SKRIPSI. Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik PITER H NIM DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

Transkripsi

1 UJI PERFORMANSI MESIN PENDINGIN SIKLUS ADSORPSI BERTENAGA SURYA DENGAN LUAS KOLEKTOR 1 m 2 KEMIRINGAN 30 o MENGGUNAKAN KARBON AKTIF- METANOL SEBAGAI PASANGAN ADSORBEN-ADSORBAT SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik PITER H NIM DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2016

2

3

4

5

6

7

8

9

10 ABSTRAK Negara Indonesia diberkati dengan energi surya yang melimpah sepanjang tahunnya. Menurut data buku putih energi Indonesia, rata rata intensitas radiasi matahari yang jatuh ke permukaan wilayah Indonesia sekitar 4,8 kwh/m 2 /hari. Energi surya tersebut dimanfaatkan sebagai sumber energi utama pada mesin pendingin siklus adsorpsi untuk menghasilkan efek pendinginan. Pada penelitian ini, komponen utama mesin terdiri dari kolektor/absorber, kondensor, dan evaporator. Luas permukaan kolektor/absorber 1 m 2 dan diatur pada kemiringan 30 o. Kolektor diisi dengan 25 kg karbon aktif sedangkan evaporator diisi dengan 5 liter metanol. Media yang didinginkan adalah air sebanyak 4 liter. Pengujian berlangsung selama tiga hari yang dibagi dalam dua periode yaitu proses desorpsi (pukul WIB WIB) dan proses adsorpsi (pukul WIB WIB). Hasil pengujian menunjukkan proses belum dapat berlangsung sempurna. Proses adsorpsi hanya dapat berlangsung pada hari pertama dimana temperatur pendinginan air minimum diperoleh 9,9 o C. Volume metanol teradsorpsi sebanyak 0,8095 liter (16,2 %). COP siklus aktual (COP uc ) sebesar 0,1753 dengan COP sistem keseluruhan (COP uo ) sebesar 0,034. Disamping itu diperoleh koefisien determinasi (R 2 ) sebesar 98,5056%. Hal ini menunjukkan bahwa kontribusi semua variabel bebas terhadap variabel terikat secara simultan adalah sebesar 98,5056%. Kata kunci: energi surya, kolektor/absorber, kondensor, evaporator, karbon aktif, metanol, adsorpsi, desorpsi, COP, koefisien determinasi i

11 ABSTRACT Indonesia is blessed with abundant solar energy in whole year. According to white book energy of Indonesia, the average irradiance which incidents in Indonesia about 4.8 kwh/m 2 /day. That solar energy using as a main energy source at adsorption cycle refrigeration machine to produce cooling effect. In this research, the main components of machine consists of collector/absorber, condenser and evaporator. The collector/absorber has a surface area of 1 m 2 and set-up with an inclination of 30 o. Collector is loaded with 25 kg of activated carbon while evaporator is filled with 5 liters of methanol. Medium to be cooled is 4 liters water. Testing lasted for three days which divided into two periods, desorption process (07.00 am pm) and adsorption process (17.00 pm am). The test results showed process couldn t take place perfectly. The adsorption process lasted only at first day where the minimum cooling temperatur of water obtained 9.9 o C. The volume adsorb of methanol as much as liter (16.2 %). The actual or useful cycle COP (COP uc ) with the actual or useful overall COP (COP uo ) Beside that, also obtained the coefficient of determination (R 2 ) about %. This result showed the contribution of all independent variables on dependent variable simultaneously is %. Keywords: solar energy, collector/absorber, condenser, evaporator, activated carbon, methanol, adsorption, desorption, COP, coefficient of determination ii

12 KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan rahmat-nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Sarjana ini yang berjudul Uji Performansi Mesin Pendingin Siklus Adsorpsi Bertenaga Surya Dengan Luas Kolektor 1 m 2 Kemiringan 30 o Menggunakan Karbon Aktif - Metanol Sebagai Pasangan Adsorben-Adsorbat. Tugas Sarjana ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan pendidikan Strata-1 (S1) di Departemen Teknik Mesin Sub bidang Konversi Energi, Fakultas Teknik,. Dalam menyelesaikan Tugas Sarjana penulis dan tim mendapat banyak kendala dan masalah, namun berkat dorongan semangat, masukan dan bantuan baik materiil ataupun moril dari berbagai pihak akhirnya kendala dan masalah tersebut dapat diselesaikan. Maka pada kesempatan ini dengan ketulusan hati penulis ingin mengucapkan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Bapak Ir. Zamanhuri, M.T. sebagai Dosen Pembimbing yang selama ini telah membimbing, memotivasi, dan membantu penulis dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini. 2. Bapak Ir. Tekad Sitepu, M.T. sebagai dosen pembanding 1 penulis yang telah memberi banyak saran dan masukan dalam perbaikan skripsi ini menjadi lebih baik lagi. 3. Bapak Tulus Burhanuddin, S.T.,M.T. sebagai dosen pembanding 2 yang telah banyak meluangkan waktunya untuk berdiskusi, membimbing penulis dan tim sejak awal hingga akhir pengerjaan tugas sarjana ini serta memberi saran dan iii

13 masukan dalam pengerjaan dan perbaikan Tugas Sarjana ini menjadi lebih baik lagi. 4. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita, S.T.,M.T. yang juga telah banyak membantu, memberi bantuan fasilitas selama pengerjaan serta memberi saran dan waktu untuk berdiskusi selama pengerjaan Tugas Sarjana ini. 5. Bapak Ir.Tugiman, M.T. sebagai dosen wali penulis yang telah membimbing, mendidik dan memberi nasihat kepada penulis selama menempuh pendidikan S1 di Departemen Teknik Mesin,. 6. Bapak Prof.Dr.Ir. Bustami Syam, M.S.M.E. sebagai Dekan Fakultas Teknik USU, beserta segenap staf dan jajarannya. 7. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri dan Ir. Syahril Gultom, M.T. sebagai Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin,. 8. Kedua orangtua penulis, Bapak B. Harefa dan Ibunda C. Hutabarat yang telah memberi kasih sayang tak terhingga, mendidik, memberikan dukungan penuh, doa dan nasihat kepada penulis 9. Kakak penulis Sofyan P.A Harefa, S.T., adik-adik penulis Anugrah, Leonardo, dan Panca serta keluarga lainnya yang terus memberi semangat selama penyelesaian tugas sarjana ini. 10. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU. 11. Rekan-rekan satu tim Budiman I. Nainggolan, Parna Edy Sitanggang dan Jagardo Damanik atas kerja sama yang baik dalam mengerjakan penelitian ini. 12. Seluruh rekan-rekan mahasiswa khususnya kepada kawan-kawan seperjuangan Angkatan 2010 Teknik Mesin, USU. Solidarity Forever!!!". iv

14 Penulis menyadari bahwa masih banyak kekurangan dalam penulisan maupun penyajian Tugas Sarjana ini. Untuk itu penulis sangat mengharapkan saran-saran yang membangun dari semua pihak demi kesempurnaan Tugas Sarjana ini nantinya. Akhir kata, dengan segala kerendahan hati penulis memanjatkan doa kepada Tuhan Yang Maha Esa semoga Tugas Sarjana ini bermanfaat bagi kita semua. Medan, April 2016 Penulis, Piter H NIM v

15 DAFTAR ISI ABSTRAK.... i ABSTRACT..... KATA PENGANTAR ii iii DAFTAR ISI... vi DAFTAR GAMBAR.. xi DAFTAR TABEL... xiv DAFTAR SIMBOL xvi BAB I. PENDAHULUAN Latar Belakang Tujuan Penelitian Tujuan Umum Tujuan Khusus Batasan Masalah Manfaat Penelitian Sistematika Penulisan 5 BAB II. TINJAUAN PUSTAKA Intensitas Radiasi Matahari Teori Umum Adsorpsi Jenis-Jenis Proses Adsorpsi Adsorben Karbon Aktif Sebagai Adsorben Pembuatan Karbon Aktif.. 13 vi

16 Aplikasi Penggunaan Karbon Aktif Adsorbat Metanol Sebagai Adsorbat Kalor Kalor Sensibel Kalor Laten Tinjauan Perpindahan Panas Konduksi Perpindahan Panas Konduksi Pada Bidang Datar (Slab) Konduksi Pada Satu Seri Bahan Konduksi Pada Bahan yang Tersusun Seri dan Paralel Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh Konveksi Konveksi Paksa (Forced Convection) Konveksi Alami (Natural Convection) Radiasi Prinsip Sistem Pendinginan Adsorpsi Siklus Ideal Sistem Pendingin Adsorpsi Mesin Pendingin Siklus Adsorpsi Komponen Utama Mesin Pendingin Siklus Adsorpsi Kolektor Surya Kondensor Evaporator Total Energi Radiasi Matahari yang Diterima Kolektor.. 36 vii

17 2.7.3 Energi Panas Radiasi yang Diterima Kolektor Kapasitas Kalor Pendinginan Efisiensi Termal Kolektor Surya Performansi Mesin Pendingin Siklus Adsorpsi Tenaga Surya Analisis Korelasi dan Persamaan Regresi 39 BAB III. METODOLOGI PENELITIAN Waktu dan Tempat Penelitian Waktu Penelitian Tempat Penelitian Alat dan Bahan yang Digunakan Alat Bahan Dimensi Utama Komponen Mesin Pendingin Siklus Adsorpsi Kolektor Kotak Insulasi Kolektor Kaca (Cover) Kondensor Evaporator Kotak Wadah Air Kotak Insulasi Evaporator Langkah Pembuatan Mesin Pendingin Adsorpsi Pembuatan Kolektor Pembuatan Kotak Insulasi Kolektor Pembuatan Kaca (Cover) Penutup Kolektor 60 viii

18 3.4.4 Pembuatan Kondensor Pembuatan Evaporator Pembuatan Kotak Wadah Air Pembuatan Kotak Insulasi Evaporator Set-Up Eksperimental Prosedur Pengujian Tahap Persiapan Assembly Komponen Mesin Instalasi Data Logger Uji Vakum Sistem Proses Pengujian Proses Pemanasan Awal Proses Adsorpsi Proses Desorpsi Diagram Alir Penelitian. 70 BAB IV. ANALISA DATA Hasil Pengujian Pengujian Hari I Pengujian Hari II Pengujian Hari III Analisa Grafik Kondisi Cuaca Selama Pengujian Pengujian Hari Pertama Temperatur dan Tekanan Pemanasan Awal ix

19 Temperatur dan Tekanan Adsorpsi Hari Pertama Pengujian Hari Kedua Temperatur dan Tekanan Desorpsi Hari Kedua Kondisi Temperatur dan Tekanan Adsorpsi Hari Kedua Pengujian Hari Ketiga Temperatur dan Tekanan Desorpsi Hari Ketiga Temperatur dan Tekanan Adsorpsi Hari Ketiga Pengolahan Data Volume Metanol Volume Awal dan Skala Ketinggian Metanol Volume Metanol Adsorpsi-Ddesorpsi Energi Radiasi Matahari yang Terukur Pyranometer Kolektor Kondensor Evaporator Performansi Mesin Pendingin Siklus Adsorpsi Analisa Korelasi dan Regresi Cuaca Terhadap COP Energi Listrik Terpakai. 114 BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran. 117 DAFTAR PUSTAKA... xix LAMPIRAN xxiii x

20 DAFTAR GAMBAR Nomor Judul Halaman 2.1 Bidang horizontal (a), dan bidang yang dimiringkan (b) Proses adsorpsi oleh karbon aktif KarbonAktif Metanol Konduksi pada bidang datar (slab) Konduksi pada bahan tersusun seri Konduksi pada bahan tersusun seri dan paralel Perpindahan Panas Konveksi dari Permukaan Pelat Berbagai daerah aliran lapisan batas di atas pelat rata Aliran dalam tabung Pola absorpsi Prinsip dasar adsorpsi-desorpsi Diagram tekanan vs temperatur pada garis isoters Diagram Clapeyron Ideal Proses pemanasan Proses pemanasan-desorpsi-kondensasi Proses pendinginan Proses pendinginan-adsorpsi-evaporasi Kolektor surya pelat datar sederhana Tempat Pengujian Pace XR5 Data Logger HOBO Micro Station Pompa Vakum Termokopel type J.. 46 xi

21 3.6 Manometer Vakum Katup Laptop Dimensi utama kolektor Ruang bagian dalam kolektor Kotak insulasi kolektor Kaca Penutup Kolektor Model kondensor Model evaporator Dimensi Evaporator (dalam cm) Spesifikasi kotak wadah air a Dimensi luar kotak insulasi evaporator b Gambaran ruang pendinginan dan susunan lapisan insulasi evaporator Proses Pengisian Kolektor Foto aktual kolektor telah terpasang kain kasa dan penyangganya Kolektor dicat warna hitam doff Foto aktual kotak insulasi kolektor Foto aktual kaca (cover) Foto aktual kondensor Foto aktual evaporator Foto aktual kotak wadah Air Foto aktual kotak insulasi evaporator Set-up eksperimental proses desorpsi (siang hari) Set-up eksperimental proses adsorpsi (malam hari) Assembly komponen dan letak titik thermocouple Diagram alir proses penelitian Kondisi cuaca selama pengujian 76 xii

22 4.2 Kondisi temperatur pemanasan awal setiap komponen hari pertama Kondisi tekanan pemanasan awal hari pertama Kondisi temperatur adsorpsi setiap komponen hari pertama Kondisi tekanan adsorpsi hari pertama Kondisi temperatur desorpsi setiap komponen hari kedua Kondisi tekanan desorpsi hari kedua Kondisi temperatur adsorpsi setiap komponen hari kedua Kondisi tekanan adsorpsi hari kedua Kondisi temperatur desorpsi setiap komponen hari ketiga Kondisi tekanan desorpsi hari ketiga Kondisi temperatur adsorpsi setiap komponen hari ketiga Kondisi tekanan adsorpsi hari ketiga xiii

23 DAFTAR TABEL Nomor Judul Halaman 2.1 Perbedaan antara adsorpsi fisika dan kimia Sifat Adsorben Karbon Aktif SifatMetanol Korelasi empiris bilangan Nusselt rata-rata yang terjadi pada permukaan proses konveksi bebas COP hasil penelitian sebelumnya Spesifikasi Pace XR5 Data Logger Spesifikasi Measurement Apparatus Spesifikasi Pyranometer Spesifikasi Wind Velocity Sensor Spesifikasi T dan RH Smart Sensor Spesifikasi pompa vakum Spesifikasi thermocouple type J Spesifikasi manometer vakum Spesifikasi kolektor Spesifikasi kotak insulasi kolektor Spesifikasi kaca (cover) penutup kolektor Spesifikasi kondensor Spesifikasi evaporator Spesifikasi kotak wadah air Spesifikasi kotak insulasi evaporator Proses PemanasanAwal (26 November 2015) Proses Adsorpsi Hari I (26-27 November 2015) Proses Desorpsi Hari II (27 November 2015) Proses Adsorpsi Hari II (27-28 November 2015) 73 xiv

24 4.5 Proses Desorpsi Hari Ketiga (28 November 2015) Proses Adsorpsi Hari Ketiga (28-29 November 2015) Skala Ketinggian Awal Permukaan Metanol Volume Metanol Adsorpsi-desorpsi Energi radiasi matahari yang terukur pyranometer, Q rad Intensitas radiasi matahari yang diterima kolektor, G b,t Energi radiasi matahari yang diterima kolektor, Q it Energi radiasi matahari yang diabsorpsi, S Energi panas terbuang (heat losses), Q L Waktu optimum dan temperatur pemanasan kolektor Temperatur pendinginan air, T w Tebal, konduktivitas dan luas bidang material insulasi evaporator Temperatur air dan lingkungan rata-rata Data intensitas radiasi matahari, RH, temperatur lingkungan dan COP per hari Data X 1, X 2, X 3 dan Y Korelasi antar-variabel xv

25 DAFTAR SIMBOL Simbol Keterangan Satuan Q rad Energi radiasi matahari J I Intensitas radiasi matahari W/m 2 G bn ; I bn Intensitas radiasi matahari dengan sudut masuk normal pada bidang horizontal W/m 2 G b,t Intensitas radiasi pada bidang miring W/m 2 R b θ T θ z φ δ β ω Rasio perbandingan G bn terhadap G b,t Sudut datang radiasi matahari pada bidang miring Sudut zenith Posisilintang Deklinasi Kemiringan Sudut jam matahari o o o o o Q s Kalor sensibel J Q L Kalor sensibel J m Massa zat kg C p Panas jenis zat J/kg o C L e Panas laten zat J/kg ΔT Beda temperatur o C k Konduktivitas termal W/m o C A Luas bidang m 2 Δx Tebal material m q cond Laju perpindahan panas konduksi W q conv Laju perpindahan panas konveksi W q r Laju perpindahan panas radiasi W T s Temperatur permukaan o C xvi

26 T Temperatur lingkungan o C σ Konstanta Stefan-Boltzmann W/m 2 k 4 U Koefisien perpindahan panas menyeluruh W/m 2o C Q it Energi radiasi matahari yang diterima kolektor J Q ic Energi panas yang digunakan kolektor J Q uc Kapasitas kalor pendinginan J m ac Massa karbon aktif kg m r Massa refrigeran (metanol) kg m i Massa es yang terbentuk kg V r Volume refrigeran (metanol) Liter x r Ketinggian permukaan metanol Cm C pac Panas spesifik karbon aktif J/kg K C pr Panas spesifik refrigeran (metanol) J/kg K C pw Panas spesifik air J/kg K C pi Panas spesifik es kj/kg h sg Panas laten metanol kj/kg T g Temperatur pemanasan K η Efisiensi termal kolektor surya % COP COP uc COP uo Coefficient of Performance (koefisien performansi) Koefisien performansi siklus aktual Koefisien performansi sistem keseluruhan T e1 Temperatur dinding evaporator 1 T e2 Temperaturdinding evaporator 2 o C o C T w T i T o T pa T pb Temperatur air Temperaturmasuk/pipa atas kondensor Temperaturkeluar/pipa bawah kondensor Temperatur plat atas kolektor/absorber Temperatur plat bawah kolektor o C o C o C o C o C xvii

27 T c r Temperatur kaca (cover) Nilai korelasi o C R 2 Koefisien determinasi % xviii