RANCANG BANGUN ALAT PENGUJI KAPASITAS ADSORPSI ADSORBEN ALUMINA AKTIF TERHADAP REFRIGERAN

Transkripsi

1 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 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2013

2 RANCANG BANGUN ALAT PENGUJI KAPASITAS ADSORPSI ADSORBEN ALUMINA AKTIF TERHADAP REFRIGERAN VINSENSIUS GINTING NIM Diketahui / Disahkan : Disetujui : Departemen Teknik Mesin Dosen Pembimbing, Fakultas Teknik USU Ketua, Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri Tulus B Sitorus, ST., MT NIP: NIP

3 RANCANG BANGUN ALAT PENGUJI KAPASITAS ADSORPSI ADSORBEN ALUMINA AKTIF TERHADAP REFRIGERAN VINSENSIUS GINTING NIM Telah Disetujui Dari Hasil Seminar Skripsi Period ke 670 pada Tanggal 13 November 2013 Pembimbing, Tulus B Sitorus, ST., MT NIP

4 RANCANG BANGUN ALAT PENGUJI KAPASITAS ADSORPSI ADSORBEN ALUMINA AKTIF TERHADAP REFRIGERAN VINSENSIUS GINTING NIM 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 NIP

5 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK USU MEDAN Sub. Program Studi Bidang Studi Judul Tugas KARTU BIMBINGAN TUGAS SARJANA MAHASISWA NO : 2096/TS/2013 : Konversi Energi : Perpindahan Panas : 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 : No. Tanggal Kegiatan Asistensi Bimbingan Mei 2013 Spesifikasi judul Mei 2013 Survei bahan dan alat penguji kapasitas adsorpsi Juni 2013 Perancangan alat penguji adsorpsi Juni 2013 Assembling alat pengujian adsorpsi 5. 8 Agustus 2013 Pengujian alat adsorpsi Agustus 2013 Asistensi Laporan I Agustus 2013 Asistensi Laporan II 8. 2 September 2013 Asistensi Laporan III September 2013 Asistensi Laporan IV September 2013 Asistensi Laporan V September 2013 Asistensi Laporan VI 12 5 Oktober 2013 Asistensi Laporan VII Oktober 2013 Asistensi Laporan VIII Oktober 2013 Asistensi Laporan IX 15. ACC seminar Tanda Tangan Dosen Pemb. 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 NIP

6 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 : 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 NIP NIP

7 RANCANG BANGUN ALAT PENGUJI KAPASITAS ADSORPSI ADSORBEN ALUMINA AKTIF TERHADAP REFRIGERAN VINSENSIUS GINTING NIM Telah disetujui oleh: Pembimbing, Tulus B Sitorus, ST., MT NIP Penguji I, Penguji II, Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST., MT NIP NIP Diketahui oleh : Departemen Teknik Mesin Ketua, Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri NIP

8 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,. 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. 3. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT, selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin. 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.

9 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, Vinsensius Ginting

10 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 m 2. Yang mempengaruhi sistem alat penguji mesin pendingin adsorpsi adalah temperatur (T adsorben ),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. Kata kunci: Adsorpsi, desorpsi, generator, alumina aktif, refrigeran.

11 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 m 2. The thing which influence the cycle of adsorption of a cooling machine is temperature, (T adsorbant ), 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. Key word: Adsorption, desorption, generator, activated alumina, refrigerant.

12 DAFTAR ISI KATA PENGANTAR... i ABSTRAK... iii DAFTAR ISI... v DAFTAR GAMBAR... viii DAFTAR TABEL... xi DAFTAR SIMBOL... xii BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Tujuan Penlitian Batasan Masalah Manfaat Penelitian Sistematika Penulisan... 2 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Siklus Adsorpsi Teori Umum Adsorpsi Adsorben Alumina aktif Pembuatan Alumina aktif Kegunaan Alumina aktif Refrigeran Metanol ( CH 3 OH) Etanol (C 2 H 5 OH)... 13

13 2.3.3 Amonia (NH 3 ) Musicool Keamanan Refrigeran Kalor (Q) Kalor Laten Kalor sensibel Perpindahan Panas BAB III METODOLOGI 3.1 Tempat dan Waktu Bahan Alat Ukur Yang Digunakan Pada Pengujian Kapasitas Adsorpsi Peralatan Set-Up Eksperimental Prosedur Pengujian Alat Penguji Kapasitas Adsopsi Dari Mesin Pendingin Dimensi Utama Alat Penguji Kapasitas Adsorpsi Langkah Pembuatan Alat Penguji Kapasitas Adsorpsi Padamesin Pendingin Adsorpsi Pembuatan adsorber Pembuatan gelas ukur Flowchart Penelitian BAB IV ANALISIS DATA 4.1 Hasil Pengujian Pengujian Dengan Gelas Ukur Tidak Diisolasi... 42

14 Data Pemvakuman Alat Penguji Mesin Pendingin Adsorpsi Data Pengujian Adsorpsi Data Pengujian Desorpsi Pengujian Dengan Gelas Ukur Diisolasi Data Pemvakuman Alat Penguji Mesin Pendingin Adsorpsi Data Pengujian Adsorpsi Data Pengujian Desorpsi Neraca Kalor Perhitungan Kalor Laten dengan Gelas Ukur tidak Diisolasi Perhitungan Kalor Laten dengan Gelas Ukur Diisolasi Kalor Yang Diserap Gelas Ukur Analisa Perpindahan Panas pada Adsorber saat desorpsi (pemanasan) Analisa Perpindahan Panas Pada Saat Adsorpsi BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA... xiv LAMPIRAN... xv

15 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 ( CH 3 OH) Gambar 2.6 Etanol/Alkohol Cair ( C 2 H 5 OH) Gambar 2.7 Amonia Cair (NH 3 ) Gambar 2.8 MC Gambar 2.9 Perpindahan Panas Konduksi Melalui Sebuah Pelat Gambar 2.10 Perpindahan Panas Konveksi dari Permukaan Pelat Gambar 2.11 Konveksi Natural pada Bidang Horizontal (tipe A) Gambar 2.12 Konveksi Natural pada Bidang Horizontal (tipe B) Gambar 3.1 Alumina aktif Gambar 3.2 Manometer Vakum Gambar 3.3 Agilent Gambar 3.4 Pompa Vakum Gambar 3.5 Katub Gambar 3.6 Pipa Penghubung Gambar 3.7 Selang Karet Gambar 3.8 Box Styrofoam Gambar 3.9 Skema Proses Desorpsi Gambar 3.10 Skema Proses Adsorpsi Gambar 3.11 Alat Penguji Adsorpsi Gambar 3.12 Alat Penguji Kapasitas Adsorpsi dengan gelas ukur Disolasi Gambar 3.13 Dimensi Alat Penguji Gambar 3.14 Dimensi Kolektor Gambar 3.15 Gelas Ukur Gambar 3.16 Bentuk Adsorber Gambar 3.17 Pengisian Karbon Aktif... 37

16 Gambar 3.18 Pemasangan Kawat Nyamuk Gambar 3.19 Penyambungan Pelat Adsorber Gambar 3.20 Pemasangan Pipa dan Valve Gambar 3.21 Adsorber Lengkap Gambar 3.22 Adsorber Setelah Dicat Hitam Gambar 3.23 Pembuatan Gelas Ukur Gambar 3.24 Gelas Ukur Gambar 4.1 Letak Titik-Titik thermocouple pada Alat Penguji Gambar 4.2 Grafik Temperatur Pemvakuman Alat Penguji Adsorpsi Metanol Gambar 4.3 Grafik Suhu Rata-Rata Adsorber Metanol Gambar 4.4 Grafik Temperatur Pemvakuman Alat Penguji Adsorpsi Etano Gambar 4.5 Grafik Suhu Rata-Rata Adsorber Etanol Gambar 4.6 Grafik Temperatur Pemvakuman Alat Penguji Adsorpsi Amonia Gambar 4.7 Grafik Suhu Rata-Rata Adsorber Amonia Gambar 4.8 Awal sebelum pengisian Musicool ke dalam Gelas Ukur Gambar 4.9 Proses mengisi musicool ke dalam alat uji Gambar 4.10 Pengisian musicool ( a ) Sebelum dan ( b ) Sesudah Gambar 4.11 Grafik Adsober Pada Proses Adsorpsi Metanol Gambar 4.12 Grafik Tekanan Metanol Gambar 4.13 Grafik Adsorpsi Pada Gelas Ukur Metanol Gambar 4.14 Grafik Adsober Pada Proses Adsorpsi Etanol Gambar 4.15 Grafik Tekanan Etanol Gambar 4.16 Grafik Adsorpsi Pada Gelas Ukur Etanol Gambar 4.17 Grafik Adsober Pada Proses Adsorpsi Amonia Gambar 4.18 Grafik Tekanan Amonia Gambar 4.19 Grafik Adsorpsi Pada Gelas Ukur Amonia Gambar 4.20 Grafik Desorpsi Pada Adsorber Metanol Gambar 4.21 Grafik Desorpsi Temperatur Rata - Rata Metanol Gambar 4.22 Grafik Desorpsi Pada Gelas Ukur Metanol Gambar 4.23 Grafik Desorpsi Pada Adsorber Etanol Gambar 4.24 Grafik Temperatur Rata Rata Adsorber Etanol Gambar 4.25 Grafik Desorpsi Pada Gelas Ukur Etanol... 58

17 Gambar 4.26 Grafik Desorpsi Pada Adsorber Amonia Gambar 4.27 Grafik Temperatur Rata - Rata Adsorber Amonia Gambar 4.28 Grafik Desorpsi Pada Gelas Ukur Amonia Gambar 4.29 Grafik Temperatur Pemvakuman Alat Penguji Adsorpsi Metanol Diisolasi Gambar 4.30 Grafik Temperatur Pemvakuman Alat Penguji Adsorpsi Etanol Diisolasi Gambar 4.31 Grafik Temperatur Pemvakuman Alat Penguji Adsorpsi Amonia Diisolasi Gambar 4.32 Grafik Adsober Pada Proses Adsorpsi Metanol Diisolasi Gambar 4.33 Grafik Tekanan Metanol Diisolasi Gambar 4.34 Grafik Temperatur Adsorpsi Pada Gelas Ukur Metanol Diisolasi.. 67 Gambar 4.35 Grafik Temperatur Adsober Pada Proses Adsorpsi Etanol Diisolasi Gambar 4.36 Grafik Tekanan Etan ol Diisolasi Gambar 4.37 Grafik Temperatur Adsorpsi Pada Gelas Ukur Etanol Diisolasi Gambar 4.38 Grafik Temperatur Adsober Pada Proses Adsorpsi Amonia Diisolasi Gambar 4.39 Grafik Tekanan Amonia Diisolasi Gambar 4.40 Grafik Temperatur Pada Gelas Ukur Amonia Diisolasi Gambar 4.41 Grafik Desorpsi Pada Adsorber Metanol Diisolasi Gambar 4.42 Grafik Desorpsi Temperatur Rata - Rata Metanol Diisolasi Gambar 4.43 Grafik Desorpsi Pada Gelas Ukur Metanol Diisolasi Gambar 4.44 Grafik Desorpsi Pada Adsorber Etanol Diisolasi Gambar 4.45 Grafik Temperatur Rata Rata Adsorber Etanol Diisolasi Gambar 4.46 Grafik Desorpsi Pada Gelas Ukur Etanol Diisolasi Gambar 4.47 Grafik Desorpsi Pada Adsorber Amonia Diisolasi Gambar 4.48 Grafik Temperatur Rata - Rata Adsorber Amonia Diisolasi Gambar 4.49 Grafik Desorpsi Pada Gelas Ukur Amonia Diisolasi Gambar 4.50 Mekanisme Perpindahan Panas pada Adsorber Gambar 4.51 Konveksi Natural pada Proses Adsorpsi... 87

18 DAFTAR TABEL Table 2.1 Sifat Alumina Aktif... 8 Tabel 2.2 Sifat Metanol Tabel 2.3 Sifat Fisika dan Termodinamika Musicool Tabel 4.1 Data Pengukuran Temperatur Rata Rata Dan Tekanan Adsorpsi Pada Metanol Tabel 4.2 Data Pengukuran Tekanan dan Temperatur Rata-Rata Adsorpsi Etanol Tabel 4.3 Data Pengukuran Tekanan dan Temperatur Rata Rata Adsorpsi Pada Amonia Tabel 4.4 Data Pengukuran Tekanan Dan Temperatur Rata Rata Adsorpsi Yang Diisolasi Pada Metanol Tabel 4.5 Data Pengukuran Tekanan Dan Temperatur Rata Rata Adsorpsi Yang Diisolasi Pada Etanol Tabel 4.6 Data Pengukuran Tekanan Dan Temperatur Rata Rata Adsorpsi Yang Diisolasi Pada Amonia... 71

19 DAFTAR SIMBOL Simbol Arti Satuan Cp Kalor spesifik tekanan tetap J/kg.K Cv kalor spesifik volume tetap J/kg.K Q L 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/m 2 h Koefisien konveksi W(m 2.K) A Total luas penampang plat m 2 k Koefisien konduksi W/mK t interval waktu s T gl Temperatur gelas ukur K T s Temperatur adsorber K T b Temperatur bawah adsorber K T f Temperatur film K Q Laju perpindahan panas W P Tekanan Vakum cmhg ε emisitas dari pelat penyerap ρ Massa jenis kg/cm 3

20 Nu Bilangan Nusselt