UJI PERFORMANSI MESIN PENDINGIN SIKLUS ADSORPSI
BERTENAGA SURYA DENGAN LUAS KOLEKTOR 1 m
2KEMIRINGAN 30
oMENGGUNAKAN KARBON
AKTIF-METANOL SEBAGAI PASANGAN ADSORBEN-ADSORBAT
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
PITER H
NIM. 100401048
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
i ABSTRAK
Negara Indonesia diberkati dengan energi surya yang melimpah sepanjang
tahunnya. Menurut data buku putih energi Indonesia, rata—rata intensitas radiasi matahari yang jatuh ke permukaan wilayah Indonesia sekitar 4,8 kWh/m2/hari.
Energi surya tersebut dimanfaatkan sebagai sumber energi utama pada mesin
pendingin siklus adsorpsi untuk menghasilkan efek pendinginan. Pada penelitian
ini, komponen utama mesin terdiri dari kolektor/absorber, kondensor, dan
evaporator. Luas permukaan kolektor/absorber 1 m2 dan diatur pada kemiringan
30o. Kolektor diisi dengan 25 kg karbon aktif sedangkan evaporator diisi dengan 5
liter metanol. Media yang didinginkan adalah air sebanyak 4 liter. Pengujian
berlangsung selama tiga hari yang dibagi dalam dua periode yaitu proses desorpsi
(pukul 07.00 WIB – 17.00 WIB) dan proses adsorpsi (pukul 17.00 WIB – 07.00 WIB). Hasil pengujian menunjukkan proses belum dapat berlangsung sempurna.
Proses adsorpsi hanya dapat berlangsung pada hari pertama dimana temperatur
pendinginan air minimum diperoleh 9,9oC. Volume metanol teradsorpsi sebanyak
0,8095 liter (16,2 %). COP siklus aktual (COPuc) sebesar 0,1753 dengan COP
sistem keseluruhan (COPuo) sebesar 0,034. Disamping itu diperoleh koefisien
determinasi (R2) sebesar 98,5056%. Hal ini menunjukkan bahwa kontribusi semua
variabel bebas terhadap variabel terikat secara simultan adalah sebesar 98,5056%.
Kata kunci: energi surya, kolektor/absorber, kondensor, evaporator, karbon aktif,
ii
ABSTRACT
Indonesia is blessed with abundant solar energy in whole year. According to
white book energy of Indonesia, the average irradiance which incidents in
Indonesia about 4.8 kWh/m2/day. That solar energy using as a main energy
source at adsorption cycle refrigeration machine to produce cooling effect. In this
research, the main components of machine consists of collector/absorber,
condenser and evaporator. The collector/absorber has a surface area of 1 m2 and
set-up with an inclination of 30o. Collector is loaded with 25 kg of activated
carbon while evaporator is filled with 5 liters of methanol. Medium to be cooled is
4 liters water. Testing lasted for three days which divided into two periods,
desorption process (07.00 am – 17.00 pm) and adsorption process (17.00 pm –
07.00 am). The test results showed process couldn’t take place perfectly. The
adsorption process lasted only at first day where the minimum cooling temperatur
of water obtained 9.9oC. The volume adsorb of methanol as much as 0.8095 liter
(16.2 %). The actual or useful cycle COP (COPuc) 0.1753 with the actual or
useful overall COP (COPuo) 0.034. Beside that, also obtained the coefficient of
determination (R2) about 98.5056%. This result showed the contribution of all
independent variables on dependent variable simultaneously is 98.5056%.
Keywords: solar energy, collector/absorber, condenser, evaporator, activated
carbon, methanol, adsorption, desorption, COP, coefficient of
iii KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas
berkat dan rahmat-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Sarjana ini
yang berjudul ―Uji Performansi Mesin Pendingin Siklus Adsorpsi Bertenaga
Surya Dengan Luas Kolektor 1 m2 Kemiringan 30o Menggunakan Karbon Aktif
-Metanol Sebagai Pasangan Adsorben-Adsorbat‖.
Tugas Sarjana ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan
pendidikan Strata-1 (S1) di Departemen Teknik Mesin Sub bidang Konversi
Energi, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
Dalam menyelesaikan Tugas Sarjana penulis dan tim mendapat banyak
kendala dan masalah, namun berkat dorongan semangat, masukan dan bantuan
baik materiil ataupun moril dari berbagai pihak akhirnya kendala dan masalah
tersebut dapat diselesaikan. Maka pada kesempatan ini dengan ketulusan hati
penulis ingin mengucapkan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :
1. Bapak Ir. Zamanhuri, M.T. sebagai Dosen Pembimbing yang selama ini telah
membimbing, memotivasi, dan membantu penulis dalam menyelesaikan
Tugas Sarjana ini.
2. Bapak Ir. Tekad Sitepu, M.T. sebagai dosen pembanding 1 penulis yang telah
memberi banyak saran dan masukan dalam perbaikan skripsi ini menjadi lebih
baik lagi.
3. Bapak Tulus Burhanuddin, S.T.,M.T. sebagai dosen pembanding 2 yang telah
banyak meluangkan waktunya untuk berdiskusi, membimbing penulis dan tim
iv
masukan dalam pengerjaan dan perbaikan Tugas Sarjana ini menjadi lebih
baik lagi.
4. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita, S.T.,M.T. yang juga telah banyak
membantu, memberi bantuan fasilitas selama pengerjaan serta memberi saran
dan waktu untuk berdiskusi selama pengerjaan Tugas Sarjana ini.
5. Bapak Ir.Tugiman, M.T. sebagai dosen wali penulis yang telah membimbing,
mendidik dan memberi nasihat kepada penulis selama menempuh pendidikan
S1 di Departemen Teknik Mesin, Universitas Sumatera Utara.
6. Bapak Prof.Dr.Ir. Bustami Syam, M.S.M.E. sebagai Dekan Fakultas Teknik
USU, beserta segenap staf dan jajarannya.
7. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri dan Ir. Syahril Gultom, M.T. sebagai
Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin, Universitas Sumatera Utara.
8. Kedua orangtua penulis, Bapak B. Harefa dan Ibunda C. Hutabarat yang telah
memberi kasih sayang tak terhingga, mendidik, memberikan dukungan penuh,
doa dan nasihat kepada penulis
9. Kakak penulis Sofyan P.A Harefa, S.T., adik-adik penulis Anugrah, Leonardo,
dan Panca serta keluarga lainnya yang terus memberi semangat selama
penyelesaian tugas sarjana ini.
10.Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin Fakultas
Teknik USU.
11.Rekan-rekan satu tim Budiman I. Nainggolan, Parna Edy Sitanggang dan
Jagardo Damanik atas kerja sama yang baik dalam mengerjakan penelitian ini.
12.Seluruh rekan-rekan mahasiswa khususnya kepada kawan-kawan
v
Penulis menyadari bahwa masih banyak kekurangan dalam penulisan
maupun penyajian Tugas Sarjana ini. Untuk itu penulis sangat mengharapkan
saran-saran yang membangun dari semua pihak demi kesempurnaan Tugas
Sarjana ini nantinya.
Akhir kata, dengan segala kerendahan hati penulis memanjatkan doa kepada
Tuhan Yang Maha Esa semoga Tugas Sarjana ini bermanfaat bagi kita semua.
Medan, April 2016
Penulis,
Piter H
vi
1.2Tujuan Penelitian ………...……… 3
1.2.1Tujuan Umum ……….………... 3
1.2.2Tujuan Khusus ………. 3
1.3Batasan Masalah ……… 4
1.4Manfaat Penelitian ……… 4
1.5Sistematika Penulisan ……… 5
BAB II. TINJAUAN PUSTAKA ………... 7
2.1Intensitas Radiasi Matahari ……… 7
2.2Teori Umum Adsorpsi ……….. 9
2.2.1Jenis-Jenis Proses Adsorpsi ……… 9
2.2.2Adsorben ……….……… 11
2.2.2.1Karbon Aktif Sebagai Adsorben ……… 12
vii
2.2.2.3Aplikasi Penggunaan Karbon Aktif ……… 15
2.2.3Adsorbat ……… 16
2.2.3.1Metanol Sebagai Adsorbat ………. 16
2.3Kalor ……….. 17
2.3.1Kalor Sensibel ……….. 18
2.3.2Kalor Laten ……….. 18
2.4Tinjauan Perpindahan Panas ……….. 19
2.4.1Konduksi ……….. 19
2.4.1.1Perpindahan Panas Konduksi Pada Bidang Datar (Slab) ……... 19
2.4.1.2Konduksi Pada Satu Seri Bahan ……… 20
2.4.1.3Konduksi Pada Bahan yang Tersusun Seri dan Paralel ………. 21
2.4.1.4Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh ……… 21
2.4.2Konveksi ……….. 22
2.4.2.1Konveksi Paksa (Forced Convection)………... 23
2.4.2.2Konveksi Alami (Natural Convection)……… 24
2.4.3Radiasi ……… 25
2.5Prinsip Sistem Pendinginan Adsorpsi ……… 26
2.6Siklus Ideal Sistem Pendingin Adsorpsi ……… 28
2.7Mesin Pendingin Siklus Adsorpsi ……… 33
2.7.1Komponen Utama Mesin Pendingin Siklus Adsorpsi ……… 33
2.7.1.1Kolektor Surya ………. 33
2.7.1.2Kondensor ……… 35
2.7.1.3Evaporator ……… 36
viii
2.7.3Energi Panas Radiasi yang Diterima Kolektor ……… 37
2.7.4Kapasitas Kalor Pendinginan ……… 37
2.7.5Efisiensi Termal Kolektor Surya ……… 38
2.7.6Performansi Mesin Pendingin Siklus Adsorpsi Tenaga Surya …… 38
2.8Analisis Korelasi dan Persamaan Regresi ……… 39
BAB III. METODOLOGI PENELITIAN ……….. 41
3.1Waktu dan Tempat Penelitian ……… 41
3.1.1Waktu Penelitian ……… 41
3.1.2Tempat Penelitian ……… 41
3.2Alat dan Bahan yang Digunakan ……… 42
3.2.1Alat ………... 42
3.2.2Bahan ……… 48
3.3Dimensi Utama Komponen Mesin Pendingin Siklus Adsorpsi ……… 50
3.3.1Kolektor ……… 50
3.3.2Kotak Insulasi Kolektor ……… 51
3.3.3Kaca (Cover)……… 52
3.3.4Kondensor ……… 53
3.3.5Evaporator ……… 53
3.3.6Kotak Wadah Air ……… 55
3.3.7Kotak Insulasi Evaporator ……… 56
3.4Langkah Pembuatan Mesin Pendingin Adsorpsi ……… 57
3.4.1Pembuatan Kolektor ……… 57
3.4.2Pembuatan Kotak Insulasi Kolektor ……… 59
ix
3.4.4Pembuatan Kondensor ……… 61
3.4.5Pembuatan Evaporator ……… 62
3.4.6Pembuatan Kotak Wadah Air ……… 63
3.4.7Pembuatan Kotak Insulasi Evaporator ……… 64
3.5Set-Up Eksperimental ……… 65
3.6Prosedur Pengujian ……… 66
3.6.1Tahap Persiapan ……… 66
3.6.1.1Assembly Komponen Mesin ……… 66
3.6.1.2Instalasi Data Logger ……… 67
3.6.1.3Uji Vakum Sistem ……… 68
3.6.2Proses Pengujian ……….. 68
3.6.2.1Proses Pemanasan Awal ……… 68
3.6.2.2Proses Adsorpsi ……….. 69
3.6.2.3Proses Desorpsi ……….. 69
3.7Diagram Alir Penelitian …….……… 70
BAB IV. ANALISA DATA ……… 71
4.1Hasil Pengujian ……… 71
4.1.1Pengujian Hari I ……… 71
4.1.2Pengujian Hari II ……… 72
4.1.3Pengujian Hari III ……… 74
4.2Analisa Grafik ……… 75
4.2.1Kondisi Cuaca Selama Pengujian ……… 75
4.2.2Pengujian Hari Pertama ……… 76
x
4.2.2.2Temperatur dan Tekanan Adsorpsi Hari Pertama ... 78
4.2.3Pengujian Hari Kedua ……… 79
4.2.3.1Temperatur dan Tekanan Desorpsi Hari Kedua ... 79
4.2.3.2Kondisi Temperatur dan Tekanan Adsorpsi Hari Kedua ... 81
4.2.4Pengujian Hari Ketiga ……… 82
4.2.4.1Temperatur dan Tekanan Desorpsi Hari Ketiga ... 82
4.2.4.2Temperatur dan Tekanan Adsorpsi Hari Ketiga ... 84
4.3Pengolahan Data ……… 85
4.3.1Volume Metanol ……….. 88
4.3.1.1Volume Awal dan Skala Ketinggian Metanol ………... 88
4.3.1.2Volume Metanol Adsorpsi-Ddesorpsi……… 88
4.3.2Energi Radiasi Matahari yang Terukur Pyranometer ……….. 89
4.3.3Kolektor ……… 90
4.3.4Kondensor ……….… 93
4.3.5Evaporator ……… 102
4.3.6Performansi Mesin Pendingin Siklus Adsorpsi ……… 106
4.3.7Analisa Korelasi dan Regresi Cuaca Terhadap COP ……… 106
4.3.8Energi Listrik Terpakai ………….……… 114
BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN …………...…….……… 115
5.1Kesimpulan ………... 116
5.2Saran ………. 117
DAFTAR PUSTAKA ………... xix
xi DAFTAR GAMBAR
Nomor Judul Halaman
2.1 Bidang horizontal (a), dan bidang yang dimiringkan (b)... 7
2.2 Proses adsorpsi oleh karbon aktif …...………. 9
2.3 KarbonAktif ……… 13
2.4 Metanol……… 17
2.5 Konduksi pada bidang datar (slab)……… 19
2.6 Konduksi pada bahan tersusun seri……… 20
2.7 Konduksi pada bahan tersusun seri dan paralel……… 21
2.8 Perpindahan Panas Konveksi dari Permukaan Pelat ……… 22
2.9 Berbagai daerah aliran lapisan batas di atas pelat rata …… 23
2.10 Aliran dalam tabung ……… 23
2.11 Pola absorpsi ……… 26
2.12 Prinsip dasar adsorpsi-desorpsi……… 27
2.13 Diagram tekanan vs temperatur pada garis isoters ……… 29
2.14 Diagram Clapeyron Ideal ……… 30
2.15 Proses pemanasan ……… 30
2.16 Proses pemanasan-desorpsi-kondensasi ……… 31
2.17 Proses pendinginan ……… 32
2.18 Proses pendinginan-adsorpsi-evaporasi ……… 32
2.19 Kolektor surya pelat datar sederhana ……… 34
3.1 Tempat Pengujian ……… 41
3.2 Pace XR5 Data Logger ……… 42
3.3 HOBO Micro Station ……….. 43
3.4 Pompa Vakum ……… 46
xii
3.17a Dimensi luar kotak insulasi evaporator ……… 56
3.17b Gambaran ruang pendinginan dan susunan lapisan insulasi evaporator ……… 57
3.18 Proses Pengisian Kolektor ……… 58
3.19 Foto aktual kolektor telah terpasang kain kasa dan penyangganya.. ………. 58
3.20 Kolektor dicat warna hitam doff ……… 59
3.21 Foto aktual kotak insulasi kolektor ……….. 60
3.22 Foto aktual kaca (cover)……… 61
3.23 Foto aktual kondensor ……… 61
3.24 Foto aktual evaporator ……… 63
3.25 Foto aktual kotak wadah Air ……… 63
3.26 Foto aktual kotak insulasi evaporator ……… 64
3.27 Set-up eksperimental proses desorpsi (siang hari) ……….. 65
3.28 Set-up eksperimental proses adsorpsi (malam hari) ……… 66
3.29 Assembly komponen dan letak titik thermocouple……… 67
3.30 Diagram alir proses penelitian ……… 70
xiii
4.2 Kondisi temperatur pemanasan awal setiap komponen hari
pertama ... 77
4.3 Kondisi tekanan pemanasan awal hari pertama ... 77
4.4 Kondisi temperatur adsorpsi setiap komponen hari pertama 78
4.5 Kondisi tekanan adsorpsi hari pertama ... 79
4.6 Kondisi temperatur desorpsi setiap komponen hari kedua ... 80
4.7 Kondisi tekanan desorpsi hari kedua ... 80
4.8 Kondisi temperatur adsorpsi setiap komponen hari kedua ... 81
4.9 Kondisi tekanan adsorpsi hari kedua ... 82
4.10 Kondisi temperatur desorpsi setiap komponen hari ketiga .. 83
4.11 Kondisi tekanan desorpsi hari ketiga ... 83
4.12 Kondisi temperatur adsorpsi setiap komponen hari ketiga .. 84
xiv DAFTAR TABEL
Nomor Judul Halaman
2.1 Perbedaan antara adsorpsi fisika dan kimia ……….. 11
2.2 Sifat Adsorben Karbon Aktif ……… 13
2.3 SifatMetanol ………. 17
2.4 Korelasi empiris bilangan Nusselt rata-rata yang terjadi pada permukaan proses konveksi bebas……… 24
2.5 COP hasil penelitian sebelumnya ……… 38
3.1 Spesifikasi Pace XR5 Data Logger……… 42
3.2 Spesifikasi Measurement Apparatus……… 43
3.3 Spesifikasi Pyranometer……… 44
3.4 Spesifikasi Wind Velocity Sensor……….. 44
3.5 Spesifikasi T dan RH Smart Sensor……… 45
3.6 Spesifikasi pompa vakum ……… 46
3.7 Spesifikasi thermocouple type J ……… 47
3.8 Spesifikasi manometer vakum ……… 47
3.9 Spesifikasi kolektor ……… 50
3.10 Spesifikasi kotak insulasi kolektor ……… 52
3.11 Spesifikasi kaca (cover) penutup kolektor ……… 52
3.12 Spesifikasi kondensor ……… 53
3.13 Spesifikasi evaporator ……… 54
3.14 Spesifikasi kotak wadah air ……… 55
3.15 Spesifikasi kotak insulasi evaporator ……… 56
4.1 Proses PemanasanAwal (26 November 2015) ……… 71
4.2 Proses Adsorpsi Hari I (26 -27 November 2015) ………… 71
4.3 Proses Desorpsi Hari II (27 November 2015) ……… 72
xv
4.5 Proses Desorpsi Hari Ketiga (28 November 2015) ……… 74
4.6 Proses Adsorpsi Hari Ketiga (28 -29 November 2015) …… 74
4.7 Skala Ketinggian Awal Permukaan Metanol ……… 88
4.8 Volume Metanol Adsorpsi-desorpsi ……… 89
4.9 Energi radiasi matahari yang terukur pyranometer, Qrad... 90
4.10 Intensitas radiasi matahari yang diterima kolektor, Gb,T… 90
4.11 Energi radiasi matahari yang diterima kolektor, Qit... 91
4.12 Energi radiasi matahari yang diabsorpsi, S……… 91
4.13 Energi panas terbuang (heat losses), QL……… 92
4.14 Waktu optimum dan temperatur pemanasan kolektor …….. 93
4.15 Temperatur pendinginan air, ∆Tw……… 102
4.16 Tebal, konduktivitas dan luas bidang material insulasi
evaporator……… 103
4.17 Temperatur air dan lingkungan rata-rata ……… 104
4.18 Data intensitas radiasi matahari, RH, temperatur
lingkungan dan COP per hari ………. 107
4.19 Data X1, X2, X3dan Y ……… 107
xvi DAFTAR SIMBOL
Simbol Keterangan Satuan
Qrad Energi radiasi matahari J
I Intensitas radiasi matahari W/m2
Gbn; Ibn
Intensitas radiasi matahari dengan sudut masuk normal pada
bidang horizontal W/m2
Gb,T Intensitas radiasi pada bidang miring W/m2
Rb Rasio perbandingan Gbn terhadap Gb,T
θT Sudut datang radiasi matahari pada bidang miring
o
qcond Laju perpindahan panas konduksi W
qconv Laju perpindahan panas konveksi W
qr Laju perpindahan panas radiasi W
xvii
T∞ Temperatur lingkungan oC
� Konstanta Stefan-Boltzmann W/m2k4
U Koefisien perpindahan panas menyeluruh W/m2oC
Qit Energi radiasi matahari yang diterima kolektor J
Qic Energi panas yang digunakan kolektor J
Quc Kapasitas kalor pendinginan J
mac Massa karbon aktif kg
mr Massa refrigeran (metanol) kg
mi Massa es yang terbentuk kg
Vr Volume refrigeran (metanol) Liter
xr Ketinggian permukaan metanol Cm
Cpac Panas spesifik karbon aktif J/kg K
Cpr Panas spesifik refrigeran (metanol) J/kg K
Cpw Panas spesifik air J/kg K
Cpi Panas spesifik es kJ/kg
hsg Panas laten metanol kJ/kg
∆Tg Temperatur pemanasan K
Efisiensi termal kolektor surya %
COP Coefficient of Performance (koefisien performansi)
COPuc Koefisien performansi siklus aktual
COPuo Koefisien performansi sistem keseluruhan
Te1 Temperatur dinding evaporator 1 oC
Te2 Temperaturdinding evaporator 2 oC
Tw Temperatur air oC
Ti Temperaturmasuk/pipa atas kondensor oC
To Temperaturkeluar/pipa bawah kondensor oC
Tpa Temperatur plat atas kolektor/absorber oC
xviii
Tc Temperatur kaca (cover) oC
r Nilai korelasi
