LAPORAN TUGAS AKHIR. Diajukan untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan dalam Menyelesaikan Program Pendidikan Diploma 3

JURUSAN TEKNIK MESIN

POLITEKNIK NEGERI MEDAN

MEDAN

2016

RANCANG BANGUN MESIN PENDINGIN TENAGA

SURYA SIKLUS ADSORBSI DENGAN KEMIRINGAN

KOLEKTOR 30

0

DENGAN PASANGAN

REFRIGERAN-ADSORBEN MENGGUNAKAN

CH3OH-KARBON AKTIF

LAPORAN TUGAS AKHIR

Diajukan untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan dalam Menyelesaikan Program Pendidikan Diploma 3

Program Studi Teknik Konversi Energi

Oleh:

KCAGIVA SIMANJUNTAK

1305051027

JURUSAN TEKNIK MESIN

POLITEKNIK NEGERI MEDAN

MEDAN

2016

RANCANG BANGUN MESIN PENDINGIN TENAGA

SURYA SIKLUS ADSORBSI DENGAN KEMIRINGAN

KOLEKTOR 30

O

DENGAN PASANGAN

REFRIGERAN-ADSORBEN MENGGUNAKAN

CH3OH-KARBON AKTIF

LAPORAN TUGAS AKHIR

Diajukan untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan dalam

Menyelesaikan Program Pendidikan Diploma 3

Program Studi Teknik Konversi Energi

Oleh

1. ARIEF MUHDAI 2. KCAGIVA SIMANJUNTAK NIM NIM : 1305051009 : 1305051027

3. PHILIP V M MANIK NIM : 1305051039

INTISARI

Mesin pendingin tenaga surya ini sedang di kembangkan diseluruh negara yang sedang berkembang. Pada pembuatan mesin ini menggunakan biaya yang tidak terlalu besar dan bahan yang di gunakan juga tidak mencemari lingkungan sehingga aman di gunakan dalam kehidupan sehari-hari. Keuntungan dari penggunaan mesin pendingin adsorpsi ini adalah karena pendingin adsorpsi ini dioperasikan dengan menggunakan panas matahari sebagai sumber energi. Dengan pemanfaatan sumber energi tersebut dapat dihasilkan suhu evaporator dibawah 8 °C pada tingkat suhu pemanasan adsorber 77 °C –96 °C. Sehingga mesin ini juga sangat cocok di gunakan di daerah –daerah nelayan di karenakan nelayan banyak membutuhkan pendinginan untuk mebawa ikan -ikan tangkapan mereka dalam keadaan segar. Tujuan dari rancang bangun Mesin Pendingin Tenaga Surya ini adalah membuat modelnya yang dilakukan dengan cara mendesain dengan cara melakukan perancangan alat-alat utamanya yaitu Kolektor, Kondensor, dan Evaporator.

Setelah di rancang kemudian dilakukan pembuatan masing-masing bagian yang telah di desain. Dalam rancang bangun ini dipilih sisem pendingin adsorpsi dengan menggunakan pasangan karbon aktif, methanol, dan biji besi sebagai bagian dalam kolektor dengan luas 0,25 m2 dan metanol sebagai refrigerant pada evaporator. Pada pembuatan alat yang penting pada mesin pendingin ini, saperti kolektor, kondensor, dan evaporator dengan menggunakan las argon.

Kata kunci : Kolektor, Kondensor, Evaporator, Adsorpsi, Desorpsi dan Pendinginan.

vii

ABSTRACT

Engine cooling solar power is being developed throughout the developing world. in the manufacture of this machine uses the cost is not too large and the materials used does not pollute the environment so safe to use in everyday life. The advantage of using this adsorption cooling machine is due to the adsorption cooling is operated by using the heat of the sun as an energy source. With the use of these energy sources can be produced evaporator temperature is below 8 ° C at the heating temperature level adsorber 77 o C -96 ° C. So this machine is also very suitable for use in area -fishermen fishing in because many require

refrigeration for mebawa fish -catch them in a fresh state. The purpose of design Solar Cooling Machine is making model which is done bydesigning a way to design the tools its core collector, Condenser and Evaporator. Having designed and then do the manufacture of each piece that has been in the design. In engineering have been sisem cooling adsorption using activated carbon pair, methanol, and iron ore as part of the collector with an area of 0.25 m2 and methanol as a refrigerant in the evaporator. In making an important tool in this cooling machine, saperti collector, condenser, and evaporator using argon welding.

Keywords: Collector, Condenser, Evaporator, Adsorption, Desorption and Cooling.

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis ucapkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa, atas berkat dan karunia-Nya kepada penulis, sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini dengan baik.

Tugas Akhir ini merupakan bukti pertanggungjawaban atas pendidikan yang telahdijalani selama 3 (tiga) tahun di Politeknik Negeri Medan dan sebagai salahsatu syarat dalam menyelesaikan pendidikan Program Studi Teknik Konversi Energi Politeknik Negeri Medan. Adapun Judul Tugas Akhir ini adalah : RANCANG BANGUN MESIN PENDINGIN TENAGA SURYA SIKLUS

ADSORBSI DENGAN KEMIRINGAN KOLEKTOR 30O DENGAN

PASANGAN REFRIGERAN-ADSORBEN MENGGGUNAKAN CH3OH- KARBON AKTIF.

Selama masa perkuliahan sampai masa penyelesaian Tugas Akhir ini, penulis banyak memperoleh bimbingan dan dukungan dari berbagai pihak. Untuk itu, dengan setulus hati penulis menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar- besarnya kepada:

1. M. Syahruddin, S.T., M.T. Direktur Politeknik Negeri Medan.

2. Idham Kamil, S.T., M.T. Ketua Jurusan Teknik Mesin.

3. Ir. Abdul Razak, M.T. Kepala Program Studi Teknik Konversi Energi

4. Rihat Sebayang S.T.,.M.T. Dosen pembimbing saya, yang telah banyak

ix

memberikan arahan serta masukan-masukan selama penyelesaian Tugas Akhir ini

5. Marlon ST MT. selaku dosen wali EN – 6A

6. Bapak dan Ibu Dosen Pengajar Program Studi D-III Teknik Konversi Energi yang telah memberikan bimbingan serta ilmu pengetahuan kepada penulis selama menjalani masa pendidikan di Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Medan

7. Secara khusus saya ucapkan kepada orang tua tercinta Ayahanda T. Simanjuntak dan Ibunda L. Situmorang yang telah berjuang untuk membimbing dan memberi dorongan moral serta doa-doanya selama ini kepada penulis dan tak lupa juga saya berterima kasih kepada abang saya Cody W P Simanjuntak, Mory Lamhot Simanjuntak serta Kakak Saya Finny Mahdalena Simanjuntak atas semangat dan doa serta nasehat yang diberikan kepada penulis

8. Rekan rekan TA saya sekaligus sahabat saya (Philip V M Manik, Arief Muhda’i,Yusrizal Harahap) yang selalu bersama mulai dari awal masuk hingga sekarang

9. Serta abang saya Bang Parna Edy Sitanggang yang telah membantu kami

dalam pengerjaan alat mesin pendingin

10. Rekan-rekan mahasiswa/i Program Studi Teknik Konversi Energi

angkatan 2013, khususnya mahasiswa/i kelas EN – 6A untuk kebersamaannya, persahabatan, bantuan dan solidaritas sehingga hari-hari

yang sulit dalam menghadapi tantangan di Teknik Konversi Energi menjadi ringan selama 3 (tiga) tahun.

Penulis menyadari penulisan tugas akhir ini masih jauh dari kata sempurna, oleh karena itu penulis mengharapkan saran dan kritik yang membagun untuk penyempurnaan tugas akhir ini. Akhir kata penulis berharap semoga Tugas Akhir ini bermanfaat bagi pembaca. Terima kasih.

Medan, 11 Agustus 2016

Kcagiva Simanjuntak

xi

DAFTAR ISI

SPESIFIKASI TUGAS AKHIR ... ii

LEMBAR PERSETUJUAN ... iii

LEMBAR PERNYATAAN KEASLIAN ... iv

LEMBAR PENGESAHAN ... v

INTISARI ... vi

ABSTRACT ... vii

KATA PENGANTAR... viii

DAFTAR ISI... xi

DAFTAR GAMBAR... xvi

DAFTAR TABEL... xviii

DAFTAR GRAFIK ... xix

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. DASAR TEORI

xiii

2.1.1 Adsorpsi Secara Fisika ... 8

2.1.2 Adsorpsi Secara Kimia... 9

2.1.3 Prinsip Kerja Siklus Adsorpsi ... 10

2.1.4 Siklus Ideal Sistem Pendingin Adsorpsi ... 13

2.1.5 Kinetika Adsorpsi ... 18

2.1.6 Isoterm Adsorpsi ... 19

2.1.7 Kesetimbangan Adsorpsi ... 21

2.1.8 Faktor-faktor Yang Mempengaruhi Adsorpsi ... 21

2.1.9 Persamaan Adsorpsi ... 22

2.2 Evaporator ... 23

2.2.1 Perpindahan Kalor di Dalam Evaporator ... 24

2.2.2 Jenis Evaporator ... 25

2.3 Adsorben ... 27

2.3.1 Unjuk Kerja Adsorben ... 27

2.3.2 Penggolongan Adsorben ... 28

2.3.3 Jenis-Jenis Karbon Aktif ... 34

2.4 Refrigerant... 35

2.5 Kalor (Q) ... 38

2.5.1 Perpindahan Kalor... 38

2.5.2 Jenis Jenis Kalor... 43

2.6 Kolektor... 44

2.6.1 Komponen Komponen utama kolektor ... 44

2.6.2.1 Flat-Plate Colectors ... 45

2.6.2.2 Concentraining Collectors... 45

2.6.2.3 Evacuated Tube Collectors ... 45

2.6.3 Pengaruh Kemiringan Sudut Kolektor ... 46

BAB III. PERANCANGAN ALAT 3.1 Metode Pelaksanaan Penelitian... 47

3.2 Tempat dan Waktu Penelitian ... 48

3.3 Alat dan Bahan ... 48

3.3.1 Bahan... 48

3.3.2 Alat... 49

3.4 Rancangan Alat ... 53

3.4.1 Rancangan Alat ... 53

3.4.2 Komponen Utama Alat Penelitian ... 54

3.4.2.1 Evaporator ... ` 54

3.4.2.2 Wadah Air ... 56

3.4.2.3 Kotak Insulasi Evaporator ... 57

3.4.2.4 Kolektor... 59

3.4.2.4.1 Kotak insulasi kolektor ... 59

3.4.2.4.2 Kaca penutup kolektor... 60

3.4.2.5 Kondensor... 61

3.5 Langkah Pembuatan Mesin Pendingin Adsorbsi ... 62

xv

3.5.2 Pembuatan Kotak Insulasi Kolektor... 64

3.5.3 Pembuatan Kaca (Cover) penutup kolektor ... 65

3.5.4 Pembuatan Kondensor ... 66

3.5.5 Pembuatan Evaporator ... 66

3.5.6 Pembuatan Kotak Wadah Air... 67

3.5.7 Pembuatan Kotak Insulasi Evaportor... 68

3.5.8 Pembuatan Kerangka Mesin Pendingin ... 69

3.6 Prinsip kerja Mesin Pendingin Tenaga Surya ... 70

3.6.1 Proses Adsorpsi ... 70

3.6.2 Proses Desorpsi ... 71

3.6 Prosedur Pengujian ... 72

3.7.1 Tahap Persiapan ... 72

3.7.1.1 Assembly Komponen Mesin... 72

3.7.1.2 Uji Vakum Sistem... 73

3.7.2 Proses Pengujian ... 73

3.7.2.1 Proses Pemanasan Awal ... 73

3.7.2.2 Proses Pengujian ... 74

BAB IV. HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA 4.1 Tekanan Evaporator ... 75 4.1.1 Data Desorpsi ... 75 4.1.2 Data Adsorpsi ... 77 4.2 Kolektor... 79 4.1.1 Data Adsorpsi ... 79 4.1.2 Data Desorpsi ... 82

4.3 Neraca Kalor ... 84

4.2.1 Kalor yang diserap Evaporator... 84

4.2.2 Analisa kalor pada metanol ... 85

4.2.3 Analisa kalor pada air... 85

4.2.4 Kesetimbangan energi ... 86

4.2.4.1 Penyerapan panas oleh metanol... 86

4.2.4.2 Penggunaan panas penyerapan ... 87

4.2.4.3 Total energi panas yang digunakan untuk mengubah air menjadi es ... 88

4.3 Volume Metanol... 89

4.3.1 Volume metanol Adsorpsi Desorpsi ... 89

BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan... 91

5.2 Saran... 92

DAFTAR PUSTAKA ... xx

xvii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Proses Adsorpsi ... 8

Gambar 2.2. Siklus Dasar Refrigerasi Adsorpsi ... 10

Gambar 2.3. Siklus Absorpsi ... 12

Gambar 2.4. Diagram Clapeyron Ideal ... 15

Gambar 2.5. Diagram Claperyon Ideal ... 16

Gambar 2.6. Proses pemanasan desorpsi kondensasi ... 17

Gambar 2.7. Proses pendinginan ... 17

Gambar 2.8. Proses pendinginan Adsorpsi Evaporasi ... 18

Gambar 2.9. Karbon Aktif ... 30

Gambar 2.10. Struktur Karbon Aktif ... 31

Gambar 2.11. Methanol ... 37

Gambar 2.12.Colector Flat ... 46

Gambar 3.1. Pompa Vakum ... 49

Gambar 3.2. Katup ... 50

Garnbar 3.3. Laptop ASUS ... 51

Gambar 3.4. Manometer Vakum ... 51

Gambar 3.5. Termometer Raksa ... 52

Gambar 3.6. Rancangan Alat ... 53

Gambar 3.7. Model Evaporator ... 54

Gambar 3.8. Ukuran Evaporator ... 55

Gambar 3.9. Model Wadah Air ... 56

Gambar 3.10. Ukuran Kotak Pendingin ... 57

Gambar 3.11. Gambaran Ruang Pendinginan ... 58

Gambar 3.12. Model Kolektor Surya ... 59

Gambar 3.13. Kotak Insulasi Kolektor Surya ... 60

Gambar 3.14. Kaca Penutup Kolektor ... 60

Gambar 3.15. Kondensor ... 61

Gambar 3.17. Kolektor Surya ... 63

Gambar 3.18. Kotak Insulasi Kolektor ... 64

Gambar 3.19. Kaca Kolektor ... 65

Gambar 3.20. Kondensor ... 66

Gambar 3.21. Evaporator ... 67

Gambar 3.22. Kotak Wadah Air ... 68

Gambar 3.23. Kotak Insulasi Evaporator ... 69

Gambar 3.24. Assemblyng Mesin Pendingin ... 70

Gambar 3.25. Rancangan Alat Pada proses Adsorpsi ... 71

xix

DAFTAR TABEL

Tabel 2. 1. Penggolongan Adsorben Berdasarkan Kemampuan Menyerap

Air ... 28

Tabel 2. 2. Spesifikasi Karbon Aktif ... 34

Tabel 3.1 .Tabel Spesifikasi Ukuran Evaporator ... 55

Tabel 3.2. Tabel Spesifikasi Kotak Wadah Air ... 56

Tabel 3.3. Tabel Spesifikasi Ukuran Kotak Pendingin ... 57

Tabel 3.4. Tabel Spesifikasi Kolektor ... 59

Tabel 3.5. Tabel Spesifikasi Kotak Insulasi Kolektor ... 60

Tabel 3.6. Tabel Spesifikasi Kaca Penutup Kolektor... 61

Tabel 3.7 Tabel Spesifikasi Kondensor ... 62

Tabel 4.1. Data Tekanan Evaporator Desorpsi ... 75

Tabel 4.2.Data Tekanan Evaporator Adsorpsi ... 77

Tabel 4.3.Data Intensitas Matahari Adsorpsi ... 79

Tabel 4.4.Data Intensitas Matahari Desorpsi ... 82

Tabel 4.5. Skala Ketinggian Awal Permukaan Metanol ... 89

DAFTAR GRAFIK

Grafik 4.1.Hubungan Tekanan vs Waktu Proses Desorpsi ... 76

Grafik 4.2. Hubungan Temperatur Terhadap Waktu Proses Desorpsi ... 76

Grafik 4.3. Hubungan Tekanan vs Waktu Proses Adsorpsi ... 77

Grafik 4.4. Hubungan Temperatur Terhadap Waktu Proses Adsorpsi ... 78

Grafik 4.5. Hubungan Tekanan vs Waktu Proses Adsorpsi ... 80

Grafik 4.6. Hubungan Temperatur Terhadap Waktu Proses Adsorpsi ... 80

Grafik 4.7. Intensitas Matahari Terhadap Waktu Proses Adsorpsi ... 81

Grafik 4.8. Hubungan Tekanan vs Waktu Proses Desorpsi ... 82

Grafik 4.9. Hubungan Temperatur Terhadap Waktu Proses Desorpsi ... 83

BAB I

PENDAHULUAN

Latar Belakang

Saat ini dunia internasional dipermasalahkan oleh global warming (pemanasan global) akibat semakin menipisnya lapisan ozon, sehingga permukaan bumi tidak terlindungi dari radiasi langsung sinar ultraviolet matahari. Salah satu perusak lapisan ozon adalah Fluorocarbon (CFC,HCFC,HFC) sebagai refrigerant pada bidang pendinginan.

Penolakan terhadap pemakaian fluorocarbon telah tertuang pada konvensi wina dan protokol Montreal 1987, yang mewajibkan penghentian produksi dan penggunaan refrigerant fluorocarbon. Selain itu juga, permasalahan besar lain yang terjadi adalah meningkatnya komsumsi energi di dunia yang mengakibatkan krisis energi. Hal ini ditandai dengan meningkatnya harga minyak dunia,

menunjukkan cadangan bahan bakar fosil semakin menipis.[1]

Melihat dampak dari pemakaian fluorokarbon yang berkepanjangan maka diperlukan suatu terobosan baru di bidang pendinginan alternatif yang lebih aman, ekonomis dan mudah didapatkan. Salah satu sistem pendinginan yang dijadikan alternatif adalah sistem pendinginan siklus adsorbsi. Siklus adsorbsi ini lebih ramah lingkungan karena menggunakan energi panas matahari sebagai sumber energinya.

Sebelumnya teknologi pendingin dengan siklus adsorbsi ini sudah pernah dilakukan oleh beberapa peneliti. Misalnya penelitian internasional yang

dilakukan oleh M.Pons dan J.J.Guilminot tahun 1986 di Orsay, Prancis dengan menggunakan karbon aktif-methanol sebagai pasangan adsorben-adsorbatnya. Luas bidang penyerapan kolektor adalah 6m² diisi dengan 130 kg karbon aktif dan methanol sebanyak 18 kg diklaim dapat menghasilkan 30-35 kg es per hari tergantung intensitas mataharinya.[2]

Di indonesia sendiri, potensi energi surya tersebut sangat mungkin untuk dimanfaatkan. Letak Indonesia yang berada di garis khatulistiwa, yaitu pada lintang 6°LU-11°LS dan 95°BT-141°BT, dan dengan memperhatikan peredaran surya dalam setahun yang berada pada daerah 23,5LU dan 23,5LS menyebabkan Indonesia akan selalu disinari surya selama 10-12 jam dalam sehari. Menurut data buku putih energi Indonesia (2006), diperkirakan Intensitas Matahari yang jatuh pada wilayah permukaan Indonesia sekitar 4,8 kWh/m² setiap harinya.[3]

Oleh karena itu,penulis termotivasi untuk melakukan penelitian guna memanfaatkan energi panas matahari yang selama ini jarang dipakai sebagai sumber energi terkhususnya di bidang pendinginan. Oleh karena itu penulis berharap percobaan ini dapat berjalan dengan baik.

Tujuan Penelitian

Tujuan dilakukannya penelitian ini adalah :

1. Merancang dan membuat model fisik dari mesin pendingin tenaga surya 2. Menganalisa unjuk kerja dari evaporator dengan refrigerasi karbon aktif

dan metanol

3. Untuk mengetahui suhu minimum yang dapat dicapai oleh air yang di dinginkan.

4. Untuk mengetahui intensitas cahaya matahari pada sudut kemiringan 30°

Batasan Masalah

Dalam penelitian ini, penulis membatasi masalah pada :

 Perancangan dan pembuatan mesin pendingin tenaga surya.

 Adsorben dan refrigeran yang dipakai adalah karbon aktif dan methanol  Variabel yang diamati pada pengujian adalah temperatur (T),tekanan (P)

dan waktu.

 Ukuran kolektor yang digunakan 50 cm x 50 cm dengan tinggi 5 cm,serta sudut kolektor 30o menghadap timur

 Manfaat Penelitian

Manfaat dari penelitian ini adalah :

1. Menghasilkan rekomendasi sistem pendingin yang ramah lingkungan dan

hemat energi.

2. Sebagai wacana untuk penelitian yang lebih lanjut.

1.5 Sistematika Penulisan

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

BAB I PENDAHULUAN

Pada bab ini membahas latar belakang penulisan tugas akhir, 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 tugas akhir. Pada bab ini dibahas mengenai siklus adsorpsi dan evaporator serta teori lainnya yang medukung tugas akhir ini.

BAB III PERANCANGAN ALAT

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 referensi-referensi yang digunakan dalam penyusunan laporan ini.

Lampiran

Lampiran berisikan data dari hasil penelitian yang didapatkan, gambar selama proses pengerjaan alat, tabel-tabel termodinamika refrigerant dan istilah-istilah penting selama penelitian.