4 MESIN PENDINGIN ADSORPSI Pendahuluan Pendinginan merupakan suatu proses pengeluaran panas dari suatu benda dibawah suhu lingkungannya. Dalam penanganan pasca panen, proses pendinginan digunakan untuk menekan laju kerusakan selama penyimpanan. Langkah pertama dalam penanganan pasca panen adalah pra-pendiginan. Pra-pendinginan adalah proses menurunkan suhu komoditi hingga mencapai suhu aman simpan komoditi tersebut secepat mungkin. Jenis
mesin
pendingin
diklasifikasikan
menjadi
mesin
pendingin
konvensional dan mesin pendingin adsorpsi. Mesin pendingin konvensional menggunakan energi mekanik untuk menggerakkan kompresor, sedangkan mesin pendingin adsorpsi memanfaatkan energi panas sebagai pengganti proses kompresi. Unit mesin pendingin adsorpsi terdiri dari generator desorpsi, kondensor, receiver, generator adsorpsi, dan evaporator. Proses pemanasan, selama periode ini, adsorber menerima energi dalam bentuk panas dari aliran air yang melalui alat penukar panas, sehingga suhu dan tekanan adsorber meningkat menjadi suhu dan tekanan generator. Periode ini sama dengan proses kompresi pada sistem refrigerasi kompresi uap konvensional. Proses pemanasan, desorpsi, dan kondensasi, selama periode ini, adsorber menerima panas secara terus-menerus, karena terhubung dengan kondensor. Suhu Adsorber terus meningkat sehingga metanol berubah fasa dari cair menjadi uap dan secara bersamaan diembunkan di kondensor. Periode ini sama dengan proses kondensasi pada sistem konvensional. Proses pendinginan dan penurunan tekanan, selama perioda ini, adsorber melepaskan panas. Suhu adsorbat menurun, sehingga tekanan menurun dari tekanan kondensasi ke tekanan pengembunan. Periode ini sama dengan proses ekspansi pada sistem kompresi konvensional. Proses pendinginan, adsorpsi, dan penguapan, selama perioda ini, adsorber terus menerus melepaskan panas sewaktu terhubung dengan evaporator. Suhu adsorbat
dalam
generator
adsorpsi
terus
menurun.
Adsorbat
menguap
di evaporator. Panas evaporator disuplai dari suhu rendah. Periode ini sama dengan penguapan pada sistem kompresi konvensional.
64 Pada beberapa tahun belakangan ini, melalui Protokol Montreal dan Protokol Kyoto, penggunaan CFC sebagai refrigeran sudah tidak diperkenankan lagi, karena merusak lingkungan. Sistem pendingin adsorpsi mendapat perhatian yang semakin besar untuk dikembangkan karena ramah lingkungan dan cukup efektif. Selain massalah lingkungan, sistem adsorpsi juga dapat dikatakan unggul dalam hal penggunaan energi, karena memanfaatkan panas sebagai penggeraknya. Panas sering dianggap sebagai low level energy. Perkembangan mesin pendingin adsorpsi telah diketahui pada tahun 80-an dimana M. Pons dan J.J Guilleminot (1981) membuat alat mesin pendingin dengan mengunakan pasangan zeolit-air dan pasangan aktif carbon-metanol. Sokoda dan Suzuki (1984) dan Critoph et al (1997) menggunakan pasangan silicagel-air dengan sumber panas dari energi surya serta K. Oertel, M. Fisher (1997) menggunakan pasangan metanol-silicagel dengan sumber panas hybrid (solar energi dan panas gas buang mesin Diesel). Siegfried Kreussler dan Detlef Bolz melakukan penelitian mesin pendingin sebesar 350 kJ/kg zeolit dengan COP 0.08. K. Sumanthy (1999) melakukan percobaan alat pendingin solar energi dengan pasangan aktif karbon-metanol, dan berhasil membuat es sebanyak 4 kg/hari dengan luas kolektor 0.92 m2. Penelitian ini bertujuan untuk menghitung kebutuhan energi pada proses desorpsi dan analisa eksergi pada proses desorpsi.
Pendekatan Teori Pemilihan Fluida Kerja Mesin Pendingin Adsorpsi. Secara umum, sistem pendingin yang memanfaatkan energi panas terbagi menjadi dua yaitu absorpsi dan adsorpsi. Pada massa sekarang unit absorpsi didominasi oleh sistem Water-Lithium Bromide (H2O)-LiBr, yang digunakan untuk aplikasi mesin pendingin ruangan, dengan COP sebesar 0.7 untuk single efek dan 1.2 untuk double efek (Oertel et al, 1996). Adsorbent adalah bahan yang memiliki kemampuan untuk menyerap gas atau uap, sementara adsorbate adalah sesuatu yang diserap oleh adsorbent. Pasangan adsorbate-adsorbent yang sering digunakan adalah amonia-active carbon, metanol-silikagel, air-silikagel. Air-silicagel dan metanol-silikagel
65 merupakan pasangan yang ideal untuk suhu operasi antara 60-70 oC, tetapi air tidak cocok digunakan pada sistem yang bekerja pada titik beku air (0 oC). Sistem pendingin adsorpsi amonia-air (NH3-H2O) umumnya membutuhkan suhu yang rendah, tetapi kebutuhan suhu pemanasan lebih besar dari 120 0C untuk steam dan 340 0C untuk exhaust gas, sehingga perlu teknologi pendingin yang baru, dimana operasinya menggunakan suhu rendah sebagai sumber panasnya. Pada penelitian ini mengunakan metanol-silikagel sebagai pasangan adsorbate-adsorbent. Metanol sebagai fluida yang diserap (adsorbate) dan silicagel sebagai media penyerap (adsorbent). Metanol-silikagel dipilih karena pada proses pelepasan uap metanol dari silikagel hanya membutuhkan energi panas pada suhu rendah. Model Persamaan Termodinamik Siklus Adsorpsi. Siklus adsorpsi merupakan siklus energi dalam bentuk pemasukan panas ke generator (desorber), sehingga dapat mengurangi polusi yang dihasilkan. Instalasi mesin pendingin adsorpsi dapat dilihat pada Gambar 4.1. KONDENSOR
VALVE OPENED (Desorbtion)
VALVE CLOSED
REFRIGERANT METHANOL HEAT EXCHANGER 1
HEAT EXCHANGER 2 THREEWAY VALVE RECEIVER
VALVE OPENED (Adsorbtion)
VALVE CLOSED POMPA VAKUM
POMPA SENTRIFUGAL 1
EVAPORATOR POMPA SENTRIFUGAL 2 Heat Source
CHILLED WATER
ke Atmosfir EXHAUST GAS
Gambar 4.1 Instalasi mesin pendingin adsorpsi.
COOLING TOWER
66
Sistem pendingin adsorpsi terdiri dari 1) desorber (generator) yang berfungsi melaksanakan proses pertukaran energi pada suhu tinggi 2) adsorber berfungsi menukar panas dengan sumber dingin pada suhu rendah 3) kondensor berfungsi melepaskan energi dalam bentuk panas dengan fluida lain 4) evaporator berfungsi menyerap energi dalam bentuk panas dari fluida lain pada suhu rendah. Oertel at al (1997) menyatakan siklus adsorpsi secara umum terbagi dari empat siklus kerja dapat dilihat pada diagram P-T-X siklus kerja mesin adsorpsi berikut ini : Ln P
X1
X2
2
3
100 %
Pc
1
Pe
Te
Tc Ta2
4
Tg1 Ta1
Tg2
T
Gambar 4.2 Diagram P-T-X. Proses pemanasan (1-2) generator dengan konsentrasi X1 dipanaskan dari suhu awal Ta 2 ke suhu T g 1 dengan tekanan Pc , ini merupakan tekanan pada suhu kondensor, dengan beberapa asumsi berikut : tidak terjadi desorpsi sampai tekanan kondensor meningkat, pemanasan generator dalam keadaan volume konstan, dan panas sensible dari gas adsorbate (metanol) sangat kecil dan diabaikan. Proses desorpsi (2-3), refigeran yang berekspansi melepaskan dari adsorben pada tekanan konstan kondensor Pc dan secara serempak generator dipanaskan sampai suhu maksimum Tg 2 , dengan asumsi; semua refrigeran yang lepas dari adsorben masuk ke dalam kondensor untuk kemudian mengembun. Proses pra pendinginan (3-4), generator dengan konsentrasi rendah X2 mengalami penurunan suhu pada massa adsorben, dan tekanan menurun dari Pc ke Pe. Proses adsorpsi (4-1), generator mulai menyerap kembali uap refrigeran
67 pada tekanan konstan Pe, selama penguapan terjadi penurunan suhu adsorben dari Ta1 ke Ta2. Penelitian ini mencari persamaan empirik untuk pendekatan hubungan Tekanan (p), konsentrasi (X), dan suhu adsorben (T) dalam berbagai variasi. Pembuatan persamaan berdasarkan data dan gambaran grafik dari Oetler yang diimplementasikan dalam model empirik. Beberapa persamaan lain juga didapat dari kurva metanol murni.
⎡ T⎤ X (T , Ts ) = A(T ) exp⎢ B(T ) ⎥ Ts ⎦ ⎣
(4.1)
Keterangan : T
: suhu dari adsorben (°C)
Ts
: suhu jenuh dari refrigeran(°C)
A(T) : variable, fungsi dari suhu adsorbent B (T) : variable, fungsi dari suhu adsorbent
A(T ) = a1.e
⎛ a2 ⎞ ⎟ ⎜ ⎝ T ⎠
a1
: 1.45E-9
b1
: 7568.5352
B(T)
: a2 + b2T + c2T2 + d2T3 + e2T4 + f2T5
a2
: -18929.1
b2
: 273.8533
c2
: -1.57816
d2
: 0.004525
e2
: -6.46E-06
f2
: 3.66E-09
Panas Laten Adsorpsi dan Desorpsi. Panas laten adsorpsi dan desorpsi dapat diperoleh dari persamaan Clausius-Clapeyron: d h ln( p) = dT RT 2
Keterangan: P
: tekanan dari adsorben (silica gel/generator),
(4.2)
68 R
: tetapan gas untuk uap metanol
T
: suhu adsorben.
Panas yang diperlukan untuk proses adsorpsi dan desorpsi dapat ditentukan sesuai dengan jumlah massa refrigeran. Dari persamaan 4.2 dapat diperoleh hubungan Ts sebagai berikut:
⎛ X (T , Ts ) ⎞ 1 1 ⎟ = Ln⎜⎜ Ts B(T )T ⎝ A(T ) ⎟⎠
(4.3)
Subsitusi persaman (4.2) dan (4.3) sehingga didapatkan hubungan P dan Ts sebagai berikut:
ln( p) = A − C
⎛ X (T , Ts ) ⎞ 1 ⎟ ln⎜⎜ B(T )T ⎝ A(T ) ⎟⎠
(4.4)
Diferensiasi persamaan 4.4 sehingga didapat persamaan sebagai berikut: d dT
⎡ ⎛ C ⎛ X ⎞ ⎞⎤ ln⎜ ⎟ ⎟⎟⎥ = ⎢ A − ⎜⎜ ⎣ ⎝ B (T )T ⎝ A(T ) ⎠ ⎠⎦ C 2
B (T ) T
⎛ X ⎞ d ⎟ ⎝ A(T ) ⎠ dT
ln⎜
B (T ) +
C B (T )T 2
C d ⎞ ⎟+ ⎝ A(T ) ⎠ B (T )TA(T ) dT
⎛
ln⎜
X
A(T )
⎛ X (T , Ts ) ⎞ B(T1)T ⎟⎟ = ln⎜⎜ Ts ⎝ A(T ) ⎠
(4.5)
(4.6)
Subsitusikan persamaan (4.5) dan (4.6) sehingga menjadi :
⎛ 1 ⎞ d 1 1 d h C ⎜⎜ B(T ) + + A(T ) ⎟⎟ = 2 TsT B(T ) A(T )T dT ⎝ Ts B(T ) dT ⎠ RT
(4.7)
⎛ 1 ⎞ d 1 1 d CRT 2 ⎜⎜ B(T ) + + A(T ) ⎟⎟ = ha (T , Te ) TeT B(T ) A(T )T dT ⎝ Te B(T ) dT ⎠
(4.8)
Persamaan panas laten jenis desorpsi (hd) sebagai berikut:
⎛ 1 ⎞ d 1 1 d CRT 2 ⎜⎜ B(T ) + + A(T ) ⎟⎟ = hd (T , Tc ) TcT B(T ) A(T )T dT ⎝ Tc B(T ) dT ⎠
(4.9)
Panas laten adsorpsi dan desorpsi sebagai berikut: Ta 2
Ha =
∫hm a
sg
Ta1
Tg 2
Hd =
∫hm d
Tg 1
sg
δX (T , Te ) dT δT
(4.10)
δX (T , Tc ) dT δT
(4.11)
69 Keterangan: msg
: massa adsorben silika gel, kg.
Pendugaan Suhu Tg1 dan Ta1. Pendugaan suhu akhir proses desorpsi
(pemanasan) dan akhir proses adsorpsi (pendinginan) didasarkan pada asumsi diagram PTX berikut ini:
X (Tg1 , Tc ) = X (Ta 2 , Te )
(4.12)
X (Tg 2 , Tc ) = X (Ta1 , Te )
(4.13)
Persamaan suhu sebagai berikut: T g1 =
⎛ X (Ta 2 , Te ) ⎞ Tc ⎟ ln⎜ B(Tg1 ) ⎜⎝ A(Tg1 ) ⎟⎠
(4.14)
Tg 2 =
⎛ X (Tg 2 , Tc ) ⎞ Te ⎟ ln⎜ B(Tg 2 ) ⎜⎝ A(Tg 2 ) ⎟⎠
(4.15)
Dari hubungan sifat tekanan jenuh (p) dengan suhu uap jenuh refrigeran (Ts) berlaku persamaan Antoine untuk tekanan uap komponen murni sebagai berikut:
ln P(kPa) = A −
B T (K ) + C
(4.16)
3593.39 T + (−35.2249)
(4.17)
3965.44 T + (−38.9974)
(4.18)
Untuk metanol :
ln P = 16.4948 − Untuk air :
ln P = 16.5362 −
Garis proses dari titik satu ke titik dua dan dari titik tiga ke titik empat pada diagram PTX dapat digambarkan dengan menggunakan persamaan berikut: ⎛ ⎞⎤ ⎤ C ⎞ ⎡ ⎡ ⎛ C ⎟⎟⎥ ⎥ ⎟⎟ ⎢ X ⎢Ta 2 , ⎜⎜ ⎜⎜ A − ln( p ) ⎠ ⎢ ⎣ ⎝ A − ln( p ) ⎠⎦ ⎥ ⎝ T12 ( p ) = ln ⎢ ⎥ ⎞⎤⎥⎤ ⎛ B (TCa 2 ) ⎞ ⎢⎡ ⎡ A⎛(Ta 2 )C ⎟⎟⎥ ⎥ ⎜⎜ ⎟ ⎢ X ⎢T g 2, ⎜⎜ A − ln( p) ⎟⎠ ⎣⎢⎢ ⎣ ⎝ A − ln( p) ⎠⎦⎦⎥⎥ ⎝ ln T34 ( p) = ⎢ ⎥ A(Tg 2 ) B(Tg 2 ) ⎢ ⎥ ⎢⎣ ⎥⎦
(4.19)
(4.20)
70 Panas Sensible. Perhitungan panas sensible dari bahan silikagel merupakan
energi panas yang dibutuhkan untuk meningkatkan suhu metanol dan silikagel dari awal pemanasan generator desorpsi sampai dengan penguapan metanol. Panas sensible dari adsorben, Tg 2
Qsg =
∫ Cp (T )m sg
sg
(4.21)
dT
Ta1
Keterangan : Cpsg(T) : panas spesifik dari adsorben yang berubah terhadap suhu, tetapi untuk menyederhanakan perhitungan, nilai Cpsg = 740 J/kg K : massa adsorber silikagel dalam generator.
msg
Panas sensible dari generator Tg 2
Qg =
∫ Cp (T )m g
g
(4.22)
dT
Ta 1
Keterangan : Cpg
:
panas spesifik generator (stainless steel), Cp dianggap konstan
mg
:
massa generator
Panas sensible dari refrigeran dapat dihitung dengan persamaan berikut: Tg 1
Qm =
∫
mm x1cv ,m (T )dT +
Ta 2
Tg 2
∫m
m
c p ,m (T )x(T , Tc )dT
(4.23)
Tg 1
Keterangan : cv,m (T) : panas spesifik cairan metanol pada volume konstan, cp,m (T) : panas spesifik metanol pada tekanan konstan dan X1 = X (Ta2, Te) Model Matematik Pindah Panas Proses Desorpsi. Pemodelan matematik
selama proses desorpsi menggambarkan fenomena pindah panas dari air pemanas ke dinding generator secara konveksi, kemudian diteruskan ke butir-butir silika gel secara konduksi sampai seluruh metanol yang terkandung dalam butir-butir silikagel menguap. Energi adalah sesuatu yang dapat menghasilkan gerak, terdiri
71 atas eksergi dan entropi. Eksergi adalah kualitas energi yang digunakan untuk melakukan kerja. Sedangkan entropi adalah bagian dari energi yang mengalami perubahan wujud energi dan tidak melakukan kerja. Energi, eksergi, dan entropi pada sistem generator desoprsi tergantung pada model fisik pindah panasnya. Model fisik pindah panas pada generator desorpsi dapat dilihat pada Gambar 4.3.
Gambar 4.3 Model fisik generator desorpsi. Keseimbangan Massa. Proses desorpsi di generator (pelepasan metanol dari
silikagel) membutuhkan energi yang diperoleh dari aliran air panas dari dua arah, masing masing dari sisi luar dan dalam generator, persamaan keseimbangan massa sebagai berikut: ( massa air masuk ) = ( massa air keluar ) m w1,in + m w 2,in = m w1,out + m w 2 ,out
(4.24)
Kesetimbangan Energi. Untuk mengembangkan model matematik pindah
panas dari air ke silikagel-metanol selama proses desorpsi, dapat didekati dengan hukum pertama termodinamik tentang kesetimbangan energi di generator, diasumsikan kondisi aliran metanol tidak tunak (unsteady flow). Hal ini disebabkan karena proses desorpsi diikuti dengan proses kondensasi secara serempak,
72 sehingga laju penguapan metanol bekerja pada tekanan konstan. Keseimbangan energi mensyaratkan bahwa energi yang diberikan oleh air kedalam sistem (silikagel-metanol) sama dengan energi yang diterima, dimana aliran air berlangsung secara tunak (steady flow). Proses pindah panas dari air ke silkagel-metanol akan mengakibatkan peningkatan suhu pada silikagel yang diikuti dengan kenaikan suhu metanol (sensible
dan
heat)
pelepasan
metanol
dari
silikagel
(latent
heat).
Silikagel-metanol menerima panas dari dua arah secara melingkar yang terdiri dari cangkang pipa air bagian luar dan cangkang pipa air bagian dalam, sehingga panas dipindahkan dari air ke dinding pipa secara konveksi paksa, dalam dinding pipa secara konduksi, dan dari dinding pipa luar ke silikagel berlangsung secara konduksi. Mengingat dinding pipa yang tipis (tebal 2 mm), maka tahanan termalnya dapat diabaikan. Model matematika berdasarkan dapat didekati dengan bentuk persamaan :
{Energiair msk − Energiair keluar}SL + {Energiair msk − Energiairkeluar}SD = {PerubahanEnergidalamSilikagel− methanol}sistem
{E
{(Q {(Q
w1,in
in in
− E w1,out } + {E w 2 ,in − E w 2,out } = ΔU sistem
+ Win + ∑ mθ ) − (Q out + W out + ∑ mθ )}w1 +
(4.25) (4.26)
+ Win + ∑ mθ ) − (Q out + W out + ∑ mθ )}w 2 = ΔU sistem
Dengan asumsi energi potensial, energi kinetik, energi masuk, dan kerja mekanik sama dengan nol, maka Persamaan 4.26 menjadi
(min hin − mout hout )w1 + (min hin − mout hout )w 2
= ΔU Silicagel − MeOH −Gen
(4.27)
Panas sensibel yang diperlukan oleh silicagel selama proses desorpsi adalah: Tg 2
Q1 =
∫C
sg
m sg dT
(4.28)
Tg 1
Panas sensibel yang diperlukan generator selama proses desorpsi adalah: Ta1
Q2 =
∫C
g
m g dT
(4.29)
Ta 2
Panas sensibel yang dibutuhkan metanol untuk meningkatkan suhu awal menjadi suhu penguapan selama proses desorpsi adalah:
73 Tg 1
Q3 =
∫m
Tg 2 sg
X 1Cv met dT +
Ta 2
∫m
sg
Cp met X 2 dT
(4.30)
Tg 1
Panas laten yang dibutuhkan metanol untuk menguapkan seluruh metanol yang terikat pada silika gel selama proses desorpsi adalah: Tg 2
Hd =
∫h
d
m sg
Tg 1
∂X dT ∂T
(4.31)
Panas laten yang dibutuhkan metanol untuk menguapkan seluruh metanol yang terikat pada silika gel selama proses adsorpsi adalah: Ta 2
Ha =
∫h m a
Ta1
sg
∂X dT ∂T
(4.32)
Energi yang dibutuhkan metanol , silika gel dan genertor selama proses desorpsi adalah: Qdes = Q1 + Q2 + Q3 + H d Maka kesetimbangan energi generator desorpsi adalah : m w1Cp w1 dTw1 + m w 2 Cp w 2 dTw 2 = (mCp ) g dT g + (mCp )sg dTsg +
(m
met ,l
Cp met ,l )dTmet + (m met ,uapg )Δhuap + m met ,uap Cp uap dTmet ,uap
Keseimbangan Entropi. Sistematika perubahan entropi sistem
(4.33)
adalah
penjumlahan dari selisih entropi masuk dan keluar dengan total pembentukan entropi, secara garis besar disajikan pada persamaan berikut:
⎛ Total ⎞ ⎛ Total ⎞ ⎛ Total ⎞ ⎛ Perubahan ⎞ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ Entropi ⎟ − ⎜ Entropi ⎟ + ⎜ Entropi ⎟ = ⎜ Entropi ⎟ ⎜ masuk ⎟ ⎜ keluar ⎟ ⎜ pembentukan ⎟ ⎜ sistem ⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠
S in − S out + S gen = ΔS sistem
(4.34)
Pemodelan matematik pindah panas dari aliran air panas ke silikagel-metanol selama proses desorpsi, dapat didekati dengan hukum kedua termodinamik tentang kesetimbangan entropi di generator, diasumsikan kondisi aliran air panas tunak (steady flow), sehingga perubahan entropi sistem sama dengan nol, maka persamaan kesetimbangan entropi menjadi :
74
mw1Cpw1
dTg dTsg dTw1 dT + mw2 Cpw2 w2 + S gen = (mCp) g + (mCp)sg + Tw1 Tw2 Tg Tsg
(mmet,cair Cpmet,cair ) dTmet + (mmet,uap ) Δh + mmet,uapCpmet,uap dTmet Tmet Tmet Tmet
(4.35)
Persamaan pembentukan entropi selama proses desorpsi sebagai berikut : S gen = (mCp )g
dTg Tg
+ (mCp )sg
dTsg Tsg
+ (mmet ,cair Cp met ,cair )
dTmet + Tmet
(mmet ,uap ) Δh + hd msg ∂X dTmet − mw1Cp w1 dTw1 − mw2 Cp w2 dTw2 ∂T Tmet Tmet Tw1 Tw 2
(4.36)
Persamaan perubahan entropi selama proses desorpsi pada silikagel dan metanol sebagai berikut: 2
ΔS sistem = ∫ mCp (T ) 1
dT T
(4.37)
Kesetimbangan Eksergi. Penerapan kesetimbangan eksergi selama proses
desorpsi pada generator dengan menggunakan pendekatan volume atur (control volume) untuk fluida air pemanas, metanol-silikagel dan generator. Persamaan kesetimbangan eksergi tersaji pada Persamaan 4.38 dapat diturunkan sebagai berikut:
⎛ Total ⎞ ⎛ Total ⎞ ⎛ Total ⎞ ⎛ Perubahan ⎞ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ Eksergi ⎟ − ⎜ Eksergi ⎟ − ⎜ Eksergi ⎟ = ⎜ Eksergi ⎟ ⎜ masuk ⎟ ⎜ keluar ⎟ ⎜ pemusnahan ⎟ ⎜ sistem ⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ X in − X out − X destroyed = ΔX sistem
(4.38)
Selama proses desorpsi berlangsung, diasumsikan tidak terjadi pemasukan kalor, tidak terjadi kerja mekanik, energi kinetik dan potensial diabaikan, sehingga persamaan (4.38) menjadi : X mass ,in − X mass ,out − X destroyed = ΔX sistem
(4.39)
Kondisi aliran air pemanas berlangsung secara tunak (steady), sedangkan kondisi pergerakan metanol dari silikagel berlangsung pada tekanan konstan yang diikuti dengan proses kondensasi. Persamaan kesetimbangan eksergi di sisi generator desorpsi sebagai berikut:
75 mw1Cpw1dTw1 − mw1Cpw1
dTw1 dT .To + mw2Cpw2dTw2 − mw2Cpw2 w2 To +To Sgen = Tw1 Tw2
(mCp)sg dTsg − (mCp)sg
dTsg
− (mmet,cairCpme)
Tsg
T o+(mCp) g dTg − (mCp) g
dTg Tg
To + (mmet,cairCpmet,cair)dTmet
dTmet dT To + (mmet,uapΔhmet,uap)dTmet − (mmet,uapΔh) met To + Tmet Tmet
mmet,uapCpmet,uapdTmet − mmet,uapgCpmet,uap
dTmet To Tmet
(4.40) atau ⎛ T ⎞ ⎛ T ⎞ ⎛ T ⎞ mw1Cpw1dTw1⎜⎜1− o ⎟⎟ + mw2Cpw2dTw2⎜⎜1− o ⎟⎟ + ToSgen = (mCp)sg dTsg ⎜1− o ⎟ + ⎜ T ⎟ sg ⎠ ⎝ Tw2 ⎠ ⎝ Tw1 ⎠ ⎝ ⎛
⎞
⎛
⎝
Tg ⎠
⎝
⎞ ⎛ T ⎞ ⎟⎟ + (mmet,uapΔh)dTmet⎜⎜1− o ⎟⎟ + Tmet ⎠ ⎝ Tmet ⎠
(mCp)g dTg ⎜⎜1− To ⎟⎟ + (mCp)mer,cairdTmet⎜⎜1− To ⎛ T ⎞ mmet,uapCpmet,uapdTmet⎜⎜1− o ⎟⎟ ⎝ Tmet ⎠
(4.41) Persamaan irreversibilitas atau eksergi yang musnah sebagai berikut: I = X destroyed = To S gen
Berdasarkan
persamaan
(4.42) keseimbangan
eksergi
dan
eksergi
yang
dimusnahkan, didapatkan persamaan berikut: ⎛ T ⎞ ⎛ T ⎞ ⎛ T ⎞ To S gen = mCpsg dTsg ⎜1− o ⎟ + mCpg dTg ⎜1− o ⎟ + (mCp)m,c dTm ⎜⎜1 − o ⎟⎟ + ⎜ T ⎟ ⎜ T ⎟ sg ⎠ g ⎠ ⎝ Tm ⎠ ⎝ ⎝ (mm,u Δh)dTmt ⎛⎜⎜1− To ⎞⎟⎟ + mm,u ∂X dTm ⎛⎜⎜1− To ⎞⎟⎟ − mw1Cpw1dTw1 ⎛⎜⎜1− To ⎞⎟⎟ − (4.43) ∂T ⎝ Tm ⎠ ⎝ Tm ⎠ ⎝ Tw1 ⎠ ⎛ T ⎞ mw2 Cpw2 dTw2 ⎜⎜1 − o ⎟⎟ ⎝ Tw2 ⎠
Persamaan eksergi tersedia pada inlet air panas sebagai berikut: Ew1,w2,h = mw1 {(hin − ho ) − To (sin − so )}w1 + mw2 {(hin − ho ) − To (sin − s0 )}w2
(4.44)
Persamaan eksergi sisi outlet air panas sebagai berikut: Eh = mw1 {(hout − ho ) − To (sout − so )}w1 + mw2 {(hout − ho ) − To (sout − so )}w2
(4.45)
76 Persamaan eksergi tersedia pada sisi air panas : E hot = E w1, w 2,h − E h
(4.46)
Persamaan eksergi hilang sebagai berikut: E loss = X destroy = To S gen
(4.47)
Persamaan efisiensi eksergi sebagai berikut:
η II =
Eksergi bermanfaat Eksergi dilepaskan − Eksegi hilang = Eksergi dilepaskan Eksergi dilepaskan
To S gen E Eksergi hilang = 1− = 1 − loss = 1 − Eksergi dilepaskan E hot E hot
(4.48)
Bahan dan Metoda Alat dan Bahan. Alat dan bahan yang digunakan pada penelitian ini terdiri
dari: 1) Mesin Pembangkit Tenaga, Gasifier jenis aliran kebawah lengkap dengan unit pemurni dan mesin pembangkit tenaga gas yang dikopel dengan AC Generator. 2) Alat penukar panas gas buang- air 3) Mesin pendingin adsorpsi a. Generator, dibuat dari bahan Stainless-steel (SS). Tutup generator bagian atas dibuat dari bahan stainless-steel (SS) dan plang yang terbuat dari besi dengan ketebalan 1 cm. Dudukan sensor dibuat dari bahan stainless steel (SS) dikombinasikan dengan bahan acrylic. b. Kondensor, terbuat dari stainless steel (S). Tutup kondesor terbuat dari acrylic dan plang yang terbuat dari besi. c. Evaporator, terbuat dari stainless. Tutup evaporator terbuat dari acrylic dan plang yang terbuat dari besi. d. Receiver, terbuat dari kaca dan sebuah katup di bagian bawah. 4) Bahan yang digunakan untuk pengujian ini adalah larutan metanol murni (CH3OH) sebagai adsorbat (refrigeran) dan silikagel sebagai adsorben. 5) Komponen pendukung meliputi : a. Pompa air, digunakan untuk mengalirkan air untuk penukar panas untuk kondensor dan generator.
77 b. Pompa vakum yang digunakan untuk memvakum alat pendingin adsorpsi. c. Alat ukur antara lain : • Vakum digital, untuk mengukur tekanan • Termometer air raksa, untuk mengukur suhu bola-basah dan bola-
kering. • Termocouple, jenis CC tife T untuk mengukur suhu mesin
pendingin • Sensor suhu PT-100 • Timbangan elektronik, tife EK-1200A (AND). • Stopwatch, untuk mengukur waktu. • Data longger, untuk merekam data pengukuran. • Komputer, untuk mengumpulkan dan mengolah data hasil
pengukuran. Pengukuran Daya. Pengukuran daya pada sisi terminal generator akan
dilakukan dengan mengukur tegangan dengan Voltmeter dan arus listrik dengan Amperemeter. Pengukuran akan dilaksankan sebanyak 6 kombinasi peubah percobaan.
Hasil dan Pembahasan Perhitungan Kebutuhan Energi pada Proses Desorpsi. Proses desorpsi
adalah proses pemisahan metanol (adsorbat) dari silikagel (adsorbent). Pemisahan metanol dari silikagel dengan menyerap energi panas dari air. Energi panas yang diterima pada saat proses desorpsi digunakan untuk memanaskan beberapa komponennya
seperti:
memanaskan
generator,
memanaskan
silikagel,
memanaskan metanol (panas sensible dan laten), serta memanaskan fraksi air dalam metanol (sensibel dan laten). Pada penelitian ini, perhitungan energi yang dibutuhkan untuk proses desorpsi pada mesin pendingin desorpsi metanol-silikagel mengunakan dua metode, metode pendekatan termokimia dan metode pendekatan termodinamika. Berdasarkan pendekatan termokimia, perhitungan kebutuhan energi selama proses desorpsi dilakukan dengan menghitung energi panas pada metanol, fraksi air dalam metanol, dan generator. Sedangkan berdasarkan
78 pendekatan termodinamika, perhitungan kebutuhan energi selama proses desorpsi dengan menggunakan keseimbangan energi, yaitu energi yang dilepas air panas sama dengan energi yang diserap selama proses desorpsi. Tekanan selama proses desorpsi di generator sebesar 150 Torr atau 19.98 kPa. Pada proses desorpsi, diasumsikan metanol menguap 100%. Berdasarkan pendekatan termokimia (Lapidus 1962), perhitungan kebutuhan energi pada proses desorpsi menggunakan persamaan berikut: Tabel 4.1 Perhitungan kebutuhan energi berdasarkan pendekatan termokimia, berdasarkan referensi (Reklaitis 1983) dan (Smith & Ness 1987). Keterangan Panas jenis untuk
fase
cair cp (J/mol K)
Persamaan Metanol
c p = −2.5825 × 10 6 + 3.3582T − 1.1639 × 10 −2 T 2 + 1.4052 × 10 −5 T 3 Fraksi air
c p = 1.82964 + 4.72118 × 10−1 − 1.33878 × 10−3 T 2 + 1.31424 × 106 T 3 Metanol (gas) ]
Panas jenis
c p = 34.4925− 2.91887×10−2 T + 2.86844×10−4 T 2 − 3.12501×10−7 T 3 + 1.09833×10−10 T 4
untuk kondisi gas ideal Fraksi air (gas)
c p = 34.0471 − 9.65064 × 10 −3 T + 3.29983 × 10 −5 T 2 − 2.04457 × 10 −8 T 3 + 4.30220 × 10 −12 T 4 Metanol Titik didih &
Titik didih (Tnb)=337.671 K
panas laten
Panas laten penguapan (Δhvap) = 35270.4 J/mol
penguapan
Berat molekul (BM) = 32.042 gr/mol
pada kondisi normal
Fraksi air Titik didih (Tnb)=337.161 K Panas laten penguapan (Δhvap) = 40656.2 J/mol Berat molekul (BM) = 18.016 gr/mol
Persamaan Antoine
Untuk tekanan uap komponen murni ln P(kPa) = A −
B T (K ) + C
79 Metanol ln P(kPa) = 16.4948 −
3593.39 T + (− 35.2249)
Fraksi air
ln P(kPa) = 16.5362 − Menentukan suhu saturasi/titik didih (Tsat)
3965.44 T + (− 38.9974)
Metanol
ln P = 16.4948−
3593.39 T − 35.2249
Tsat = 301.426 K atau 28.265 °C
pada tekanan
Fraksi air
150 torr atau
ln P = 16.5362 −
19.998 kPa
3965.44 T − 38.9974
Tsat = 331.861 K atau 58.70 °C
penguapan
ΔH 2 ⎛ 1 − Tr 2 ⎞ ⎟ =⎜ ΔH nb ⎜⎝ 1 − Trnb ⎟⎠
pada suhu
Keterangan :
Panas laten
tertentu
0.38
,
Tr 2 =
Tc
: suhu kritis
Tc metanol
: 513. 161 K atau 240.161°C
Tc air
: 647.301 K atau 374.301 °C
Metanol
Tr 2 =
301.426 = 0.587 513.61
Trnb =
337.671 = 0.658 513.161
Panas laten penguapan metanol dan air pada tekanan
Tsat T Trnb = nb Tc , Tc
ΔH 2 ⎛ 1 − 0.587 ⎞ =⎜ ⎟ 35270.4 ⎝ 1 − 0.658 ⎠
0.38
ΔH2 = 37891.47 J/mol Fraksi air
Tr 2 =
331.861 = 0.513 647.301
Trnb =
373.161 = 0.576 647.301
150 torr
ΔH 2 ⎛ 1 − 0.513 ⎞ =⎜ ⎟ 40656.2 ⎝ 1 − 0.576 ⎠ ΔH2 = 42853.74 J/mol
0.38
80 Sebagai basis perhitungan misal metanol (98% m/m) sebanyak 100 gram Jumlah mol metanol dan mol fraksi air
sehingga per batch Metanol Metanol
n=
0.98×100 = 3.06 mol 32.043
Fraksi air
n=
0.02 ×100 = 0.1 mol 18.016
Panas sensibel metanol cair dari suhu awal ke suhu penguapan
Qm,1 = n
Tsat Tawal
∫ c p(cair) dT
(
Qm ,1
)
3.3982 ⎡ 2 2 ⎢258.25(Tsat − Tawal ) + 2 Tsat − Tawal =n⎢ 2 −5 ⎢− 1.1639 × 10 T 3 − T 3 + 1.4052 × 10 T 4 − T 4 sat awal sat awal ⎢⎣ 3 4
(
)
(
Qm,1 = A Panas penguapan metanol Panas total yang diterima
Qm, 2 = n ΔH vap Qm , 2 = B
metanol
(asumsi seluruh me tan ol menguap) Panas sensibel uap metanol dari suhu saturasi ke suhu akhir
Qm ,3 = n
Q m ,3
Takhir Tsat
∫ c p dT
⎡ 2 . 91887 x10 2 (T akhir ⎢ 34 . 4925 ( T akhir − T sat ) − 2 ⎢ ⎢ 2 . 86844 × 10 − 4 3 3 ( T akhir − T sat ) ⎢+ 3 = n⎢ −7 4 4 ⎢ 3 . 12501 × 10 ( T akhir − T sat ) ⎢+ 4 ⎢ − 10 5 5 ⎢ + 1 . 09833 × 10 ( T akhir − T sat ) 5 ⎣⎢
Qm,3 = C Qm = Qm ,1 + Qm, 2 + Qm,3 Panas sensibel air dari suhu awal ke suhu penguapan
QA,1 = n
Tsat Tawal
∫ c p (cair) dT
2
2 ⎤ − T sat ) ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦⎥
⎤ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥⎦
)
81 Panas total yang diterima air
Q A ,1
0 . 47218 ⎡ ( T sat ⎢18 . 294 ( T sat − T awal ) + 2 ⎢ −3 1 . 3388 10 × 3 3 ( T sat − T awal ) = n ⎢⎢ − 3 ⎢ −6 4 4 ⎢ + 1 . 31421 × 10 ( T sat − T awal ) ⎢⎣ 4
2
− T awal
2
⎤ )⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥⎦
QA,1 = X Panas penguapan air
QA, 2 = n ΔH vap QA, 2 = Y Panas sensibel uap air dari suhu saturasi ke suhu akhir
QA , 3 = n
Q A ,3
Takhir Tsat
∫ c p dT
9 . 65064 ⎡ ( T akhir ⎢ 34 . 0471 ( T akhir − T sat ) − 2 ⎢ −5 3 3 ⎢ + 3 . 29983 × 10 ( T − T sat ) akhir ⎢ 3 = n⎢ −8 4 4 ⎢ − 2 . 00446 × 10 ( T − T sat ) akhir ⎢ 4 ⎢ −5 5 5 ⎢ + 4 . 30220 × 10 ( T − T sat ) akhir 5 ⎣⎢
2
2 ⎤ − T sat ) ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ = Z ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦⎥
QA = QA,1 + QA, 2 + QA,3 QS = m Tawal ∫ c p(cair) dT Takhirt
Panas yang diterima
Asumsi : cp silikagel tidak berubah terhadap suhu atau cp silikagel konstan,
silikagel
sehingga Qs menjadi
QS = m c p ΔT
Data hasil uji mesin pendingin adsorpsi dan perhitungan energi selama proses desorpsi dapat tersaji pada Tabel 4.2 dan 4.3. Tabel 4.2 Data hasil uji suhu generator, metanol, fraksi air, dan silikagel Tanggal uji coba 26 Agustus 07 29 Agustus 07 30 Agustus 07
Awal Akhir Awal Akhir Awal Akhir
Air panas 80.00 76.60 80.35 76.90 80.50 77.10
Suhu (°C) Generator 27.66 70.46 34.90 74.40 20.56 75.36
Metanol 28.86 68.16 31.70 69.40 20.76 68.26
Silikagel 30.36 69.86 36.00 71.30 36.00 75.30
82 Berdasarkan ketiga hasil uji, suhu awal air panas antara selang 80 °C sampai 80.35 °C. Sedangkan suhu akhir air panas antara selang 76.6 °C sampai 77.10 °C. Kondisi suhu awal air panas mempengaruhi kenaikan suhu generator, metanol, dan silikagel, semakin tinggi suhu awal air panas, maka semakin tinggi kenaikan suhu generator, metanol, dan silikagel. Suhu awal terendah generator sebesar 20.56 °C, karena pada kondisi awal, generator direndam dengan air dingin, hal ini dilakukan untuk menurunkan suhu di generator adsorpsi. Tabel 4.3 Data hasil uji massa air panas, generator, dan metanol selama 135 menit Massa (kg)
Tanggal uji coba
Air panas
Generator
Metanol
26 Agustus 07
461.7
6.09
0.35
29 Agustus 07
461.7
6.09
0.35
30 Agustus 07
461.7
6.09
0.35
Massa air, generator, dan metanol untuk ketiga percobaan konstan selama proses. Massa air sebesar 461.7 kg selama 135 menit. Massa air dihitung dengan mengalikan laju massa per waktu dengan waktu uji coba. Massa generator sebesar 6.08 kg dan massa metanol sebesar 0.35 kg. Massa generator dan metanol dihitung dengan mengalikan volume dengan massa jenis generator. Perhitungan kebutuhan energi desopsi berdasarkan pendekatan termokimia tersaji pada Lampiran 18-20, sedangkan berdasarkan pendekatan termodinamika tersaji pada Lampiran 22-24. Perhitungan kebutuhan energi desorpsi tersaji pada Tabel 4.4. Tabel 4.4 Perhitungan kebutuhan energi desorpsi Tanggal uji coba
Energi diterima MeOH-Silika gel (kJ) Pendekatan termokimia
Pendekatan termodinamika
26 Agustus 07
913.78
935.70
29 Agustus 07
872.56
897.09
30 Agustus 07
1 086.27
1 055.61
Catatan : metode 1 (pendekatan termokimia) dan metode 2 (pendekatan termodinamika)
Berdasarkan pendekatan termokimia, energi yang diterima metanol-silikagel secara berturut-turut adalah 913.78 kJ, 872.56 kJ, dan 1086.27 kJ. Energi desorpsi
83 terbesar pada tanggal uji coba 30 Agusutus 2007, karena suhu metanol paling rendah dibandingkan data 26 dan 29 Agusutus 2007. Berdasarkan pendekatan termodinamika, energi desorpsi secara berturutturut adalah 935.70 kJ, 897.09 kJ, dan 1,055.61 kJ. Energi desorpsi terbesar pada tanggal uji coba 30 Agusutus 2007, karena
suhu metanol paling rendah
dibandingkan data 26 dan 29 Agusutus 2007. Perhitungan
berdasarkan
pendekatan
termokimia
dan
pendekatan
termodinamika memiliki trend yang sama, yaitu semakin rendah suhu metanol, maka energi desorpsi semakin besar. Semakin rendah suhu metanol, maka kebutuhan energi untuk mengubah fasa metanol semakin besar. Energi panas yang diterima metanol digunakan untuk meningkatkan suhu metanol ke suhu saturasi, mengubah fasa, dan meningkatkan suhu uap. Perbandingan perhitungan energi
Energi diserap metanol-silikagel (kJ)
yang diterima metanol-silikagel berdasarkan dua metode tersaji pada Gambar 4.4. 1200 Metode 1
1000 800
Metode 2
600 400 200 0 26 Agustus 07
29 Agustus 07
30 Agustus 07
Tanggal uji coba
Gambar 4.4 Perbandingan energi dibutuhkan selama proses desorpsi. Berdasarkan data hasil uji, terdapat perbedaan nilai antara energi yang dilepas air panas dengan energi yang diserap untuk proses desorpsi. Grafik perbedaan nilai energi tersebut tersaji pada Gambar 4.5
84 100% 90%
Energi di lepas air panas (kJ)
80%
Energi diserap Metanol-Silikagel (kJ)
70% 60% 50%
6,581.92
6,679.14
6,582.34
913.78
872.55
1086.27
40% 30% 20% 10% 0%
26 Agustus 07
29 Agustus 07 30 Agustus 07
Gambar 4.5 Persentase energi diserap metanol-silikagel terhadap energi yang dilepas air (metode 1). 100% 90%
Energi di lepas air panas (kJ)
80%
Energi diserap Metanol-Silikagel (kJ)
70% 60% 50%
6,581.92
6,679.14
6,582.34
935.70
890.19
1,055.61
26 Agustus 07
29 Agustus 07
30 Agustus 07
40% 30% 20% 10% 0%
Gambar 4.6 Persentase energi diserap metanol-silikagel terhadap energi yang dilepas air (metode 2). Energi panas yang diserap untuk proses desorpsi lebih kecil dibandingkan energi yang dilepas oleh air. Sistem hanya mampu menyerap10-20% dari total energi yang dilepas oleh air. Perbedaan jumlah energi yang dilepas air dan energi desorpsi menunjukkan adanya energi yang hilang. Energi yang hilang disebabkan oleh sistem generator yang tidak terisolasi, sehingga terjadi pindah panas antara air panas dengan lingkungan. Berdasarkan pendekatan termokimia, energi desorpsi terdiri dari energi panas diterima generator, energi panas diterima metanol dan fraksi air, dan energi panas diterima silikagel. Energi panas yang diterima metanol pada proses desorpsi
85 terdiri dari 1) panas sensibel metanol 1, digunakan untuk meningkatkan suhu metanol dari suhu awal ke suhu saturasi metanol 2) panas laten penguapan, digunakan untuk menguapkan metanol 3) panas sensibel 2 , digunakan untuk meningkatkan suhu metanol dari suhu saturasi ke suhu akhir metanol. Energi panas yang diterima metanol tersaji pada gambar berikut:
Data uji coba 26 Agustus 2007
Energi (kJ)
400 350 300 250 200 150 100 50 0
370.15
17.67
0.00 Panas sensibel 1
Panas latent penguapan
Panas sensibel 2
Gambar 4.7 Energi panas yang diterima metanol, data 26 -08-2007.
Energi (kJ)
Data uji coba 29 Agustus 2007 400 350 300 250 200 150 100 50 0
370.15
18.23
0.00 Panas sensibel 1
Panas latent penguapan
Panas sensibel 2
Gambar 4.8 Energi panas yang diterima metanol, data 29-08- 2007.
86
Energi (kJ)
Data uji coba 30 Agustus 2007 400 350 300 250 200 150 100 50 0
376.97
45.43
Panas sensibel 1
18.04 Panas latent penguapan
Panas sensibel 2
Gambar 4.9 Energi panas yang diterima metanol berdasarkan, data 30-08- 2007. Berdasarkan ketiga data hasil uji, energi panas yang digunakan untuk penguapan paling besar dibandingkan dengan energi panas sensibel 1 dan sensibel 2, karena panas laten penguapan metanol sebesar 37891.47 J/mol. Pada data uji coba 26 Agustus 2007 dan 29 Agustus 2007, panas sensibel 1 sama dengan nol. Hal ini disebabkan oleh suhu awal metanol yang lebih besar dari suhu saturasi. Energi panas yang diserap oleh fraksi air dalam metanol tersaji pada Gambar 4.10, 4.11, dan 4.12.
Energi (kJ)
Data uji coba 26 Agustus 2007 16 14 12 10 8 6 4 2 0
15.21
0.80 Panas sensibel 1
0.11 Panas latent penguapan
Panas sensibel 2
Gambar 4.10 Energi panas yang diterima fraksi air, data 26 -08-2007.
87
Energi (kJ)
Data uji coba 29 Agustus 2007 16 14 12 10 8 6 4 2 0
15.21
0.72
0.13
Panas sensibel 1
Panas latent penguapan
Panas sensibel 2
Gambar 4.11 Energi panas yang diterima fraksi air, data 29-08-2007.
Energi (kJ)
Data uji coba 30 Agustus 2007 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0
15.49
1.03 Panas sensibel 1
0.12 Panas latent penguapan
Panas sensibel 2
Gambar 4.12 Energi panas yang diterima fraksi air, data 30-81-2007. Berdasarkan ketiga data hasil uji di atas, fenomena energi yang diterima fraksi air sama dengan fenomena metanol, dimana energi panas yang digunakan untuk menguapkan fraksi air paling besar dibandingkan dengan energi panas sensibel 1 dan sensibel 2. Hal ini disebabkan oleh nilai panas laten penguapan air sebesar 42853.74 J/mol. Panas sensibel satu lebih besar dari panas sensibel 2, karena suhu kenaikan suhu pada proses sensibel satu lebih besar dari pada perubahan suhu pada proses sensibel 2. Berdasarkan pendekatan termokimia, presentasi alokasi energi dapat dihitung. Presentasi alokasi energi panas ditentukan oleh konstruksi dan sifat fisik dari generator, silikagel, dan metanol. Berdasarkan konstruksi, air panas bersentuhan langsung dengan generator, sehingga sebagian besar panas merambat
88 secara konduksi dari permukaan luar generator ke permukaan dalam, lalu merambat secara konduksi ke silikagel, kemudian memanaskan metanol. Sifat fisik yang mempengaruhi presentasi alokasi energi panas meliputi panas jenis, panas laten penguapan, dan fasa zat. Energi panas sebanyak 47.42% digunakan untuk memanaskan generator, 8.36% untuk memanaskan silikagel, dan 44.22% untuk memanaskan dan menguapkan metanol. Energi panas yang diserap
metanol sebagian besar
digunakan untuk menguapkan metanol.
Laju Penguapan. Dari hasil pengamatan, diperoleh data laju perubahan perbandingan massa antara jumlah adsorbat dengan jumlah adsorber seperti terlihat pada tabel dan gambar dibawah ini. Tabel 4.5 Data laju desorpsi antara metanol-silikagel No.
Waktu
Konsentrasi
(menit)
( detik )
(%)
1
20
1200
11.18
2
30
1800
7.72
3
45
2700
5.22
4
60
3600
3.14
5
75
4500
1.45
6
90
5400
0.598
7
105
6300
0.48
Selama proses desorpsi-kondensasi terjadi perubahan perbandingan massa refrigeran terhadap massa silikagel di dalam generator. Pendekatan yang dilakukan adalah model pengeringan bentuk lempeng (Henderson & Perry 1976), untuk mengetahui laju perubahan konsentrasi yang dipengaruhi
oleh besaran; kadar
konsentrasi pada waktu t (M), kadar konsentrasi kesetimbangan (Me), kadar konsentrasi awal (Mo), geometrik bahan (A), difusivitas (k), dan waktu (t) yang dijabarkan dengan rumus berikut : M − Me = Ae − kt M0 − Me
89
16
Konsentrasi (%)
14 12 10 8
Eksperimen
6
Hitung
4 2 0 0
200
400
600
800
1000
Waktu (menit)
Gambar 4.13 Grafik konsentrasi metanol terhadap silikagel. Konsentrasi dihitung dengan menggunakan pendekatan matematis dari persamaan diatas, diperoleh nilai Me = 0.1648, k = 0.01259204, A= 1.11486, dengan asumsi setelah menit ke 105 konsentrasi tidak berubah. Dari grafik konsentrasi terhadap waktu dapat menunjukkan bahwa konsentrasi turun secara tajam selama selang waktu antara menit ke 0 sampai dengan 60, hal ini menggambarkan telah terjadi proses penguapan metanol dari silikgel yang berlangsung dengan cepat. Hasil eksperimen dan hasil perhitungan menunjukkan posisi yang hampir berimpit, sehingga asumsi bahwa nilainya konstan pada mulai menit ke 105 mendekati nilai yang sebenarnya. Untuk mempercepat proses penguapan metanol dari silikagel, perlu merubah konstruksi generator sedemikian rupa sehingga proses pindah panas dari dinding generator dikondisikan langsung dapat menyentuh permukaan setiap butir silikagel. Hal ini akan mempercepat kenaikan suhu metanol dan silikagel sampai mencapai suhu penguapan metanol yang membutuhkan panas sensibel, untuk selanjutnya panas laten yang dibutuhkan untuk menguapkan penguapan metanol yang secara efektif akan mepercepat proses penguapan. Desain kontur generator merupakan faktor yang mempengaruhi percepatan proses pemisahan metanol dari silikagel.
Analisis Eksergi pada Proses Desorpsi. Takaran pemanfaatan energi di generator oleh aliran air panas dapat dinyatakan dalam perbandingan kehilangan eksergi (T0Sgen) terhadap eksergi masukan di sisi generator. Sehingga pemanfaatan
90 energi ini dapat dinyatakan sebagai efisiensi eksergi atau efisiensi hukum kedua termodinamika (ηII). Peningkatan efisiensi eksergi secara proporsional akan menunjukkan terjadinya peningkatan manfaat pemanasan di generator. Secara umum eksergi adalah energi yang dapat digunakan untuk melakukan usaha. Perhitungan
dan
analisa
eksergi
menggunakan
metode
2
(pendekatan
termodinamika). Analisa eksegi pada penelitian ini meliputi eksergi yang tersedia pada sisi panas (air panas), sisi dingin (generator, silikagel, metanol), eksergi hilang, efisiensi eksergi rata-rata, dan efisiensi eksergi. Parameter yang mempengaruhi efisiensi eksergi adalah perubahan suhu air, silikagel, generator, dan metanol. Perhitungan eksergi tersaji pada Tabel 4.6. Tabel 4.6 Data perhitungan eksergi berdasarkan data hasil uji Data uji coba 26 Agustus
29 Agustus
30 Agustus
2007
2007
2007
Satuan
6 581.92
6 679.14
6 582.34
kJ
Masuk
6 347.06
6 438.11
6 477.09
kJ
Keluar
5 495.25
5 568.14
5 616.80
kJ
Eksergi sisi dingin
27.26
32.21
34.75
kJ
Eksergi hilang
824.55
837.76
825.55
kJ
3.20
3.70
4.04
%
Keterangan Energi dilepas air panas Eksergi sisi panas
Efisiensi eksergi
Berdasarkan Tabel 4.6, eksergi tersedia berturut-turut merupakan besaran eksergi masuk dikurangi eksergi yang meninggalkan aliran pada sisi air pemanas generator adalah 851.81kJ, 869.97 kJ, dan 860.29 kJ. Eksergi hilang berturut-turut adalah 824.55 kJ, 837.76 kJ, dan 825.55 kJ. Efisiensi eksergi berturut-turut adalah 3.20%, 3.70%, dan 4.04%. Eksergi tersedia pada sisi panas cenderung berbanding lurus dengan suhu awal air panas, semakin tinggi suhu air panas, maka semakin besar eksergi tersedia. Eksergi tersedia terbesar pada data uji coba 30 Agustus 2007, dimana suhu awal air panas sebesar 80.5 oC sehingga
eksergi yang tersedia sebesar
6 477.09 kJ. Eksergi hilang pada suatu sistem ditentukan oleh energi yang mampu diserap oleh sistem. Eksergi hilang terbesar pada data uji coba 29 Agustus 2007,
91 yaitu sebesar 837.76 kJ, diikuti data uji coba 30 Agustus 2007, yaitu sebesar 825.55 kJ. Efisiensi eksergi rata-rata untuk tiga data uji coba, sebesar 3.65%. Efisiensi eksergi dari tertinggi sampai terendah berturut-turut adalah data uji coba 30 Agustus 2007 (4.04%), kemudian 29 Agustus 2007 (3.70%), dan terakhir. 26 Agustus 2007 (3.20%) Berdasarkan analisa eksergi di atas, eksergi pada sistem ditentukan oleh eksergi tersedia pada sisi panas, eksergi diserap oleh sisi dingin, dan eksergi hilang. Pada penelitian ini, secara keseluruhan indikator eksergi adalah suhu. Eksergi tersedia di sisi air panas masuk berbanding lurus dengan suhu awal, semakin tinggi suhu awal maka eksergi tersedia di sisi panas semakin besar. Kehilangan eksergi pada sistem disebabkan oleh kemampuan sistem menyerap eksergi yang tersedia. Indikator kehilangan eksergi adalah perubahan suhu pada sistem. Eksergi hilang terbesar pada data uji coba 29 Agustus 2007, sebesar 837.76 kJ. Hal ini disebabkan oleh eksergi yang tersedia di sisi panas jauh lebih besar dibandingkan eksergi yang mampu diserap sistem. Hal ini ditunjukkan oleh data suhu dan data perubahan suhu fluida pada sistem. Pada data uji coba 29 Agustus 2007, perubahan suhu air panas sebesar 3.4 oC selama 135 menit hanya mampu memanaskan generator sebesar 39.5 oC, memanaskan suhu silikagel sebesar 35.3 oC, dan memanaskan suhu metanol sebesar 37.7 oC. Efisiensi eksergi pada sistem cenderung berbanding terbalik dengan eksergi hilang. Semakin besar eksergi hilang maka efisiensi eksergi akan semakin kecil. Hal itu sesuai dengan data analisa eksergi, eksergi hilang terbesar pada data uji coba 29 Agustus 2007 dan efisiensi eksergi terkecil pada data uji coba 29 Agustus 2007
Pengaruh Perubahan Suhu Fluida pada Kinerja Generator Desorpsi. Berdasarkan teori, kinerja generator dipengaruhi oleh perubahan suhu pada sistem yang meliputi perubahan suhu air, generator, dan silikagel. Analisa perubahan suhu per waktu bertujuan untuk menganalisa perubahan kinerja generator. Perubahan suhu air, silikagel, dan metanol dan grafik hubungan efisiensi eksergi terhadap waktu tersaji pada Tabel 4.6 dan Gambar 4.13.
92 Tabel 4.7 Data perubahan suhu air, silikagel, dan generator Keterangan Air panas 26 Agustus 2007 29 Agustus 2007 30 Agustus 2007 Silikagel 26 Agustus 2007 29 Agustus 2007 30 Agustus 2007 Generator 26 Agustus 2007 29 Agustus 2007 30 Agustus 2007
Perubahan suhu oC (menit ke-) 30' 45' 60' 75' 90'
105'
12.6 5.6 5.8
3.1 4.3 3.7
8.1 3.7 5.4
0.7 3 3.4
0.6 3 3.2
0.8 2.7 2.3
0.5 3.6 1.8
26 29 30
9.3 4.1 6.6
11 8.3 6
8 8.8 14.9
10.4 2.9 8.2
0.5 8.1 6
1.5 6.4 1.8
26 29 30
18.3 7 3.9
10.9 9.6 26.7
7.3 8.4 9.3
6.1 9.6 5.3
2.5 5.5 4.5
0.8 3.5 0.1
15'
Berdasarkan Tabel 4.7, perubahan suhu air pada menit ke 60 semakin kecil, yaitu sekitar 0.7-3.6oC. Sedangkan perubahan suhu silikagel dan generator pada menit ke 60 masih cenderung berfluktuatif, hal ini terjadi karena pada saat pengujian sistem mengalami over heating sehingga diberi air dingin.
Efisiensi eksergi (%)
6
Data uji 26 Agustus 2007 Data uji 27 Agustus 2007
5
Data uji 30 Agustus 2007
4 3 2 1 0 15
30
45
60
75
90
105
120
135
Waktu (menit ke-)
Gambar 4.14 Perubahan efisiensi eksergi terhadap waktu. Pada menit ke 60 perubahan suhu air, silikagel, dan generator sebagai berikut: 1) perubahan suhu air rendah dan stabil pada kisaran suhu 0.5-3.6 oC 2) perubahan suhu
silikagel bervariasi pada kisaran suhu antara
0.5-14.9oC
3) Perubahan suhu generator tinggi dan stabil pada kisaran suhu antara 0.1-9.6 °C. Perubahan suhu air yang rendah menyebabkan ketersediaan eksergi pada sistem berkurang. Hal ini menyebabkan penurunan efisiensi eksergi sistem. Efisiensi
93 eksergi sistem menurun tajam pada menit ke-45 dari 6.06 % menjadi 1.29% (26 Agustus 07), 3.36% menjadi 1.23% (29 Agustus 07) dan 3.14% menjadi 1.57% (30 Agustus 07). Dengan demikian, efisiensi eksergi pada penelitian ini dipengaruhi oleh panas yang dilepas sisi panas dengan panas yang diserap sisi dingin. Indikator energi yang dilepas dan energi yang diserap sistem adalah perubahan suhu pada sistem. Semakin tinggi penurunan suhu air panas dan semakin tinggi peningkatan suhu pada sisi dingin (metanol, silikagel, dan generator) maka maka efisiensi eksergi sistem akan semakin tinggi.
Koefisien Performansi (COP). Dalam waktu yang bersamaan dilakukan penelitian bersama tentang kinerja mesin pendingin adsorpsi (Bayu 2007), dengan referensi siklus mesin pendingin adsorpsi didefinisikan dari siklus Carnot (Cortez et al. 1997) untuk siklus ini diasumsikan proses berjalan secara adiabatik antara kondensor dan evaporator. Dari kesetimbangan energi, dengan Te (suhu evaporator, K), Tg (suhu generator, K), dan To (suhu lingkungan, K), siklus dapat Carnot dapat dituliskan sebagai berikut :
COPideal =
Te × (Tg − To ) (To − Te ) × Tg
Nilai yang didapatkan dari data pengujian untuk besaran COPideal pada masingmasing percobaan, berturut-turut dari pengujian 1 sampai 3 adalah 4.15, 3.88 dan 3.64. Sehingga kecenderungannya dapat diramalkan dari persamaan diatas: 1) jika Tg naik, COP naik, 2) jika Te naik, COP naik, dan 3) jika To naik, COP turun. Dimana nilai COP aktual dapat diperoleh dari data hasil pengujian Qe (laju panas evaporator, kJ/dt) dan Qg (laju panas generator, kJ/s) diberikan dengan rumusan, sebagai berikut : COPaktual =
Qe Qg
Hasil dari perhitungan didapatkan untuk masing-masing percobaan diberikan berturut-turut adalah 0.4, 0.16 dan 0.23. Suhu generator mempengaruhi kecepatan laju aliran kondensat metanol dalam tabung kondensat dan kuantitas metanol yang dihasilkan. Laju aliran air panas dan air dingin yang digunakan
94 dalam proses adsorpsi dan desorpsi dapat mempengaruhi perbedaan suhu masuk dan suhu keluar sistem penukar kalor. Tekanan generator dan kecepatan aliran metanol yang dialirkan kedalam eveporator dapat mempengaruhi bidang kontak penguapan refrigeran dalam evaporator yang kemudian akan berpengaruh pada laju penguapan. Perubahan COP antara 0.16-0.40 disebabkan karena terjadinya perubahan suhu generator dan beban pendinginan. Koefisien Pindah Panas Menyeluruh. Keseimbangan energi pada proses
pindah panas secara konveksi yaitu Q = m Cp. ΔT, besar nilai Q yang dihasilkan dapat digunakan untuk melakukan pendekatan terhadap besarnya nilai koefisien pindah panas menyelurh (W/m2 K) pada setiap komponen dalam sistem, dengan menggunakan hubungan antara koefisien perpindahan panas menyeluruh (U), luas permukaan sentuh (A), dan log beda temperatur ΔTLMTD, maka laju energi yang dipindahakan dapat didekati dengan rumus Q = U. A. ΔTLMTD. Contoh perhitungan koefisien perpindahan panas menyeluruh disajikan pada Lampiran 27. Tabel 4.8 Perhitungan koefisien pindah panas menyeluruh Komponen Pengujian 1 Gen. Desorpi
Tebal (mm)
Diameter (mm)
Tinggi (mm)
Q (W)
A (m2)
ΔTLMTD (K)
U (W/m2K)
5
22 * 108 ** 9.525 9.525
640
306.209
0.261
0.29
4042.47
6000 7000
189.107 122.539
0.179 0.209
5.25 1.40
200.67 417.99
640
334.046
0.261
0.44
2906.57
6000 7000
107.161 78.261
0.179 0.209
4.25 1.04
140.47 359.37
Kondensor Evaporator
5 5
Pengujian 2 Generator
5
Kondensor Evaporator
5 5
22 * 108 ** 9.525 9.525
ket : * = diameter dalam cangkang dalam ** = diameter dalam cangkang luar
Tabel di atas didapatkan dari perhitungan besaran nilai koefisien pindah panas menyeluruh untuk generator sebesar 4042.47 W/m2K, kondensor 200.67 W/m2 K, dan evaporator 417.99 W/m2 K untuk pengujian 1, sedangkan untuk pengujian 2 diperoleh untuk generator 2906.57 W/m2 K, kondensor 140.47 W/m2
95 K, dan evaporator 359.37 W/m2 K. Nilai koefisien perpindahan panas menyeluruh tersebut masuk diantara nilai yang diijinkan yaitu 1100-8500 W/m2 K (Cangel CY. 2005). Koefisien pindah panas menyeluruh merupakan kinerja alat penukar kalor yang mewakili beberapa parameter antara lain: fenomena aliran fluida panas dan dingin, suhu, massa jenis fluida, luas permukaan sentuh, laju energi yang dipindahkan, konduktivitas termal bahan, dan tebal bahan. Kenaikan beda suhu rata-rata log di generator desorpsi dari 0.29 K menjadi 0.44 K (naik 52%) menurunkan koefisien pindah panas menyeluruh dari 4042.47 W/m2K menjadi 2906.57 W/m2 K (turun 39%), hal tersebut menggambarkan bahwa perubahan suhu akan mempengaruhi laju energi yang dipindahkan. Untuk menjaga agar laju energi yang dipindahkan tetap, maka perlu diatur agar suhu masuk fluida pendingin atau pemanas menyesuaikan dengan perubahan suhu lingkungan.
Simpulan
1.
Mesin pendingin adsorbsi adalah mesin pendingin yang memanfaatkan energi panas sebagai pengganti fungsi kompresor. Pada penelitian ini, pasangan absorbent-adsorbate yang dipilih adalah silikagel-metanol karena cocok untuk
suhu kerja 60-70 °C. 2.
Data uji coba yang dipakai pada penelitian ini ada tiga yaitu: 26 Agustus 2007, 29 Agustus 2007, dan 30 Agustus 2007. Perhitungan energi yang diterima metanol-silikagel menggunakan 2 metode, yaitu pendekatan termokimia (metode 1) dan pendekatan termodinamika (metode 2). Hasil perhitungan berdasarkan metode 1 berturut-turut adalah 913.78 kJ, 872.56 kJ, dan 1086.27 kJ. Sedangkan hasil perhitungan berdasarkan metode 2 berturut-turut adalah 935.70 kJ, 897.09 kJ, dan 1055.61 kJ.
3.
Total energi panas yang dilepas selama 135 menit berturut-turut sebesar 6581.92 kJ, 6679.14 kJ, dan 6582.34 kJ. Proses desorpsi hanya menyerap energi panas 10-20% dari total energi panas yang dilepas oleh air panas selama 135 menit. Sebagian besar energi panas air hilang karena sistem tidak tertutup.
4.
Energi panas yang diterima pada proses desorpsi digunakan untuk memanaskan beberapa komponennya seperti : memanaskan generator,
96 memanaskan silikagel, memanaskan
dan menguapkan metanol (panas
sensible dan laten), serta memanaskan dan menguapkan fraksi air (sensibel dan laten). Persentase alokasi energi panas sebesar 47.42% digunakan untuk memanaskan generator, 8.36% digunakan untuk memanaskan silikagel, dan 44.2% digunakan untuk memanaskan dan menguapkan metanol. 5.
Eksergi tersedia berturut-turut merupakan besaran eksergi masuk dikurangi eksergi yang meninggalkan aliran pada sisi air pemanas generator adalah 851.81kJ, 869.97 kJ, dan 860.29 kJ. Eksergi hilang berturut-turut adalah 824.55 kJ, 837.76 kJ, dan 825.55 kJ. Efisiensi eksergi berturut-turut adalah 3.20%, 3.70%, dan 4.04%.
6.
Perubahan suhu air yang rendah pada menit ke-60 menyebabkan ketersediaan eksergi pada sistem berkurang. Hal ini menyebabkan penurunan efisiensi eksergi sistem. Efisiensi eksergi sistem menurun tajam pada menit ke-45 dari 6.06 % menjadi 1.29% (26 Agustus 07), 3.36% menjadi 1.23% (29 Agustus 07) dan 3.14% menjadi 1.57% (30 Agustus 07). Dengan demikian, efisiensi eksergi pada penelitian ini dipengaruhi oleh panas yang dilepas sisi panas dengan panas yang diserap sisi dingin. Indikator energi yang dilepas dan energi yang diserap sistem adalah perubahan suhu pada sistem. Semakin tinggi penurunan suhu air panas dan semakin tinggi peningkatan suhu pada sisi dingin (metanol, silikagel, dan generator) maka maka efisiensi eksergi sistem akan semakin tinggi.
7.
COPideal pada masing-masing percobaan, berturut-turut dari pengujian 1 sampai 3 adalah 4.15, 3.88 dan 3.64 (Bayu 2007).
