RANCANG BANGUN MESIN PENDINGIN RUANGAN DENGAN MENGGUNAKAN ENERGI SURYA DAN CAMPURAN AIR, GARAM, DAN ES SEBAGAI MEDIA PENDINGIN

(1)

RANCANG BANGUN MESIN PENDINGIN RUANGAN DENGAN

MENGGUNAKAN ENERGI SURYA DAN CAMPURAN

AIR, GARAM, DAN ES SEBAGAI MEDIA PENDINGIN

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

STEFANUS WANGSA NIM. 100401029

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

i

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 RUANGAN DENGAN MENGGUNAKAN ENERGI SURYA DAN CAMPURAN AIR, GARAM, DAN ES SEBAGAI MEDIA PENDINGIN”.

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. A. Halim Nasution, M.Sc. selaku Dosen Pembanding I dan Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST, MT. 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, Heny Wangsa dan Sufiana serta kakak penulis, Emilia Wangsa yang tidak pernah putus – putusnya memberikan dukungan, doa, dan kasih sayangnya yang tak terhingga kepada penulis. 6. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin, yang

telah membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama penulis kuliah.

(11)

ii

7. Rekan-rekan khususnya Wunardi Surya, Christianto, Dwyanto, Hendri, Kenny Austin, 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.

8. Teman – teman yang selalu memotivasi khususnya Danny, Kevin, Cindy, Jimmy, Ralf dan semua teman – teman yang berada di Keluarga Mahasiswa Buddhis yang telah memberi semangat.

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, Februari 2015

(12)

iii

ABSTRAK

Penggunaan mesin pendingin bertujuan untuk mengkondisikan dan menyegarkan udara ruangan (pengkondisian udara). Terdapat mesin pendingin ruangan jenis lain yang menggunakan listrik dan refrigeran. Mesin pendingin ruangan yang dibahas adalah mesin pendingin yang dapat menyejukkan ruangan dengan menggunakan energi surya serta campuran air, garam, dan es sebagai media pendingin yang ramah lingkungan. Campuran air, garam, dan es dapat menurunkan titik beku cairan sehingga penyerapan kalor lebih efektif. Panas dari udara lingkungan dan infiltrasi dalam mesin pendingin ruangan disebut sebagai beban pendingin. Tujuan dari rancang bangun adalah mengetahui kelebihan styrofoam sebagai material utama mesin pendingin ruangan, menentukan dimensi mesin pendingin, mengetahui efek penurunan titik beku dengan menggunakan garam, dan mengetahui ukuran ruangan yang dapat disejukkan oleh mesin pendingin. Dalam melakukan rancang bangun sebuah mesin pendingin ruangan, dilakukan penentuan dimensi mesin pendingin ruangan dengan mempertimbangkan kapasitas media pendingin, pembuatan design dengan

AUTOCAD 2011, penyiapan alat bahan, dan perakitan mesin pendingin. Dari

proses rancang bangun diperoleh kesimpulan bahwa styrofoam sebagai bahan dasar untuk merancang mesin pendingin mempunyai tingkat kekakuan yang tinggi serta konduktivitas termal yang rendah, dan garam dapat berfungsi sebagai media penurunan titik beku yang baik.

Kata kunci: mesin pendingin, air, garam, es, beban pendingin, media pendingin, energi surya

(13)

iv

ABSTRACT

The usage of cooling machine is to condition and cools the air of the room (air conditioning). There are other types of room cooling machine using electric and refrigerant. The room cooling machine that will be discussed is the one which can cool the room using solar energy as well as a mixture of water, salt, and ice as an friendly coolant. The mixture of water, salt, and ice can lower the freezing point of the liquid so that the absorption of heat will be more effective. The heat from ambient air and infiltration in room cooling machine called a cooling load. The purpose of design is to know the advantages of styrofoam as the main material for this room cooling machine, determine the dimension of cooling machine, find out the effect of freezing point depression by using salt and find out the size of the room that can be cooled by this cooling machine. In designing this room cooling machine, conducted by determination of room cooling machine which has to consider the coolant capacity, designing by using AUTOCAD 2011, preparation of the materials and assembling the cooling machine. From the assembling process, there are some conclusions such as styrofoam being the basis for designing the cooling machine has a high degree of stiffness and low thermal conductivity, and salt can be serve as good freezing point depression medium. Keywords: cooling machine, water, salt, ice, cooling load, coolant, solar energy

(14)

v

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR ... i ABSTRAK ... iii ABSTRACT ... iv DAFTAR ISI ... v

DAFTAR GAMBAR ... vii

DAFTAR TABEL ... viii

DAFTAR SIMBOL ... ix

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang Masalah ... 1

1.2 Tujuan ... 2

1.3 Batasan Masalah ... 2

1.4 Manfaat Penulisan ... 2

1.5 Sistematika Penulisan ... 2

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 4

2.1 Mesin Pendingin ... 4

2.1.1 Pengertian Mesin Pendingin ... 4

2.1.2 Sejarah Mesin Pendingin ... 4

2.2 Pemilihan Styrofoam sebagai Bahan Utama ... 7

2.2.1 Pengertian dan Karakteristik Styrofoam ... 7

2.2.2 Styrofoam sebagai Insulasi Termal ... 8

2.3 Sifat dan Kekuatan Bahan ... 9

2.4 Media Pendingin ... 10

2.5 Air, Garam, dan Es ... 11

2.5.1 Air sebagai Media Pendingin ... 11

2.5.2 Sifat Koligatif Larutan ... 12

2.5.3 Garam Dapur sebagai Media Penurunan Titik Beku ... 14

(15)

vi 2.7 Ukuran Ruangan ... 15 2.7 Energi Surya ... 17 2.7.1 Panel Surya ... 17 2.7.2 Charge Controller ... 18 2.7.3 Akumulator ... 19

2.8 Prinsip Kerja Mesin Pendingin Ruangan ... 20

BAB III METODOLOGI PERANCANGAN ... 21

3.1 Diagram Alir Perancangan ... 21

3.2 Penentuan Dimensi Mesin Pendingin Ruangan ... 22

3.3 Pembuatan Desain Mesin Pendingin Ruangan ... 22

3.4 Penyiapan Alat dan Bahan Perancangan ... 23

3.4.1 Penyiapan Alat ... 23

3.4.2 Penyiapan Bahan ... 25

3.5 Perakitan Mesin Pendingin Ruangan ... 28

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 29

4.1 Efek Penurunan Titik Beku Garam ... 29

4.2 Analisa Dimensi Mesin Pendingin ... 32

4.3 Analisa Sifat dan Kekuatan Bahan Styrofoam ... 34

4.3.1 Densitas Styrofoam ... 34

4.3.2 Kekakuan Styrofoam ... 35

4.4 Analisa Ukuran Ruangan Terhadap Beban Pendingin ... 36

4.5 Analisa Panel Surya dan Akumulator ... 37

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 40

5.1 Kesimpulan ... 40

5.2 Saran ... 40

DAFTAR PUSTAKA ... 41 LAMPIRAN

(16)

vii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Perbedaan Titik Beku Air dengan Tiga Jenis Larutan Lain ... 13

Gambar 2.2 Panel Surya ... 17

Gambar 2.3 Charge Controller ... 19

Gambar 2.4 Akumulator ... 19

Gambar 2.5 Prinsip Kerja Mesin Pendingin Ruangan ... 20

Gambar 3.1 Diagram Alir Perancangan Mesin Pendingin Ruangan ... 21

Gambar 3.2 Dimensi Mesin Pendingin Ruangan ... 22

Gambar 3.3 Desain Mesin Pendingin Ruangan ... 23

Gambar 3.4 Cutter ... 23

Gambar 3.5 Jangka ... 24

Gambar 3.6 Gelas Ukur ... 24

Gambar 3.7 Timbangan Dapur ... 24

Gambar 3.8 Laptop ASUS A46CM ... 25

Gambar 3.9 Styrofoam ... 25

Gambar 3.10 Kipas Angin DC ... 26

Gambar 3.11 Pipa Elbow ... 26

Gambar 3.12 Solar Panel ... 26

Gambar 3.13 Charge Controller ... 27

Gambar 3.14 Akumulator ... 27

(17)

viii

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Karakteristik Styrofoam ... 8

Tabel 2.2 Konduktivitas Thermal Bahan ... 9

Tabel 2.3 Nilai Insulasi Ruangan ... 16

Tabel 2.4 Konstanta Arah Ruangan ... 16

Tabel 3.1 Penentuan Dimensi Mesin Pendingin Ruangan ... 22

(18)

ix

DAFTAR SIMBOL

Huruf Latin

Simbol Keterangan Satuan

A Luas penampang m2

E Konstanta arah ruangan -

E Modulus Young Pa E Energi Wh F Gaya N FF Fill factor - G Massa zat g Gt Radiasi pasti W/m2 H Tinggi ruangan m

i Faktor Van’t Hoff -

I Nilai insulasi ruangan -

Im Kuat arus maksimum A

Isc Kuat arus rangkaian pendek A

Kf Tetapan penurunan titik beku molal 0C/mol

L Bilangan Avogadro -

L Panjang ruangan m

l Panjang mula – mula cm

m Massa kg

m Molalitas m

Mr Massa atom relatif g/mol

n Jumlah mol mol

P Daya W

P Massa zat pelarut g

Pmax Daya maksimum W

Pin Daya cahaya insiden W

(19)

x

Q Beban pendingin W

Ql,tot Beban laten total W

Qpp,tot Beban perpindahan panas total W

Qs,tot Beban sensibel total W

Tf larutan Titik beku larutan 0C

Tf pelarut Titik beku pelarut 0C

tp Waktu puncak s

V Volume m3

V Tegangan listrik V

Vm Tegangan maksimum V

Voc Tegangan rangkaian terbuka V

W Lebar ruangan m

X Jumlah partikel

molekul

Huruf Yunani

Simbol Keterangan Satuan

ρ Densitas kg/m3

σ Tegangan Pa

𝜖 Regangan -

∆𝑙 Pertambahan panjang cm

ΔTf Penurunan titik beku larutan 0C