Helbert, Tulus Burhanuddin Sitorus Universitas Sumatera Utara

RANCANG BANGUN DAN PENGUJIAN MESIN PENDINGIN DENGAN MENGGUNAKAN

ETANOL 96% SEBAGAI REFRIGERAN

Helbert, Tulus Burhanuddin Sitorus

Universitas Sumatera Utara

QuasWeX@hotmail.com

ABSTRAK

Penggunaan mesin pendingin diantaranya bertujuan untuk mengkondisikan dan mendinginkan ruangan. Mesin pendingin sering juga digunakan untuk mendinginkan dan mengawetkan makanan dan minuman. Mesin pendingin tanpa listrik dengan menggunakan etanol sebagai refrigeran. Etanol berfungsi sebagai penyerap kalor. Untuk menurunkan titik uap etanol digunakan pompa diafragma. Panas dari dalam wadah dan udara luar disebut beban pendingin. Tujuan dari pengujian antara lain mengetahui beban pendingin, temperatur terendah dan cara kerjanya. Dalam perancangan desain dilakukan studi litelatur, ukuran mesin dan daya tampung. Kemudian desain dibuat dalam software AutoCAD 2011. Setelah itu alat bahan dipersiapkan dan merakit mesin pendingin. Mesin kemudian diuji dengan menggunakan alat uji agilent, termokopel dan HOBO. Dari pengujian diperoleh temperatur dalam dan luar ruangan, intensitas radiasi matahari, dew point, dan RH. Dari pengujian diperoleh kesimpulan bahwa styrofoam cocok digunakan karena kekakuan yang tinggi dan konduktivitas termal yang rendah, total beban pendingin 6,7529 W, temperatur terendah 16-17℃ dari 32-33℃ dalam waktu 1,5-2 jam dengan menggunakan etanol 96% sebanyak 300ml.

Kata Kunci: mesin pendingin, etanol, beban pendingin 1. PENDAHULUAN

Semakin berkembangnya jumlah populasi manusia akan meningkatkan jumlah permintaan di pasar. Untuk memenuhi kebutuhan pasar diperlukan teknologi yang maju, ekonomis, efisien serta ramah lingkungan. Selain aspek produktivitas yang perlu ditingkatkan untuk memenuhi kebutuhan pasar, teknik pengolahan dan pengawetan produk pun perlu dikembangkan untuk memenuhi permintaan pasar global. Akan tetapi, ketersediaan energi khususnya energi listrik belum sepenuhnya menjangkau seluruh wilayah khususnya daerah perdesaan. Ini menyebabkan kerugain pada bidang pertanian khususnya buah dan sayur akibat pembusukan. Untuk memaksimalkan manfaat hasil pertanian maka diterapkan teknologi berupa pengawetan dengan menggunakan mesin pendingin. Mesin pendingin tanpa menggunakan energi listrik cocok untuk perdesaan yang belum tersentuh energi listrik. Oleh karena itu penulis memutuskan merancang sebuah mesin pendingin dengan menggunakan refrigeran alkohol 96% untuk mengurangi kerugian petani akibat pembusukan.

2. TINJAUAN PUSTAKA

Mesin pendingin merupakan mesin yang berfungsi untuk memindahkan panas dari lingkungan bersuhu rendah ke lingkungan bersuhu tinggi. Mesin pendingin dapat dibayangkan sebagai mesin kalor yang beroperasi secara terbalik[1]_.

Styrofoam

Styrofoam berupa bahan insulasi termal yang digunakan untuk mengurangi laju perpindahan panas / kalor, yang disebut juga sebagai isolator. Panas dapat lolos meskipun ada upaya untuk menutupinya, tapi isolator mengurangi panas yang lolos tersebut.

Karakteristik dari styrofoam diberikan pada Tabel 1. Tabel 1. Karakteristik Styrofoam[2]

Sifat Fisis Nilai

Densitas 25 – 200 kg/m3

Konduktivitas Thermal 0,033 W/mK

Modulus Young (E) 3000 – 3600 MPa

Kekuatan Tarik 40 – 60 MPa

Etanol

Etanol disebut juga etil alkohol, alkohol murni, alkohol absolute, atau alkohol adalah cairan yang mudah menguap, mudah terbakar, tidak berwarna dan merupakan jenis alkohol yang paling sering digunakan dalam kehidupan sehari-hari.

Sifat etanol diberikan pada Tabel 2. Tabel 2. Sifat Etanol[3]

Densitas 0.789 g/cm3 Titik Lebur -114.3℃ Titik Didih 78.4℃ Titik Nyala 13℃ (55.4℉) Kalor Jenis 2400 J/kg℃ (0,57 kkal/kg℃) Kalor Lebur 104.000 J/kg Kalor Uap 855.000 J/kg

Data diatas berlaku pada temperature dan tekanan standar (25℃, 100kPa) Karbon Aktif

Karbon aktif atau disebut juga batu bara aktif atau arang aktif, adalah bentuk lain dari pemrosesan karbon dimana karbon yang sudah diproses ini memiliki volume pori yang kecil yan mengakibatkan meningkatnya luas permukaan sentuh yang berguna untuk proses adsorpsi dan reaksi kimia.

Pompa Vakum

Pompa diafragma adalah pompa yang mentransfer energi dari penggerak ke cairan melalui batang penggerak yang bergerak bolak-balik untuk menggerakkan diafragma sehingga timbul isapan dan penekanan secara bergantian antara katup hisap dan katup tekan. Keuntungan menggunakan pompa diafragma adalah hanya pada diafragma saja yang bersentuhan dengan fluida sehingga mengurangi kontaminasi terutama bagain penggerak.

Beban pendingin

Terdapat tiga cara perpindahan kalor, yaitu: 1. Konduksi (sentuhan)

2. Konveksi (aliran) 3. Radiasi (pancaran)

Konduksi

Laju perpindahan pada dinding berlapis berdasarkan material dapat dihitung berdasarkan persaman: [4] Qkond,konv = 1 𝑇∞,1−𝑇∞,4 ℎ1𝐴 + 𝐿1 𝑘1𝐴 + 𝐿2 𝑘2𝐴 + 𝐿3 𝑘3𝐴 + 1 ℎ4𝐴 (1)

Dimana: Qkond,konv = Laju perpindahan panas konduksi konveksi (W) T∞,1 = Suhu fluida bagian luar (K)

Ts,1 = Suhu permukaan dinding luar A (K) T2 = Suhu permukaan dinding luar B (K) T3 = Suhu permukaan dinding luar C (K) Ts,4=Suhu permukaan dinding dalam C (K) T∞,4 = Suhu fluida bagian dalam (K) L = Tebal material dinding (m)

k = konduktivitas panas material (W/mK) h = koefisien konveksi fluida (W/m2_K) Konveksi

Ada dua jenis perpindahan panas secara konveksi, yaitu: 1. Konveksi alamiah / bebas

2. Konveksi paksa

Konveksi Bebas Pelat Horizontal

Tahap pertama yaitu menghitung bilangan Rayleigh. Aliran laminar mempunyai bilangan Rayleigh dibawah 109 _{dan aliran turbulen diatas 10}9_{. Pada pengujian mesin pendingin} ruangan, semua hasil yang didapat merupakan aliran laminar. Oleh sebab itu, perhitungan yang diterterakan semua merupakan perhitungan untuk aliran laminar. Bilangan Rayleigh dapat dicari dengan persamaan:[2]





v

L

T

T

g

R

s aL

_



3 





(2)

Dimana :RaL = Bilangan Rayleigh g = Gravitasi bumi = 9,8 m/s2 Ts = Suhu permukaan (K) T∞ = Suhu fluida (K) L = 𝐿𝑢𝑎𝑠 𝑃𝑒𝑛𝑎𝑚𝑝𝑎𝑛𝑔 𝐾𝑒𝑙𝑖𝑙𝑖𝑛𝑔 = 𝐴_𝑠 𝑃 (m) β = 1 𝑇𝑓 = 2 𝑇𝑠+𝑇∞ (K -1₎ α = Difusivitas panas (m2_/s) v = Viskositas (m2_/s)

Bilangan Nusselt untuk aliran laminar dengan persamaan:[2]

uL

N

= 0,54 x RaL1/4 (3)

Bilangan Nusselt untuk aliran laminar dengan persamaan:[2] 9 4 16 9 4 1

/Pr)

492

.

0

(

1

670

.

0

68

.

0























aL uL

R

N

(4) Dimana : NuL = Bilangan Nusselt

RaL = Bilangan Rayleigh Pr = Bilangan Prandlt

Koefisien konveksi (hL) dihitung dengan persamaan:[2] hL =

𝑘

𝐿𝑥𝑁𝑢𝐿 (5)

Dimana: hL = Koefisien Konveksi (W/m2K) k = Konduktivitas Termal Fluida (W/mK) NuL = Bilangan Nusselt

Laju perpindahan konveksi (Q) dapat dihitung dengan persamaan:[2] Qkonv = hL x A x ( T_∞− T_s) (6)

Dimana: Qkonv = Laju perpindahan konveksi (W) A = Luas penampang (m2₎

Ts = Suhu permukaan (K) T∞= Suhu fluida (K)

Radiasi

Laju perpindahan radiasi (Q) pada dinding styrofoam dirumuskan dengan persamaan:[5] 𝑄𝑟𝑎𝑑= 𝜀𝐴𝜎(𝑇∞4− 𝑇𝑠4) (7)

Dimana : Qrad = Laju perpindahan radiasi (Watt) ε = Emisivitas

A = Luas penampang (m2₎ σ = Konstanta Stefan Boltzman = 5,67 x 10-8 W/m-2 _K-4 Ts = Suhu permukaan (K) T∞ = Suhu fluida (K) Panas Dari Udara Luar (Infiltrasi)

Terlebih dahulu dihitungbesar tekanan uap saturasi (pws), dengan persamaan: [6]

T C T C T C T C C T C pws) ln ln( 6 3 5 2 4 3 2 1      (11) Dimana: pws = tekanan uap saturasi (Pa)

C1 = -5,8002206 x 103 C2 = 1,3914993 C3 = -4,8640239 x 10-2 C4 = 4,1764768 x 10-5 C5 = -1,4452093 x 10-8 C6 = 6,5459673 T = Temperatur mutlak (K)

Besar tekanan parsial uap air (pw) dengan persamaan: [6]

Pw = RH x pws (12)

Dimana: RH = Rasio humiditas relatif pws = Tekanan uap saturasi (Pa) pw = Tekanan parsial uap air (Pa)

Besar rasio humiditas ruangan dengan persamaan: [6] 𝑤𝑜 = 0,62198 𝑥 (

𝑝𝑤

𝑝𝐴𝑇𝑀−𝑝𝑤) (13)

Dimana: wo = Rasio humiditas ruangan (kg air/kg udara kering) pw = Tekanan parsial uap air (Pa)

patm = Tekanan atmosfer = 101325 Pa

Laju udara infiltrasi yakni dengan menggunakan rumuspersamaan: [6] Q = N x μ x 1000

3600 (14)

Dimana: N = Banyak pembukaan mesin pendingin μ = Standar kebocoran udara = 2,8

Panas sensibel dari udara luar infiltrasi ini dapat kita hitung dengan persamaan:[4] Qs = 1,23 Q (To – Ti) (15)

Dimana : Qs = Panas sensibel (Watt)

Q = Laju aliran udara luar masuk ke dalam ruangan (L/s) To = Temperatur di luar ruangan (°C)

Ti = Temperatur di dalam ruangan (°C)

Panas laten dari udara luar infiltrasi dapat kita hitung dengan persamaan: [4] Ql = 1,23 Q (wo – wi) (16)

Dimana : Ql = Panas laten (Watt)

Q = Laju aliran udara luar masuk ke dalam ruangan (L/s) wo = Kelembaban di luar ruangan (kg air/ kg udara kering)

wi = Kelembaban di dalam ruangan (kg air/kg udara kering) Cara Kerja Mesin Pendingin

Evaporator pada mesin pendingin diinjeksikan etanol 96% dengan menggunakan speed sebanyak 150ml untuk tiap evaporator. Evaporator yang digunakan sebanyak 2 unit, jadi total etanol yang digunakan tiap percobaan adalah 300ml. setelah diinjeksikan etanol ke evaporator, kemudian pompa diafragma dioperasikan dengan cara ditekan dan dilepas kemudian ditekan lagi. Pompa dioperasikan 1,5-2jam untuk mencapai suhu terendah. Udara dari evaporator kemudian disalurkan ke activated carbon untuk mengurangi kandungan uap etanol di udara. Setelah itu udara yang sudah dikurangi uap etanolnya disalurkan ke pompa untuk kemudian dipompakan lagi ke evaporator untuk menurunkan tekanan uap etanol dan menguapkan etanol.

3. METODOLOGI PENELITIAN

Gambar 1. Metodologi Penelitian Pada gambar 1 ditunjukkan metodologi penelitian mesin pendingin. Penentuan dimensi dengan pertimbangan kapasitas

Dalam melakukan rancang bangun suatu mesin pendingin, maka terlebih dahulu dilakukan penentuan dimensinya. Dalam penentuan dimensi ini volume tampung dirancang sama dengan volume mesin pendingin dengan tujuan untuk mengetahui kemampuan pendinginan yang dihasilkan alat. Dimana volume tampung / volume dari beban pendingin dirancang 12liter, dengan dimensi panjang lebar dan tingginya masing masing 24cm, 30cm dan 15cm. Untuk mengurangi panas infiltrasi yang masuk ke mesin pendingin maka tinggi wadah mesin dirancang memiliki tinggi 2 kali dari tinggi evaporator, sehingga diperoleh tinggi wadah 30cm. sehingga volume mesin keseluruhan adalah 48 liter. Sehingga dimensi akhir mesin pendingin ditunjukkan pada tabel 3.

Tabel 3. Dimensi Mesin Pendingin

No. Nama Simbol Dimensi Satuan

1 Dimensi Dalam p x l x t 48 x 33 x 31 cm

2 Panjang P 53 cm

3 Lebar L 38 cm

4 Tinggi T 35 cm

5 Volume Total V 49.104 cm3

Waktu dan tempat pengujian

Pengujian dilakukan selama 1minggu dimulai dari tanggal 29 Agustus 2015 dengan lama waktu pengujian 3-3,5 jam perhari pada gedung Magister Teknik Mesin lantai 2 dalam kondisi dalam ruangan yang tidak terisolasi penuh dari udara luar dan cahaya matahari karena ventilasi yang terpasang.

Sistematika pengujian

Sebelum mesin dioperasikan, terlebih dahulu pada kedua evaporator mesin pendingin dipasang termokopel dan agilent dinyalakan kemudian diberikan perintah save untuk menyimpan data yang diperoleh dari termokopel. Setelah 3-3,5jam pengoperasian maka akan diperoleh suhu internal mesin pendingin. untuk data suhu luar ruangan, intensitas radiasi matahari, dew point, dan nilai RH diperoleh dari alat pengukur cuaca HOBO. berikut gambar 2 menunjukkan sistematika pengujian.

Gambar 2. Sistematika Pengujian

4. HASIL PENGUJIAN Temperatur dalam ruangan mesin pendingin

Berikut hasil pengujian mesin pendingin pada tanggal 29 Agustus 2015 pada pukul 13.00-16.30 WIB. Interval pengukuran 1 menit.

Gambar 3. Temperatur dalam ruangan mesin pendingin

Hasil penurunan suhu pada mesin pendingin dipengaruhi beberapa faktor antara lain kecepatan pergerakan pada pompa diafragma yang dioperasikan secara manual dengan tangan, kualitas dari activated carbon , infiltrasi(kebocoran udara), kualitas etanol dan kalibrasi pada alat pengukur suhu yang dapat dipengaruhi oleh pemuaian karena perubahan suhu.

Berikut data yang diperoleh dari alat pengukur cuaca HOBO pada tanggal 29 Agustus 2015 pada pukul 13.00-16.30 WIB dengan interval pengukuran 1menit.

Humiditas relatif (relative humidity, atau RH)

Relative humidity atau kelembaban temperatur adalah perbandingan antara tekanan temperatur uap air yang ada dalam udara terhadap tekanan saturasi uap air pada temperatur bola kering yang sama. Berikut nilai RH selama pengujian ditunjukkan pada gambar 4.

Gambar 4. Humiditas Relatif

Ada beberapa faktor yang dapat mempengaruhi nilai kelembaban udara antara lain suhu, tekanan udara, pergerakan angin, kuantitas dan kualitas penyinaran, vegetasi dan ketersediaan air.

Temperatur ruangan

Grafik temperatur ruangan menunjukkan temperatur ruangan pada saat pengujian dalam satuan derajat celcius (℃). Grafik temperatur ruangan ini diperoleh dari alat pengukur suhu Agilent dan termokopel. Hasil pengukuran dengan menggunakan agilent tersimpan dalam format tabel Microsoft Excel yang kemudian dibuat menjadi grafik. Interval pengukuran pengujian adalah 1menit. Pada grafik suhu ruangan diatas terjadi

peningkatan suhu dari 29,3 derajat celcius menjadi 33 derajat celcius. Ini disebabkan oleh pengaruh penyinaran matahari karena pergantian hari dari pagi hari ke siang hari dimana pada siang hari panas matahari yang terserap lingkungan lebih banyak dibandingkan pada pagi hari saat cuaca cerah. Berikut grafik temperatur ruangan pengujian ditunjukkan pada gambar 5.

Gambar 5. Temperatur Ruangan

Temperatur Luar Ruangan

Grafik temperatur luar ruangan diatas menunjukkan temperatur udara luar ruangan pada saat pengujian dalam satuan derajat celcius (℃). Grafik temperatur luar ruangan ini diperoleh dengan menggunakan alat pengukur cuaca HOBO. Interval pengukuran pengujian adalah 1menit.

Grafik hasil pengukuran temperatur luar ruangan menunjukkan penurunan temperatur dari 38 derajat celcius menjadi 33 derajat celcius. Ini disebabkan antara lain oleh pergerakan angin dimana kecepatan pergerakan angin mempengaruhi pergerakan awan. Dan pergerakan awan mempengaruhi intensitas cahaya matahari yang masuk menyebabkan panas yang diserap berkurang karena dipantulkan ataupun dibiaskan oleh kumpulan awan. Berikut grafik temperatur luar ruangan ditunjukkan pada gambar 6.

Gambar 6. Temperatur Luar Ruangan. 5. KESIMPULAN DAN SARAN

Kesimpulan

Kesimpulan yang diperoleh hasil penelitian dari alat pendingin tanpa listrik dan freon adalah sebagai berikut:

1. Pemilihan styrofoam sebagai bahan dasar untuk merancang mesin pendingin ruangan dikarenakan styrofoam mempunyai tingkat kekakuan yang tinggi serta konduktivitas termal yang rendah.

2. Total beban pendingin akibat perpindahan panas adalah 6,75297 W, kalor sensible total sebesar 13,236 W ,dan kalor laten total sebesar 4,893 W.

3. Temperatur terendah yang dapat dicapai alat berkisar antara 16-17℃.

4. Waktu yang diperlukan untuk mengoperasikan alat untuk mencapai titik terendah adalah pada rentang waktu 80-90menit

5. Temperatur ruangan tertinggi selama percobaan yang dilakukan selama 10 hari berada pada rentang suhu 30-32℃

6. Alat dapat mempertahankan suhu rendah yang dicapai selama ± 120 menit. Saran

Adapun saran dari penulis adalah sebagai berikut:

1. Diharapkan kotak styrofoam tertutup rapat sehingga tidak terjadi beban infiltrasi yang besar.

2. Diharapkan menggunakan activated carbon yang mempunyai daya serap uap alhokol yang lebih baik agar proses berjalan lebih optimal.

3. Diharapkan pipa dan pompa pada alat pendingin diisolasi dengan plester mengkilap agar dapat mengurangi panas yang masuk secara radiasi.

DAFTAR PUSTAKA

[1]_{Young & Freedman. College Physics. San Francisco: Pearson Education,Inc, publishing} as Addison-Wesley; 2002.

[2]_{Incropera. Fundamentals of Heat and Mass Transfer. Sixth Edition. New York: Wiley;} 1998.

[3]_{Kanginan, Marthen. FISIKA SMA 1B. Jakarta: Penerbit Erlangga; 2006.}

[4]_{Parsons, Robert A. 1997 ASHRAE Handbook. Atlanta, Georgia: Amer Society of} Heating; 1997.

[]_{Stoecker, Wilbert F. Industrial Refrigeration Handbook. New York: McGraw- Hill.Inc;} 1998.

[5]_{Cengel. A. Yunus. Heat Transfer Second Edition. New York: McGraw-Hill.Inc; 2003.} [6]_{Ambarita, Himsar. Buku Kuliah Teknik Pendingin dan Pengkondisian udara. Medan;} 2012.