KAJIAN PERFORMANSI MESIN PENDINGIN ABSORPSI INTERMITTEN MENGGUNAKAN FLUIDA KERJA AMMONIA AIR MOCHAMMAD NURUDDIN

Transkripsi

1 KAJIAN PERFORMANSI MESIN PENDINGIN ABSORPSI INTERMITTEN MENGGUNAKAN FLUIDA KERJA AMMONIA AIR MOCHAMMAD NURUDDIN SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2008

2 PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN SUMBER INFORMASI Dengan ini saya menyatakan bahwa Tesis Kajian Performansi Mesin Pendingin Absorpsi Intermitten Menggunakan Fluida Kerja Ammonia Air adalah karya saya dengan arahan Prof. Dr. Ir Armansyah H. Tambunan dan Dr. Leopold O. Nelwan, STP. Msi. sebagai komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini. Bogor, Mei 2008 Mochammad Nuruddin NIM. F

3 ABSTRACT NURUDDIN. Study on Performance of Intermittent Absorption Refrigerator Using Ammonia Water Mixture. Under direction of ARMANSYAH H. TAMBUNAN and LEOPOLD O. NELWAN Absorption refrigeration is one of the alternative refrigeration systems that use natural refrigerant and renewable energy such as solar, biomass, and waste heat to complete the cycle. Intermittent absorption refrigeration system consists of two cycles, namely regeneration cycle and refrigeration cycle. Icyball refrigeration using ammonia water mixture as its working fluid is one of the intermittent absorption used in this study. Experimental work on the icyball absorption refrigeration was carried out to study and analyze the effect of temperature, pressure and initial concentration of ammonia water mixture on the performance of the refrigeration system. The results showed that the minimum evaporator temperature of icyball refrigerator depends on the maximum pressure obtained by condenser evaporator vessel and the minimum pressure obtained by generator absorber vessel at the beginning of the refrigeration cycle. The initial concentration of ammonia-water mixture and the condensing temperature affects the performance of intermittent absorption refrigeration. The optimum COP of the cycle from the experiment was 0,1613 with minimum evaporator temperature 21,6 o C, regeneration pressure 6 bar and condensing temperature o C. Keywords : coefficient of performance, icyball, intermittent absorption refrigeration, regeneration cycle, refrigeration cycle.

4 RINGKASAN NURUDDIN. Kajian Performansi Mesin Pendingin Absorpsi Intermitten Menggunakan Fluida Kerja Ammonia Air. Dibimbing oleh ARMANSYAH H. TAMBUNAN dan LEOPOLD O. NELWAN Penanganan komoditi pertanian seperti buah-buahan maupun sayuran pasca panen yang cepat dan tepat mutlak diperlukan karena produk tersebut mudah rusak dan tidak tahan lama (perishable) pada suhu tinggi. Salah satu cara untuk mengatasi hal tersebut adalah dengan penyimpanan dalam suhu rendah melalui proses pendinginan (refrigerasi). Metode pendinginan alternatif untuk mengatasi masalah yang dihadapi oleh sistem pendingin kompresi uap adalah menggunakan sistem pendinginan absorpsi. Sistem pendinginan absorpsi dalam pengoperasiannya menggunakan energi panas yang dapat diperoleh dari sumber energi terbarukan dan menggunakan refrigeran alami. Konstruksi yang sederhana dan mudah untuk dibawa (portabel) serta mudah pengoperasiannya membuat mesin pendingin absorpsi intermitten sesuai digunakan untuk pendinginan buah-buahan dan sayuran dalam skala kecil. Penelitian ini bertujuan untuk menguji kinerja dan menganalisa parameterparameter yang mempengaruhi performa dari mesin pendingin absorpsi intermitten tipe icyball menggunakan fluida kerja ammonia air. Icyball merupakan tipe mesin pendingin absorpsi intermitten yang terdiri dari dua buah tabung yaitu tabung generator absorber (tabung G-A) dan tabung kondensor evaporator (tabung K-E) yang dihubungkan dengan pipa penghubung dan dilengkapi dengan katup penghubung. Sistem pendingin ini mempunyai dua buah siklus yang bekerja secara bergantian yaitu siklus regenerasi dan siklus refrigerasi, serta beroperasi berdasarkan beda tekanan yang dihasilkan oleh kedua tabung. Proses regenerasi berlangsung secara bersamaan dengan proses kondensasi yang bertujuan untuk melepaskan uap ammonia dari larutannya sehingga terbentuk refrigeran ammonia murni di dalam tabung K-E dan larutan ammonia konsentrasi rendah sebagai absorber di dalam tabung G-A. Penurunan tekanan tabung G-A dilakukan setelah proses regenerasi untuk menciptakan beda tekanan antara kedua tabung supaya dapat dilakukan siklus refrigerasi. Proses refrigerasi merupakan proses pengambilan panas dari luar tabung K-E dimana refrigeran ammonia di dalamnya terevaporasi dan uapnya diserap oleh larutan ammonia konsentrasi rendah yang ada di dalam tabung G-A. Hasil pengujian menggunakan larutan ammonia dengan konsentrasi awal 26,76 %, tekanan regenerasi 6,5 bar dan suhu kondensasi o C menghasilkan suhu minimum tabung K-E terendah yaitu 16,3 o C. Suhu minimum tabung K-E yang dihasilkan tergantung dari beda tekanan yang mampu dihasilkan pada akhir proses regenerasi, yaitu tekanan maksimum tabung K-E dan tekanan minimum tabung G-A. Hasil analisis menunjukkan bahwa performansi mesin pendingin absorpsi intermitten, yang ditunjukkan oleh nilai COP, dipengaruhi oleh konsentrasi awal larutan ammonia yang digunakan serta suhu kondensasi tabung K E. Nilai COP mesin pendingin tertinggi hasil pengujian adalah 0,1613 menggunakan konsentrasi awal larutan ammonia adalah 28,2 %, tekanan regenerasi 6 bar dan suhu kondensasi o C.

5 Hak cipta milik IPB, tahun 2008 Hak cipta dilindungi Undang-undang 1. Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumber a. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik atau tinjauan suatu masalah b. Pengutipan tidak merugikan kepentingan yang wajar IPB 2. Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis dalam bentuk apapun tanpa izin IPB.

6 KAJIAN PERFORMANSI MESIN PENDINGIN ABSORPSI INTERMITTEN MENGGUNAKAN FLUIDA KERJA AMMONIA AIR MOCHAMMAD NURUDDIN Tesis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada Departemen Ilmu Keteknikan Pertanian SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2008

7 Penguji Luar Komisi pada Ujian Tesis : Dr. Ir. Rokhani Hasbullah, M.Si

8 Judul Tesis : Kajian Performansi Mesin Pendingin Absorpsi Intermitten Menggunakan Fluida Kerja Ammonia Air Nama : Mochammad Nuruddin NIM : F Disetujui Komisi Pembimbing Prof. Dr.Ir. Armansyah H.Tambunan Ketua Dr. Leopold O. Nelwan, STP.MSi. Anggota Diketahui Ketua Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian Dekan Sekolah Pascasarjana Prof. Dr.Ir. Armansyah H.Tambunan Prof. Dr.Ir. Khairil Anwar Notodiputro, MS Tanggal Ujian : 7 Mei 2008 Tanggal Lulus :

9 PRAKATA Puji dan Syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas segala karunia Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Judul dari Tesis ini adalah Kajian performansi mesin pendingin absorpsi intermitten menggunakan fluida kerja ammonia air dan merupakan penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Desember Atas selesainya tesis ini penulis menyampaikan terima kasih kepada : 1. Prof. Dr. Ir. Armansyah H. Tambunan atas segala bimbingan dan arahannya bagi terselesaikannya tesis ini serta atas semua nasihat dan dorongannya kepada penulis untuk menjadi pribadi yang lebih baik lagi. 2. Dr. Leopold O. Nelwan, STP. MSi atas segala bimbingan dan masukannya yang amat berharga bagi penulis untuk menyelesaikan penelitian ini. 3. Dr. Ir. Rokhani Hasbullah, MSi selaku dosen penguji atas segala saran dan masukannya terhadap penulisan Tesis ini. 4. Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi (DIKTI) Departemen Pendidikan Nasional atas bantuan Beasiswa Program Pascasarjana (BPPS) selama studi S2 di Institut Pertanian Bogor. 5. Segenap pimpinan Politeknik Negeri Jember yang telah mengijinkan penulis untuk melanjutkan studi pascasarjana di IPB. 6. Kedua Orangtua, Bapak Nafik Mustofa dan Ibu Ari Sayekti serta kedua adik Yusuf dan Oni atas kasih sayang dan support yang diberikan. 7. Istri tersayang Fika Kumala serta putri tercinta Hawwa Dzarifatus sholiha atas perhatian dan kesabaran serta support yang diberikan selama studi. 8. Kawan-kawan seperjuangan mahasiswa TEP pascasarjana 2005, Bayu, Hendri, Omil, Lukman, Harsman, Hilda, Mbak Maria, Oli, Nunik, dan Eni atas segala suka dukanya selama ini, serta Khafid yang menjadi partner yang baik selama penelitian ini. 9. Rekan-rekan bimbingan hari jum at, mas Totok, pak Rizal, pak Soni, pak Togi, pak Yogi, Mr. Yaoi, dan Riswanti atas semua diskusi yang telah banyak dilakukan.

10 10. Teman-teman di Laboratorium Energi dan Elektrifikasi Pertanian, pak Harto, mas Firman, mas Darma serta pak Parma dan mas Mul atas semua bantuannya selama penulis studi di IPB. 11. Teman-teman rekan mahasiswa, Diswandi, Safrizal, mas Lilik, mas Deni, dan semua pihak yang tidak dapat disebut satu per satu. Ucapan terima kasih secara khusus disampaikan kepada Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi (DIKTI) Departemen Pendidikan Nasional melalui Hibah Penelitian Tim Pascasarjana (HPTP) No. 317/SP3/PP/DP2M/II/2006 yang banyak memberi bantuan dana penelitian. Semoga karya ilmiah ini bermanfaat Bogor, Mei 2008 Mochammad Nuruddin

11 RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Jember pada tanggal 11 November 1976 dari ayah Nafik Mustofa dan ibu Ari Sayekti merupakan anak pertama dari tiga bersaudara. Penulis mendapat gelar sarjana dari Fakultas teknik jurusan mesin Universitas Brawijaya pada tahun Penulis bekerja sebagai staf pengajar di Politeknik Negeri Jember pada tahun 2001 dan ditempatkan di Progran Studi Keteknikan Pertanian Jurusan Teknologi Pertanian. Penulis berkesempatan untuk melanjutkan studi pascasarjana di Institut Pertanian Bogor (IPB) atas bantuan beasiswa program pascasarjana (BPPS) pada tahun 2005.

12 DAFTAR ISI Halaman DAFTAR ISI... i DAFTAR TABEL... ii DAFTAR GAMBAR... iii DAFTAR LAMPIRAN... v DAFTAR SIMBOL... vi I. PENDAHULUAN Latar Belakang Tujuan Penelitian... 3 II. TINJAUAN PUSTAKA Proses Pendinginan Metode Pendinginan Sistem Pendinginan Absorpsi Sistem Pendinginan Absorpsi Kontinyu Sistem Pendinginan Absorpsi Intermitten Siklus Teoritis Sistem Pendinginan Absorpsi Intermitten Fluida Kerja Mesin Pendingin Absorpsi III. LANDASAN TEORI Diagram Suhu dan Konsentrasi Diagram Entalpi Konsentrasi Sifat Termodinamika Larutan Ammonia Air Analisis Termodinamika sistem Pendingin Absorpsi Intermitten IV. METODOLOGI PENELITIAN Waktu dan Tempat Bahan dan Alat Prosedur Percobaan Tahapan-tahapan Percobaan V. HASIL DAN PEMBAHASAN Perbaikan dan Uji Kebocoran Mesin Pendingin Analisis Kinerja Mesin Pendingin Absorpsi Intermitten Perbandingan Kinerja Tiap Pengujian Verifikasi Hasil Pengujian Analisis Performansi Mesin Pendingin Absorpsi Intermitten VI. KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN... 68

13 DAFTAR TABEL Halaman 1. Parameter untuk menentukan suhu campuran dalam fase cair Parameter untuk menentukan suhu campuran dalam fase gas Parameter untuk menentukan konsentrasi campuran dalam fase gas Parameter untuk menentukan entalpi campuran dalam fase cair Parameter untuk menentukan entalpi campuran dalam fase gas Perbandingan hasil uji kinerja mesin pendingin absorpsi intermitten... 43

14 DAFTAR GAMBAR Halaman 1. Mesin pendingin absorpsi kontinyu buatan Ferdinand Carre Perbandingan sistem kompresi uap dan sistem absorpsi Sistem pendinginan absorpsi kontinyu Skema kerja sistem pendinginan absorpsi intermitten Siklus teoritis sistem pendinginan absorpsi Diagram t-x siklus pendinginan absorpsi menggunakan ammonia air Diagram h-x siklus pendinginan absorpsi menggunakan ammonia air Mesin pendingin absorpsi intermitten tipe icyball Diagram alir penelitian Uji kebocoran mesin pendingin menggunakan udara bertekanan Proses pengisian aqua ammonia ke dalam tabung G-A Proses regenerasi kondensasi Proses penurunan tekanan tabung G-A Proses evaporasi absorpsi Proses refrigerasi di dalam gerobak Titik-titik pengukuran dalam pengujian Perbaikan mesin pendingin icyball Grafik hubungan tekanan dan suhu pada uji I Grafik suhu konsentrasi pada uji I Grafik entalpi konsentrasi pada uji I Distribusi suhu yang terjadi pada uji I Tekanan regenerasi pada masing-masing pengujian Suhu kondensasi selama proses regenerasi - kondensasi Beda tekanan di akhir proses pendinginan tabung G-A Suhu minimum evaporator yang dicapai masing-masing pengujian Perbandingan nilai COP masing-masing pengujian Pengaruh suhu regenerasi terhadap massa uap proses regenerasi Jumlah panas regenerasi hasil simulasi untuk tiap pengujian Jumlah uap ammonia yang terkondensasi di dalam tabung K-E... 52

15 30. Kapasitas pendinginan yang dihasilkan masing-masing pengujian Koefisien performansi masing-masing pengujian Pengaruh konsentrasi awal larutan ammonia terhadap suhu jenuh untuk menghasilkan larutan ammonia dengan konsentrasi berbeda Jumlah panas regenerasi hasil simulasi pengaruh konsentrasi awal larutan ammonia Kapasitas pendinginan hasil simulasi pengaruh konsentrasi awal larutan ammonia COP hasil simulasi pengaruh konsentrasi awal larutan ammonia Pengaruh suhu kondensasi terhadap suhu jenuh larutan ammonia pada proses regenerasi Jumlah panas regenerasi hasil simulasi pengaruh suhu kondensasi Kapasitas pendinginan hasil simulasi pengaruh suhu kondensasi COP hasil simulasi pengaruh suhu kondensasi Jumlah panas regenerasi hasil simulasi pengaruh proses rektifikasi Kapasitas pendinginan hasil simulasi pengaruh proses rektifikasi COP hasil simulasi pengaruh proses rektifikasi... 63

16 DAFTAR LAMPIRAN Halaman 1. Gambar Kerja Mesin Pendingin Absorpsi Intermitten Tipe Icyball Perbaikan dan Hasil Uji Kebocoran Mesin Pendingin Grafik Hubungan Tekanan dan Suhu Terhadap Waktu Uji II Grafik Hubungan Tekanan dan Suhu Terhadap Waktu Uji III Grafik Hubungan Suhu Konsentrasi Pada Uji II Grafik Hubungan Suhu Konsentrasi Pada Uji III Diagram entalpi konsentrasi pada uji II Diagram entalpi konsentrasi pada uji III Distribusi suhu pada uji II dan III Perhitungan Beban Pendinginan Pada Uji I Perbandingan massa uap regenerasi (mvg) dan jumlah panas regenerasi (Qg) hasil pengukuran dan perhitungan Besaran mvg, mvc, mfl, dan mev hasil simulasi pengaruh konsentrasi awal larutan ammonia Besaran mvg, mvc, mfl, mev hasil simulasi pengaruh suhu kondensasi Besaran mvg, mvc, mfl, mev hasil simulasi pengaruh proses rektifikasi Diagram ptx larutan aqua ammonia Properti kriogenik ammonia... 87

17 DAFTAR SIMBOL COP : coefficient of performance h : entalpi larutan ammonia air (kj/kg) h 0 : entalpi referensi (kj/kg) h : entalpi uap ammonia air (kj/kg) h fg m m vg m vc m fl m ev p p 0 Qe Qg : panas laten penguapan larutan ammonia air (kj/kg) : massa larutan ammonia air (kg) : massa uap hasil proses regenerasi(kg) : massa uap larutan ammonia hasil kondensasi (kg) : massa ammonia yang pindah pada proses evaporasi (kg) : massa ammonia yang terevaporasi di tabung K-E (kg) : tekanan (Mpa) : tekanan referensi (MPa) : kapasitas pendinginan (kj) : jumlah panas yang dibutuhkan proses regenerasi (kj) t : suhu ( o C) T : suhu mutlak (K) T 0 : suhu referensi (K) x : konsentrasi larutan ammonia x : konsentrasi uap ammonia