BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Bab V Kesimpulan dan Saran Berisi tentang kesimpulan dari hasil pengujian serta analisa yang dilakukan secara teoritis serta saran untuk penelitian selanjutnya.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1.

Energi Surya Matahari adalah suatu bola dari awan gas dengan suhu yang sangat panas.

Diameter bola matahari adalah 1,39 x 109 km,sedangkan jauh rata-rata dengan bumi adalah 1,5 x 1011 km. Matahari berputar pada sumbunya dengan kecepatan sekali putar dalam empat minggu. Karena matahari terdiri dari kumpulan awan gas dan tidak solid maka bagian ekuatorialnya berputar sekali dalam 27 hari sedangkan kutub-kutubnya berputar sekali dalam 30 hari.

Suhu efektif pada

permukaan besarnya 5760 K. sedang pada inti temperaturnya dapat mencapai lebih kurang 8 x 106 sampai dengan 40 x 106 K.[Lit.12] Suatu teori yang akhir-akhir ini dapat diterima para ahli mengatakan bahwa radiasi gelombang elektromagnetik merupakan kombinasi dari gelombang elektrik arus bolak-balik berkecepatan tinggi dengan gelombang medan magnet yang menumbuhkan partikel-partikel energi dalam bentuk foton. Gelombang energi yang memancar melalui ruangan angkasa memberikan pancaran radiasi dengan

panjang

gelombang

yang

berbeda-beda.

Radiasi

gelombang

elektromagnetik dikelompokkan pada panjang gelombang yang memberikan rangsangan energi yang lebih besar dimana semakin pendek panjang gelombang nya semakin besar energinya. Radiasi yang dipancarkan melalui permukaan

Universitas Sumatera Utara

matahari mempunyai variasi panjang gelombang dari yang paling panjang (gelombang radio) sampai yang paling pendek (gelombang sinar X dan sinar gamma).[Lit.7 hal. 290] Jarak rata-rata antara bumi dengan matahari RBM = 1,49 x1011,sedangkan besar rapat radiasi adalah: 2 kalori cm2/menit = 2 langleys/menit = 2 x 104 kalori/m2 menit = 1/3 x 103 kalori/m2 dt. (Lit.2) Matahari

memancarkan energi dalam bentuk radiasi ektromagnetik.

Radiasi tersebut hanya sekitar 50% yang dapat diserap oleh bumi. Menurut pengukuran yang dilakukan oleh badan luar angkasa Amerika Serikat NASA (National Aeronautics and Space Administration) melalui misi ruang angkasanya pada tahun 1971,diperoleh data tentang besaran konstanta matahari yang harganya sama dengan 1353 Watt/m2. Dari besaran tersebut 7,85% atau 105,8 Watt/m2 dipancarkan melalui sinar ultraviolet, 47,33% atau 640.4 Watt/m2 dipancarkan oleh sinar yang dapat dilihat oleh manusia (visible light) dan 44,85% atau 606,8 Watt/m2 dipancarkan oleh sinar infra merah. Pada dasarnya energi radiasi yang dipancarkan oleh sinar matahari mempunyai besaran yang tetap (konstan),tetapi karena peredaran bumi mengelilingi matahari dalam bentuk elips maka besaran konstanta matahari bervariasi antara 1308 Watt/m2 dan 1398 Watt/m2 .Dengan berpedoman pada luas penampang bumi yang menghadap matahari dan yang berputar sepanjang tahun, maka energi yang dapat diserap oleh bumi besarnya adalah 751 x 10 kW-jam. 2.2.

Tinjauan Perpindahan Panas


Sebagai suatu gambaran mengenai tiga cara perpindahan panas dalam sebuah alat pemanas, panas mengalir secara konduktif sepanjang pelat penyerap dan melaui dinding saluran. Kemudian panas dipindahkan ke fluida dalam saluran dengan cara konveksi; apabila dilakukan dengan sirkulasi dengan sebuah pompa, maka disebut konveksi paksa. Pelat penyerap yang panas itu melepaskan panas ke pelat penutup kaca (umumnya menutupi kolektor) dengan cara konveksi alamiah dan dengan cara radiasi. 1. Konduksi Jika pada suatu benda terdapat gradient suhu (temperature gradient), maka akan terjadi perpindahan energi dari bagian bersuhu tinggi ke bagian yangbersuhu rendah. Dapat dikatakan bahwa energi berpindah secara konduksi(conduction) atau hantaran dan bahwa laju perpindahankalor itu berbanding dengan gradient suhu normal: δq ¶ T : A ¶x ¶T q = - kA ¶x ¶u τ =μ ¶y μ x Re = ¥ υ δq ¶ T : A ¶x

Jika dimasukkan konstanta proporsionalitas (proportionality constant) atau tetapan kesebandingan, maka : q = - kA

¶T ¶x

dimana A adalah luas penampang tegak-lurus pada aliran panas (m2) dT/dx adalah gradien temperatur dalam arah aliran panas,(K/m) dan q adalah laju perpindahan


kalor (Watt). Konstanta positif k disebut konduktivitas termal atau kehantaran (W/(m.K)) , konstanta positif diberikan agar memenuhi hukum termodinamika yaitu kalor mengalir ke tempat yang lebih rendah dalam skala suhu. 2. Konveksi Pada bagian tepi pelat terbentuk suatu daerah dimana pengaruh gaya viskos semakin meningkat. Gaya-gaya viskos dapat diterangkan dengan tegangan geser ( τ ) antara lapisan-lapisan fluida. Jika tegangan ini dianggap berbanding lurus dengan gradient kecepatan normal, maka dapat dirumuskan persamaan dasar untuk viskositas : τ =μ

¶u ¶y

Konstanta proporsional µ disebut viskositas dinamik. Pada permulaan, pembentukan lapisan batas laminarpada suatu jarak kritis karena sifat-sifat fluida, gangguan-ganguan kecil pada aliran itu membesar dan mulailah terjadi proses transsisi hingga akhirnya aliran menjadi turbulen. Karakterstik aliran ini ditentukan oleh kuantitas suatu besaran yang disebut bilangan Reynolds. Untuk aliran melintas pada pelat rata, bilangan Reynold didefenisikan sebagai : Re =

μ¥ x υ

Dimana, µε adalah kecepatan aliran bebas (m/s); x adalah jarak dari tepi depan pelat (m); ϑ adalah viskositas kinematik fluida (m2/s) Transisi dari aliran laminar menjadi turbulen terjadi apabila Re > 5x105 walaupun untuk tujuan analisis angka Reynold kritis untuk transisi di atas pelat rata bisa dianggap 5x105, namun dalam situasi praktis nilai kritis ini sangat bergantung


pada kekasaran permukaan dan tingkat keturbulenan. Tetapi untuk aliran sepanjang pelat selalu turbulen untuk Re ≥ 4 x 105. Pada daerah aliran turbulen, lapisan yang sangat tipis dekat pelat bersifat laminar (laminar sublayer), dan di sini aksi viskositas dan perpindahan kalor masih pemting. Daerah ini disebut lapisan buffer (buffer layer). Lebih jauh lagi, aliran menjadi sepenuhnya turbulen, dan mekanisme utama penukaran kalor dan momentum melibatkan bongkahbongkah makroskopik fluida yang bergerak. Udara yang mengalir di atas suatu permukaan logam panas,misalnya dalam saluran baja sebuah alat pemanas udara surya,dipanasi secara konveksi. Apabila saluran udara disebabkan oleh sebuah blower,disebut konveksi paksa; apabila disebabkan oleh gradien massa jenis,maka disebut konveksi alamiah. Pada umumnya,perpindahan panas konveksi dapat dinyatakan dengan hukum pendinginan Newton,sebagai berikut:

q = hA (Tw - Ts ) watt dimana h adalah koefisien konveksi,W/(m2.K); A adalah luas permukaan,m2; Tw adalah temperatur dinding; T adalah temperatur fluida,K. Umumnya koefisien konveksi h dinyatakan dengan parameter tanpa dimenis yang disebut bilangan Nusselt, (menurut nama dari Wilhelm Nusselt),Nu=hdi/k, dimana k adalah konduktivitas panas. Karena aliran dalam pemanas cairan surya itu laminar dan tabung-tabungnya adalah relatif pendek, maka bilangan Nusselt rata-rata dan karena itu harga –harga h dalam tabung dapat dicari dari grafik bilangan Nusselt. [Lit.1] 3. Radiasi


Radiasi termal adalah radiasi elektromagnetik yang dipancarkan oleh suatu benda karena suhunya. Ada beberapa jenis radiasi elektromagnetik ,radiasi termal hanyalah salah satu diantaranya. Apapun jenis radiasi itu, ia selalu merambat dengan kecepatan cahaya, 3x1010 m/s. kecepatan ini sama denga hasil perkalian panjang-gelombang denga frekuensi radiasi,

Cλv = Dimana, C adalah kecepatan cahaya; λ adalah panjang gelombang dan ν adalah frekuensi.Perambatan radiasi termal berlangsung dalam bentuk kuantumkuantum yang diskrit atau farik (discrete), setaip kuantum mengandung energi sebesar,

E = hv Dimana h adalah 6,625 x 10-34 J.s Bila

densitas

energi

diintegrasikan

sepanjang

seluruh

panjang-

gelombang,maka energi total yang dipancarkan sebanding dengan pangkat empat suhu absolut atau sesuai dengan hukum Stefan-Boltzmann :[Lit.2] 4

EσT b =

Dimana, Eb adalah energi yang diradiasikan persatuan waktu dan persatuan luas (Watt/m2), dan σ adalah konstanta Stefan-Boltzmann yang nilainya (σ ) = 5,669x10-8 W/m2. K4. Penukaran panas netto secara radiasi termal adalah: q =σA T( 14- T

4 2

) Watt

dimana σ adalah konstanta Stefan-Boltsman,5,67 x 10-8 W/(m2.K4 ); A adalah luas bidang,m2 ,dan temperatur adalah derajat Kelvin pangkat empat,K4.


Penggunaan energi surya meliputi pengaturan kedudukan permukaan pengumpul (kolektor) pada berbagai sudut dengan bidang horizontal. Sementara pengukuran radiasi

pada

permukaan

horizontal

di

banyak

tempat

sudah

dilaksanakan,pemanasan pada permukaan miring harus dihitung. Lapisan luar matahari yang disebut fotosfer memancarkan suatu spektrum radiasi yang kontiniu. Radiasi yang dipancarkan oleh permukaan matahari,Es,adalah sama dengan hasil perkalian konstanta Stefan-Boltzmann σ , pangkat empat temperatur permukaan absolute Ts4, dan luas permukaan π ds 2 , Eσπd T s =

2 s

4 s

W

Dimana σ = 5,67 x 10-8 W/(m2.K4), temperatur permukaan Ts dalam K,dan diameter matahari ds dalam meter. Pada radiasi ke semua arah, energi yang diradiasikan mencapai luas permukaan bola dengan matahari sebagai titik tengahnya. Jari-jari (R) adalah sama dengan jarak rata-rata antara matahari dan bumi. Luas permukaan bola adalah sama dengan 4π R 2 ,dan fluks radiasi pada satu satuan luas dari permukaan bola tersebut yang dinamakan iradiansi,menjadi: G=

σd s2Ts4 W/m2 2 4R

Dengan garis tengah matahari 1,39 x 109 , temperatur permukaan matahari 762 K,dan jarak rata-rata antara matahari dan bumi sebesar 1,5 x 1011 m, maka fluks radiasi per satuan luas dalam arah yang tegak lurus pada radiasi tepat di luar atmosfer bumi adalah 2

G=

4

5, 67×10-8 W (m2 .K 4 ) × (1,39×109 ) m 2 × (5, 762×103 ) K 4 4× (1,5×10

11 2

)

m

2

= 1353 W/m2


Harga G ini disebut kontanta surya,Gsc pengukuran yang baru-baru ini dilakukan oleh pesawat antariksa telah membenarkan harga Gsc ini,yang kemudian telah diterima oleh NASA sebagai standar. 2.3.

Kolektor Surya Plat Datar Kolektor surya plat datar mempunyai temperatur keluaran dibawah 95°C.

Keuntungan utama dari sebuah kolektor surya plat datar adalah memanfaatkan kedua komponen radiasi matahari yaitu melalui sorotan langsung dan sebaran, tidak memerlukan tracking matahari dan juga karena desainnya yang sederhana, hanya sedikit memerlukan perawatan dan biaya pembuatan yang murah. Pada umumnya kolektor jenis ini digunakan untuk memanaskan ruangan dalam rumah, pengkondisian udara, dan proses-proses pemanasan dalam industri. Tipe ini dirancang untuk aplikasi yang membutuhkan energi panas pada temperatur di bawah 100°C. Spesifikasi tipe ini dapat dilihat dari absorber-nya yang berupa plat datar yang terbuat dari material dengan konduktivitas termal tinggi, dan dilapisi dengan cat berwarna hitam. Data radiasi surya pada bidang miring jarang diperoleh : karakteristik dari permukaan di sekitarnya berbeda antara satu tempat dengan yang lainnya, sehingga standarisasi pengukuran sukar dibuat. Misalnya, data untuk suatu permukaan miring yang menghadap tanah tertutup salju serta menerima komponenen radiasi karena pemantulan, harus dirinci dulu kondisi saljunya, yaitu sifat pantulnya. a.

Koefisien radiasi dalam (ekivalen) hri. Penukaran panas radiasi antara penyerap dan penutup adalah :


q=

b.

σA(T14 - T24 ) 1 1 + -1 ε1 ε 2

Tahanan termal kaca dinyatakan dengan R(kaca) =

t k

Dimana t adalah tebal kaca, m dan k adalah konduktivitas termal W/(m.K) c.

Koefisien konveksi luar ho dihitung dengan ho = 5,7 + 3.8 V dimana V adalah kecepatan angin dalam m/s

d.

Koefisien radiasi luar ekivalen dapat ditulis sebagai

Hro =

(

4 ε c σ Tc4 - Tlangit

Tc - Tlangit

) W/(m .K) 2

Dimana temperatur langit diperkirakan oleh Swinbank adalah Tlangit = 0,0552 (Ta3/2) Temperatur luar Ta adalah dalam derajat Kelvin (K) 2.3.1 Effisiensi termal a)

Persamaan empiris untuk koefisien kerugian Ut Sebuah persamaan empiris disarankan oleh S.A. Klein dan baru-baru ini

dimodifikasi oleh Agarwal dan Larson untuk memperhitungkan ketergantungan sudut Ut pada kemiringan β , é ê ê Ut = ê êC ê êTp ë

ù- 1 ú s Tp +Ta Tp 2 +Ta 2 N 1ú + ú + æTp - Ta ö é ù h ú ù- 1 + ê2 N + f - 1 ú- N ç ÷0,33 0 ú é e e + 0, 05 N 1 p p ê ú ç N +F ÷ û ê eg ú ú ë ë û è ø û

( (

)( )

)


Dimana : N = jumlah kaca penutup C = 250[1-0,0044( β -90o)] F = (1- 0,04 ho + 0,0005ho2)(1+0,091N) Harga ho = 5,7 + 3,8 V W/m2.K Dimana V adalah kecepatan angin 2.3.2 Benda kelabu Benda kelabu (gray body) adalah benda yang mempunyai emisivitas monokromatik (òλ ) yang tidak bergantung dari panjang-gelombang. emisivitas monokromatik

didefenisikan

sebagai

perbandingan

antara

daya

emisi=monokromatik benda itu dengan daya emisivitas monokromatik benda hitam pada panjang-gelombang dan suhu yang sama. Penyerapan radiasi oleh permukaan ditandai oleh fraksi-fraksi dari jumlah ideal yang dipancarkan ( ε emisivitas) dan diserap ( α ,absorpsivitas),misalnya,perpindahan panas yang terjadi dalam sebuah kolektor surya adalah perpindahan panas radiasi dari pelat penyerap

ke

pelat

penutup

kaca.

Untuk

pelat-pelat

paralel

semacam

itu,hubungannya sangat bermanfaat σA(T14 - T24 ) q= 1 1 + -1 ε1 ε 2 dimana ε1 dan ε 2 adalah emisivitas dari pelat-pelat penyerap dan kaca. Radiasi surya adalah radiasi gelombang pendek yang diserap oleh pelat penyerap sebuah kolektor surya dan diubah menjadi panas. Oleh sebab itu penyerap panas harus memiliki harga α yang cukup tinggi dalam batas yang masih praktis. Pelat penyerap,yang menjadi panas,memancarkan radiasi termal


dalam daerah panjang gelombang yang panjang (inframerah). Kerugian radiasi ini dapat dikurangi sehingga sangat kecil dengan cara menggunakan permukaan khusus yang memiliki harga absorpsivitas yang tinggi ( α tinggi) dalam daerah panjang gelombang pendek (radiasi surya) dan harga emisivitas yang rendah ( ε rendah) dalam daerah inframerah. Permukaan semacam itu disebut permukaan selektif. Salah satu diantaranya adalah dengan memberikan warna hitam (cat hitam) pada permukaan penyerap. Pelat warna hitam memiliki memiliki harga α =0.98 dan ε =0.98.

Sumber : [Lit.5]

Gambar 2.1 Tabel Emisivitas Material 2.3.3 Benda Hitam Bila seberkas sinar enrgi panas mengenai permukaan suatu benda, maka sebagian diserap,sebagian dipantulkan dan sebagian lainnya lagi diteruskan melewati benda itu. Benda hitam memenuhi persamaan Eb = σ T 4 hal ini karena tidak memantulkan sesuatu radiasi. Jadi benda hitam adlah, benda yang menyerap seluruh radiasi yang menompanya. Eb disebut daya emisi (emissive power) benda-


hitam. Pada keseimbangan, energi yang diserap benda itu mesti sama dengan energy yang dipancarkan; sebab,jika tidak,tentu ada energi yang mengalir masuk atau keluar benda itu dan menyebabkan suhunya naik atau turun. Perbandingan daya emisi suatu benda dengan daya emisi benda hitam pada suhu yang sama ialah sama dengan absorpsivitas benda itu. Perbandingan itu disebut emisivitas : Î =

E Eb

Î =a

Sumber : [Lit. 7]

Gambar 2.2. Grafik Perbandingan antara Daya Emisi Benda Hitam dengan Benda Kelabu dengan Daya Emisi Permukaan Nyata


Gambar 2.2 menunjukkan spektrum radiasi relatif dan benda hitam pada 3000 F dan benda kelabu ideal yang sebanding dengan emisivitas 0,6. Juga diberikan kurva yang menunjukkan tingkah laku kira-kira untuk permukaan yang nyata, yang mungkin sangat berbeda dari benda hitam ideal maupun benda hitam ideal. Adanya pergeseran titik maksimum kurva radiasi menjelaskan perubahan warna jika benda dipanaskan. Oleh karena itu pita panjang gelombang yang dapat dilihat oleh mata terletak 0,3 dan 0,7 µ m , maka hanya sebagian kecil saja spektrum energi radiasi pada suhu rendah dapat dilihat oleh mata. Ketika benda dipanaskan,intensitas maksimum digeser kearah panjang-gelombang pendek, dan tanda pertama yang memperlihatkan adanya kenaikan suhu benda ialah warna merah-tua. Dengan peningkatan suhu menjadi lebih tinggi, warna itu berubah menjadi merah cerah, kemudian kuning cerah dan akhirnya putih. 2.4.

Mesin Pendingin Adsorpsi

2.4.1. Siklus Ideal Mesin Pendingin Adsorpsi Adsorpsi dan desorpsi merupakan suatu proses yang dapat berlangsung secara reversibel. Adsorpsi merupakan proses exothermic dimana adsorben (padatan) dan adsorbat (fluida) melepaskan panas sehingga menyebabkan penurunan pergerakan molekul adsorbat yang mengakibatkan adsorbat tersebut menempel pada permukaan adsorben dan membentuk suatu lapisan tipis. Ketika panas diberikan kepada sistem tersebut maka pergerakan molekul adsorbat akan meningkat sehingga pada jumlah panas tertentu akan menghsailkan energi kinetik molekul adsorbat yang cukup untukmerusak gaya van der Waals antara adsorben dan adsorbat. Proses pelepasan adsorbat dari adsorben disebut


sebagai proses desorpsi, dimana proses ini membutuhkan energi panas sehingga disebut proses endothermic. Jumlah adsorbat yang terkandung didalam adsorban dapat digambarkan oleh garis isosters pada diagram tekanan vs temperatur (Ln P vs -1/T) seperti pada gambar 2.3.

Sumber : Nishio A. FT UI (2008)

Gambar 2.3 Diagram Tekanan vs Temperatur yang Menggambarkan Garis Isosters Mesin pendingin ini membutuhkan energi panas yaitu energi radiasi matahari yang digunakan sebagi energi untuk berlangsungnya proses pendinginan. Siklus pendingin adsorpsi dapat dilihat pada gambar 2.4. Sistem pendingin adsorpsi ini terdiri atas empat proses yang dapat dijelaskan sebagai berikut.


Sumber : [Lit.10]

Gambar 2.4Diagram Clayperon pada Sistem Pendingin Siklus Adsorpsi 1. Proses Pemanasan (Pemberian Tekanan) Pada gambar 2.4 menjelaskan bahwa proses pemanasan dimulai dari titik A dimana adsorbent berada pada temperatur rendah TA dan pada tekanan rendah Pe (takanan evaporator). Proses ini berlangsung pada siang hari,proses AB: Adsorber menerima panas sehingga temperatur adsorber meningkat dan diikuti oleh peningkatan tekanan dari tekanan evaporasi menjadi tekanan kondensasi. Selama proses ini tidak ada aliran metanol yang masuk maupun keluar dari adsorber. 2. Proses Desorpsi Pada gambar 2.4 menjelaskan proses desorpsi berlangsung pada waktu panas diberikan dari titik B ke D sehingga adsorber mengalami peningkatan temperatur yang menyebabkan timbulnya uap desorpsi. Sehingga, sehingga adsorbat yang berada pada adsorben dalam bentuk gas mengalir ke kondensor untuk mengalami proses kondensasi menjadi cair dan mengalir ke kondensor. 3. Proses Pendinginan (Penurunan Tekanan)


Pada gambar 2.4 menjelaskan proses pendinginan berlangsung dari titik D ke F yang berlangsung pada malam hari, adsorber melepaskan panas dengan cara didinginkan sehingga suhu di adsorber turun dan diikuti oleh penurunan tekanan dari tekanan kondensasi ke tekanan evaporasi. 4. Proses Adsorpsi Pada gambar 2.4 menjelaskan proses adsorpsi berlangsung dari titik F ke A, Adsorber terus melepaskan panas sehingga adsorber mengalami penurunan temperatur dan tekanan yang menyebabkan timbulnya uap adsorpsi. Adsorbat dalam bentuk uap dihasilkan dari proses penyerapan kalor oleh adsorbat dari air yang ada disekitar evaporator sebesar kalor laten penguapan adsorbat tersebut. 2.4.2. Perkembangan Mesin Pendingin Adsorpsi Perkembangan mutakhir di bidang refrigeran utamanya didorong oleh dua masalah besar dalam lingkungan, yakni lubang ozon dan pemanasan global. Sifat merusak ozon dimiliki oleh refrigeran utama yang digunakan yaitu CFCs (ChloroFluoro Carbons). (Molina dan Rowland 1974, diacu dalam Indartono 2006). Setelah keberadaan lubang ozon dilapisan atmosfer diverisifikasi secara saintifik, perjanjian internasional untuk mengatur dan melarang penggunaan zatzat perusak disepakati pada tahun 1987 yang terkenal dengan sebutan Protokol Montreal. Penggunaan CFCs dan HCFCs (Hydro Chloro Fluoro Carbons) merupakan dua refrigeran utama yang dijadwalkan untuk dihapuskan masingmasing pada tahun 1996 dan 2030 untuk negara – negara maju. Sedangkan untuk negara – Negara berkembang dijadwalkan untuk dihapus (phase- out) pada tahun 2010 (CFCs) dan 2040 (HCFCs) (Powell dalam Indartono, 2006). Pada tahun


1997, Protokol Kyoto mengatur pembatasan dan pengurangan gas-gas penyebab rumah kaca, termasuk HCFCs. Munculnya beberapa permasalahan pada refrigerasi siklus kompresi uap dalam dekade belakangan ini membuat para peneliti berusaha memunculkan sistem refrigerasi alternatif yang tidak mengandung permasalahan serupa. Teknologi alternatif tersebut diantaranya adalah refrigerasi sistem adsorpsi padatan (solid adsorption). Sistem adsorpsi padatan ini tidak menggunakan refrigeran yang merusak ozon, serta bisa memanfaatkan matahari dan panas buangan . Teknik pendinginan adsorpsi merupakan salah satu pilihan dari metode pendinginan yang dapat digunakan jika sumber listrik tidak ada dan sebagai pengganti refrigeran yang tidak ramah lingkungan. Metode pendinginan ini memerlukan sumber energi panas sebagai penghasil siklus pendinginan. Sumber energi tersebut dapat diperoleh dari biomassa, energi radiasi surya, maupun panas buangan. Perkembangan mesin ini telah dikenal pada tahun 1980 sampai sekarang, dimana M. Pons dan J.J. Guilleminot (1981) membuat alat mesin pendingin dengan menggunakan pasangan Zeolit – air dan pasanganan karbon aktif – metanol. Sokoda dan Suzuki (1984) dan Critoph et al (1988) melakukan studi kinerja siklus adsorpsi untuk pendingin surya. Vichan Tangkengsirin et al (1997) menggunakan pasangan silicagel – air dan sumber panas dari energi surya. Siegfried Kreussler dan Detlef Bolz melakukan penelitian mesin pendingin solar adsorpsi menggunakan zeolit dan air, diperoleh energi pendingin sebesar 350 kJ/kg zeolit dan COP 8 %. K Sumanthy (1999) melakukan percobaan alat


pendingin solar energi dengan pasangan karbon aktif -methanol, dan berhasil membuat es sebanyak 4 kg/hari dengan luas kolektor 0,92 m2. Hildrand C, Dind P., Pons M., Butchter F.(2001), melakukan penelitian pada mesin pendingin menggunakan silica gel – water dengan sumber panas kolektor surya dengan luas 2 m2 mendapatkan harga COP antara 0.10 sampai 0.25. Sedangkan Wang D.C, Xia Z.Z, Zhai H, Wang R.Z dan Dou W.D.(2005), melakukan penelitian mesin pendingin adsorpsi menggunakan silica gel dan air, diperoleh Kapasitas pendinginan dan COP sebesar 7,15 kW dan 0,38. Beberapa penelitian pada sistem pendingin adsorpsi telah dilakukan di laboratorium Energi dan Elektrifikasi, diantaranya oleh Aep et al, (2002) telah melakukan penelitian mesin pendingin adsorpsi dengan menggunakan silicagel – metanol dengan pembangkitan panas dari listrik, dari hasil penelitian dengan 3 kali pengujian dengan tekanan awal sebesar 5,4 kPa diperoleh temperature evaporator 10 °C dengan pemanasan pada generator sebesar 72°C. Pada saat proses desorpsi yang berlangsung selama 7 jam, temperatur evaporator meningkat menjadi 26 °C dengan lama proses selama 2 jam. Sedangkan pendinginan dengan menggunakan beban pendinginan dan tekanan awal 0.11 kPa (0.88 mmHg) dan suhu evaporator sebesar 24°C menurun menjadi 10°C dan terus meningkat karena adanya beban pendinginan air pada chiller dan berlangsung selama 7 jam yang mencapai 26°C. Pendinginan menghasilkan selisih 1.5 - 2°C perbedaan suhu yang masuk dan keluar dari evaporator. Selain itu penelitian untuk melihat kinerja alat pendingin adsorpsi juga dilakukan oleh Setiono B, (2005) dimana hasil yang didapatkan menunjukkan besaran temperatur di evaporator 9.7°C pada tekanan 26.1 torr (3.48 kPa) tanpa


menggunakan beban pendinginan, sedangkan dengan menggunakan beban pendinginan didapatkan suhu evaporator sebesar 13.5°C pada tekanan 38.7 torr (5.16 kPa) dan 13.4°C pada tekanan 45.1 torr (6.01 kPa). Pada percobaan yang dilakukan ini berhasil menurunkan temperatur rata-rata 5°C. Tetapi pada penelitian ini proses awal yang dilakukan adalah proses evaporasi-adsorpsi, kemudian dilanjutkan dengan proses generasi-desorpsi. [Lit.14] 2.5.

Adsorpsi, Adsorben, dan Adsorbat

2.5.1. Adsorpsi Adsorpsi adalah suatu proses yang terjadi ketika suatu fluida (cairan maupun gas) terikat kepada suatu padatan dan akhirnya membentuk suatu film (lapisan tipis) pada permukaan padatan tersebut. Berbeda dengan absorpsi, dimana fluida terserap oleh fuida lainnya dengan membentuk suatu larutan. Untuk mengetahui karakteristik yang terjadi dalam proses adsorpsi dapat diilustrasikan dengan gambar 2.5, padatan berpori (pores) yang menghisap (adsorp) dan melepaskan (desorp) suatu fluida disebut adsorben. Molekul fluida yang dihisap tetapi tidak terakumulasi/melekat kepermukaan adsorben disebut adsorptive, sedangkan yang terakumulasi/melekat disebut adsorbat. Desorp/melepaskan



Gambar 2.5. Adsorption Nomenclature Pada umumnya proses adsorpsi diklasifikasikan menjadi dua proses yaitu proses adsorpsi secara fisik yang disebabkan oleh gaya van der Waals, dan secara kimia yang disebabkan melalui reaksi kimia antara molekul-molekul adsorbat dengan atom-atom penyusun permukaan adsorben. Jika interaksi antara padatan dan molekul yang mengembun tadi relatif lemah, maka proses itu disebut sebagai adsorpsi fisik. Walaupun adsorpsi biasanya dikaitkan dengan perpindahan dari suatu gas atau cairan ke suatu permukaan padatan, perpindahan dari suatu gas ke suatu permukaan cairan juga terjadi. Substansi yang terkonsentrasi pada permukaan didefinisikan sebagai adsorbat dan material pada mana adsorbat terakumulasi didefinisikan sebagai adsorben. Pada dasarnya adsorben dibagi menjadi tiga yaitu, adsorben yang mengadsorpsi secara fisik (karbon aktif, silika gel dan zeolit), adsorben yang


mengadsorpsi secara kimia (calcium chloride, metal hydrides, dan complex salts ), dan compositeadsorbent adsorben yang mengadsorpsi secara kimia dan fisik. Adsorpsi Secara Fisika Proses adsorpsi atau penyerapan adalah fenomena fisik yang terjadi saat molekul-molekul gas atau cair dikontakan dengan suatu padatan dan sebagian dari molekul-molekul tadi mengembun pada permukaan padatan tersebut. Apabila interaksi antara padatan dan molekul yang mengembun tadi relatif lemah, maka proses ini disebut adsorpsi fisik yang terjadi hanya karena gaya van der Waals. Penyerapan yang digolongkan berdasarkan interaksi permukaan adsorben dengan adsorbat dapat dibagi menjadi dua jenis, yaitu penyerapan secara fisika (adsorpsi) dan penyerapan secara kimia (absorpsi). Pada adsorpsi jenis ini, adsorpsi terjadi tanpa adanya reaksi antara molekul-molekul adsorbat dengan permukaan adsorben. Molekul-molekul adsorbat terikat secara lemah karena adanya gaya van der Waals. Adsorpsi ini relatif berlangsung cepat dan bersifat reversibel (reversible). Karena dapat berlangsung di bawah temperatur kritis adsorbat yang relatif rendah, maka panas adsorpsi yang dilepaskan juga rendah. Adsorbat yang terikat secara lemah pada permukaan adsorben, dapat bergerak dari suatu bagian permukaan ke bagian permukaan lain. Peristiwa adsorpsi fisika menyebabkan molekul-molekul gas yang teradsorpsi mengalami kondensasi. Besarnya panas yang dilepaskan dalam proses adsorpsi fisika adalah kalor kondensasinya. Proses adsorpsi fisik terjadi tanpa memerlukan energi aktivasi, sehingga proses tersebut membentuk lapisan jamak (multilayers) pada permukaan adsorben. Ikatan yang terbentuk dalam adsorpsi fisika dapat diputuskan dengan


mudah, yaitu dengan cara degassing atau pemanasan pada temperatur 150-200 0C selama 2-3 jam.

Sumber : [Lit.13]

Gambar 2.6. Siklus Refrigerasi Adsorpsi (Clapeyron Diagram) Keterangan Gambar: Dalam adsorber: 1-2, panas masuk (pemanasan isosteric); 2-3, panas masuk (pemanasan isobarik dan desorpsi); 3-4, panas keluar (pendinginan isosteric) 3-41, panas keluar (pendinginan dan isobarikadsorpsi). Dalam evaporatorkondensor,:2’-3’ panas keluar (kondensasi isobarik);3’-4’-1, efek pendinginan (isosteric refrigerant pendingin diri dan isobarikpenguapan). Pasangan adsorben dan adsorbat untuk adsorpsi fisik salah satunya adalah: Karbon aktif atau serat karbon aktif dengan amonia dan metanol Proses adsorpsi karbon aktif / metanol dankarbon aktif / amonia sama, dan larutan adsorbat akan mengisi dan memenuhi pori-pori adsorben. Adsorpsi biasanya terjadi pada micropores, dimana volume jenis sekitar ) 0,15- 0,50 cm3g-1, dan area permukaansekitar 95% dari luas seluruh permukaan karbon aktif. Fungsi dari


besar pori adsorben yang relatif sedang dan besar sebagai penghantar molekul adsorbat ke mikropori. Karbon aktif - metanol merupakan salah satu yang paling umum digunakan, karena kuantitas adsorpsi besar dan panas adsorpsi rendah, yang sekitar 1800-2000 kJ / kg. Paling utama konsumsi panas dalam fase desorpsi berkaitan dengan panas adsorpsi, nilai nilai yang rendah dari panas adsorpsi bermanfaat bagi COP. Karbon aktif / metanol juga merupakan pasangan kerja yang sesuai untuk menggunakan panas matahari sebagai sumber panas karena suhu desorpsi rendah, dimana sekitar 100 0C. Suhu yang lebih tinggi dari 120 0C harus dihindari karena menurut Hu, dekomposisi metanol menjadi senyawa lain terjadi di atas suhu ini. Namun, karbon aktif / metanol tidak dapat bekerja secara maksimal di bawah tekanan subatmosfer. Perlunya vakum di dalam mesin pada saat menggunakan pasangan ini meningkatkan kompleksitas manufaktur, dan mengurangi keandalan sistem, bahkan sebuah infiltrasi udara kecil dapat mengubah efisiensi mesin. Pasangan karbon aktif - amonia biasa digunakan. Dibandingkan dengan karbon aktif - metanol,walaupun kedua pasangan memiliki panas adsorpsi yang sama, namun pasangan karbon aktif/ amonia memiliki keuntungan dari tekanan kerja yang lebih tinggi, yaitu sekitar 16 bar di kondensasi temperatur 40 0C. Karena operasi yang lebih tinggi tekanan pasangan karbon aktif/ amonia memiliki kinerja perpindahan massa lebih baik, dan waktu siklus dapat dikurangi. Keuntungan lain dari karbon aktif/ amonia bila dibandingkan dengan pasangan karbon aktif/ metanol adalah kemungkinan untuk menggunakan sumber panas pada 200 0C atau di atas. Kerugian dari pasangan karbon aktif/ amonia


berhubungan dengan toksisitas dan bau menyengat dari amonia, ketidakcocokan antara amonia dan tembaga, dan kuantitas adsorpsi siklus yang lebih kecil, jika dibandingkan dengan nilai yang diperoleh dengan pasangan karbon aktif/ metanol, pada kondisi kerja yang sama [Lit.13] Faktor-faktor yang Mempengaruhi Adsorpsi Daya adsorpsi dipengaruhi oleh tiga faktor, yaitu : 1. Tekanan (P), Tekanan yang dimaksud adalah tekanan adsorbat. Kenaikan tekanan adsorbat dapat menaikan jumlah yang diadsopsi. 2. Temperatur absolut (T), Temperatur yang dimaksud adalah temperatur adsorbat. Pada saat molekul-molekul gas atau adsorbat melekat pada permukaan adsorben akan terjadi pembebasan sejumlah energi yang dinamakan pristiwa exothermic. Berkurangnya temperatur akan menambah jumlah adsorbat yang teradsopsi demikian juga untuk pristiwa sebaliknya. 3. Interaksi Potensial (E), interaksi potensial antara adsorbat dengan dinding

adsorben sangat bervariasi, tergantung dari sifat adsorbat-adsorben. [Nishio A. FT UI 2008]

2.5.2. Adsorben (Karbon Aktif) Luasnya permukaan spesifik, sangat mempengaruhi besarnya kapasitas penyerapan dari adsorben. Semakin luas permukaan spesifik dari adsorben, maka semakin besar pula kemampuan penyerapannya. Volume adsorben membatasi jumlah dan ukuran pori-pori pembentuk permukaan dalam (internal surface) yang


menentukan besar atau kecilnya permukaan penyerapan spesifik. Karakteristik adsorben yang dibutuhkan untuk adsorpsi : 1) Luas permukaannya besar, sehingga kapasitas adsorpsinya tinggi. 2) Memiliki aktifitas terhadap komponen yang diadsorp. 3) Memiliki daya tahan guncang yang baik. 4) Tidak ada perubahan volume yang berarti selama proses adsorpsi dan desorpsi.

Adsorben Fisik Pada penelitian ini yang akan digunakan adalah karbon aktif. Karbon aktif dapat dibuat dari batu bara, kayu, gambut,tulang, kulit kacang dan tempurung kelapa melalui proses pyrolizing dan carburizing pada temperatur 700 sampai 800 °C. Hampir semua adsorbat dapat diserap oleh karbon aktif kecuali air. Aktif karbon dapat ditemukan dalam bentuk bubuk dan granular. Pada umumnya karbon aktif dapat mengadsorpsi metanol atau amonia sampai dengan 30%, bahkan karbon aktif super dapat mengadsorpsi sampai dua kalinya. Bentuk butiran karbon aktif adalah seperti gambar 2.7.


Gambar 2.7 Bentuk Butiran Karbon Aktif


Struktur dari

pori karbon aktif terdiri dari saluran yang tidak teratur, yang

memiliki luas pori-pori yang lebih besar pada permukaan butiran, dan area pori sempit dalam butiran. Alasan di atas yang membedakan antara karbon aktif dan jenis lainnya adsorben adalah bentuk permukaan. Seluruh permukaan

aktif

karbon ditutupi oleh oksida matriks dan oleh beberapa bahan anorganik, dan karena itu karbon aktiv adalah non-polar atau memiliki polaritas lemah. Panas adsorpsi karbon pasangan aktif lebih rendah dari pada jenis lain atau pasangan adsorben fisik. Karbon aktif jenis serat umumnya digunakan dalam produksi kain, seperti pakaian, tisu, dll. Dibandingkan dengan karbon aktif jenis butiran, serat karbon mempunyai kinerja pindahan panas yang lebih baik. Permukaan karbon aktif jenis serat lebih besar daripada karbon aktif , pori-pori karbon aktif serat lebih seragam daripada karbon aktif, dan kinerja pindahan panas dari karbon aktif serat juga lebih besar dari karbon aktif . Kelemahan dari serat karbon aktif adalah anisotropicthermal conductivity, dan kontak resistansi termal antara serat yang tinggi terhadap dinding adsorber, bila dibandingkan dengan karbon aktif butiran.Struktur karbon aktif dapat dilihat pada gambar 2.8.


Sumber : [Lit.13]

Gambar 2.8 Struktur Karbon Aktif 2.5.3. Adsorbat (Refrigeran-Metanol) Teknologi adsorpsi dapat digunakan tidak hanya untuk AC

dan

pendinginan tetapi juga untuk meng-upgrade panas dengan transformator termal, dan jenis refrigerant harus dipilih sesuai dengan aplikasi. Sifat-sifat yang harus dimiliki oleh refrigerant, antara lain : 1) panas penguapan laten tinggi per satuan volume atau unit massa, 2) stabilitas termal, 3) tidak berbahaya terhadap lingkungan 4) nonflammable, 5) tidak berbahaya, 6) saturasi tekanan antara 1 dan 5 atm pada suhu kerja (nilai sempurna akan mendekati 1 atm). Sayangnya, tidak ada refrigeran yang memiliki semua karakteristik di atas, dan refrigeran yang biasa di pakai untuk sistem pendingin adsorpsi adalah amonia, air dan metanol. Beberapa sifat fisik refrigeran untuk sistem adsorpsi ditunjukkan pada tabel 2.1 Tabel 2.1 Sifat Fisik Refrigeran [Lit.13] Some Physical of Common Refrigerants for Adsorption Systems Refrigerant

Density

ρxL

L (kJ/kgK)

ρ (kg/m3)

(ml/m3)

Chemical

Normal

Molecular

Latent heat of

Formula

Boiling Point

Weight

vaporization

(oC)

(mol)

Ammonia

NH3

-34

17

1368

681

932

Water

H2O

100

18

2258

958

2163


Methanol

CH3OH

65

32

1102

791

872

Ethanol

C2H5OH

79

46

842

789

665

Refrigeran dengan titik didih di bawah -10 oC pada 1 atm adalahrefrigeran tekanan positif, sedangkan yang lainnyarefrigeran vakum. Ammonia adalah contoh refrigeran tekanan positif, dan dapat digunakan dengan klorida, karbon aktif dan serat karbon aktif. Tekanan saturasi etanol dan metanol adalah sama, tetapi panas latenetanol adalah sekitar 30% lebih rendah dibanding metanol. Metanol biasanya digunakan dengan karbon aktif atau serat karbon aktif. Air dapat dianggap sebagai pendingin yang sempurna, kecuali untuk tekanan saturasi ekstrim yang rendah dan tidak mungkin untuk menghasilkan suhu di bawah 0 0C. Biasanya air dipasangkan dengan gel silika atau zeolit. Refrigeran yangdigunakan untuk pendinginan pada penelitian ini adalah metanol.

Metanol Di banyak hal kemampuan atau performa metanol berada diantara air dan ammonia. Metanol memiliki tekanan penguapan yang lebih tinggi dibandingkan dengan air (meskipun pada tekanan 1 atm), sehingga sangat cocok untuk membuat es. Meskipun demikian pada temperatur lebih dari 120 0C, tekanan menjadi tidak stabil. Untuk temperatur aplikasi lebih dari 200 0C adsorben yang biasa digunakan adalah karbon aktif, silika gel, dan zeolit.


BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Recommend Documents