STUDI EKSPERIMENTAL UNJUK KERJA KOLEKTOR
UNTUK MESIN PENDINGIN SIKLUS ADSORPSI YANG
DIGERAKKAN ENERGI MATAHARI
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
JANTER NAIBAHO NIM. 070401014
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
STUDI EKSPERIMENTAL UNJUK KERJA KOLEKTOR
UNTUK MESIN PENDINGIN SIKLUS ADSORPSI YANG
DIGERAKKAN ENERGI MATAHARI
JANTER NAIBAHO NIM. 070401014
Telah Disetujui Dari Hasil Seminar Skripsi Periode ke 638 pada Tanggal 09 Juni 2012
Pembimbing
NIP. 1972 0610 200012 1001 Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST.MT.
STUDI EKSPERIMENTAL UNJUK KERJA KOLEKTOR
UNTUK MESIN PENDINGIN SIKLUS ADSORPSI YANG
DIGERAKKAN ENERGI MATAHARI
JANTER NAIBAHO NIM. 070401014
Telah Disetujui Dari Hasil Seminar Skripsi Periode ke 638 pada Tanggal 09 Juni 2012
Pembanding I, Pembanding II,
Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc Tulus Burhanuddin Sitorus, ST, MT. NIP. 1949 1012 1981 031002 NIP. 1972 0923 2000 121003
STUDI EKSPERIMENTAL UNJUK KERJA KOLEKTOR
UNTUK MESIN PENDINGIN SIKLUS ADSORPSI YANG
DIGERAKKAN ENERGI MATAHARI
JANTER NAIBAHO NIM. 070401014
Telah disetujui oleh : Pembimbing
NIP. 1972 0610 200012 1001 Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST.MT.
Penguji I Penguji II
Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc
NIP. 1949 1012 1981 031002 NIP. 1972 0923 2000 121003 Tulus Burhanuddin Sitorus, ST.MT
Diketahui oleh : Departemen Teknik Mesin
Ketua,
NIP. 1964 1224 1992 111001 Dr. Ir. Ing. Ikhwansyah Isranuri
KATA PENGANTAR
Puji dan Syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala rahmat dan karuniaNya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.
Skripsi ini adalah salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan dan memperoleh gelar Sarjana Teknik di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun judul skripsi yang penulis kerjakan ini adalah “Studi Eksperimental Unjuk Kerja Kolektor untuk Mesin Pendingin Siklus Adsorpsi yang Digerakkan Energi Matahari”.
Dalam menyelesaikan skripsi ini, penulis banyak sekali mendapat dukungan dari berbagai pihak. Maka pada kesempatan ini penulis ingin menghaturkan ucapan terimakasih yang sebesar-besarnya kepada :
1. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita ST. MT sebagai dosen pembimbing yang telah banyak memberikan bimbingannya kepada penulis dalam menyelesaikan skripsi ini.
2. Bapak Tulus Burhanuddin Sitorus ST. MT yang telah meluangkan waktunya untuk memberikan arahan kepada penulis dalam menyelesaikan skripsi ini. 3. Bapak Ir. Mulfi Hazwi M.Sc yang telah meluangkan waktunya untuk
memberikan arahan kepada penulis dalam menyelesaikan skripsi ini.
4. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri, selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
5. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT. selaku Sekretaris Departemen TeknikMesin Universitas Sumatera
6. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
7. Staf Laboratorium Teknik Pendingin, Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara, yang telah membantu pelaksanaan pengujian alat.
8. Orang tua saya St. J. Naibaho dan N. Pasaribu, untuk doa dan kasih sayangnya kepada penulis maupun dukungan moril dan materil.
9. Kakak/lae saya Kristina Citra Yani Naibaho/Nababan, adik-adik saya Ricardo Parulian Naibaho, Rolaston Naibaho, Jonathan Prawira Naibaho, Michael Sharon Naibaho atas semangat dan doanya kepada penulis.
10. Segenap kerabat keluarga yang telah memberikan semangat dan doanya kepada penulis selama menyelesaikan pendidikan S-1.
11. Rekan satu tim, Junius Manurung, Ben Marto Siallagan, atas kerja sama yang baik untuk menyelesaikan penelitian ini.
12. Listi Erawaty Simbolon yang telah banyak memberikan semangat dan doa kepada penulis selama menyelesaikan skripsi ini.
13. Bengkel Global atas kerjasama dalam modifikasi alat penelitian.
14. Seluruh mahasiswa Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Terkhususnya kawan-kawan stambuk 2006 dan 2007, dan masih banyak lagi yang tidak bisa saya sebutkan satu persatu.
Penulis menyadari masih banyak kekurangan-kekurangan di dalam skripsi ini. Oleh karena itu, penulis sangat mengharapkan saran dan kritik yang membangun untuk untuk penyempurnaan skripsi ini. Terimakasih.
Medan, Mei 2012 Penulis, Janter Naibaho NIM. 070401014
ABSTRAK
Mesin pendingin siklus adsorpsi sangat ramah lingkungan karena menggunakan refrigeran dengan nol bahan perusak ozon (BPO). Jugasangat ekonomis karena dapat digerakkan oleh energi matahari, tidak membutuhkan energi yang mahal seperti energi listrik dan sistem ini tidak terlalu rumit sehingga mudah perawatannya. Salah satu komponen dari mesin pendingin ini adalah generator/adsorber/kolektor. Jenis kolektor yang digunakan adalah plat datar. Luas dari adsorber adalah 0,25 m2 dengan tebal pelat adalah 1 mm. Pada adsorber ini diisi karbon aktif sebanyak 9 kg. Batasan sudut kolektor yang digunakan adalah 00.Adsorber ini juga dilengkapi dengan kaca dua lapis dengan tebal kaca adalah 3 mm, jarak antar kaca 30 mm dan jarak kaca ke adsorber 30 mm.Kaca 2 lapis ini berfungsi sebagai pengumpul radiasi matahari sehingga panas yang diserap tersebut tidak keluar.Adsorber menggunakanpanas ini untuk membangkitkan sistem dengan cara menyerap metanol yang menguap dari evaporator. Temperatur air akan turun seiring dengan turunnya temperatur metanol di evaporator. Pada siang hari terjadi proses desorpsi yaitu adsorber menerima panas matahari dan metanol akan mengalir menuju kondensor dan mencair di evaporator, pada malam hari adsorber didinginkan oleh lingkungan luar sehingga terjadi proses adsorpsi, metanol akan menguap dari evaporator menuju kondensor dan akan diserap adsorber. Variabel yang mempengaruhi sistem mesin pendingin pada adsorber adalah tekanan (Pgenerator) dan temperatur (Tgenerator). Hasil yang didapat dari penelitian ini adalah kolektor dapat menyerap radiasi matahari dengan rata-rata harian jam 07.00-17.00 sebesar 415.56 W/m2 sehingga dapat menurunkan temperatur air menjadi 9,10 oC dengan rata-rata temperatur lingkungan 27,41 oC.
Katakunci: siklus adsorpsi, kolektor plat datar, generator/adsorber, karbon aktif, radiasi matahariproses adsorpsi, proses desorpsi.
ABSTRACT
Adsorption refrigeration cycle is environmentally friendly because it uses a refrigerant with zero Ozone Depleting Potential (ODP). It’s Also very economical because it can be driven by solar energy, energy that does not require expensive as electric energy and the system is not too complicated so it is easy to maintain. One component of this cooling machine is a generator / adsorber / collector. Type of collector used is a flat plate. Area of adsorber is 0.25 m2 with slab thickness is 1 mm. Adsorber filled with activated carbon as much as 9
kg. Collector angle constraints used is 00. Adsorber is also equipped with two
layers of glass with the glass is 3 mm thick, 30 mm distance between the glass and the distance to the adsorber 30 mm glass. The function of 2 layers of glass serves as a collector of solar radiation so that heat is absorbed does not exit. Adsorber using it to generate heat by absorbing system of methanol vapor from the evaporator. Water temperature will decrease inline with decreasing temperature in the evaporator. During the day there is a process that desorption adsorber receives heat of the sun and methanol will flow into the condenser and melts atevaporator, at night adsorber is cooled by the outside environment called the adsorption process, the methanol will evaporate from the evaporator to the condenser and it will be absorbed by the adsorber. Variables that affect the
engine cooling system is pressure on the adsorber (Pgenerator) and temperature
(Tgenerator). The results of this research is that collector can absorb solar radiation
with a daily average of 415.56W/m2 from 07:00 to 17:00, so it can decrease the
water temperature to 9.10°C with an average of 27.41°C environmenttemperature.
Keywords: adsorption cycle, a flat plate collector, generator / adsorber, activated carbon, solar radiation, the process of adsorption, desorption process
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ... i ABSTRAK ...iii DAFTAR ISI ... v DAFTAR GAMBAR...viii DAFTAR TABEL...x DAFTAR SIMBOL...xi BAB I PENDAHULUAN ... 1 1.1. Latar Belakang ... 1 1.2. Manfaat Penelitian ... 2 1.3. Batasan Masalah ... 3 1.4. Tujuan Penelitian ... 2 1.5. Sistematika Penulisan ... 3BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 5
2.1.Energi Surya ... 5
2.2 Tinjauan Perpindahan Panas ... 6
2.3 Kolektor Surya Pelat Datar ... 12
2.3.1 Efisiensi Termal ... 13
2.3.3 Benda Kelabu ... 14
2.3.4 Benda Hitam ... 15
2.4 Mesin Pendingin Adsorpsi ... 17
2.4.1.Siklus Ideal Mesin Pendingin Adsorpsi ... 17
2.5Adsorpsi, Adsorben dan Adsorbat ... 22
2.5.1.Adsorpsi ... 22
2.5.2.Adsorben (Karbon Aktif) ... 28
2.5.3.Adsorbat (Refrigeran-Metanol) ... 30
BAB III METODE PENELITIAN ... 33
3.1. Waktu danTempat ... 33
3.2. Alat dan Bahan ... 33
3.2.1 Alat ... 33
3.2.2 Bahan ... 36
3.3. Variabel Riset ... 36
3.4. Set Up Pengujian ... 37
3.5. Prosedur Penelitian ... 41
BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ... 43
4.1. Data Hasil Pengujian ... 43
4.2. Pengolahan Data ... 44
4.3. Radiasi Matahari dan Temperatur Lingkungan ... 50
4.4. Analisa Grafik pada Adsorber ... 54
4.5 Siklus Ideal Mesin Pendingin Adsorpsi ... 58
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 60
5.1. Kesimpulan ... 60
5.2. Saran ... 60
LAMPIRAN A Temperatur Adsorber ... 64
LAMPIRAN B Data Temperatur Lingkungan Dan Radiasi Matahari Dari HOBO ... 74
LAMPIRAN C Tabel Termodinamika ... 84
LAMPIRAN D Gambar Penelitian ... 87
LAMPIRAN E Laporan Pengeluaran ... 91
DAFTAR GAMBAR
Gambar2.1 Tabel Emisivitas Material ... 22
Gambar2.2 Grafik Perbandingan Antara Daya Emisi Benda Hitam Benda Kelabu dengan Daya Emisi Permukaan Nyata ... 24
Gambar2.3 Diagram Tekanan Vs Temperatur Yang Menggambarkan Garis Isosters ... 26
Gambar2.4 Diagram Clayperon pada Sistem Pendingin Siklus Adsorpsi ... 27
Gambar 2.5Adsorption Nomenclature ... 32
Gambar 2.6 Siklus Refrigerasi Adsorpsi (Clapeyron Diagram) ... 34
Gambar 2.7 Bentuk Butiran Karbon Aktif ... 38
Gambar 2.8 Struktur Karbon Aktif ... 39
Gambar 3.1 Pompa Vakum ... 42
Gambar 3.2 AGILENT Sistem Akuisisi Data ... 44
Gambar 3.3 HOBO Micro Station Data Logger ... 45
Gambar 3.4Skema Mesin Pendingin Siklus Adsorpsi ... 48
Gambar 3.5Diagram Alir Proses Penelitian ... 52
Gambar 4.1 Grafik Radiasi dan Temperatur Lingkungan vs Waktu pada Hari Pertama ... 60
Gambar 4.2 Grafik Radiasi dan Temperatur Lingkungan vs Waktu pada Hari Kedua ... 61
Gambar 4.3 Grafik Radiasi dan Temperatur Lingkungan vs Waktu pada Hari Ketiga ... 61
Gambar 4.4 Grafik Radiasi vs Waktu ... 62
Gambar 4.6 Grafik Adsorber vs Waktu pada Hari Pertama ... 64
Gambar 4.7 Grafik Adsorber vs Waktu pada Hari Kedua ... 65
Gambar 4.8 Grafik Adsorber vs Waktu pada Hari Ketiga ... 66
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1. Sifat Fisik Refrigeran ... 40 Tabel 3.1. Modifikasi Mesin Pendingin ... 47 Tabel 4.1. Hasil Pengukuran Temperatur, Tekanan dan
Volume Metanol Proses Desorpsi ... 53 Tabel 4.2. Hasil PengukuranTemperatur, Tekanan dan
Volume Metanol Proses Adsorpsi ... 53 Tabel 4.3. Parameter yang Dihitung pada Pengolahan
Data ... 60 Tabel C.1. Nilai Absorpsivitas ... 93 Tabel C.2. Sifat- sifat Logam ... 94
DAFTAR SIMBOL
Simbol Keterangan
QCool Kalor pendinginan Joule
Satuan
QDrive Kalor kerja Joule
∆H Perubahan entalpi kJ/kg
∆S Perubahan entropi kJ/kgK
Cv Kalor spesifik volume tetap J/kg. K Cp Kalor spesifik tekanan tetap J/kg. K
QL Kalor laten J
Le Kapasitas kalor spesifik laten J/kg
m Massa zat kg
Qs Kalor sensibel J
ΔT Beda temperatur K
Qsp Kapasitas pendinginan spesifik kJ/s/m2
h koefisien konveksi W/(m2.K)
A Luas total penampang plat dan fin m2
x
∆ Jarak pusat karbon aktif ke plat m
k Koefisien konduksi W/mK
t Interval waktu S
Tevap temperatur evaporator K
Tgene temperatur generator K
q laju perpindahan panas Watt
P tekanan CmHg
ρ massa jenis kg/cm3
qu total intensitas radiasi matahari 𝑊𝑊/m2
1
ε emisivitas dari pelat-pelat penyerap -
2
ε emisivitas dari pelat-pelat kaca -
α harga absorpsivitas -
