RANCANG BANGUN MESIN PENDINGIN ADSORPSI
TENAGA SURYA DENGAN ADSORBEN KARBON AKTIF
GRANULAR DAN ADSORBAT METANOL
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
KENNY AUSTIN NIM. 100401084
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
ABSTRAK
Salah satu pemanfaatan energi surya adalah siklus pendingin adsorpsi dimana kinerjanya dipengaruhi oleh suhu dan intensitas radiasi matahari. Letak negara Indonesia yang secara geografis berada pada bidang ekuator menjadikan negara Indonesia memiliki energi surya yang melimpah. Komponen utama daripada penelitian ini terdiri dari kolektor / adsorber, kondensor, dan evaporator. Adapun bahan yang digunakan untuk semua komponen tersebut adalah stainless steel, dengan maksud bahwa stainless steel mempunyai konduktivitas termal yang baik. Pengujian ini menggunakan karbon aktif sebanyak 7 kilogram dan metanol sebanyak 3 liter sebagai refrigeran. Efisiensi tertinggi kolektor, kondensor, dan evaporator yang didapat selama pengujian masing – masing adalah 24%, 28%, dan 13.5%.
ABSTRACT
One of the utilization of solar energy is the adsorption refrigeration cycle where performance is affected by temperature and solar radiation intensity. Location of the Indonesian state that is geographically located on the equatorial plane making Indonesia the country has abundant solar energy. The main component of this research consisted collector / adsorber, condensor, and evaporator. All of these components are made of stainless steel, due to the good thermal conductivity for the test. This test uses activated carbon adsorbent of 7 kilogram and 3 litres of methanol as the refrigerant. The best efficiency result of the collector, condensor, and evaporator is 24%, 28%, dan 13.5%.
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa karena atas rahmat dan karunia-Nyalah penulis dapat menyelesaikan skripsi ini yang berjudul “RANCANG BANGUN MESIN PENDINGIN ADSORPSI TENAGA SURYA DENGAN ABSORBEN KARBON AKTIF GRANULAR DAN ADSORBAT METANOL”.
Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan Pendidikan Strata-1 (S1) pada Departemen Teknik Mesin sub bidang Konversi Energi, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
Dalam menyelesaikan skripsi ini tidak sedikit kesulitan yang dihadapi penulis, namun berkat dorongan, semangat, doa, dan bantuan baik materiil, moril, maupun spirituil dari berbagai pihak akhirnya kesulitan itu dapat teratasi. Untuk itu sebagai manusia yang tahu terima kasih, dengan penuh ketulusan hati penulis mengucapkan terima kasih yang tak terhingga kepada:
1. Bapak Tulus B. Sitorus, ST, MT. selaku Dosen Pembimbing yang dengan penuh kesabaran telah memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis.
2. Bapak Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc. selaku Dosen Pembanding I dan Bapak Ir. Zaman Huri, M.T. selaku Dosen Pembanding II yang telah memberikan masukan dan saran dalam penyelesaian skripsi ini.
3. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.
4. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT. selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.
5. Kedua orang tua penulis, Setiaanto Widjaja dan yang tidak pernah putus – putusnya memberikan dukungan, doa, dan kasih sayangnya yang tak terhingga kepada penulis.
7. Rekan-rekan khususnya Wunardi Surya, Christianto, Dwyanto, Hendri, Stefanus Wangsa, Michael Tanjaya, Helbert, Wilsen Simon, Derrick, dan seluruh rekan mahasiswa angkatan 2010 serta semua rekan mahasiswa Teknik Mesin yang telah mendukung dan memberi semangat kepada penulis.
Penulis meyakini bahwa tulisan ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu penulis akan sangat berterima kasih dan dengan senang hati menerima saran, usul, dan kritik yang membangun demi tercapainya tulisan yang lebih baik. Akhir kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat memberi manfaat kepada pembaca, Terima kasih.
Medan, 12 Mei 2016
DAFTAR ISI
ABSTRAK ... i
KATA PENGANTAR ... iii
DAFTAR ISI ... v
DAFTAR GAMBAR ... x
DAFTAR TABEL ... xiii
DAFTAR SIMBOL ... xiv
BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Masalah ... 1
1.2 Tujuan ... 1
1.3 Batasan Masalah ... 2
1.4 Manfaat Penulisan ... 2
1.5 Sistematika Penulisan ... 2
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Teori Umum Adsorpsi ... 4
2.2 Komponen – Komponen Mesin Pendingin Tenaga Surya ... 6
2.2.1 Kolektor Surya ... 6
2.2.1.1 Koefisien Kerugian ( ) ... 11
2.2.1.2 Persamaan Empiris Koefisien Kerugian ( ) ... 15
2.2.2 Kondensor ... 16
2.2.2.2 Analisis Kondensor ... 20
2.2.3 Evaporator ... 21
2.2.3.1 Perpindahan Kalor di dalam Evaporator ... 21
2.2.3.2 Jenis Evaporator ... 22
2.2.4 Kalor (Q) ...24
2.2.4.1 Kalor Laten ... 25
2.2.4.2 Kalor Sensibel ... 25
2.2.4.3 Perpindahan Panas ... 26
2.2.4.4 Perpindahan Panas Konduksi ... 26
2.2.4.5 Perpindahan Panas Konveksi ... 28
2.2.4.6 Perpindahan Panas Radiasi ... 29
2.2.5 Adsorben ... 30
2.2.6 Refrigeran ... 32
2.2.6.1 Metanol ... 32
2.2.7 Siklus Adsorpsi ... 34
BAB 3 METODOLOGI RANCANG BANGUN 3.1 Metode Pelaksanaan Perancangan ... 36
3.1.1 Diagram Alur Perancangan ...36
3.2 Tempat dan Waktu ... 36
3.2.1 Waktu Perancangan ... 36
3.2.2 Tempat Perancangan & Pemasangan ... 37
3.3.1 Alat ... 37
3.3.2 Bahan ... 46
3.4 Dimensi Alat Penelitian ... 47
3.4.1 Kolektor ... 47
3.4.1.1 Perancnangan Adsorber ... 48
3.4.1.2 Perancangan Kotak Isolasi Absorber ... 49
3.4.1.3 Perancangan Kaca Penutup ... 50
3.4.1.4 Dimensi Kolektor Surya ... 51
3.4.2 Perancangan Kondensor ...52
3.4.3 Evaporator ... 54
3.4.3.1 Kotak Insulasi ... 56
3.4.3.2 Wadah Penampung Air ... 56
3.5 Langkah Pembuatan Mesin Pendingin Tenaga Surya ...57
3.5.1 Pembuatan Kolektor ... 57
3.5.2 Pembuatan Kondensor ... 59
3.5.3 Pembuatan Evaporator ... 60
3.5.4 Pembuatan Wadah Air ... 61
3.5.5 Pembuatan Kotak Insulasi Evaporator ... 62
3.5.6 Pembuatan Rangka Mesin Pendingin ... 62
3.7.2 Proses Pengujian ... 62
4.2 Pemuaian Material Kolektor terhadap Panas Matahari ... 66
4.2.1 Pemuaian Luas Kaca Kolektor ... 67
4.2.2 Pemuaian Volume Plat Kolektor ... 67
4.3 Hasil Pengujian Ketahanan Material terhadap Panas Matahari ... 68
4.4 Data Hasil Pengujian ... 69
4.4.1 Pengujian Hari Ke 1 ... 69
4.4.2 Pengujian Hari Ke 2 ... 70
4.5 Pengolahan Data ... 71
4.5.1 Pengujian Hari Ke 1 ... 71
4.5.1.1 Kolektor (Adsorber) ... 71
4.5.1.2 Kondensor ... 75
4.5.1.3 Evaporator ... 77
4.5.2 Pengujian Hari Ke 2 ... 81
4.5.2.1 Kolektor (Adsorber) ... 81
4.5.2.2 Kondensor ... 85
4.5.2.3 Evaporator ... 88
4.6 Efisiensi Kolektor untuk Proses Desorpsi tanpa Adsorben ... 91
4.6.1 Pengujian Hari ke 1 ... 92
4.6.2 Pengujian Hari ke 2 ... 92
4.7 Daya yang Dihasilkan ………...……. 92
5.2 Saran ... 94 DAFTAR PUSTAKA ... 95
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Diagram Clayperon pada Sistem Pendingin Siklus Adsorpsi ... 5
Gambar 2.2 Flat Plate Collector ... 8
Gambar 2.3 Concentrating Collector ... 10
Gambar 2.4 Evacuated Tube Collector ... 11
Gambar 2.5 Perpindahan Panas Kolektor Surya Plat Datar ... 12
Gambar 2.6 Sirkuit Ekivalen untuk Tahanan Perpindahan Panas melalui Bagian Atas Kolektor ... 13
Gambar 2.7 Air Cooled Condenser ... 17
Gambar 2.8 Water Cooled Condenser ... 18
Gambar 2.9 Evaporative Condenser ... 19
Gambar 2.10 Bare Tube Evaporator ... 23
Gambar 2.11 Plate Surface Evaporator ... 23
Gambar 2.12 Finned Evaporator ... 24
Gambar 2.13 Karbon Aktif ... 31
Gambar 2.14 Metanol ... 33
Gambar 2.15 Siklus Dasar Refrigerasi Adsorpsi ... 34
Gambar 3.1 Diagram Alir Perancangan ... 36
Gambar 3.2 Tempat Perancangan & Pemasangan ... 37
Gambar 3.3 Pace XR Data Logger ... 38
Gambar 3.5 HOBO Micro Station ... 40
Gambar 3.6 Pompa Vakum ... 43
Gambar 3.7 Thermocouple ... 44
Gambar 3.8 Manometer Vakum ... 44
Gambar 3.9 Selang Karet ... 45
Gambar 3.10 Laptop... 45
Gambar 3.11 Gelas Ukur ... 45
Gambar 3.12 Obeng ... 46
Gambar 3.13 Model Adsorber ... 48
Gambar 3.14 Ruang Bagian Dalam Adsorber ... 49
Gambar 3.15 Model Kotak Insulasi ... 50
Gambar 3.16 Posisi Adsorber pada Kotak Isolasi ... 50
Gambar 3.17 Model Kaca Kolektor ... 51
Gambar 3.18 Model Kondensor... 53
Gambar 3.19 Model Fin Kondensor ... 53
Gambar 3.20 Model dan Ukuran Evaporator ... 55
Gambar 3.21 Kotak Insulasi Evaporator ... 56
Gambar 3.22 Wadah Penampung Air ... 57
Gambar 3.23 Proses Pengisian Kolektor ... 58
Gambar 3.24 Adsorber yang Sudah Terpasang Kain Kasa ... ...58
Gambar 3.25 Kolektor yang Sudah Dilapisi Kaca ... 59
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Sifat Adsorben Karbon Aktif ... 32
Tabel 2.2 Sifat Metanol ... 33
Tabel 3.1 Spesifikasi Measurement Apparatus ... 41
Tabel 3.2 Spesifikasi Pyranometer ... 41
Tabel 3.3 Spesifikasi Wind Velocity Sensor ... 42
Tabel 3.4 Spesifikasi T dan RH Smart Sensor ...42
Tabel 3.5 Konduktivitas Termal Bahan ... 51
Tabel 4.1 Hasil Pengujian Ketahanan Plat Kolektor terhadap Panas Matahari ... 78
Tabel 4.2 Hasil Pengujian Ketahanan Kaca terhadap Panas Matahari ... 78
Tabel 4.3 Proses Desorpsi Hari Ke-1 (6 Januari 2016) ... 78
Tabel 4.4 Proses Desorpsi Hari ke-1 (6 Januari 2016 – 7 Januari 2016) ... 79
Tabel 4.5 Proses Desorpsi Hari ke-2 (7 Januari 2016) ... 79
DAFTAR SIMBOL
SIMBOL ARTI SATUAN
Q kerugian panas atas W m K⁄
U koefisien kerugian panas atas
T temperatur plat K
T temperatur lingkungan K
T temperatur rata - rata K
T temperatur kaca penutup K
h koefisien radiasi
t tebal m
k konduktivitas termal
A luas sebelum terjadi pemuaian m2
A luas setelah terjadi pemuaian m2
∝ koefisien muai panjang
temperatur sebelum terjadi pemuaian ℃
temperatur setelah terjadi pemuaian ℃
volume sebelum terjadi pemuaian m3
ε emisivitas plat kolektor
ε emisivitas kaca kolektor
konstanta Stefan – Boltzman
β sudut kemiringan kolektor °
h koefisien perpindahan panas oleh angin W m K⁄
A luas permukaan plat m2
x tebal plat m2
k konduktivitas kalor W m⁄
T temperatur langit K
η efisiensi
δ tebal lapisan batas
Pr bilangan Prandtl
Gr bilangan Grashof
R bilangan Rayleigh
C kalor spesifik kJ kg K⁄
T suhu permukaan kondensor ℃
T suhu fluida ℃
koefisien ekspansi termal
kekentalan dinamik fluida kg cm⁄
Q kalor sensibel J
m massa kg
∆T perubahan suhu K
Q kalor laten J
L kapasitas kalor spesifik laten J kg⁄
