RANCANG BANGUN ALAT PENGUJI KAPASITAS
ADSORPSI ADSORBEN ALUMINA AKTIF TERHADAP
REFRIGERAN
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
VINSENSIUS GINTING
NIM. 090401084
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
RANCANG BANGUN ALAT PENGUJI KAPASITAS
ADSORPSI ADSORBEN ALUMINA AKTIF TERHADAP
REFRIGERAN
VINSENSIUS GINTING NIM. 09 0401 084
Diketahui / Disahkan : Disetujui :
Departemen Teknik Mesin Dosen Pembimbing,
Fakultas Teknik USU Ketua,
Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri Tulus B Sitorus, ST., MT NIP: 196412241992111001 NIP. 197209232000121003
RANCANG BANGUN ALAT PENGUJI KAPASITAS
ADSORPSI ADSORBEN ALUMINA AKTIF TERHADAP
REFRIGERAN
VINSENSIUS GINTING NIM. 09 0401 084
Telah Disetujui Dari Hasil Seminar Skripsi Period ke 670 pada Tanggal 13 November 2013
Pembimbing,
Tulus B Sitorus, ST., MT NIP. 197209232000121003
RANCANG BANGUN ALAT PENGUJI KAPASITAS
ADSORPSI ADSORBEN ALUMINA AKTIF TERHADAP
REFRIGERAN
VINSENSIUS GINTING NIM. 09 0401 084
Telah Disetujui Dari Hasil Seminar Skripsi Period ke 670 pada Tanggal 13 November 2013
Pembanding I, Pembanding II,
Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST., MT NIP. 196412241992111001 NIP. 197206102000121001
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK USU MEDAN
KARTU BIMBINGAN
TUGAS SARJANA MAHASISWA
NO : 2096/TS/2013 Sub. Program Studi : Konversi Energi
Bidang Studi : Perpindahan Panas
Judul Tugas : Rancang Bangun Alat Penguji Kapasitas Adsorpsi Adsorben Alumina Aktif Terhadap Refrigeran
Diberikan Tgl. : 15 Mei 2013 Selesai Tgl. : 23 Oktober 2013 Dosen Pembimbing : Tulus B Sitorus ST., MT Nama Mhs : Vinsensius Ginting
N.I.M : 090401084
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 Juni 2013 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 Dosen Ketua Departemen Teknik Mesin
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
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN AGENDA : 2096 /TS/2013 FAKULTAS TEKNIK USU DITERIMA TGL. : / /2013
MEDAN PARAF :
TUGAS SARJANA
N A M A : VINSENSIUS GINTING
N I M : 09 0401 084
MATA PELAJARAN : PERPINDAHAN PANAS
SPESIFIKASI : RANCANG BANGUN ALAT PENGUJI KAPASITAS ADSORPSI DARI ADSORBEN ALUMINA AKTIF TERHADAP BEBERAPA REFRIGERAN SEPERTI METANOL, ETANOL, ALUMINA DAN MUSICOOL YANG DIGUNAKAN PADA MESIN PENDINGIN MESIN ADSORPSI TENAGA SURYA
DIBERIKAN TANGGAL : 15 MEI 2013 SELESAI TANGGAL : 23 OKTOBER 2013
MEDAN, 21 OKTOBER 2013 KETUA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN, DOSEN PEMBIMBING,
Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri Tulus B Sitorus, ST., MT
RANCANG BANGUN ALAT PENGUJI KAPASITAS ADSORPSI ADSORBEN
ALUMINA AKTIF TERHADAP REFRIGERAN
VINSENSIUS GINTING NIM. 09 0401 084
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 Sarjana ini dengan dengan baik dan tepat pada waktunya.
Penulisan Skripsi ini merupakan salah syarat mahasiswa S-1 untuk dapat menyelesaikan pendidikan agar memperoleh gelar sarjan di Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
Tugas Sarjana ini berjudul “Rancang Bangun Alat Penguji Kapasitor Adsorpsi Adsorben Alumina Aktif Terhadap Refrigeran” yang akan membahas tentang pengujian terhadap beberapa refrigeran (metanol, etanol, amonia, dan musicool ) dan Alumina Aktif sebagai adsorben.
Dalam penulisan skripsi ini, penulis banyak mendapat dukungan, masukan ide dari beberapa pihak. Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada :
1. Bapak Tulus B Sitorus, selaku dosen Pembimbing yang telah banyak meluangkan waktu untuk membimbing dalam pengujian dan penulisan, 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 yang diperlukan selama kuliah.
5. Kepada kedua Orang tua saya, Drs. S Ginting dan Maria T yang selalu memberikan dukungan kepada penulis dan kasih sayang yang tak dapat terbalaskan.
6. Kak Magdalena Lucia Ginting,B.Eng dan Prisilia Jesica Ginting,SE yang memberikan dukungan, motivasi, nasehat kepada penulis.
7. Rekan satu Tim, Oloan Purba atas kerja sama yang baik untuk menyelesaikan penelitian ini.
8. Seluruh rekan mahasiswa Teknik Mesin yang telah memberikan bantuan sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini dan 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. Tuhan memberkati.
Medan,11 Oktober 2013 Penulis,
ABSTRAK
Salah satu faktor yang mempengaruhi merancang mesin pendingin siklus adsorpsi adalah perbandingan yang ideal antara adsorben dan refrigeran. Pada penelian ini menggunakan alumina aktif sebagai adsorben sebanya 1 kg. Refrigeran yang digunakan yaitu metanol, etanol, amonia dan musicool. Alat penguji kapasitas adsorpsi yang digunakan dilengkapi dengan lampu sorot halogen 1000 W sebagai sumber panas. Adsorber yang digunakan terbuat dari bahan stainless steel yang bertujuan agar tahan terhadap korosi akibat dari variasi refrigeran yang digunakan ada pun luas penampang dari absorben ini 0,07 m2. Yang mempengaruhi sistem alat penguji mesin pendingin adsorpsi adalah temperatur (Tadsorben),volume dan tekanan. 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 alumina aktif adalah sebanyak 320 mL.
ABSTRACT
One of the factors that influence the design of the cycle of adsorption of a cooling machine is an ideal comparison between adsorbent and refrigerant. In this experiment, the use of activated alumina as adsorbent is 1 kg. Refrigerant that is used is methanol, ethanol, ammonia, and musicool. Adsorption capacity testing equipment that is used is equipped with 1000 W halogen spot light as source of heat. Adsorber that used is made of stainless steel that is meant to be resistant with corrosive nature because of the variation of refrigerant that is used
and that the surface area of this absorbent is 0,07 m2 . The thing which influence
the cycle of adsorption of a cooling machine is temperature, (Tadsorbant), volume,
and pressure. 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 alumina adsorbent is 320 mL.
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ... i
ABSTRAK ... iii
DAFTAR ISI ... v
DAFTAR GAMBAR ... viii
DAFTAR TABEL ... xi
DAFTAR SIMBOL ... xii
BAB I PENDAHULUAN 1.1Latar Belakang ... 1 1.2Tujuan Penlitian ... 1 1.3Batasan Masalah ... 2 1.4Manfaat Penelitian ... 2 1.5Sistematika Penulisan ... 2
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Siklus Adsorpsi ... 4
2.1.1 Teori Umum Adsorpsi ... 4
2.2 Adsorben ... 7
2.2.1 Alumina aktif ... 7
2.2.2 Pembuatan Alumina aktif ... 8
2.2.3 Kegunaan Alumina aktif ... 10
2.3 Refrigeran ... 10
2.3.1 Metanol ( CH3OH)... 12
2.3.3 Amonia 2.3.4 Musicool ... 15 2.4 Keamanan Refrigeran ... 17 2.5 Kalor (Q) ... 18 2.5.1 Kalor Laten ... 18 2.5.2 Kalor sensibel ... 18 2.5.3 Perpindahan Panas ... 19
BAB III METODOLOGI 3.1 Tempat dan Waktu ... 24
3.2 Bahan ... 24
3.3 Alat Ukur Yang Digunakan Pada Pengujian Kapasitas Adsorpsi ... 25
3.4 Peralatan ... 26
3.5 Set-Up Eksperimental ... 28
3.5.1 Prosedur Pengujian ... 30
3.6 Alat Penguji Kapasitas Adsopsi Dari Mesin Pendingin ... 32
3.6.1 Dimensi Utama Alat Penguji Kapasitas Adsorpsi ... 34
3.7 Langkah Pembuatan Alat Penguji Kapasitas Adsorpsi Padamesin Pendingin Adsorpsi ... 36
3.7.1 Pembuatan adsorber ... 36
3.7.2 Pembuatan gelas ukur ... 39
3.8 Flowchart Penelitian ... 40
BAB IV ANALISIS DATA 4.1 Hasil Pengujian ... 41
4.1.1.1 Data Pemvakuman Alat Penguji Mesin Pendingin
Adsorpsi ... 42
4.1.1.2 Data Pengujian Adsorpsi ... 46
4.1.1.3 Data Pengujian Desorpsi ... 55
4.1.2 Pengujian Dengan Gelas Ukur Diisolasi ... 61
4.1.2.1 Data Pemvakuman Alat Penguji Mesin Pendingin Adsorpsi ... 61
4.1.2.2 Data Pengujian Adsorpsi ... 64
4.1.2.3 Data Pengujian Desorpsi ... 72
4.2 Neraca Kalor ... 78
4.2.1 Perhitungan Kalor Laten dengan Gelas Ukur tidak Diisolasi ... 78
4.2.2 Perhitungan Kalor Laten dengan Gelas Ukur Diisolasi ... 81
4.2.3 Kalor Yang Diserap Gelas Ukur ... 83
4.3 Analisa Perpindahan Panas pada Adsorber saat desorpsi (pemanasan). 85 4.4 Analisa Perpindahan Panas Pada Saat Adsorpsi ... 87
BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan ... 97
5.2 Saran ... 98
DAFTAR PUSTAKA ... xiv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Siklus Dasar Refrigerasi Adsorpsi ... 5
Gambar 2.2 Diagram Clayperon pada Sistem Pendingin Siklus Adsorpsi ... 6
Gambar 2.3 Alumina Aktif ... 7
Gambar 2.4 Diagram proses pembuatan alumina ... 9
Gambar 2.5 Metanol ( CH3OH) ... 13
Gambar 2.6 Etanol/Alkohol Cair ( C2H5OH) ... 14
Gambar 2.7 Amonia Cair (NH3) ... 15
Gambar 2.8 MC-134 ... 15
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) ... 22
Gambar 2.12 Konveksi Natural pada Bidang Horizontal (tipe B) ... 23
Gambar 3.1 Alumina aktif... 24
Gambar 3.2 Manometer Vakum ... 25
Gambar 3.3 Agilent ... 26
Gambar 3.4 Pompa Vakum ... 26
Gambar 3.5 Katub ... 27
Gambar 3.6 Pipa Penghubung ... 27
Gambar 3.7 Selang Karet ... 28
Gambar 3.8 Box Styrofoam ... 28
Gambar 3.9 Skema Proses Desorpsi ... 29
Gambar 3.10 Skema Proses Adsorpsi ... 30
Gambar 3.11 Alat Penguji Adsorpsi ... 32
Gambar 3.12 Alat Penguji Kapasitas Adsorpsi dengan gelas ukur Disolasi... 33
Gambar 3.13 Dimensi Alat Penguji ... 34
Gambar 3.14 Dimensi Kolektor ... 35
Gambar 3.15 Gelas Ukur ... 35
Gambar 3.16 Bentuk Adsorber ... 36
Gambar 3.18 Pemasangan Kawat Nyamuk ... 37
Gambar 3.19 Penyambungan Pelat Adsorber ... 37
Gambar 3.20 Pemasangan Pipa dan Valve ... 38
Gambar 3.21 Adsorber Lengkap ... 38
Gambar 3.22 Adsorber Setelah Dicat Hitam ... 38
Gambar 3.23 Pembuatan Gelas Ukur ... 39
Gambar 3.24 Gelas Ukur ... 39
Gambar 4.1 Letak Titik-Titik thermocouple pada Alat Penguji ... 41
Gambar 4.2 Grafik Temperatur Pemvakuman Alat Penguji Adsorpsi Metanol ... 42
Gambar 4.3 Grafik Suhu Rata-Rata Adsorber Metanol ... 43
Gambar 4.4 Grafik Temperatur Pemvakuman Alat Penguji Adsorpsi Etano ... 43
Gambar 4.5 Grafik Suhu Rata-Rata Adsorber Etanol ... 44
Gambar 4.6 Grafik Temperatur Pemvakuman Alat Penguji Adsorpsi Amonia .... 44
Gambar 4.7 Grafik Suhu Rata-Rata Adsorber Amonia ... 45
Gambar 4.8 Awal sebelum pengisian Musicool ke dalam Gelas Ukur ... 45
Gambar 4.9 Proses mengisi musicool ke dalam alat uji ... 46
Gambar 4.10 Pengisian musicool ( a ) Sebelum dan ( b ) Sesudah ... 46
Gambar 4.11 Grafik Adsober Pada Proses Adsorpsi Metanol ... 48
Gambar 4.12 Grafik Tekanan Metanol ... 48
Gambar 4.13 Grafik Adsorpsi Pada Gelas Ukur Metanol ... 49
Gambar 4.14 Grafik Adsober Pada Proses Adsorpsi Etanol ... 51
Gambar 4.15 Grafik Tekanan Etanol ... 51
Gambar 4.16 Grafik Adsorpsi Pada Gelas Ukur Etanol ... 52
Gambar 4.17 Grafik Adsober Pada Proses Adsorpsi Amonia ... 53
Gambar 4.18 Grafik Tekanan Amonia ... 54
Gambar 4.19 Grafik Adsorpsi Pada Gelas Ukur Amonia ... 54
Gambar 4.20 Grafik Desorpsi Pada Adsorber Metanol ... 55
Gambar 4.21 Grafik Desorpsi Temperatur Rata - Rata Metanol ... 56
Gambar 4.22 Grafik Desorpsi Pada Gelas Ukur Metanol ... 56
Gambar 4.23 Grafik Desorpsi Pada Adsorber Etanol ... 57
Gambar 4.24 Grafik Temperatur Rata – Rata Adsorber Etanol ... 58
Gambar 4.26 Grafik Desorpsi Pada Adsorber Amonia ... 59
Gambar 4.27 Grafik Temperatur Rata - Rata Adsorber Amonia ... 60
Gambar 4.28 Grafik Desorpsi Pada Gelas Ukur Amonia ... 60
Gambar 4.29 Grafik Temperatur Pemvakuman Alat Penguji Adsorpsi Metanol Diisolasi ... 62
Gambar 4.30 Grafik Temperatur Pemvakuman Alat Penguji Adsorpsi Etanol Diisolasi ... 63
Gambar 4.31 Grafik Temperatur Pemvakuman Alat Penguji Adsorpsi Amonia Diisolasi ... 64
Gambar 4.32 Grafik Adsober Pada Proses Adsorpsi Metanol Diisolasi ... 66
Gambar 4.33 Grafik Tekanan Metanol Diisolasi ... 66
Gambar 4.34 Grafik Temperatur Adsorpsi Pada Gelas Ukur Metanol Diisolasi .. 67
Gambar 4.35 Grafik Temperatur Adsober Pada Proses Adsorpsi Etanol Diisolasi ... 68
Gambar 4.36 Grafik Tekanan Etan ol Diisolasi ... 69
Gambar 4.37 Grafik Temperatur Adsorpsi Pada Gelas Ukur Etanol Diisolasi ... 69
Gambar 4.38 Grafik Temperatur Adsober Pada Proses Adsorpsi Amonia Diisolasi ... 71
Gambar 4.39 Grafik Tekanan Amonia Diisolasi... 71
Gambar 4.40 Grafik Temperatur Pada Gelas Ukur Amonia Diisolasi... 72
Gambar 4.41 Grafik Desorpsi Pada Adsorber Metanol Diisolasi ... 73
Gambar 4.42 Grafik Desorpsi Temperatur Rata - Rata Metanol Diisolasi ... 73
Gambar 4.43 Grafik Desorpsi Pada Gelas Ukur Metanol Diisolasi... 74
Gambar 4.44 Grafik Desorpsi Pada Adsorber Etanol Diisolasi ... 75
Gambar 4.45 Grafik Temperatur Rata – Rata Adsorber Etanol Diisolasi ... 75
Gambar 4.46 Grafik Desorpsi Pada Gelas Ukur Etanol Diisolasi ... 76
Gambar 4.47 Grafik Desorpsi Pada Adsorber Amonia Diisolasi ... 77
Gambar 4.48 Grafik Temperatur Rata - Rata Adsorber Amonia Diisolasi ... 77
Gambar 4.49 Grafik Desorpsi Pada Gelas Ukur Amonia Diisolasi ... 78
Gambar 4.50 Mekanisme Perpindahan Panas pada Adsorber ... 85
DAFTAR TABEL
Table 2.1 Sifat Alumina Aktif ... 8 Tabel 2.2 Sifat Metanol ... 12 Tabel 2.3 Sifat Fisika dan Termodinamika Musicool ... 16 Tabel 4.1 Data Pengukuran Temperatur Rata – Rata Dan Tekanan Adsorpsi Pada Metanol ... 47 Tabel 4.2 Data Pengukuran Tekanan dan Temperatur Rata-Rata
Adsorpsi Etanol ... 49 Tabel 4.3 Data Pengukuran Tekanan dan Temperatur Rata – Rata Adsorpsi Pada
Amonia ... 52 Tabel 4.4 Data Pengukuran Tekanan Dan Temperatur Rata – Rata Adsorpsi Yang Diisolasi Pada Metanol ... 65 Tabel 4.5 Data Pengukuran Tekanan Dan Temperatur Rata – Rata Adsorpsi Yang Diisolasi Pada Etanol ... 68 Tabel 4.6 Data Pengukuran Tekanan Dan Temperatur Rata – Rata Adsorpsi Yang Diisolasi Pada Amonia ... 71
DAFTAR SIMBOL
Simbol Arti Satuan
Cp Kalor spesifik tekanan tetap J/kg.K
Cv kalor spesifik volume tetap J/kg.K
QL Kalor laten J
Le Kapasitas kalor spesifik laten J/kg
m Massa zat kg
Qs Kalor sensible J
∆T Beda temperatur K
∆x Panjang/tebal pelat m
Qsp Kapasitas pendinginan spesifik kJ/s/m2
h Koefisien konveksi W(m2.K)
A Total luas penampang plat m2
k Koefisien konduksi W/mK
t interval waktu s
Tgl Temperatur gelas ukur K
Ts Temperatur adsorber K
Tb Temperatur bawah adsorber K
Tf Temperatur film K
Q Laju perpindahan panas W
P Tekanan Vakum cmHg
ε emisitas dari pelat penyerap
