PENGEMBANGAN PERANGKAT LUNAK UNTUK SIMULASI SATU UNIT MESIN PENDINGIN SIKLUS ADSORPSI YANG DIGERAKKAN ENERGI SURYA DENGAN LUAS KOLEKTOR 1,5 m 2 SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Memenuhi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik MUHAMMAD IKHWAN BAYONTA NASUTION NIM. 050401028 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2010
i
ii
iii
4
i
KATA PENGANTAR Segala puji dan syukur kepada Allah Subhanahu Wa Ta ala atas segala karunia yang telah diberikan-nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Sarjana ini. Shalawat dan salam kepada Rasulullah SAW sebagai teladan umat. Skripsi ini adalah salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan mencapai gelar sarjana di Fakultas Teknik, Departemen Teknik Mesin, Universitas Sumatera Utara. Adapun yang menjadi judul Skripsi ini yaitu Pengembangan perangkat lunak untuk simulasi satu unit mesin pendingin siklus adsorbsi yang digerakkan energi surya dengan luas kolektor 1,5 m 2 ". Dalam menyelesaikan skripsi ini, penulis banyak sekali mendapat dukungan dari berbagai pihak. Maka pada kesempatan ini penulis menyampaikan penghargaan dan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Bapak Dr. Eng. Himsar ambarita, ST, MT, selaku dosen pembimbing. 2. Bapak DR.Ing.Ir.Ikhwansyah Isranuri, selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU. 3. Bapak Tulus Burhanuddin Sitorus, ST. MT, selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU. 4. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU. 5. Orang tua penulis, Sahnan Nasution dan Siti Mirnelly Lubis, yang selalu memberikan penulis nasehat-nasehat serta do a selama studi di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU. 6. Keluarga, kerabat, sahabat, dan teman-teman yang selalu mendukung saya untuk berbuat yang terbaik. Dan semua pihak yang telah membantu saya dalam menyelesaikan skripsi ini. Penulis menyadari masih banyak kekurangan-kekurangan dalam Skripsi ini. Oleh karena itu, penulis sangat mengharapkan saran dan kritik yang membangun untuk penyempurnaan skripsi ini. Sebelum dan sesudahnya penulis ucapkan banyak terima kasih. Medan, Oktober 2010 Penulis, Muhammad Ikhwan Bayonta Nasution i
ABSTRAK Proses pendinginan sangat dibutuhkan dalam kehidupan sehari-hari, baik dalam hal pembuatan makanan, pengawetan, penyimpanan vaksin, dan lain-lain. Salah satu cara untuk memperoleh proses pendinginan adalah dengan pendinginan siklus adsorbsi. Penelitian tentang pendinginan siklus adsorbsi ini masih minim. Pendinginan siklus adsorbsi berlangsung secara intermittent sehingga untuk melakukan pengukuran performansi alat yang telah dibuat dibutuhkan waktu yang relatif lama dan biaya pabrikasi untuk sebuah mesin adsorbsi juga cukup mahal. Pada skripsi ini dibahas pengembangan perangkat lunak dengan menggunakan bahasa pemrograman FORTRAN untuk menghitung penguapan metanol yang terjadi dan pendinginan yang dapat dilakukan oleh mesin pendingin siklus adsorbsi dengan luas kolektor 1,5 m 2 dan kapasitas air di sekitar evaporator adalah 5 liter. Dengan bantuan bahasa pemrograman FORTRAN ini, penghitungan secara teori kemampuan mesin untuk melakukan pendinginan dapat diselesaikan dengan lebih cepat. Persamaan yang dipakai dalam program ini diperoleh dari buku referensi dan jurnal yang terkait dengan masalah yang dibahas (metode kepustakaan). Dengan data masukan intensitas radiasi 8 MJ/m 2 /hari diperoleh bahwa mesin dapat menurunkan temperatur air dari 301 K menjadi 280,53 K. Dengan intensitas radiasi masukan 9 MJ/m 2 /hari diperoleh bahwa mesin tidak hanya dapat melakukan pendinginan, tapi juga dapat membuat air di sekitar evaporator (5 liter) menjadi es. ii
DAFTAR ISI KATA PENGANTAR... i ABSTRAK... ii DAFTAR ISI... iii DAFTAR TABEL... v DAFTAR GAMBAR... vi DAFTAR NOTASI... viii BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1. Latar Belakang... 1 1.2. Tujuan... 2 1.3. Manfaat... 2 1.4. Batasan Masalah... 2 1.5. Sistematika Penulisan... 3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA... 5 2.1. Sejarah FORTRAN... 5 2.2. Adsorpsi... 6 2.2.1. Adsorpsi Secara Fisika... 8 2.2.2. Adsorpsi Secara Kimia... 13 2.2.1. Adsorpsi Komposit... 18 2.3. Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Adsorpsi... 20 2.4. Adsorben... 20 2.4.1. Adsorben Fisik... 21 2.4.2. Adsorben Kimia... 24 2.4.3. Adsorben Komposit... 25 2.5. Refrigeran... 26 2.5.1. Refrigeran pada Umumnya... 26 2.5.2. Refrigeran yang Lain... 29 2.6. Prinsip Sistem Pendingin Adsorpsi... 29 2.7. Siklus Ideal Sistem Pendingin Adsorpsi... 31 2.8. Pindahan panas... 35 2.8.1. Kalor Spesifik... 39 2.8.2. Kalor Laten... 39 iii
2.8.3. Kalor Sensibel... 40 2.9. Konduktivitas panas efektif... 41 2.9.1. Plat persegi yang berdekatan dengan posisi horizontal... 42 2.9.2. Plat persegi yang berdekatan dan membentuk sudut dengan bidang datar... 42 2.9.3. Plat persegi vertikal yang berdekatan... 44 BAB III METODOLOGI... 45 3.1. Bagian Mesin Pendingin... 45 3.2. Proses... 47 BAB IV MODEL MATEMATIKA... 49 4.1. Bagan alir program... 49 4.2. Persamaan-persamaan yang digunakan pada program... 52 BAB V SIMULASI DAN ANALISA... 54 5.1. Validasi hasil program... 54 5.2. Simulasi... 59 5.3. Analisa... 66 BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN... 73 6.1. Kesimpulan... 73 6.2. Saran... 76 DAFTAR PUSTAKA... 80 LAMPIRAN... 81 iv
DAFTAR TABEL Tabel 2.1. Reaction parameters for chlorides/ammonia... 15 Tabel 2.2. Sifat fisik refrigerant... 27 Tabel 2.3. Hubungan empiris bilangan Nusselt rata-rata untuk konveksi alamiah... 37 Tabel 2.4. Perbandingan H/L dan sudut kritis θ cr... 43 Tabel 5.1. Temperatur lingkungan dan intensitas radiasi matahari... 54 Tabel 5.2. Jumlah penguapan metanol... 57 Tabel 5.3. Temperatur plat absorber... 58 Tabel 5.4. Variasi laju intensitas radiasi matahari total per hari... 60 Tabel 5.5. Variasi laju intensitas radiasi matahari total per hari (lanjutan)... 61 Tabel 5.6. Hasil perhitungan menggunakan program dengan input 9 MJ... 61 Tabel 5.7. Hasil perhitungan menggunakan program dengan input 10 MJ... 62 Tabel 5.8. Hasil perhitungan menggunakan program dengan input 11 MJ... 62 Tabel 5.9. Hasil perhitungan menggunakan program dengan input 12 MJ... 63 Tabel 5.10. Hasil perhitungan menggunakan program dengan input 13 MJ... 63 Tabel 5.11. Hasil perhitungan menggunakan program dengan input 14 MJ... 64 Tabel 5.12. Hasil perhitungan menggunakan program dengan input 16 MJ... 64 Tabel 5.13. Hasil perhitungan menggunakan program dengan input 18 MJ... 65 Tabel 5.14. Hasil perhitungan menggunakan program dengan input 20 MJ... 65 v
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1. Adsorption Nomenclature... 7 Gambar 2.2. Siklus refrigerasi adsorpsi (Clapeyron diagram)... 9 Gambar 2.3. adsorpsi kimia... 14 Gambar 2.4. Garis reaksi kesetimbangan klorida... 16 Gambar 2.5. Prinsip Kerja siklus dasar dan diagram Van't Hoff... 17 Gambar 2.6. Fenomena histeresis adsorpsi dan slope tekanan... 18 Gambar 2.7. Isoterm pada 40 o C... 19 Gambar 2.8. Bentuk butiran silika gel... 21 Gambar 2.9. Bentuk butiran karbon aktif... 22 Gambar 2.10. Struktur karbon aktif... 23 Gambar 2.11. Bentuk butiran zeolit... 23 Gambar 2.12. Siklus sistim pendingin adsorpsi... 30 Gambar 2.13. Diagram tekanan vs temperatur yang menggambarkan garis isosters... 31 Gambar 2.14. Diagram clapeyron ideal... 32 Gambar 2.15 Proses pemanasan... 32 Gambar 2.16. Proses pemanasan-desorpsi-kondensasi... 33 Gambar 2.17. Diagram Clapeyron untuk pasangan AC 35 dan methanol... 33 Gambar 2.18 Proses pendinginan... 34 Gambar 2.19. Proses pendinginan-adsorpsi-evaporasi... 35 Gambar 2.20. Perpindahan panas konduksi... 35 Gambar 2.21. Perpindahan panas konveksi... 36 Gambar 2.22. Perpindahan panas secara radiasi... 38 Gambar 2.23. Dua buah plat yang berdekatan dengan posisi horizontal... 38 Gambar 2.24. Analogi konduksi murni dan konveksi alamiah dalam ruang tertutup... 41 Gambar2.25. Dua buah plat persegi yang berdekatan dengan posisi horizontal... 42 Gambar 2.26. Plat persegi yang berdekatan dan membentuk sudut dengan bidang datar... 42 Gambar 2.27. Plat persegi vertikal yang berdekatan... 44 vi
Gambar 3.1. Mesin pendingin adsorpsi yang direncanakan... 42 Gambar 3.2. Detail kolektor dan bagian dalam generator... 46 Gambar 3.3. Kondensor... 46 Gambar 3.4. Evaporator... 46 Gambar 3.5. Skema pengerjaan skripsi... 48 Gambar 4.1. Diagram alir program menghitung suhu kaca... 49 Gambar 4.2. Diagram alir menghitung suhu plat absorber... 50 Gambar 4.3. Diagram alir menghitung suhu generator dan penguapan metanol... 51 Gambar 5.1. Contoh tampilan program menghitung temperatur kaca... 54 Gambar 5.2. Contoh tampilan program menghitung temperatur plat absorber... 55 Gambar 5.3. Contoh tampilan program menghitung temperatur generator... 55 Gambar 5.4. Contoh tampilan program menghitung temperatur generator dan besar pendinginan... 56 Gambar 5.5. Tampilan hasil rekaman temperatur kaca... 56 Gambar 5.6. Tampilan hasil rekaman temperatur plat absorber... 56 Gambar 5.7. Tampilan hasil rekaman temperatur generator dan pendinginan... 57 vii
DAFTAR NOTASI Simbol Keterangan Satuan A Luas total penampang plat dan fin m 2 COP Coeficient Of Performance - Cp Kalor spesifik tekanan tetap J/kg. K Cv Kalor spesifik volume tetap J/kg. K H Panas yang diserap karbon aktif kj/kg Q Cool Kalor pendinginan kj Q Drive Kalor yang diserap untuk pendinginan kj H Perubahan entalpi kj/kg S Perubahan entropi kj/kg COA Coefficient Of Amplification - Q L Kalor laten J Le Kapasitas kalor spesifik laten J/kg m Massa zat kg Qs Kalor sensibel J ΔT Beda temperatur K Q conv Kalor Konveksi Joule Q kon Kalor Konduksi Joule Q rad Kalor Radiasi Joule Q sp Kapasitas pendinginan spesifik kj/s/m 2 x Jarak pusat karbon aktif ke plat m k Koefisien konduksi W/mK TG Temperatur tengah saat perhitungan Kelvin t Interval waktu Sekon h koefisien konveksi Watt/m 2 T s Temperatur Benda K T Temperatur sekeliling benda K ε Emisivitas permukaan - Nu Bilangan Nusselt - Ra Bilangan Rayleigh - viii