ANALISA KINERJA MESIN PENDINGIN TENAGA SURYA DENGAN
LUAS KOLEKTOR 0.25 m2 KEMIRINGAN 30° MENGGUNAKAN
KARBON AKTIF – METANOL SEBAGAI PASANGAN ADSORPSI
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa yang telah
memberikan rahmat dan anugerah-Nya kepada penulis sehingga dapat
menyelesaikan Tugas Sarjana ini dengan sebaik mungkin.
Tugas Sarjana ini merupakan salah satu syarat yang harus dilaksanakan
mahasiswa untuk menyelesaikan pendidikan agar memperoleh gelar sarjana di
Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun judul Tugas Sarjana ini adalah “ANALISA KINERJA MESIN PENDINGIN TENAGA SURYA DENGAN LUAS KOLEKTOR 0.25 m2 KEMIRINGAN
30° MENGGUNAKAN KARBON AKTIF – METANOL SEBAGAI PASANGAN ADSORPSI”
Dalam penulisan Tugas Sarjana ini penulis banyak mendapatkan bantuan baik
moral maupun materi dari berbagai pihak. Pada kesempatan ini penulis
mengucapkan terima kasih kepada :
1. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri Selaku Dosen Pembimbing yang
telah membimbing, dan membantu penulis dalam menyelesaikan Tugas
Sarjana ini.
2. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik
Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
3. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT. Selaku Sekretaris Departemen Teknik
Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
4. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
5. Kedua orang tua saya dan keluarga tercinta † J.R Purba dan D.Saragih
yang senantiasa memberikan dukungan, motivasi. Serta kepada abang
saya Jhon Paraides Purba S.pd. Dan kakak saya Juita E.J Purba S.Sos. Dan
juga adik saya Juliana Purba yang selalu memdoakan saya selama pengerjaan tugas sarjana ini.
6. Rekan satu tim Endy G Sijabat dan Kenny Austin atas kerja sama yang
baik untuk menyelesaikan penelitian ini.
7. Seluruh rekan-rekan Mahasiswa Departemen Teknik Mesin, khususnya
kepada teman - teman seperjuangan Angkatan 2012 dan 2013 Ekstensi
yang tidak dapat disebutkan satu - persatu yang telah membantu dan
memberi masukan yang berguna demi kelengkapan Tugas Sarjana ini.
8. Rekan Mapala Angkatan 2012 yang selalu mendukung baik suka maupun
duka.
Penulis menyadari bahwa Tugas Sarjana ini masih belum sempurna. Hal ini
dikarenakan terbatasnya pengetahuan dan pengalaman yang dimiliki penulis. Untuk
itu penulis sangat mengharapkan kritik dan saran-saran yang membangun dari
semua pihak untuk perbaikan tugas sarjana ini.
Akhir kata penulis berharap semoga Tugas Sarjana ini bermanfaat bagi
pembaca dan peneliti lainnya.
Medan, Agustus 2016
Penulis,
JUANDO PURBA
ABSTRAK
Matahari merupakan salah satu sumber penghasil energi terbesar di permukaan
bumi. Letak negara Indonesia yang secara geografis berada pada bidang equator
menjadikan negara Indonesia memiliki energi surya yang melimpah. 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 0.25 m² dan diatur pada kemiringan 30°. Kolektor diisi dengan 7
kg karbon aktif sedangkan evaporator diisi dengan 3 liter metanol. Media yang
didinginkan adalah air sebanyak 3 liter. Pengujian 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 dimana temperatur pendinginan
air minimum diperoleh 10.1°C. COP siklus aktual (COPuc) sebesar 0,1115 – 0,1033
dengan COP sistem keseluruhan (COPuo) sebesar 0,1297 – 0,1187.
Kata kunci: energi surya, kondensor, evaporator, karbon aktif, metanol, adsorpsi,
desorpsi
ABSTRACT
The sun is one of the largest source of energy in the earth's surface. Indonesian
which is geographically located on the equatorial plane making Indonesia the
country has abundant solar energy. According to
white book energy of Indonesia, the average irradiance which incidents in
Indonesia is 4.8 kWh/m²/day. The solar energy can he use as a main energy
source by adsorption cycle refrigeration machine to produce cooling for food
application. In this research, the main components of machine consists of
collector/absorber, condenser and evaporator. The collector/absorber has a surface
area of 0.25 m² and set-up with an inclination of 30°. Collector is loaded with 7 kg
of activated carbon while evaporator is filled with 3 liters of methanol. Medium to
be cooled is 3 liters water. The testing is divided into two periods of the desorption
process (07.00 am – 17.00 pm) and adsorption process (17.00 pm –
07.00 am).The test results showed that the lowest water that can be achieved during
the process of adsorption is 10.1 ° C. The actual or useful cycle COP is around
COPuc = 0,1115 – 0,1033 with the actual or useful overall COPuo = 0,1297 – 0,1187.
Keywords: solar energy, condenser, evaporator, active carbon, methanol,
adsorption, desorption
DAFTAR ISI
2.2.1 Jenis-Jenis Proses Adsorpsi ………... 9
2.2.2 Adsorben ... 11
2.2.2.1 Karbon Aktif Sebagai Adsorben………... 12
2.2.2.2 Pembuatan Karbon Aktif ……….. 13
2.2.2.3 Aplikasi Penggunaan Karbon Aktif …….. 15
2.2.3 Adsorbat……… 16
2.2.3.1 Metanol Sebagai Adsorbat………. 17
2.3 Prinsip Sistem Pendinginan Adsorpsi………. 17
2.4 Siklus Ideal Sistem Pendingin Adsorpsi………. 19
2.4.1 Faktor-Faktor yang Memperngaruhi Daya Adsopsi.. 23
2.5 Sistem Mesin Pendingin Siklus Adsorpsi ……… 25
2.5.1 Kolektor Surya……… 25
2.5.1.1 Klasifikasi Kolektor Surya………... 25
2.5.1.2 Kolektor Surya Pelat Datar……….. 26
2.5.2 Kondensor………... 26
2.5.3 Evaporator………... 27 2.6 Performansi Mesin Pendingin Siklus Adsorpsi Tenaga Surya ... 28
2.6.1 Energi Panas Radiasi Total yang Diterima Kolektor .…28 2.6.2 Energi Panas Radiasi yang Digunakan Kolektor.…… 28
2.6.3 Kapasitas Kalor yang Diserap Evaporator………….. 29
2.6.4 Efisiensi Termal Kolektor Surya………. 30
2.6.5 COP Sistem (Coeffiecient of Performance)…………. 30
3.3.3 Evaporator ……….... 48
3.3.4 Wadah Air……….. 48
3.3.5 Kotak Insulasi Evaporator ………. 49
3.4 Langkah Pembuatan Mesin Pendingin Adsorpsi ……… 49
3.4.1 Pembuatan Kolektor ……… 49
3.4.2 Pembuatan Kondensor ………. 52
3.4.3 Pembuatan Evaporator ………. 53
3.4.4 Pembuatan Wadah Penampungan Air……….. 53
3.4.5 Pembuatan Kotak Insulasi Evaporator……….. 54
3.5 Set-Up Eksperimental ……… 55
3.6 Prosedur Pengujian ……… 57
3.6.1 Tahap Persiapan………. 57
3.6.2 Proses Pengujian……… 60
3.7 Diagram Alir Penelitian……… 62
BAB IV ANALISA DATA 4.1 Hasil Pengujian……….. 63
4.1.1 Pengujian ……… 63
4.2. Analisa Grafik………... 65
4.2.1 Rata-Rata Intenitas Radiasi Matahari………. 65
4.2.2 Temperatur dan Tekanan Pengujian pada tanggal 6-7 januari 2016 ………... 66
4.2.3 Temperatur dan Tekanan Pengujian pada tanggal 7 - 8 januari 2016 ……….... 68
4.3 Pengolahan Data……… 71
4.3.1 Volume Metanol Teradsorpsi –Terdesorpsi……….. 71
4.3.2 Total Intensitas Radiasi Matahari yang Terukur oleh
Pyranometer………. 72
4.3.3 Intensitas Radiasi Matahari pada Bidang Miring (� =
30o)………... 75
4.3.4 Energi Panas Aktual yang Digunakan Kolektor……. 78
4.3.5 Efisiensi Aktual Kolektor……… 79
4.3.6 Kapasitas Kalor yang Diserap Evaporator……… 80
4.3.7 Koefisien Performansi Sistem (COP system)………. 81
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan……… 83
5.2 Saran……….. 84
Daftar Literatur/Pustaka
Lampiran
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Intensitas radiasi pada bidang horizontal (a), dan bidang yang
dimiringkan (b) ……… 6
Gambar 2.2 Proses adsorpsi dengan karbon aktif ... 9
Gambar 2.3 Karbon Aktif ……… 13
Gambar 2.4 Metanol ……… 17
Gambar 2.5 Prinsip dasar adsorpsi-desorpsi………. 18
Gambar 2.6 Diagram tekanan vs temperature ………. 20
Gambar 2.7 Diagram Clapeyron Ideal ………. 20
Gambar 2.8 Proses pemanasan ……… 21
Gambar 2.9 Proses pemanasan-desorpsi-kondensasi ……….. 22
Gambar 2.10 Proses pendinginan ……… 22
Gambar 2.11 Proses pendinginan-adsorpsi-evaporasi………. 23
Gambar 2.12 Kolektor surya pelat datar sederhana ……… 26
Gambar 3.1 Tempat Pengujian ……… 32
Gambar 3.8 Selang Karet……….. 41
Gambar 3.9 Laptop……….. 41
Gambar 3.10 Gelas Ukur……….. 42
Gambar 3.11 Obeng ……… 42
Gambar 3.12 Model Kolektor……….. 44
Gambar 3.13 Lapisan insulasi kolektor……… 45
Gambar 3.14 Kaca Penutup Kolektor (Sumber: Darwis, 2015)…………... 46
Gambar 3.15 Model kondensor……… 47
Gambar 3.16 Model evaporator……… 47
Gambar 3.17 Dimensi Wadah Air (Sumber: Darwis, 2015)………. 48
Gambar 3.18. Ukuran kotak pendingin (Sumber: Darwis, 2015)………….. 48
Gambar 3.19 Foto aktual Proses Pengisian Kolektor……….. 49
Gambar 3.20 Foto aktual adsorber telah terpasang kain kasa……… 50
Gambar 3.21 Foto aktual kaca kolektor ………... 51
Gambar 3.22 Foto aktual kondensor………. 52
Gambar 3.23 Foto aktual evaporator………. 53
Gambar 3.24 Foto aktual wadah Air………. 53
Gambar 3.25 Foto aktual insulasi evaporator……… 54
Gambar 3.26 Proses desorpsi mesin pendingin tenaga surya (siang hari)………... 55
Gambar 3.27 Proses adsorpsi mesin pendingin tenaga surya (malam hari)……….. 56
Gambar 3.28 Gambar Assembly komponen dan letak titik thermocouple……… 57
Gambar 3.29 Gambar Aktual Assembly komponen dan letak titik
thermocouple……… 58
Gambar 3.30 Diagram alir proses penelitian……… 61
Gambar 4.1 Grafik rata-rata intensitas radiasi matahari selama
pengujian………... 63
Gambar 4.2 Grafik Temperatur Desorpsi Pengujian 6 januari 2016…… 64 Gambar 4.3 Grafik Temperatur Adsorpsi Pengujian 6-7 januari 2016….. 65
Gambar 4.4 Grafik Tekanan Desorpsi vs Waktu……… 65
Gambar 4.5 Grafik Tekanan Adsorpsi vs Waktu……… 66
Gambar 4.6 Grafik Temperatur adsorpsi Pengujian 7-8 januari 2016 ….. 67
Gambar 4.7 Grafik Temperatur desorpsi Pengujian 7 januari 2016…….. 67 Gambar 4.8 Grafik Tekanan desorpsi vs waktu………... 68 Gambar 4.9 Grafik Tekanan Asorpsi vs Waktu………. 68
Gambar 4.10 Grafik total intensitas radiasi matahari yang terukur
pyranometer ………. 72
Gambar 4.11 Grafik total intensitas radiasi matahari pada bidang
miring(�=300)……….. 76
Gambar 4.12 Grafik efisiensi aktual kolektor ………. 79
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Perbedaan antara adsorpsi fisika dan kimia………. 11
Tabel 2.2 Sifat Adsorben Karbon Aktif……… . 13
Tabel 2.3 Sifat Metanol……….. 17
Tabel 2.4 COP Mesin Pendingin Siklus Adsorpsi ……… 30
Tabel 3.1 Spesifikasi Measurement Apparatus ………. 36
Tabel 3.2 Spesifikasi Pyranometer ………. 37
Tabel 3.3 Spesifikasi Wind Velocity Sensor ……… 37
Tabel 3.4 Spesifikasi T dan RH Smart Sensor……….. 38
Tabel 3.5 Spesifikasi Pompa Vakum ………... 40
Tabel 3.6 Spesifikasi thermocouple type J ………... 40
Tabel 3.7 Spesifikasi manometer vakum ……….. 41
Tabel 3.8 Spesifikasi kolektor ……….. 44
Tabel 3.9 Konduktifitas Bahan ……… 45
Tabel 3.10 Spesifikasi kaca (cover) penutup kolektor ……… 46
Tabel 3.11 letak titik thermocouple Desorpsi……… 55
Tabel 4.5 Skala Ketinggian Awal Permukaan Metanol……….. 69
Tabel 4.6 Volume Metanol Adsorpsi – Desorpsi……… 69
Tabel 4.7 Intensitas Radiasi Matahari yang Terukur Pyranometer……. 72
Tabel 4.10 Total intensitas Radiasi Matahari pada Permukaan Miring,
� =30o ……….. 75
Tabel 4.12 Energi Panas Aktual yang Digunakan Kolektor, Qic……….. 77
Tabel 4.13 Efisiensi Aktual Kolektor……….. 78
Tabel 4.14 Kapasitas kalor yang diserap evaporator ……….. 78
Tabel 4.15 Koefisien Performansi, COP system ………. 79
