Rancang Bangun Mesin Pendingin Adsorpsi Tenaga Surya Dengan Adsorben Karbon Aktif Granular Dan Adsorbat Metanol

(1)

B A B 2

T I NJ A UA N PUST A K A

2.1 T eor i Umum A dsorpsi

A dsorpsi atau juga yang biasa disebut dengan penyerapan, adalah suatu proses yang terjadi ketika fluida (cairan ataupun gas) terikat pada suatu padatan atau cairan (zat penyerap, absorbat) pada permukaannya. Sedangkan absorpsi adalah penyerapan fluida oleh fluida lainnya dengan membentuk suatu larutan. D efinisi l ai n menyatakan adsorpsi sebagai suatu peristiwa penyerapan pada lapisan permukaan atau antar fasa dimana molekul dari suatu materi terkumpul pada bahan pengadsorpsi atau adsorben.

A dsorpsi dibedakan menjadi dua jenis, yaitu adsorpsi fisika (disebabkan oleh gaya V an D er W aals (penyebab terjadinya kondensasi gas untuk membentuk cairan) yang ada pada permukaan adsorben) dan adsorpsi kimia (terjadi antara zat yang diserap dengan adsorben, banyaknya zat yang teradsorbsi tergantung pada sifat khas zat padatnya yang merupakan fungsi tekanan dan suhu).

E lemen utama dari mesin ini terdiri dari kolektor panas ( adsorbent bed), kondensor, dan evaporator. A dsorber mempunyai peran yang sama seperti kompresor di sistem pendingin tradisional. Prinsip kerja dari sistem adsorpsi diilustrasikan dengan diagram C layperon pada gambar 2.1.

(2)

Gambar 2.1 D iagram C layperon pada S istem Pendingin Siklus A dsorpsi [1]

A dapun proses yang terjadi pada gambar 2.1 adalah sebagai berikut: 1. Proses Pemanasan (Pemberian T ekanan)

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

2. Proses D esorpsi

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 T ekanan)

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 A dsorpsi

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

2.2 Kompone n – Kompone n Me s in Pe nding in T e na g a S ur y a

(3)

K olektor surya dapat didefinisikan sebagai sistem perpindahan panas yang menghasilkan energi panas dengan memanfaatkan radiasi sinar matahari sebagai sumber energi utama. K etika cahaya matahari menimpa absorber pada kolektor surya, sebagian cahaya akan dipantulkan kembali ke lingkungan, sedangkan sebagian besarnya akan diserap dan dikonversi menjadi energi panas, lalu panas tersebut dipindahkan kepada fluida yang bersirkulasi di dalam kolektor surya untuk kemudian dimanfaatkan guna berbagai aplikasi.

[2]

K olektor surya pada umumnya mempunyai komponen yang terdiri dari: 1. C over

B erfungsi untuk mengurangi rugi panas secara konveksi ke lingkungan. 2. Absorber

B erfungsi untuk menyerap panas dari radiasi cahaya matahari. 3. K anal

B erfungsi sebagai saluran transmisi fluida kerj a. 4. Isolator

B erfungsi meminimalisir kehilangan panas secara konduksi dari absorber menuju lingkungan.

5. F rame

B erfungsi sebagai struktur pembentuk dan penahan beban kolektor.

T erdapat tiga jenis kolektor surya yang diklasifikasikan ke dalam Solar Thermal C ollector System dan juga memiliki korelasi dengan pengklasifikasian kolektor surya berdasarkan dimensi dan geometri dari receiver yang dimilikinya. [2]

1. F lat Plate C ollectors (K olektor Plat Datar)

(4)

dipanaskan berupa cairan minyak , oli, dan udara kolektor surya plat datar mempunyai temperatur keluaran dibawah 95°C . dalam aplikasinya kolektor plat datar digunakan untuk memanaskan udara dan air.

K euntungan utama dari sebuah kolektor surya plat datar adalah bahwa memanfaatkan kedua komponen radiasi matahari yaitu melalui sorotan langsung dan sebaran, tidak memerlukan tracking matahari dan j uga karena desainnya yang sederhana, hanya sedikit memerlukan perawatan dan biaya pembuatan yang murah. Pada umumnya kolektor jenis ini digunakan untuk memanaskan ruangan dalam rumah, pengkondisian udara, dan proses-proses pemanasan dalam industri.

[2]

Struktur kolektor plat datar: 1. Glazing

Untuk melindungi komponen di dalam kolektor dari dampak lingkungan. Penutup ini harus dibuat dari kaca yang dikeraskan dan memiliki co-efisien transmisi tinggi.

2. Absorber P late

Pelat absorber menyerap energi matahari dan mengubahnya menjadi energi panas. A bsorber terbuat dari bahan konduktivitas tinggi seperti tembaga dengan lapisan selektif di atasnya untuk penyerapan maksimum radiasi matahari dan emisi radiasi inframerah minimal.

3. F low T ubes

C airan yang mengalir melalui kolektor mengumpulkan panas dari pelat absorber. Perpindahan panas akan terj adi terutama melalui proses konduksi dan konveksi. Oleh karena itu, tabung harus terbuat dari bahan konduktivitas tinggi seperti tembaga.

(5)

Isolasi termal mengurangi hilangnya panas yang tidak diinginkan dari bagian belakang dan samping kolektor. Isolasi j uga harus mampu menahan suhu maksimum pelat absorber.

5. Header

Header merupakan jalan utama fluida untuk didistribusikan ke flow tubes.

Gambar F lat Plate C ollector (K olektor Plat D atar) dapat dilihat pada gambar 2.2.

Gambar 2.2 F lat Plate C ollector [3]

2. C oncentrating C ollector

(6)

A gar cahaya matahari selalu dapat difokuskan terhadap tabung absorber, concentrator harus dirotasi. Pergerakan ini disebut dengan tracking. T emperatur fluida melebihi 400 C dapat dicapai pada sistem kolektor ini.

[2]

Struktur dari concentrating collector dapat dilihat pada gambar 2.3:

1. Receiver

B erfungsi untuk menangkap panas dari radiasi cahaya matahari. K adang receiver juga diselimuti dengan kaca tabung transparan untuk mengurangi heat loss.

2. C oncentrate reflective surface

B erfungsi untuk mengkonsentrasikan panas radiasi cahaya matahari ke insulated tube yang berisi refrigeran yang menghantarkan panas dari kolektor ke boiler.

3. Tracking mechanism

B erfungsi untuk merotasi tabung absorber agar fokus terhadap cahaya matahari.

(7)

3. E vacuated Tube C ollector

J enis ini dirancang untuk menghasilkan energi panas yang lebih tinggi dibandingkan dengan dua jenis kolektor surya sebelumnya. K eistimewaannya terletak pada efisiensi transfer panasnya yang tinggi tetapi faktor kehilangan panasnya yang relatif rendah. Hal ini dikarenakan fluida yang terjebak diantara absorber dan covernya dikondisikan dalam keadaan vakum, sehingga mampu meminimalisasi kehilangan panas yang terjadi secara konveksi dari permukaan luar absorber menuju lingkungan. [5]

K olektor evacuated-tube memiliki sub kategori yang berbeda berdasarkan bahan yang digunakan dan kebutuhan aplikasi. Masa pakai evacuated tube bervariasi dari 5 hingga 15 tahun. K arakteristik utama dari kolektor evacuated tube harus:

1. Mampu bertahan dalam berbagai kondisi lingkungan, seperti hujan debu dan lain – lain.

2. Mampu mempertahankan variasi suhu yang lebar.

3. R esistensi terhadap kebocoran pada setiap bagian dari sistem. 4. Stabil dan tahan lama.

5. Mudah diinstal.

6. E fisiensi dalam konversi energi.

(8)

Gambar 2.4 E vacuated Tube C ollector [6]

2.2.1.1 K oefisien K er ugian ( )

Panas hilang dari bagian atas pelat penyerap karena konveksi ala dan karena radiasi ke permukaan dalam dari pelat penutup kaca. S ebagian dari radiasi itu akan benar-benar melalui penutup kaca, tetapi dalam analisis ini hal itu akan diabaikan. Panas ini akan dikonduksikan oleh pelat kaca ke permukaan luarnya. K emudian dipindahkan ke atmosfer luar secara konveksi dan radiasi.

(9)

Gambar 2.5 Perpindahan Panas K olektor Surya Plat Datar [7]

K erugian panas ini dinamai kerugian atas ( top loss), dinyatakan dengan:

[8]

=5

(

4 −4

)

... (2.10)

dimana:

5 = koefisien kerugian atas, 7 ⁄(m .K ) 4 = temperatur plat (K )

4 = temperatur lingkungan( K )

(10)

Gambar 2.6 Sirkuit ekivalen untuk tahanan perpindahan panas melalui bagian atas kolektor, )⁄5

[8]

D alam sirkuit ini,

a) h = koefisien konveksi (alam) dalam b) h = koefisen radiasi (ekivalen) dalam

c) 2 = harga R dari kaca tebal / konduktivitas termal d) h = koefisien konveksi luar

e) h = koefisien radiasi (ekivalen) luar

D imana satuan - satuan untuk koefisien konveksi dan koefisien radiasi adalah W /( m

2

.K ) . K arena dalam suatu sirkuit pararel konduktansi-konduktansi dijumlahkan, dan dalam suatu sirkuitseri tahanannya dij umlahkan, maka tahanan total dapat ditulis:

[8]

(11)

a) koefisien konveksi alam

K oefisien konveksi alam hi antara pelat-pelat miring yang dipanasi dari bawah telah dikorelasikan oleh Hollands dkk. untuk sudut miring lain antara 0

o

dan 70° yang dinyatakan dalam bilangan R ayleigh (perbandingan gaya apung terhadap gaya viskos) dan sudut miring β. K oefisien tersebut dapat dengan mudah dinyatakan dari sela z, antara pelat penyerap dan penutup kaca, dengan sudut miring sebagai parameter.

[8]

D an temperatur rata-rata (Tm):

4 =

... (2.12)

b) koefisien radiasi dalam (ekivalen) hri

Penukaran panas radiasi antara penyerap dan penutup adalah:

q =

... (2.13)

yang dapat ditulis sebagai fungsi koefisien radiasi ekuivalen hri sebagai:

[8]

q =h

4 −4

... (2.14)

dimana:

h

=

... (2.15)

c) tahanan termal kaca dinyatakan dengan:

(12)

dimana: t = tebal kaca

k = konduktivitas termal

d ) koefisien konveksi luar h dihitung dengan;

h

=5

.

7 +3

.

8 6

... (2.17)

dimana:

V = kecepatan angin dalam m/s

e) koefisien radiasi luar ekivalen dapat ditulis:

h

=

... (2.18)

dimana temperatur langit diperkirakan oleh Swinbank adalah:

4 =0.0552 4 ... (2.19)

T emperatur luar 4 adalah dalam derajat K elvin (K )

K oefisien kerugian total 5 ditentukan dengan menambahkan koefisien kerugian bawah dari kolektor pada 5 , atau

5 =5

+5

... (2.20)

2.2.1.2 Per samaan E mpir is untuk K oefisien K er ugian Ut

Sebuah persamaan empiris disarankan untuk memperhitungkan ketergantungan sudut Ut pada kemiringin :

[8]

5 =

.

+

[ . ( )]

(13)

dimana:

N = jumlah kaca penutup

F = (1−0.04h +0.0005h )(1+0.091. )

K ondensor adalah alat untuk membuat kondensasi bahan pendingin gas dari kompresor dengan suhu tinggi dan tekanan tinggi. K ondensor merupakan jaringan pipa yang berfungsi sebagai pengembunan. R efrigeran yang yang dipompakan dari kompresor akan mengalami penekanan sehingga mengalir ke pipa kondensor, kemudian mengalami pengembunan. D ari sini refrigeran yang sudah mengembun dan menjadi zat cair akan mengalir menuju pipa evaporator.

K ondensor sebagai alat penukar kalor berguna untuk membuang kalor dan mengubah wujud refrigeran dari uap menjadi cair. F aktor - faktor yang mempengaruhi kapasitas kondensor adalah:

1. L uas muka perpindahan panasnya meliputi diameter pipa kondensor, panjang pipa kondensor, dan karakteristik pipa kondensor.

2. A liran udara pendinginnya secara konveksi natural atau aliran paksa oleh fan 3. Perbedaan suhu antara refrigeran dengan udara luar.

4. Sifat dan karakteristik refrigeran di dalam sistem.

K ondensor ditempatkan di luar ruangan yang sedang didinginkan, agar dapat melepaskan panas saat mengkondensasi methanol pada proses desorpsi. T ekanan refrigeran yang meninggalkan kondensor harus cukup tinggi untuk mengatasi gesekan pada pipa dan tahanan dari alat ekspansi, sebaliknya jika tekanan di dalam kondensor sangat rendah dapat menyebabkan refrigeran tidak mampu mengalir melalui alat ekspansi.

(14)

2.2.2.1 K lasifik asi K ondensor

Menurut zat yang mendinginkannya, kondensor dapat dibagi menjadi tiga jenis yaitu:

[9]

1. K ondensor B erpendingin Udara ( Air C ooled C ondenser)

Air C ooled C ondenser adalah kondensor yang menggunakan udara sebagai cooling mediumnya, biasanya digunakan pada sistem berskala rendah dan sedang dengan kapasitas hingga 20 ton refrigerasi. Air C ooled C ondenser merupakan peralatan A C (Air C onditioner) standard untuk keperluan rumah tinggal (residental) atau digunakan di suatu lokasi di mana pengadaan air bersih susah diperoleh atau mahal. Untuk melayani kebutuhan kapasitas yang lebih besar biasanya digunakan multiple air cooled condenser. Udara sebagai pendingin kondensor dapat mengalir secara alamiah atau dialiri paksa oleh fan. K ulkas pada umumnya menggunakan kondensor berpendingin udara secara alamiah (konveksi natural) yang umum disebut sebagai kondensor statis. F an dapat meniupkan udara kearah kondensor dalam jumlah yang lebih besar, sehingga dapat memperbesar kapasitas pelepasan panas oleh kondensor. Air C ooled C ondenser dapat dilihat pada gambar 2.7.

(15)

2. K ondensor B erpendingin A ir ( Water C ooled C ondenser)

K ondensor jenis ini digunakan pada system yang berskala besar untuk keperluan komersil di lokasi yang mudah memperoleh air bersih. K ondensor jenis ini menjadi pilihan yang ekonomis bila terdapat suplai air bersih mudah dan murah.

Pada umumnya kondensor seperti ini berbentuk tabung yang di dalamnya berisi pipa ( tubes) tempat mengalirnya air pendingin. Uap refrigeran berada di luar pipa tetapi di dalam tabung ( shell). K ondensor seperti ini disebut shell and tube water cooled condenser. A ir yang menjadi panas, akibat kalor yang dilepas oleh refrigeran yang mengembun, kemudian air yang telah menjadi panas ini didinginkan di dalam alat yang disebut menara pendingin ( cooling tower). Setelah keluar dari cooling tower, air menjadi dingin kembali dan disalurkan dengan pompa kembali ke kondensor. Dengan cara inilah pendingin disirkulasikan. K ondensor jenis ini biasanya digunakan pada sistem berkapasitas besar. Water cooled condenser dapat dilihat pada gambar 2.8.

Gambar 2.8 Water C ooled C ondenser [9]

3. K ondensor B erpendingin C ampuran Udara dan A ir ( E vaporative C ondenser)

(16)

berdekatan dengan media pendinginnya yang berupa udara tekan dan air yang disemprotkan melalui suatu lubang nozzle. K ondensor jenis ini disebut juga evaporative condenser. K ondensornya sendiri berbentuk seperti kondensor dengan pendingin air, namun diletakkan di dalam menara pendingin. Percikan air dari atas menara akan membasahi muka kondensor jadi kalor dari refrigeran yang mengembun diterima oleh air dan kemudian diberi pada aliran udara yang mengalir dari bagian bawah ke bagian atas menara. S ebagai akibatnya air yang telah menjadi panas tersebut diatas, didinginkan oleh aliran udara, sehingga pada saat air mencapai bagian bawah menara, air ini sudah menjadi dingin kembali. Selanjutnya air dingin ini dipompakan ke bagian atas menara demikian seterusnya. Dalam negara yang bermusim empat, pada musim dingin sering kali tidak dibutuhkan percikan air dari atas menara, karena udara sudah cukup dingin dan mampu secara langsung menerima beban kondensor. Dalam keadaan seperti ini, dikatakan bahwa evaporative condenser dioperasikan secara kering. Maka evaporative condenser ini akan berfungsi seperti kondensor berpendingin udara. Gambar evaporative condenser dapat dilihat pada gambar 2.9.

(17)

2.2.2.2 A nalisis K ondensor

D ua sistem A dan B yang berbeda suhunya, bila dihubungkan satu sama lain akan terjadi perubahan suhu sampai suhu keduanya sama besar (setimbang). Perubahan suhu itu terj adi karena aliran panas atau perpindahan dari A ke B atau sebaliknya. A da suatu pendapat yang menyatakan bahwa aliran panas itu tidak lain adalah suatu perpindahan energi yang dapat dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut:

[9]

1 =m .

c .

∆

4

... (2.29)

dimana:

Q = panas yang diserap atau dikeluarkan (W ) m = massa benda (kg)

Pada peristiwa melebur atau meleleh,panas yang diserap atau dikeluarkan oleh benda yang mengalami perubahan fase tersebut. D emikian j uga pada peristiwa mendidih, mengembun dan sublimasi. B anyaknya panas persatuan massa benda pada waktu terjadi perubahan fase disebut panas laten ( L ).

1 =m .

,

... (2.30)

dimana:

Q = panas yang diserap atau dikeluarkan pada waktu perubahan fase (kJ ) m = massa benda

L = panas laten (kJ /kg)

Perhitungan panas yang dilepas air persatuan massa dapat dirumuskan sebagai berikut:

:

=Cp

(

4 −4

)

+,

+Cp

(

4 −4

)

... (2.31)

(18)

C pw = panas jenis air (kJ /kg.K ) C pes = panas j enis es (kJ /kg.K )

L = panas laten yang harus dilepas (kJ /kg) T3= temperatur akhir rata – rata es (K ) 2.2.3 E vapor ator

E vaporator dalam sistem refrigerasi adalah alat penukar kalor yang memegang peranan penting di dalam siklus refrigerasi, yaitu mendinginkan media sekitarnya T ujuan sistem refrigerasi adalah untuk membebaskan panas dari fluida seperti udara, air atau beberapa benda yang lain.

E vaporator diletakkan dibagian unit pendingin dari lemari pendingin dan akan bersentuhan langsung dengan media yang akan didinginkan, yaitu air. C airan 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. A kibatnya metanol akan menguap dan menyerap kalor dari sekitarnya sehingga temperatur akan turun.

[10]

2.2.3.1 Per pindahan K alor di dalam E vapor ator a. K oefisien Perpindahan K alor

(19)

b. K apasitas (Q) Pendingin di dalam E vaporator

K apasitas suatu mesin pendingin ialah kemampuan mesin tersebut untuk menyerap panas dari benda yang didinginkan, umumnya dinyatakan dalam kkal/jam atau btu/jam. Satuan lain yang sering dipakai ialah Ton Of Refrigeration (T R ) atau Refrigeration Ton (R T ). Satuan ini dihitung berdasarkan panas pencairan 1 ton es selama 24 jam. D imana tiap 1 lb es yang mencair membutuhkan panas 144 btu, maka:

12 4 = =288.000 ... (2.32)

K apasitas mesin pendingin pada umumnya ditentukan tiga hal, yaitu; j umlah refrigeran yang diuapkan tiap jam, temperatur penguapan refrigeran di dalam evaporator, jenis refrigeran yang digunakan.

2.2.3.2 J enis E vapor ator

B erdasarkan bentuk dan permukaan koilnya, evaporator dibagi menjadi 3 macam, yaitu :

1. E vaporator Pipa T elanjang ( Bare Tube E vaporator)

(20)

Gambar 2.10 Bare Tube E vaporator [11]

2. E vaporator Pelat (Plate Surface E vaporator)

D alam evaporator jenis ini,piring digunakan sebagai permukaan untuk pemanasan, bukanlah tabung atau shell penukar kalor. Assembling daripada piring ini mempunyai kesamaan dengan piring penukar kalor yang dilengkapi dengan laluan uap dalam j umlah besar. Gambar plat surface evaporator dapat dilihat pada gambar 2.11.

(21)

3. E vaporator B ersirip (F inned E vaporator)

E vaporator bersirip adalah tipe bare tube evaporator yang ditutupi dengan sirip. K etika fluida (udara atau air) yang akan didinginkan mengalir melalui bare tube evaporator, terdapat banyak efek pendinginan dari refrigeran yang terbuang sia-sia karena kurangnya permukaan untuk mentransfer panas dari cairan ke refrigeran. F luida 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 laj u perpindahan panas, sehingga finned evaporator lebih efektif dibandingkan dengan bare tube evaporator. Gambar finned evaporator dapat dilihat pada gambar 2.12.

Gambar 2.12 F inned E vaporator [11]

2.2.4 K alor (Q)

(22)

Sebaliknya, j ika benda itu mengandung sedikit kalor, maka dikatakan benda itu

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 menj adi cair (mencair), cair menjadi uap (mendidih) dan perubahan struktur kristal (zat padat). E nergi yang diperlukan disebut kalor transformasi. K alor yang diperlukan untuk merubah fasa dari bahan bermassa m adalah:

[12] tersebut merubahtemperatur dari suatu subtansi. Perubahan intensitas panas dapat diukur dengan termometer. K etika perubahan temperatur didapatkan, maka dapat diketahui bahwa intensitas panas telah berubah dan disebut sebagai panas sensibel. D engan kata lain, kalor sensibel adalah kalor yang diberikan atau yang dilepaskan oleh suatu jenis fluida sehingga temperaturnya naik atau turun tanpa menyebabkan perubahan fasa fluida tersebut.

[12]

1 =m .

C

.

∆

4

... (2.34) dimana:

(23)

Cp= kapasitas kalor spesifik sensibel ( J kg.⁄ K ) ∆T = beda temperatur (K )

m = massa benda

2.2.4.3 Per pindahan Panas

Perpindahan panas adalah salah satu dari displin ilmu teknik termalyang mempelajari cara menghasilkan panas, menggunakan panas, mengubah panas, dan menukarkan panas di antara sistem fisik. Perpindahan panas diklasifikasikan menjadi konduktivitas termal, konveksi termal, radiasi termal, dan perpindahan panas melalui perubahan fasa. Sebagai suatu gambaran mengenai tiga cara perpindahan panas dalam sebuah alat pemanas cairan surya, panas mengalir secara konduktif sepanjang pelat penyerap dan melalui dinding saluran. K emudian panas dipindahkan ke fluida dalam saluran dengan cara konveksi. A pabila sirkulasi dilakukan dengan sebuah pompa, maka kita menyebutnya konveksi paksa. Pelat penyerap yang panas itu melepaskan panas ke pelat penutup kaca ( umumnya menutupi kolektor) dengan cara konveksi alamiah dan dengan cara radiasi.

[12]

2.2.4.4 Per pindahan P anas K onduk si

Perpindahan panas konduksi adalah proses perpindahan panas dari daerah yang bersuhu tinggi ke daerah yang bersuhu rendah dalam satu medium baik itu cair, padat, dan gas ataupun antara medium-medium yang berlainan yang bersinggungan secara langsung. Setiap benda mempunyai konduktivitas termal (kemampuan mengalirkan panas) tertentu yang akan mempengaruhi panas yang dihantarkan dari sisi yang panas ke sisi yang lebih dingin. S emakin tinggi nilai konduktivitas termal suatu benda, semakin cepat benda itu akan mengalirkan panas yang diterima dari satu sisi ke sisi yang lain. D apat dikatakan bahwa energi dapat berpindah secara konduksi apabila laju perpindahan kalor berbanding dengan gradien suhu normal.

[12]

q ~

(24)

Panas mengalir secara konduksi dari dareah yang bertemperatur tinggi ke daerah yang bertemperatur rendah. L aju perpindahan panas dinyatakan dengan hukum F ourier.

[12]

q =−kA ... (2.35) dimana:

q = laju perpindahan panas

A = luas penampang dimana panas mengalir (m 2

) = gradien suhu pada penampang

k = konduktivitas thermal bahan (W /m 2

K )

Proses perpindahan kalor secara konduksi bila dilihat secara atomik merupakan pertukaran energi kinetik antar molekul (atom), dimana partikel yang energinya rendah dapat meningkat dengan menumbuk partikel dengan energi yang lebih tinggi. S ebelum dipanaskan atom dan elektron dari logam bergetar pada posisi setimbang. Pada ujung logam mulai dipanaskan, pada bagian ini atom dan elektron bergetar dengan amplitudo yang makin membesar. S elanjutnya bertumbukan dengan atom dan elektron disekitarnya dan memindahkan sebagian energinya. K ejadian ini berlanjut hingga pada atom dan elektron di ujung logam yang satunya. K onduksi terjadi melalui getaran dan gerakan elektron bebas. F ourier telah memberikan sebuah model matematika untuk proses ini. D alam hal satu

(25)

2.2.4.5 Per pindahan P anas K onvek si

Perpindahan panas konveksi adalah proses perpindahan energi panas dengan kerja gabungan dari konduksi panas, penyimpanan, energi dan gerakan mencampur. Proses terjadi pada permukaan padat (lebih panas atau dingin) terhadap cairan atau gas (lebih dingin atau panas). Pada bagian tepi pelat terbentuk suatu daerah dimana pengaruh gaya viskos semakin meningkat. Gaya - gaya viskos dapat diterangkan dengan tegangan geser ( ) antara lapisan-lapisan fluida. J ika tegangan ini dianggap berbanding lurus dengan gradient kecepatan normal, maka dapat dirumuskan persamaan dasar untuk viskositas:

[12]

τ

=μ

... (2.37) K onstanta proporsional disebut viskositas dinamik.

1. B ilangan Prandtl (Pr)

B ilangan P randtl adalah bilangan tanpa dimensi yang merupakan fungsi dari sifat-sifat fluida. B ilangan Prandtl didefinisikan sebagai perbandingan viskositas kinematik terhadap difusitas thermal fluida yaitu:

0 =

.

... (2.38) dimana:

Cp = panas spesifik fluida (J /kg.K ) = viskositas fluida (Pa.det) k = konduktivitas termal (W /m

(26)

B anyak rumusan yang telah dikembangkan untuk susunan aliran tertentu sehingga hubungan antara bilangan Nusselt, Reynolds dan P randtl dapat dirumuskan:

.

=C(

2 e

+0r

)

...(2.40)

2.2.4.6 Per pindahan P anas R adiasi

R adiasi termal adalah radiasi elektromagnetik yang dipancarkan oleh suatu benda karena suhunya. A da beberapa jenis radiasi elektromagnetik, radiasi termal hanyalah salah satu diantaranya. A papun jenis radiasi itu, ia selalu merambat dengan kecepatan cahaya. A dapun kecepatan ini sama dengan hasil perkalian panjang-gelombang dengan frekuensi radiasi.

Perambatan radiasi termal berlangsung dalam bentuk kuantum -kuantum yang diskrit atau farik (discrete), setiap -kuantum mengandung energi sebesar:

B ila densitas energi diintegrasikan sepanjang seluruh panjang gelombang, maka energi total yang dipancarkan sebanding dengan pangkat empat suhu absolut atau sesuai dengan hukum Stefan-B oltzmann:

[12]

%

=σ

4 ... (2.43)

(27)

E

b

=

energi yang diradiasikan persatuan waktu dan persatuan luas

Penukaran panas netto secara radiasi termal adalah:

[12] dalamsuatu proses adsorpsi. A dsorben bersifat spesifik dan terbuat dari bahan-bahan yang berpori. A da beberapa j enis adsorben yang efektif digunakan untuk mesin pendingin adsorpsi, 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 penguj ian ini jenis adsorben yang digunakan adalah karbon aktif.

K arbon 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. K arbon aktif umumnya mengandung senyawa karbon hingga 85% sampai 95%.

(28)

Sesuai dengan kegunaannya sebagai adsorben, maka karbon aktif di dalam perdagangan diklasifikasikan sebagai bahan kimia, bukan sebagai bahan energi seperti halnya arang yang digunakan sebagai bahan bakar. D i pasaran ada dua tipe bahan kimia yang diperdagangkan, yaitu bahan kimia proanalis dan bahan kimia teknis.

[12]

B ahan kimia pro analis adalah bahan kimia yg memiliki kemurnian sangat tinggi (>99,5%) dan biasanya digunakan untuk keperluan laboratorium. B ahan kimia pro analis telah diteliti konsentrasinya secara kuantitatif di laboratorium tempat bahan kimia itu diproduksi. Untuk penggunaannya biasanya bahan kimia pro analis digunakan sebagai pereaksi baik itu primer atau sekunder di laboratorium.

Sedangkan bahan kimia teknis adalah bahan kimia yg tidak memiliki kemurnian setinggi bahan kimia pro analis dan biasa dipergunakan dalam proses produksi karena harganya yang relatif jauh lebih murah dari bahan kimia pro analis. B ahan kimia teknis dihitung kadar / konsentrasinya hanya dengan hitungan stokiometri tanpa analisa secara kuantitatif. B ahan kimia teknis umumnya hanya digunakan sebagai larutan penambah atau larutan pembersih. K arbon aktif yang digunakan dapat dilihat pada gambar 2.13.

(29)

K arbon aktif yang digunakan dalam penelitian ini terbuat dari cangkang kelapa. A dapun sifat dari adsorben karbon aktif yang digunakan dapat dilihat pada tabel 2.1.

T abel 2.1 Sifat A dsorben K arbon A ktif [13]

No Sifat A dsor ben K ar bon A k tif Nilai S ifat K ar bon A k tif

1 M assa J enis 352,407 – 544,629 m

3 /kg

2 Por e V olume 0,56 – 1,20 cm

3 /g 3 D iameter R ata - R ata Por i 15-25 Å 4 T emper atur R egener asi 100 - 140

o C

5 Uk ur an K ar bon A k tif 3 mm

2.2.6 R efr iger an

R efrigeran adalah zat yang mengalir dalam mesin pendingin (refrigerasi) atau mesin pengkondisian udara. Z at ini berfungsi untuk menyerap panas dari benda atau udara yang didinginkan dan membawanya kemudian membuangnya ke udara sekeliling di luar benda.

2.2.6.1 M etanol

(30)

Gambar 2.14 Metanol A dapun sifat Metanol dapat dilihat seperti tabel 2.2: T abel 2.2 Sifat Metanol

[14]

Sifat M etanol

M assa J enis 787 kg/m

3 , cair

T itik L ebur -97.7

o C

T itik D idih 64,5

o C

K lasifik asi E U F lammable (F ), T oxic (T ) Panas L aten Penguapan 1100 kJ /kg

(31)

bakar dan sebagai bahan aditif bagi etanol industri. Metanol diproduksi secara alami oleh metabolisme anaerobik oleh bakteri. Hasil proses tersebut adalah uap metanol (dalam j umlah kecil) di udara.S etelah beberapa hari uap metanol akan teroksidasi oleh oksigen dengan bantuan sinar matahari menjadi karbon dioksida dan air.

2.2.7 Sik lus A dsor psi

Siklus adsorpsi dari mesin pendingin tenaga surya ini dapat dilihat pada gambar 2.15.

Gambar 2.15 Siklus D asar R efrigerasi A dsorpsi [1]

(32)

kandungan adsorbat yang ada di dalam adsorben berkurang atau menguap. Proses berkurangnya kandungan adsorbat pada adsorben pada kasus ini disebut desorpsi.

R efrigeran 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. T ekanan sistem yang rendah menyebabkan adsorbat cair pada botol labu yang kedua menguap dan terserap kebotol 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.