RANCANG BANGUN GENERATOR PADA MESIN PENDINGIN MENGGUNAKAN SIKLUS ABSORPSI MEMANFAATKAN PANAS BUANG MOTOR BAKAR DENGAN PASANGAN REFRIJERAN - ABSORBEN AMONIA-AIR Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik LAMHOT RIKARDO ARITONANG NIM : 100401057 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2016
ABSTRAK Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui kapasitas generator, serta keefektifan generator. Pada penelitian ini dirancang sebuah generator yang digunakan untuk memanaskan larutan ammonia air pada mesin pendingin siklus absorpsi. Sumber panas dari generator ini berasal dari panas gas buang motor bakar. Generator yang digunakan adalah jenis shell and tube. Generator akan memanaskan temperatur larutan amonia air dari 30 C menjadi 90 C. Setelah dilakukan perhitungan termodinamikanya maka didapatkan kapasitas dari generator adalah sebesar 122,365 W dan laju aliran massa di generator adalah sebesar 0,00016 kg/s. Kemudian dilakukan perhitungan panjang generator dan dari perhitungan didapatkan panjang generator 0,83 m dengan jumlah tube sebanyak 20 buah. Dari hasil rancangan maka dibuat benda jadi dari generator. Kemudian dilakukan percobaan pada generator untuk mendapatkan kapasitas generator, serta keefektifan generator. Kata kunci: mesin pendingin absorbsi, panas gas buang, generator
ABSTRACT This research aims to determine the capacity of the generator, as well as the effectiveness of the generator. In this research designed a generator that is used to heat a solution of ammonia water in absorption refrigeration cycle. The source of heat the generator is derived from the hot exhaust gas internal combustion. The generator used is a type of shell and tube. The generator will heat the ammonia water solution temperature of 30 C to 90 C. After calculation thermodinamic then obtained the capacity of the generator is equal to 122.365 W and the mass flow rate in the generator is equal to 0.00016 kg / s. Then calculate the length of generator, and from the calculation, generator length of 0.83 m with tube 20 pieces. From the results it is made objects to design the generator. Then conducted experiments on the generator to get the generator capacity, as well as the effectiveness of the generator. Keywords: absorption refrigeration machine, heat exhaust, generator
KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat, kasih-nya, penuis diberikan kekuatan dan kesehatan selama pengerjaan skripsi ini, sehingga skripsi ini dapat penulis selesaikan. Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan untuk mencapai gelar sarjana di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik. Adapun yang menjadi judul skripsi ini yaitu Rancang Bangun Generator pada Mesin Pendingin menggunakan Siklus Absorpsi memanfaatkan panas buang Motor Bakar dengan pasangan refrijeranabsorben Amonia-Air. Penulis mengucapkan terima kasih kepada banyak pihak yang telah banyak membantu penulis dalam berbagai hal untuk menyelesaikan penyusunan skripsi ini. Oleh sebab itu, penulis menyampaikan terima kasih kepada: 1. Orang tua penulis Bapak J. Aritonang dan Ibunda K. Aruan yang tidak pernah putus-putusnya memberikan dukungan materil dan doa serta kasih sayangnya yang tak terhingga kepada penulis. Kepada abang, kakak dan adik penulis yang terus memberi semangat. 2. Bapak Dr. Ir. Farel H.Napitupulu selaku Dosen Pembimbing yang telah memberikan banyak bimbingan, arahan, dan masukan yang positif kepada penulis selama penyusunan skripsi ini. 3. Bapak Ir.Zamanhuri,MT yang telah banyak membantu memberi saran dan waktu diskusi serta membimbing selama pengerjaan Tugas Akhir ini. 4. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin. 5. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT. selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera. 6. Seluruh staf pengajar dan pegawai administrasi Departemen Teknik Mesin di, yang telah banyak membantu penulis dan memberikan bimbingan selama perkuliahan.
7. Rekan satu tim skripsi yaitu Absaliok S, Dedy M, dan Rido M yang terus saling menyemangati. 8. Sahabat dan teman teman alumni foundry, Budi, Piter, dll yang saling menguatkan selama mengerjakan skripsi. 9. Seluruh mahasiswa Departemen Teknik Mesin terkhusus stambuk 2010 yang tidak dapat saya sebutkan satu per satu. Penulis menyadari bahwa penulisan skripsi ini masih memiliki kekurangan. Untuk itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun dari berbagai pihak. Penulis mengharapkan skripsi ini semoga dapat menjadi bacaan yang bermanfaat bagi pembaca dan kita semua. Terimakasih. Medan, 25 Juni 2016 Penulis, Lamhot Aritonang NIM. 100401057
DAFTAR ISI ABSTRAK... i KATA PENGANTAR... ii DAFTAR ISI... iv DAFTAR GAMBAR... vi DAFTAR TABEL... viii DAFTAR LAMPIRAN... ix DAFTAR NOTASI... x BAB I PENDAHULUAN...1 1.1 Latarbelakang... 1 1.2 Tujuan Penelitian... 2 1.3 Batasan Masalah Penelitian... 3 1.4 Manfaat Penelitian... 3 1.5 Sistematika Penulisan... 3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA...5 2.1 Siklus Absorbsi... 5 2.1.1 Teori Umum Siklus Absorbsi... 6 2.1.2 Perbedaan Sistem Absorbsi dengan Sistem Kompresi Uap.. 9 2.2 Pasangan refrijeran absorben... 10 2.2.1Amonia... 11 2.3 Generator... 12 2.4 Perpindahan Panas... 15 2.4.1 Perpindahan Panas Konduksi... 16
2.4.2 Perpindahan Panas Konveksi... 17 2.5 Parameter dalam Perhitungan Nilai Perpindahan Panas APK... 20 2.5.1 Sifat-sifat termodinamika fluida... 21 2.5.2 Sifat Aliran Fluida... 22 2.5.3 Laju perpindahan Kalor pada Alat Penukar Kalor... 23 2.5.4 Penukar Panas dalam Aliran Paralel... 27 2.5.5 Penukar Panas dalam Aliran Berlawanan... 29 2.6 Faktor Pengotoran... 29 2.7 Keefektifan... 30 BAB III METODOLOGI PENELITIAN... 32 3.1 Waktu dan Tempat Penelitian... 32 3.2 Alat dan Bahan Baku... 32 3.2.1 Alat... 32 3.2.2 Bahan... 36 3.3 Eksperimental set up... 37 3.4 Prosedur Pengujian... 37 3.5 Proses Pembuatan Mesin Pendingin Absorpsi... 38 3.6 Metode Pengolahan Data... 42 BAB IV HASIL DAN ANALISA PENGUJIAN...43 4.1 Analisa Termodinamika... 43 4.1.1 Panas yang Dibutuhkan Generator... 43 4.1.2 Panas yang Tersedia Dalam Gas Buang... 46
4.2 Perhitungan Panjang Pipa Generator... 48 4.2.1 Perhitungan Koefisien Perpindahan Panas Konveksi Internal Shell... 49 4.2.2 Perhitungan Koefisien Perpindahan Panas Konveksi Internal Tube... 51 4.2.3 Perpindahan Panas Menyeluruh... 53 4.2.4 Nilai LMTD... 54 4.2.5 Luas Penampang Total... 54 4.2.6 Panjang Generator... 54 4.3 Dimensi dan Material dari Generator... 55 4.4 Data Hasil Pengujian Generator... 55 4.4.1 Data Hasil Pengujian Pertama... 55 4.4.2 Data Hasil Pengujian Kedua... 58 4.4.3 Data Hasil Pengujian Ketiga... 60 4.5 Analisa Kesetimbangan Energi... 63 4.6 Keefektifan Generator... 68 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN...70 5.1 Kesimpulan... 70 5.2 Saran... 71 DAFTAR PUSTAKA... xi
DAFTAR GAMBAR Nomor Judul Halaman 2.1. 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.11 3.18 4.1 4.2 Komponen utama siklus absorpsi sederhana...... Diagram p-h Siklus kompresi uap dan siklus aborpi... Heat exchanger tipe shell and tube......... Ilutrasi aliran fluida single-pass... mode perambatan panas pada dinding tube.. Aliran luar.... Aliran dalam... Penukar pana dalam arah parallel. Penukar panas dengan aliran fluida berlawanan... Pompa air......... Pompa Vakum...... Pressure gauge.......... Stop watch........ Termometer digital...... Kran dan penyambung pipa.... Rockwell..... Busa hitam............... Amonia hidroksida... Titik ekspeimen set-up... Proses pengelasan generator...... Buffel atau sekat Generator... Pembuatan kondensor...... Pembuatan Absorber......... Pembuatan evaporator.... Pembuatan rangka mesin pendingin... Instalasi pendingin siklus absorpsi...... Diagram alir proses pengujian... Siklus absorpsi...... Jarak antar tube....... 7 8 13 15 17 18 19 27 29 32 33 34 34 35 35 36 36 36 37 39 39 39 40 40 41 41 42 43 49
4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 Grafik antara temperature generator terhadap waktu.... Grafik antara temperature generator terhadap waktu... Grafik antara temperature generator terhadap waktu.. Grafik antara Q dengan temperature pada percobaan pertama Grafik antara Q dengan temperature pada percobaan pertama... Grafik antara Q dengan temperature pada percobaan pertama... 57 59 62 64 66 67
DAFTAR TABEL Nomor Judul Halaman 2.1 2.2 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 Sifat amonia.......... Faktor pengotoran beberapa fluida...... Tekanan, enthalphy, dan entrophy Konsentrasi dan enthalpy... Data hasil percobaan pertama... Data hasil percobaan kedua...... Data hasil percobaan ketiga.... 11 30 44 45 55 58 60
DAFTAR LAMPIRAN Halaman Lampiran 1. Tabel sifat fisik refrigran ammonia R-717..... x Lampiran 2. Tabel sifat fisik gas buang (CO 2)......xi Lampiran 3. Diagram Tekanan-Konsentrasi-Temperatur larutan Amoni-air.....xii Lampiran 4. Diagram spesifik termal larutan Amonia-air......xiii Lampiran 5. Diagram viskositas larutan Amonia-a....xiv Lampiran 6. Konduktifitas termal larutan Amonia-air.. xv Lampiran 7. Tabel sifat stainless steel....... xvi Lampiran 8. Tabel ukuran standar tube..... xvii Lampiran 9. Tabel bilangan nusselt untuk aliran laminar....xviii Lampiran 10. Data temperatur percobaan pertama...... xiv Lampiran 11. Data temperatur percobaan kedua......xx Lampiran 12. Data temperatur percobaan ketiga...... xxi Lampiran 13. Data laju perpindahan panas percobaan pertama..... xxii Lampiran 14. Data laju perpindahan panas percobaan kedua..... xxiii Lampiran 15. Data laju perpindahan panas percobaan ketiga... xxiv Lampiran 16. Mesin Pendingin Absorpsi..... xxv
DAFTAR NOTASI Simbol Keterangan Satuan Q Laju perpindahan panas Watt A Luas Penampang Pelat Evaporator (m 2 ) ṁ Laju aliran massa kg/s ρ massa jenis kg/ Nu Bilangan Nusselt ( tak bersatuan ) Re Bilangan Reyold ( tak bersatuan ) h Koefisien Konveksi W/ K d Diamter pipa m T Temperatur C µ Viskositas Ns/ k Koefisien Konduksi W/mK Cp Panas Jenis J/kgK Pr Bilangan Prandtl (tak bersatuan) V Kecepatan udara m/s U Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh W/ K