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,
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
OLOAN PURBA NIM. 090401037
Telah Disetujui Dari Hasil Seminar Skripsi Period ke-670 pada Tanggal 13 November 2013
Pembimbing,
Tulus B Sitorus, ST., MT NIP. 197209232000121003
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,
Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST., MT
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
OLOAN PURBA NIM. 090401037
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
Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas penyertaanNya kepada Penulis sehingga dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini dengan dengan baik dan tepat pada waktunya.
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.
8. Kepada Marisa Perucana Sinambela yang telah banyak memberikan dukungan kepada penulis.
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 2.5.3 Perpindahan Panas ... 20
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 PUSTAKA
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 ( CH3OH) ... 14
Gambar 2.6 Etanol ( C2H5OH) ... 14
Gambar 2.7 Amonia Cair (NH3) ... 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 4.16 Grafik Temperatur vs Waktu Adsorpsi Etanol Pada Gelas Ukur ... 53
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
pada Gelas Ukur ... 77 Gambar 4.47 Mekanisme Perpindahan Panas pada Adsorber ... 83 Gambar 4.48 Konveksi Natural pada Proses Adsorpsi ... 85
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
QL Kalor 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(m2K) A Luas penampang m2 k Koefisien konduksi W/m.K t interval waktu s
Tgl Temperatur gelas ukur K
Ts Temperatur permukaan adsorber K
Tb Temperatur bawah adsorber K
Tf Temperatur film K
TG Temperatur gelas ukur K
Qc Laju perpindahan panas konduksi W
Qh laju perpindahan panas konveksi W
Qr laju perpindahan panas radiasi W
P Tekanan Vakum cmHg
ε emisitas dari pelat penyerap
ρ Massa jenis kg/cm3
