hidrogen
•
R-704 : helium
•
R-717 : amonia
•
R-718 : air
•
R-744 : O
2•
R-764 : SO
28.
Kelompok refrigeran senyawa organik tak jenuh.
Kelompok refrigeran ini mempunyai nomor empat digit, dengan
menambahkan angka keempat yang menunjukkan jumlah ikatan rangkap di
depan ketiga angka yang sudah dibahas dalam sistem penomoran refrigeran
halokarbon.
[19]2.3.1
Metanol
Untuk terjadinya suatu proses pendinginan diperlukan suatu bahan yang
mudah dirubah bentuknya dari gas menjadi cair atau sebaliknya. Adapun sifat
Metanol dapat dilihat seperti tabel berikut ini.
Tabel 2.4 Sifat Metanol
[18,10]Sifat Metanol
Panas Laten Penguapan (
L
e)
-97,7
oC
64,5
oC
Flammable (
F
), Toxic (
T
)
1100 kJ/kg
Metanol juga dikenal sebagai metil alkohol,
wood alcohol
atau spiritus.
Metanol merupakan bentuk
metanol berbentuk cairan yang ringan, mudah menguap, tidak berwarna, mudah
terbakar dan beracun dengan bau yang khas (berbau lebih ringan dari pada
Metanol digunakan sebagai bahan pendingin anti beku, pelarut, bahan bakar dan
sebagai bahan aditif bagi etanol industri.
Metanol diproduksi secara alami oleh metabolisme
Hasil proses tersebut adalah uap metanol (dalam jumlah kecil) di udara. Setelah
beberapa hari uap metanol tersebut akan
sinar
[17]Gambar 2.5 Metanol ( CH
3OH)
2.3.2
Etanol
Gambar 2.6 Etanol ( C
2H
5OH)
Etanol termasuk ke dalam alkohol rantai tunggal dengan
C
2H
5OH dan
[image:37.595.252.373.83.236.2]singkatan dari gugus etil (C
2H
5). Sifat etanol dapat dilihat seperti pada tabel
berikut ini.
Tabel 2.5 Sifat Etanol
[10,18]Sifat Etanol
Massa jenis
Panas Laten Penguapan (
L
e)
783 kg/m³, cair
–114,2 °C
78,2 °C
F
(Flammable): mudah terbakar
838,3 kJ/kg
Etanol banyak digunakan sebagai pelarut berbagai bahan-bahan kimia
yang ditujukan untuk konsumsi dan kegunaan manusia. Contohnya adalah pada
parfum, perasa, pewarna makanan, dan obat-obatan. Dalam kimia, etanol adalah
pelarut yang penting sekaligus sebagai stok umpan untuk sintesis senyawa kimia
lainnya. Dalam sejarahnya etanol telah lama digunakan sebagai bahan bakar.
2.3.3 Amonia
Amonia adalah
Tabel 2.6 Sifat Amonia
[10,18]Sifat Amonia
Massa jenis
Panas Laten Penguapan (
L
e)
682 kg/m³, cair
–77,7°C
-33,3 °C
Kautik, korosif
1357 kJ/kg
Walaupun amonia memiliki sumbangan penting bagi keberadaa
Kontak dengan gas amonia berkonsentrasi tinggi dapat menyebabkan kerusakan
Sekalipun amonia diatur sebagai gas tak mudah
terbakar, amonia masih digolongkan sebagai baha
Gambar 2.7 Amonia Cair (NH
3)
2.3.4 Musicool
Refrigeran hidrokarbon merupakan refrigeran alternatif jangka panjang
refrigeran CFC/HCFC. Dua keunggulaan penting yang dimilikinya adalah ramah
lingkungan dan karakteristik termodinamika yang handal sehingga meningkatkan
kinerja dan menghemat konsumsi energi sistem refrigerasi secara aman.
dirancang sebagai alternatif pengganti refrigeran sintetik yang masih memiliki
potensi merusak alam.
Gambar 2.8 MC-134
Musicool telah memenuhi persyaratan teknis sebagai refrigeran. Dari hasil
pengujian menunjukan bahwa dengan beban pendinginan yang sama, musicool
memiliki keunggulan-keunggulan dibanding refrigeran sintetik, diantaranya
beberapa parameter memberikan indikasi data lebih kecil, seperti: kerapatan
bahan (
density
), rasio tekanan kondensasi terhadap evaporasi dan nilai
viskositasnya. Sedangkan beberapa parameter lain memberikan indikasi data lebih
besar, seperti: efek refrigerasi, COP, kalor laten, dan konduktivitas bahan.
Perhatikan tabel sifat musicool di bawah ini.
Tabel 2.7 Sifat Musicool
[16]No Parameter
MC-12 MC-22 MC-134
1. Normal boiling point, °C
-32,90 -42,05 -33,98
2. Temperatur kritis, °C
115,5
96,77 113,8
3. Tekanan kritis, Psia
588,6
616,0 591,8
4. Panas jenis cairan jenuh pada 37,8° C,kJ/kgK 2,701
2,909 2,717
5. Panas jenis uap jenuh pada 37,8 ° C, kJ/ kgK 2,003
2,238 2,014
6. Tekanan cairan jenuh pada 37,8 °C, Psia
134,4
188,3 139,4
7. Kerapatan cairan jenuh pada 37,8°C (kg/m³) 503,5
471,3 500,6
Hidrokarbon dapat terbakar bila berada di dalam daerah segitiga api yaitu
tersedianya hidrokarbon, udara dan sumber api. Jika salah satu dari ketiga faktor
tersebut tidak terpenuhi maka proses kebakaran tidak akan tejadi. Hal ini
mengakibatkan tidak akan terjadi kebakaran di dalam sistem refrigerasi karena
tidak adanya udara (tekanan sistem refrigerasi lebih tinggi dari tekanan atmosfer).
Hidrokarbon termasuk kelompok refrigeran A3, yaitu refrigeran tidak
beracun yang mempunyai batas nyala bawah (
Low Flammability Limit
/LFL)
kurang dari 3,5%. Hidrokarbon dapat terbakar jika berada di antara ambang batas
nyala 2-10% volume. Bila konsentrasi hidrokarbon di udara kurang dari 2% maka
tidak cukup hidrokarbon untuk terjadinya pembakaran, demikian juga bila
konsentrasinya di atas 10% karena oksigen tidak cukup untuk terjadinya
pembakaran.
2.4
Keamanan Refrigeran
Refrigeran dirancang untuk digunakan pada ruangan tertutup atau tidak
bercampur dengan udara luar. Jika ada kebocoran karena sesuatu hal yang tidak
diinginkan, maka refrigeran ini akan keluar sistem dan bisa saja terhirup oleh
manusia. Untuk menghindari hal-hal yang tidak diinginkan maka refrigeran harus
dikategorikan aman atau tidak aman. Ada dua faktor yang digunakan untuk
mengklasifikasikan refrigeran berdasarkan keamanan, yaitu bersifat racun dan
mudah terbakar.
Berdasarkan
toxicity
, refrigeran dapat dibagi dua kelas, yaitu kelas A
bersifat tidak beracun pada konsentrasi yang ditetapkan dan kelas B jika bersifat
racun. Batas yang digunakan untuk mendefinisikan sifat racun atau tidak adalah
sebagai berikut. Refrigeran dikategorikan tipe A jika pekerja tidak mengalami
gejala keracunan meskipun bekerja lebih dari 8 jam/hari (40 jam/minggu) di
lingkungan yang mengandung konsentrasi refrigeran sama atau kurang dari 400
ppm (
part per million by mass
). Sementara kategori B sebaliknya.
temperatur 21,1
oC atau kalor pembakarannya kurang dari 19 MJ/kg. Kelas 3
sangat mudah terbakar. Refrigeran ini akan terbakar jika konsentrasinya kurang
dari 0,1 kg/m
3ataun kalor pembakarannya lebih dari 19 MJ/kg.
Berdasarkan defenisi ini, sesuai dengan standar 34-1997. Refrigeran
diklasifikasikan menjadi 6 kategori.
[2]1.
A1 : sifat racun rendah dan tidak terbakar.
2.
A2 : Sifat racun rendah dan sifat terbakar rendah.
3.
A3 : Sifat racun rendah dan mudah terbakar.
4.
B1 : sifat racunlebih tinggi dan tidak terbakar.
5.
B2 : sifat racun lebih tinggi dan sifat terbakar rendah.
6.
B3 : sifat racun lebih tinggi dan mudah terbakar.
2.5
Kalor (Q)
Kalor adalah salah satu bentuk energi yang dapat mengakibatkan
perubahan suhu. Pada abad ke 19 berkembang teori bahwa kalor merupakan fluida
ringan yang dapat mengalir dari suhu tinggi ke suhu rendah, jika suatu benda
mengandung banyak kalor, maka suhu benda itu tinggi (panas). Sebaliknya, jika
benda itu mengandung sedikit kalor, maka dikatakan benda itu bersuhu rendah
(dingin). Kuantitas energi kalor (
Q
) dihitung dalam satuan joules (
J
). Laju aliran
kalor dihitung dalam satuan joule per detik (J/s) atau watt (W). Laju aliran energi
ini juga disebut daya, yaitu laju dalam melakukan usaha
2.5.1 Kalor Laten
Suatu bahan biasanya mengalami perubahan temperatur bila terjadi
perpindahan kalor antara bahan dengan lingkungannya. Pada suatu situasi tertentu,
aliran kalor ini tidak merubah temperaturnya. Hal ini terjadi bila bahan mengalami
perubahan fasa. Misalnya padat menjadi cair, cair menjadi uap dan perubahan
struktur kristal (zat padat). Energi yang diperlukan disebut kalor transformasi.
Kalor yang diperlukan untuk merubah fasa dari bahan bermassa m adalah
Q
L=
L
em ...
(2.1)
Q
L= Kalor laten (J)
Le
= Kapasitas kalor spesifik laten (J/kg)
M
= Massa zat (kg)
2.5.2 Kalor Sensibel
Tingkat panas atau intensitas panas dapat diukur ketika panas tersebut
merubah temperatur dari suatu substansi. Perubahan intensitas panas dapat diukur
dengan termometer. Ketika perubahan temperatur didapatkan, maka dapat
diketahui bahwa intensitas panas telah berubah dan disebut sebagai kalor sensibel.
Dengan kata lain, kalor sensibel adalah kalor yang diberikan atau yang dilepaskan
oleh suatu jenis fluida sehingga temperaturnya naik atau turun tanpa
menyebabkan perubahan fasa fluida tersebut.
Q
s= m C
p∆
T ...
(2.2)
Dimana:
Q
s= Kalor sensible
(
J
)
C
p= Kapasitas kalor spesifik sensibel (J/kg.K)
∆
T
= Beda temperatur (K)
2.5.3 Perpindahan Panas
Panas hanya akan berpindah jika ada perbedaan temperatur, yaitu dari
sistem yang bertemperatur tinggi ke sistem bertemperatur rendah. Perbedaan
temperatur ini mutlak diperlukan sebagai syarat terjadinya perpindahan panas.
Selama ada perbedaan temperatur antara dua sistem maka akan terjadi
perpindahan panas. Mekanisme perpindahan panas yang terjadi dapat
dikategorikan atas 3 jenis yaitu: konduksi, konveksi dan radiasi
1. Konduksi
Gambar 2.9 Perpindahan Panas Konduksi Melalui Sebuah Pelat
Secara matematik, untuk plat datar seperti gambar di atas ini, laju
perpindahan panas konduksi dirumuskan dengan persamaan:
�
�=
��
∆�
∆�
. . . (2.3)
Atau sering dirumuskan dengan persamaan berikut ini.
�
�=
��
����. . . (2.4)
[ lit.3]
Dimana:
�
�= Laju aliran energi (W)
A
= Luas penampang (m
2)
∆
T = Beda temperatur (K)
∆
x
= Panjang (m)
k
= Daya hantar (konduktivitas) (W/m.K)
2.
Konveksi
Perpindahan panas konveksi adalah perpindahan panas antara permukaan
padat yang berbatasan dengan fluida mengalir. Fluida di sini bisa dalam fasa cair
atau fasa gas. Syarat utama mekanisme perpindahan panas konveksi adalah
adanya aliran fluida. Perhatikan gambar di bawah ini.
Gambar 2.10 Perpindahan Panas Konveksi dari Permukaan Pelat
Secara matematik perpindahan panas konveksi pada permukaan pelat rata
dapat dirumuskan dengan persamaan berikut ini.
Q
h= hA(T
s-T
L) ...
(2.5) [lit.4]
Dimana:
Q
h=
Laju perpindahan panas konveksi (W)
h
= Koefisien konveksi (W/m
2K)
A
= Lluas penampang perpidahan panas (m
2)
T
s= Temperatur permukaan
T
L= Temperatur fluida
3. Radiasi
Perpindahan panas radiasi adalah panas yang dipindahkan dengan cara
memancarkan gelombang elektromagnetik. Berbeda dengan mekanisme konduksi
dan konveksi, radiasi tidak membutuhkan medium perpindahan panas. Sampainya
sinar matahari ke permukaan bumi adalah contoh yang jelas dari perpindahan
panas radiasi.
Persamaan yang dapat digunakan untuk menghitung laju perpindahan
panas radiasi antara permukaan pelat (gambar 2.10) dan lingkungannya adalah:
Q
r= eσAT
4...
(2.6)
Dimana
Q
r=
Laju perpindahan panas radiasi (W)
σ
= Konstanta Boltzman: 5,67 x 10
-8W/m
2K
4e
= Emisivitas (0
≤ e ≤ 1)
4.
Konveksi Natural
Jika aliran fluida terjadi secara alami, sebagai akibat perpindahan panas
yang terjadi. Konveksi ini disebut konveksi natural atau kadang disebut konveksi
bebas dalam bahasa Inggris disebut
natural convection
atau
free convection
.
Pada kasus konveksi natural pada bidang horizontal panjang yang digunakan
menghitung bilangan
Ra
Ladalah panjang karakteristik yang didefinisikan dengan
persamaan:
�
=
��. . . (2.7)
[lit.4]
Dimana A menyatakan luas bidang horizontal dan
K
adalah keliling. Dengan
menggunakan panjang karakteristik (
L
) ini bilangan
Ra
Ldapat dihitung dengan
menggunakan persamaan berikut (2.8).
Ra
L=
��(��−��)�3
�2
��
...
(2.8)
Pola konveksi natural pada permukaan horizontal diperlihatkan seperti
gambar berikut ini.
Gambar 2.11 Konveksi Natural pada Bidang Horizontal (tipe a)
Persamaan untuk menghitung
Nu
seperti gambar di atas (bidang
horizontal) dapat digunakan yang diajukan oleh Llyod Moran (1974):
Untuk 10
4<
Ra
L< 10
7:
Nu
= 0,54R
�
�0,25...
(2.9)
Untuk 10
7<
Ra
L< 10
9Nu
= 0,15R
�
�1/3...
(2.10)
Jika polanya ditunjukkan seperti gambar di bawah ini, yaitu fluida panas
akan terdesak dari permukaan yang panas dan mengalir ke sebelah luar. Untuk
T
r<
T
smengisi kekosongan akibat aliran ini maka fluida dibawahnya akan mengalir ke
atas.
Gambar 2.12 Konveksi natural pada bidang horizontal (tipe b)
Persamaan menghitung bilangan Nu untuk kasus ini dapat digunakan persamaan
dapat dituliskan:
Nu = 0,27
��
�0,25...(2.11)
Persamaan ini berlaku untuk 10
5< Ra
BAB III
METODOLOGI
3.1
Tempat dan Waktu
Tempat penelitian adalah laboratorium Teknik Pendingin, gedung Fakultas
Teknik USU. Waktu pelaksanaan penelitian ± 6 bulan.
3.2
Bahan
Pada penelitian ini, bahan pengujian yang digunakan adalah sebagai
berikut.
1.
Adsorben karbon aktif.
Adsorben yang digunakan pada penelitian ini adalah karbon aktif sebanyak
1
kg
. Adsorben karbon aktif ini terbuat dari cangkang kelapa.
2.
Refrigeran
Untuk terjadinya suatu proses pendinginan diperlukan suatu bahan yang
mudah dirubah bentuknya dari gas menjadi cair atau sebaliknya. Refrigeran yang
digunakan pada pengujian ini adalah:
•
Metanol sebanyak 1 liter
•
Etanol sebanyak 1 liter
•
Amonia sebanyak 1 liter
•
Musicool 1 liter
3.3
Alat Ukur yang Digunakan pada Pengujian Kapasitas Adsorpsi
1. Manometer Vakum
Manometer vakum digunakan untuk mengukur tekanan di dalam alat
penguji kapasitas adsorpsi. Alat ini juga dapat dipakai untuk melihat/mengecek
apakah alat penguji mengalami bocor atau tidak.
Gambar 3.1 Manometer Vakum
Spesifikasi:
Buatan
: Jerman
Max. tekanan : 0 cmHg
Min. tekanan : -76 cmHg
2. Agilent
Agilent digunakan untuk mengukur temperatur pada adsorber dan gelas
ukur dimana alat ini bekerja secara otomatis dan mencatat hasil pengukuran dalam
bentuk exel.
Gambar 3.2 Agilent
Spesifikasi
Buatan
: Belanda
Jumlah sensor thermocouple
: 20 channels multiplexer
Volt
: 250 V
3.4
Peralatan yang Digunakan
1. Pompa Vakum
Pompa vakum digunakan untuk memvakumkan alat penguji kapasitas
adsorpsi dan mengeluarkan partikel-partikel/kotoran dan mengeluarkan uap air
dari adsorber.
Gambar 3.3 Pompa Vakum
Spesifikasi:
Merek
: ROBINAIR
Model No.
: 15601
Kapasitas
: 142
l
/m
Motor H.p
: ½
Volt
: 110-115 V / 220-250 V
2. Katup
Gambar 3.4 Katup
Pada gelas ukur juga dipakai 2 katup. Satu katup berfungsi untuk mengatur
aliran dari gelas ukur ke adsorber (pada saat adsorpsi) dan sebaliknya. Katup yang
lain berfungsi untuk pemasukan refrigeran ke gelas ukur.
3. Pipa Penghubung
Pipa penghubung ini mengunakan bahan stainless steel yang berdiameter
¾” dengan panjang keseluruhan 40 cm.
Gambar 3.5 Pipa penghubung
4. Selang Karet
Selang karet berfungsi untuk menghubungkan aliran refrigeran dari gelas
ukur ke adsorber. Selang karet yang berdiameter ¾” memiliki panjang 1 meter.
Gambar 3.6 Selang Karet
Kotak isolasi ini berfungsi untuk mengisolasi gelas ukur supaya tidak ada
dipengaruhi oleh lingkungan. Kotak isolasi terbuat dari bahan syrofoam. Tebal
styrofoam adalah 2,5 cm. Adapun ukuran styrofoam adalah
P x L x T
= 47 cm
x
32cm
x
32 cm. Berikut ini gambar styrofoam yang digunakan
Gambar 3.7 Kotak Isolasi Styrofoam
3.5
Set-Up
Eksperimental
Wadah yang berisi adsorben karbon aktif (adsorber) dipanaskan sehingga
temperatur dan tekanan meningkat yang menyebabkan timbulnya uap desorpsi.
Adsorbat dalam bentuk cair akan mengalir ke gelas ukur.
Set-Up
eksperimental dapat dilihat seperti gambar 3.8 s.d 3.9 berikut ini.
Q
inGambar 3.8
Set-Up
Eksperimental pada Proses Desorpsi
Proses desorpsi terjadi karena panas yang berasal dari lampu penguji
berpindah secara radiasi ke adsorber. Refrigeran yang berada dalam adsorben
karbon aktif akan menimbulkan uap desorpsi. Uap ini akan mengalir ke gelas ukur
melalui selang. Uap ini akan berubah fasa menjadi cair di dalam gelas ukur.
Kemudian adsorber melepaskan panas sehingga adsorber terus mengalami
penurunan temperatur dan tekanan yang menyebabkan timbulnya uap adsorpsi.
Adsorbat dalam bentuk uap mengalir dari gelas ukur ke adsorber. Adsorbat dalam
bentuk uap dihasilkan dari proses penyerapan kalor oleh adsorbat dari lingkungan
sebesar kalor laten penguapan adsorbat tersebut. Proses ini berlangsung pada
tekanan saturasi yang rendah sehingga penyerapan kalor berlangsung pada
temperatur yang rendah pula. Proses tersebut dinamakan adsorpsi.
Refrigeran menguap
Konveksi
Gambar 3.9
Set-Up
Eksperimental pada Proses Adsorpsi
3.5.1 Prosedur Pengujian
Prosedur pengujian dapat diuraikan sebagai berikut ini.
1.
Proses
assembling
/penyambungan alat penguji kapasitas adsorpsi. Komponen
adsorber dengan gelas ukur dirangkai/dihubungkan dengan baik. Pada
persambungan pipa dilem dengan baik dan kuat untuk menghindari
kebocoran.
2.
Kemudian dipasang termokopel agilent, pada adsorber (4 titik) dan pada gelas
ukur (3 titik). Agilent dinyalakkan sehingga data-data temperatur pada setiap
titik termokopel tersimpan otomatis.
3.
Adsorber dipanaskan selama 7 jam (mulai pukul 10.00 WIB sampai dengan
pukul 17.00 WIB).
4.
Kemudian pada pukul 17.00 WIB dilakukan pemvakuman dengan
mengunakan pompa vakum untuk mengeluarkan gas/udara dan air/uap air
yang terdapat pada adsorben karbon aktif. Setelah kondisi vakum, kemudian
semua katup ditutup.
5.
Pada gelas ukur diisi refrigeran. Pengujian pertama mengunakan metanol,
pengujian kedua menggunakan etanol, pengujian ketiga menggunakan amonia
dan pengujian terakhir adalah refrigeran musicool. Kemudian lampu alat
penguji kapasitas adsorpsi dimatikan. Data temperatur adsorber dan gelas ukur
akan otomatis tersimpan pada agilent dalam bentuk exel.
6.
Kemudian gelas ukur dimasukkan ke dalam kotak styrofoam dan pada
styrofoam diisikan es sebanyak 5 kg. Hal ini bertujuan untuk melihat berapa
refrigeran yang dapat diserap oleh karbon aktif dengan kondisi bagian luarnya
sudah menjadi es. Karena gelas ukur nantinya akan digantikan fungsinya oleh
evaporator pada mesin pendingin siklus adsorpsi tenaga surya.
malam hari dengan turunya temperatur adsorber, maka karbon aktif akan
menyerap refrigeran sehingga refrigeran akan menguap dan naik ke adsorben
karbon aktif. Tekanan adsorpsi dicatat setiap jamnya.
8.
Proses desorpsi mulai pukul 10.00 WIB sampai dengan pukul 17.00 WIB
dengan menyalakkan lampu pemanas alat penguji kapasitas adsorpsi
(1000
W). Seiring dengan naiknya temperatur adsorber maka refrigeran akan
menguap dari adsorben karbon aktif dan masuk ke gelas ukur dalam fasa cair.
3.6
Alat Penguji Kapasitas Adsorpsi
Alat penguji kapasitas adsorpsi ini dirancang untuk adsorben kabon aktif
sebanyak 1 kg. Lampu yang digunakan ada dua buah (lampu halogen) dengan
daya masing-masing sebesar 500 W (total 1000 W). Pada alat penguji adsorpsi
dilengkapi sensor
thermocoupel
7 titik (untuk mengukur temperatur), manometer
vakum (untuk mengukur tekanan dalam alat penguji) dan juga gelas ukur untuk
mengukur volume refrigeran yang dapat di serap dan dilepaskan oleh adsorben
karbon aktif.
Thermocuople
(6 titik)
Gambar 3.10 Alat Penguji Kapasitas Adsorpsi dengan gelas ukur tidak
Disolasi
Double Spot
Light
(1000 W)
Manometer
Vakum
Selang
Katup
Gambar 3.11 Alat Penguji Kapasitas Adsorpsi dengan gelas ukur Disolasi
3.6.1 Dimensi Utama Alat Penguji Kapasitas Adsorpsi
Adapaun dimensi-dimensi alat penguji kapasitas adsorpsi dapat
digambarkan sebagai berikut ini.
Gambar 3.12 Dimensi Alat Penguji Kapasitas Adsorpsi
a.
Adsorber
10
Gambar 3.13 Dimensi Adsorber
b.
Gelas Ukur
Gelas ukur digunakan untuk mengukur volume refrigeran yang dapat
diserap oleh adsorben karbon aktif pada saat adsorpsi dan volume refrigeran yang
kembali pada saat desorpsi. Adapun dimensi gelas ukur sebagai berikut ini.
Gambar 3.14 Gelas Ukur
3.7
Langkah Pembuatan Alat Penguji Kapasitas Adsorpsi
3.7.1 Pembuatan Adsorber
1.
Adsober terbuat dari pelat stainless steel dengan tebal 1 mm. Adsorber
dibentuk sesuai dengan bentuk dan ukuran yang ditentukan. Setelah pelat
stainless steel tersebut dipotong kemudian dihubungkan/disambung dengan
las argon. Las argon dipilih supaya hasil sambungan lebih kuat dan
terhindar dari kebocoran.
Gambar 3.15 Bentuk Adsorber
2. Kemudian adsorber diisi dengan adsorben karbon aktif. Adsorben karbon
aktif diisi sebanyak 1 kg. Kemudian karbon aktif diratakan di dalam
adsorber.
Gambar 3.16 Pengisian Adsorben Karbon Aktif
3. Setelah adsorben karbon aktif dimasukkan ke dalam adsorber, langkah
selanjutnya adalah memasang kawat nyamuk. Tujuan pelapisan kawat
nyamuk ini adalah supaya adsorben tidak jatuh pada saat adsorber
dibalikkan dan juga supaya tidak terhisap pada saat proses pemvakuman.
Gambar 3.17 Pemasangan Kawat Nyamuk
4. Setelah proses ini, pelat penutup kemudian dihubungkan dengan
mengunakan las argon. Pada adsorber ini dilengkapi dengan manometer
vakum dan katup yang dipasang pada pipa adsorber.
5. Pemasangan pipa-pipa, manometer vakum dan katup pada adsorber. Katup
berfungsi untuk menutup dan membuka saluran dan manometer vakum
berfungsi untuk melihat tekanan pada adsorber. Dengan adanya manometer
ini, dapat diketahui bocor atau tidak alat penguji kapasitas adsorpsi.
Gambar 3.19 Pemasangan Pipa, Manometer Vakum dan Katup
Gambar 3.20 Adsorber Lengkap
6. Langkah terakhir adalah melakukan pengecatan adsorber. Adsorber dicat
dengan cat warna hitam gelap. Tujuan pengecatan adalah agar adsorber
dapat menyerap panas dengan baik.
3.7.2 Pembuatan Gelas Ukur
1. Gelas ukur dibuat sesuai dengan ukuran dimensi yang dirancang. Kemudian
pada gelas ukur dipotong untuk pada bagian tengah depan. Hal ini bertujuan
untuk menempelkan kaca akralik sehingga terlihat volume refrigeran ketika
pengujian nanti.
Gambar 3.22 Pembuatan Gelas Ukur
[image:61.595.254.369.392.480.2]2. Pada gelas ukur dilakukan pengecatan dan pada kaca akralik ditempelkan
skala volume.
3.8
Flowchart Penelitian
Berikut merupakan tahapan dalam pengujian kapasitas adsorpsi pasangan
adsorben karbon aktif dengan masing-masing refrigeran.
Mulai
Studi Literatur
Studi literatur dan jurnal
Tahapan Persiapan
•
Survei bahan dan alat
•
Gambar sketsa alat
penguji
Pembuatan Alat Penguji
Kapasitas Adsorpsi
•
Adsorber (1 kg
karbon aktif)
•
Gelas Ukur
Assembling Alat Uji
•
Pemvakuman
•
Pengujian:
Metanol (1 Liter)
Etanol (1 Liter)
Amonia (1 Liter)
Musicool (1 Liter)
Data Output
Temperatur
Tekanan
Volume
Kapasitas Adsorpsi
Analisa
Kesimpulan
Saran
[image:62.595.159.435.151.767.2]BAB IV
ANALISA DATA
4.1 Hasil Pengujian
Data yang diambil dari pengujian adalah data temperatur adsorber, data
temperatur gelas ukur, kapasitas adsorpsi
![Tabel 2.5 Sifat Etanol[10,18]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/165297.12372/37.595.252.373.83.236/tabel-sifat-etanol.webp)
![Tabel 2.6 Sifat Amonia[10,18]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/165297.12372/38.595.256.407.357.562/tabel-sifat-amonia.webp)
