BAB II LANDASAN TEORI 2.1 DASAR TEORI Absorbsi adalah proses yang terjadi ketika gas atau cairan berkumpul atau terhimpun pada permukaan benda padat, dan apabila interaksi antara gas atau cairan yang terhimpun pada permukaan benda padat dalam bentuk embuntersebut relatif lemah maka disebut sebagai absorbsi fisik, sedangkan yang terkumpul pada benda padat disebut absorbat, sedangkan untuk material benda padat yang merupakan tempat terhimpunnya absorbat tadi disebut absorben. Interaksi antara absorben dan absorbat tersebut disebabkan oleh gaya van der walls. Untuk sistem absorbsi ini diperlukan pasangan absorben-absorbat, dimana terdapat beberapa macam pasangan yang dipakai, yaitu silica gel-air, karbon aktif-metanol, karbon aktif-ammonia, dan zeoilt-air. 5
6 2.1.1 ABSORBENS Absorben secara umum terbagi 3 yaitu : 1. Physical absorbens diantaranya karbon aktif, zeolite, dan silica gel. 2. Chemical absorbens seperti kalsium klorida (CaCl 3 ) 3. Chomposite absorbens didapat dari hasil kombinasi chemical absorbens dan porous matrix. Adsorben yang sering digunakan biasanya berupa butiraan-butiran kecil seperti pil dengan diameter berkisar 0.5 dan 10 mm. absorben ini memiliki ketahanan terhadan panas yang tinggi, kestabilan panas yang tinggi, diameter micropore yang kecil dimana akan menghasilkan area permukaan luar yang luas karenanya akan mengakibatkan kapasitas yang tinggi dalam proses absorsi. Pasangan zeolite-air merupakan pasangan untuk cold storage sedangkan pasangan karbon aktifmetanol merupakan pasangan untuk keperluan pembuatan es. Adapun macam-macam absorben yang sering digunakan antara lain. 2.1.1.1 KARBON AKTIF Merupakan material yang memiliki pori-pori yang banyak, tidak berbentuk padat dan terdiri dari mikro kristalis dengan kisi-kisi granit. Satu kekurangan utamanya adalah gampang menyala atau terbakar.
7 Gambar 1. Bentuk butiran karbon aktif Karbon aktif dapat dibuat dari semua bahan yang mengandung karbon baik dari tumbuhan, kayu, kelapa atau batu bara. Daya serap karbon aktif umumnya bergantung kepada sejumlah senyawa karbon yang berkisar 85%-(5% karbon bebas. Proses pembuatannya terdiri dari dua tahap yaitu carbonization dan activation. Proses carbonization termasuk pengeringan dilanjutkan dengan pemanasan untuk memisahkan produknya. Pada bagian akhir proses carbonization dilakukan pamanasan material pada temperature 400 o C 600 o C dengan keadaan tanpa oksigen sehingga tidak terjadi pemabakaran. Kemudian activation dilakukan dengan menggunakan bahan kimia seperti ZNCl 2 atau dengan menggunakan uap air pada temperature tinggi. 2.1.1.2 SILLICA GEL Energi yang dibutuhkan untuk pengikatan absorbat pada silica gel relative kecil disbanding dengan energi yang
8 dibutuhkan untuk mengikat absorbat pada karbon aktif atau zeolite sehingga temperature untuk desorbsinya rendah. Laju desorbsi seilica gel terhadap kenaikan temperature sangat tinggi. Silica gel dibuat dari silica murni dan secara kimia diikat dengan air. Jika silica gel diberi panas yagn berlebih sampai kehilangan kadar airnya maka daya absorbsinya akan hilang sehingga umumnya silica gel digunakan dengan temperature dibawah 200 o C. Silica gel memiliki kapasitas menyerap air yang sangat besar terutama pada saat tekanan uap air tinggi. Gambar 2. Bentuk butiran silica gel 2.1.1.3 ZEOLIT Zeolit merupakan bahan alami atau campuran aluminium silicates, zeolite digunakan untuk pengeringan dan pemisahan campuran hidrokarbon, zeolit memiliki kemampuan absorbsi yang tinggi karena zeolit memiliki porositas yang tinggi dan melepaskan air pada temperature yang tinggi.
9 Gambar 3. Bentuk butiran zeolit 2.1.2 ABSORBAT Absorbat merupakan substansi yangn mampu untuk menempel/melekat atau diabsorbsi pada permukaan absorben. Jumlah absorbat yang diabsorbsi tergantung pada beberapa faktor diantaranya jenis absorben, jenis absorbat, konsentrasi absorbat dan temperature. Absorbat pada sistem refrigasi absorbsi merupakan pengganti refrigerant seperti pada pendingin kompresi uap. Adsorbat yang digunakan harus memiliki kalor laten penguapan yang tinggi yang digunakan untuk mengukur enenrgi pendinginan. Absorbat yang biasa digunakan untuk pendingin absorbsi adalah air, methanol, dan ammonia. 2.1.2.1 AIR Air merupakan refrigerant yang ideal karena memiliki kalor laten spesifik yang tinggi dan tidak beracun. Air dapat digunakan sebagai pasangan seolit dan silica gel, tapi tekanan penguapan yang rendah merupakan keterbatasan air sebagai refrigerant.
10 2.1.2.2 METHANOL Memiliki tekanan penguapan yang tinggi disbanding dengan air, methanol dapat dengan mudah terevaporasi pada temperature dibawah 0 o C karena methanol bekerja dibawah tekanan atmosfir sehingga sangat cocok digunakan untuk pembuatan es, methanol sebagai absorbat sebagai pasangan absorben yang terbuat dari karbon aktif, sillia gel dan zeloit dengan pemanasan hinggan 120 o C. 2.1.2.3 AMMONIA Besarnya panas laten spesifik ammonia adalah setengah lebih rendah dari panas laten spesifik air, apada temperature 0 o C dan memiliki tekanan penguapan yang tinggi. Ammonia memiliki keuntungan yang ramah lingkungan dan dapat digunakan sebagai refrigrant sampai -40 o C, dan dapat dipanaskan sampai 200 o C. kerugian dari ammonia : 1. Beracun, sehingga penggunaannya dibatasi. 2. Tidak dapat ditampung pada instalasi yang terbuat dari tembaga atau campurannya. 2.2 SISTEM KERJA PENDINGIN ABSORBSI Pendingin absorbsi umumnya terdiri dari 4 (empat) komponen utama yaitu: (1) absorber, (2) generator, (3) kondensor, dan (4) evaporator. Pada penelitian ini model pendingin absorbsi yang dibuat hanya
11 terdiri dari dua komponen utama karena komponen absorber dan generator disatukan (selanjutnya disebut generator saja), dan komponen kondensor dan evaporator disatukan (selanjutnya disebut evaporator saja). Menggunakan Kalor Proses desorbsi Kondensor Menyerap Uap kedalam kalor Proses absorbsi Evaporator Gambar 4. Siklus pendinginan absorbsi Siklus pendinginan absorbsi terdiri dari proses absorbsi (penyerapan) refrijeran (metanol) kedalam absorber (karbon aktif) dan proses desorbsi (pelepasan) refrigerant dari absorber. Proses ini dapat dilihat pada Gambar 1. Proses absorbsi dan desorbsi terjadi pada absorber (pada penelitian ini di dalam generator). Pada proses desorbsi generator memerlukan energi panas dari sumber panas. Energi panas dapat berasal dari pembakaran kayu, bahan bakar minyak dan gas bumi, buangan proses industri, biomassa, biogas atau dari energi alam seperti panas bumi dan energi panas surya. Untuk kepraktisan pada penelitian ini digunakan pemanas listrik yang dapat diatur dayanya sebagai sumber panas. Proses yang terjadi dalam sistem pendingin absorbsi metanol-karbon aktif adalah: Evaporator diletakan di dalam sebuah kotak pendingin, bersama bahan-bahan yang ingin didinginkan. Generator terletak di luar kotak pendingin dan berisi karbon aktif. Evaporator dan generator dihubungkan oleh pipa dan kran (katup/valve) sebagai pengatur.
12 Metanol cair dimasukan kedalam tabung evaporator dengan perlahan untuk menjaga tekanan sistem agar tetap vakum. Metanol yang masuk pada sistem vakum, sebagian akan berubah fase menjadi uap dan membuat tekanan naik. Setelah kran penghubung dibuka, maka uap metanol akan terserap oleh karbon aktif yang berada di generator. Proses terserapnya uap metanol ke dalam karbon aktif membuat tekanan sistem turun dan membuat sebagian metanol yang masih dalam fase cair menguap. Sebagian metanol yang masih dalam fase cair membutuhkan kalor untuk menguap. Kalor yang diperlukan metanol untuk menguap diambil dari lingkungan sekitar. Proses penyerapan kalor dari lingkungan sekitar membuat temperatur evaporator menurun dan temperatur generator naik. Proses penyerapan metanol oleh karbon aktif ini disebut absorbsi. Absorbsi akan berhenti ketika metanol yang berada pada tabung evaporator sudah habis atau karbon aktif sudah jenuh dan tidak dapat menyerap lagi. Selanjutnya ketika absorbsi sudah berhenti, generator dipanasi dengan sumber panas. Energi panas ini akan menaikkan temperatur karbon aktif yang berisi uap metanol. Setelah panas, uap metanol akan terlepas dari karbon aktif dan mengalir kembali ke evaporator. Karena temperatur evaporator lebih rendah dari generator maka uap metanol akan mengembun dan berubah menjadi cairan metanol di evaporator. Proses pelepasan uap metanol dari karbon aktif ini disebut proses desorbsi. Saat proses desorbsi, proses pendinginan tidak akan terjadi. Proses desorbsi ini tetap berlanjut hingga uap metanol terlepas semua dari karbon aktif. Hal ini ditandai dengan tekanan sistem yang naik ke tekanan semula. Proses absorbsi dapat kembali
13 terjadi setelah temperatur karbon aktif turun ke temperatur semula. Oleh karena proses pendinginan tidak berlangsung secara terus-menerus atau kontinyu maka proses pendinginannya disebut berlangsung secara intermitten. Unjuk kerja pendingin absorbsi dapat dinyatakan dengan koefisien prestasi (COP) dan dapat dihitung dengan persamaan: (1) (Sumber: Refrigeration and Air Conditioning, Manohar Prasad 2006) Dari buku Refrigeration and Air Conditioning oleh Manohar Prasad, juga diketahui bahwa: T abs = T cond (2) Sedangkan berdasarkan alat yang dibuat, seperti yang tertulis pada halaman 10 naskah Tugas Akhir ini, diketahui bahwa: T gen = T abs T evap = T cond (3) (4) Setelah itu, persamaan (2), (3), dan (4) disubstitusikan dalam persamaan (1), sehingga diperoleh : (5)
14 Keterangan: CO TEvap TGen Tcond Tabs : Unjuk kerja alat : Temperatur evaporator (K) : Temperatur generator (K) : Temperatur kondensor (K) : Temperatur absorber (K) 2.3 PENELITIAN YANG PERNAH DILAKUKAN Beberapa penelitian pendingin absorbsi menggunakan zeolit-air dengan energi surya yang pernah dilakukan diantaranya oleh Hinotani (1983) mendapatkan bahwa harga COP sistem pendingin absorbsi surya menggunakan zeolit-air akan medekati konstan pada temperatur pemanasan 160 o C atau lebih. Grenier (1983) melakukan eksperimen sistem pendingin absorbsi surya menggunakan zeolit-air dan mendapatkan harga COP sebesar 0,12. Pons (1986) meneliti pendingin absorbsi zeolit-air tetapi COP nya hanya 0,1. Zhu Zepei (1987) melakukan pengetesan pada sistem pendingin absorbsi surya menggunakan zeolit-air dengan kolektor plat datar dan kondensor berpendingin udara mendapatkan COP yang rendah sebesar 0,054 modifikasi yang dilakukan dengan memvakumkan sistem dan penggunaan reflektor datar tidak banyak menaikkan harga COP. Kreussler (1999) melakukan penelitian dan hasilnya adalah dengan pemanasan 150 o C didapatkan energi pendinginan sebesar 250 KJ per Kilogram zeolit. Sebuah penyimpan dengan volume 125 liter dapat didinginkan menggunakan kolektor seluas 3m 2. Ramos (2003) mendapatkan COP sebesar 0,25 dengan menggunakan kolektor parabola secara terpisah dari sistem pendingin sehingga setiap kali diperlukan proses
15 pemvakuman. Sistem yang dipakai Ramos tidak menggunakan kondensor, Ramos juga mendapatkan kapasitas absorbsi zeolit mencapai optimal dengan pemanasan tabung zeolit sebesar 250 o C. Penelitian-penelitian tersebut menggunakkan zeolit yang diproduksi di Jerman, Slovnaft-Czech, dan Perancis