RANCANG BANGUN MESIN PENDINGIN TENAGA SURYA DENGAN LUAS KOLEKTOR 0,25 m2 SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
ANDIKA RESTU FAUZI NIM 100421048
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2014
1
2
3
4
5
6
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa, atas berkat dan rahmat-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini dengan sebaik-baiknya.
Skripsi ini merupakan salah satu syarat yang harus dilaksanakan mahasiswa untuk menyelesaikan pendidikan agar memperoleh gelar sarjana di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun Tugas Sarjana yang dipilih adalah dalam bidang Termodinamika Teknik dengan judul "RANCANG BANGUN MESIN PENDINGIN TENAGA SURYA DENGAN LUAS KOLEKTOR 0,25 m2 ". Dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini, penulis banyak mendapat dukungan dari berbagai pihak. Maka pada kesempatan ini dengan ketulusan hati penulis ingin menghaturkan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :
1. Kedua orang tua dan keluarga tercinta, (Ayah) Ernedy Endang, ST dan (Ibu) Puji Astuty, Spd yang senantiasa memberikan kasih sayang, dukungan, motivasi, dan nasihat yang tak ternilai harganya. Serta kepada adik-adik saya Fadillah Dwi Stiaji dan Agil Abdillah Fauzi .
2. Bapak Tulus Burhanuddin Sitorus, ST, MT, dosen pembimbing yang telah banyak meluangkan waktunya membimbing, memotivasi, dan membantu penulis dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini.
3. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST, MT yang juga banyak membantu dalam memberikan fasilitas alat penelitian dalam perancangan ini
4. Prof.Dr.Ir. Bustami Syam, MSME (Dekan Fakultas Teknik USU), beserta segenap Staf dan Jajarannya.
5. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri, selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU. 7
6. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT, selaku sekertaris Departemen Teknik Mesin, Universitas Sumatera Utara.
7.
Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU.
8. Rekan satu tim Tri Arfandi dan Eka Juanda ginting atas kerja sama yang baik dalam penyelesaian mesin ini
9. Kepada Devita Rianty yang telah banyak memberikan dukungan dan motifasi kepada penulis
10. Seluruh rekan-rekan mahasiswa Departemen Teknik Mesin, teristimewa kepada kawan-kawan seperjuangan Angkatan 2010 dan 2011 yang tidak dapat disebutkan satu persatu yang telah banyak membantu dan memberi masukan yang berguna demi kelengkapan Skiripsi ini.
Penulis menyadari bahwa masih banyak kekurangan baik dalam penulisan maupun penyajian Tugas Sarjana ini. Untuk itu penulis mengharapkan saran saran yang membangun dari semua pihak demi kesempurnaan Tugas Sarjana ini di kemudian hari.
Akhir kata, dengan segala kerendahan hati penulis memanjatkan doa kepada Tuhan Yang Maha Esa semoga skripsi ini bermanfaat untuk kita semua.
Medan,
Juli 2014
Penulis
Andika Restu fauzi
8
ABSTRAK
Mesin pendingin tenaga surya ini sedang di kembangkan diseluruh negara yang sedang berkembang. pada pembuatan mesin ini menggunakan biaya yang tidak terlalu besar dan bahan yang di gunakan juga tidak mencemari lingkungan sehingga aman di gunakan dalam kehidupan sehari- hari. Keuntungan dari penggunaan mesin pendingin adsorpsi ini adalah karena pendingin adsorpsi ini dioperasikan dengan menggunakan panas matahari sebagai sumber energi. Dengan pemanfaatan sumber energi tersebut dapat dihasilkan suhu evaporator dibawah 8 °C pada tingkat suhu pemanasan generator 77 °C – 96 °C. Sehingga mesin ini juga sangat cocok di gunakan di daerah – daerah nelayan di karenakan nelayan banyak membutuhkan pendinginan untuk mebawa ikan - ikan tangkapan mereka dalam keadaan segar. Tujuan dari rancang bangun Mesin Pendingin Tenaga Surya ini adalah membuat modelnya yang dilakukan dengan cara mendesain dengan cara melakukan perancangan alat- alat utamanya yaitu Kolektor, Kondensor, dan Evaporator. Setelah di rancang kemudian dilakukan pembuatan masing-masing bagian yang telah di desain. Dalam rancang bangun ini dipilih sisem pendingin adsorpsi dengan menggunakan pasangan karbon aktif, alumina aktif, dan biji besi sebagai bagian dalam kolektor dengan luas 0,25 m 2 dan metanol sebagai refrigerant pada evaporator. Pada pembuatan alat yang penting pada mesin pendingin ini, saperti kolektor, kondensor, dan evaporator dengan menggunakan las argon.
Kata kunci : Kolektor, Kondensor, Evaporator, adsorpsi, dan Desorpsi
9
ABSTRACT
Engine cooling solar power is being developed throughout the developing world. in the manufacture of this machine uses the cost is not too large and the materials used does not pollute the environment so safe to use in everyday life. The advantage of using this adsorption cooling machine is due to the adsorption cooling is operated by using the heat of the sun as an energy source. With the use of these energy sources can be produced evaporator temperature is below 8 ° C at the heating temperature level generator 77 o C - 96 ° C. So this machine is also very suitable for use in area - fishermen fishing in because many require refrigeration for mebawa fish - catch them in a fresh state. The purpose of design Solar Cooling Machine is making model which is done by designing a way to design the tools its core collector, Condenser and Evaporator. Having designed and then do the manufacture of each piece that has been in the design. In engineering have been sisem cooling adsorption using activated carbon pair, activated alumina, and iron ore as part of the collector with an area of 0.25 m2 and methanol as a refrigerant in the evaporator. In making an important tool in this cooling machine, saperti collector, condenser, and evaporator using argon welding.
Keywords: Collector, condenser, evaporator, adsorption, desorption
10
DAFTAR ISI Hal KATA PENGANTAR ......................................................................................................... i ABSTRAK ......................................................................................................................... iii DAFTAR ISI ...................................................................................................................... v DAFTAR TABEL ............................................................................................................. vii DAFTAR GAMBAR ......................................................................................................... vi DAFTARNOTASI .............................................................................................................. x BAB I PENDAHULUAN .................................................................................................. 1 1.1.Latar Belakang ....................................................................................................... 1 1.2.
Tujuan perancangan .......................................................................................... 2
1.3.
Batasan Masalah .............................................................................................. 2
1.4.
Manfaat perancangan ....................................................................................... 2
1.5.
Sistematika Penulisan ...................................................................................... 2
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ........................................................................................ 4 2.1.
Sistem Mesin Pendingin Adsorpsi .................................................................... 4
2.2.
Adsorben ........................................................................................................... 5
2.3.
Kondensor ....................................................................................................... 17
2.4.
2.3.1.
Klasifikasi Ekspansi ....................................................................... 18
2.3.2.
Prinsip Kerja Kondensor ................................................................ 21
2.3.3.
Adsorpsi .......................................................................................... 22
Evaporator ....................................................................................................... 26 2.4.1.
Jenis Evaporator ............................................................................. 27
2.4.2.
Refrigeran ....................................................................................... 33
BAB III METODE PENELITIAN .................................................................................. 40 3.1.
Metode Pelaksanaan Rancang Bangun ........................................................... 40
3.2.
Tempat Pembuatan .......................................................................................... 41
3.3.
Bahan Dan Alat .............................................................................................. 41 3.3.1. Bahan - bahan ................................................................................. 41 3.3.2. Alat – alat ...................................................................................... 45 11
3.4.
Perancangan kolektor ...................................................................................... 52
3.5.
Perancangan Kondensor .................................................................................. 54
3.6.
Perancangan Evaporator ................................................................................. 56
BAB IV PEMBUATAN DAN PENGUJIAN MESIN .................................................... 58 4.1.
Pembuatan Mesin ............................................................................................ 58
4.2.
Pembuatan Kerangka Mesin Pendingin .......................................................... 60
4.3.
Pembuatan Kotak Isolasi Adsorber ................................................................. 61
4.4.
Pembuatan Kaca Penutup ............................................................................... 63
4.5.
Pembuatan Kolektor Surya ............................................................................. 63
4.6.
Pembuatan Kondensor .................................................................................... 67
4.7.
Pembuatan Evaporator .................................................................................... 68
4.8.
Pembuatan Kotak Insulasi............................................................................... 71
4.9.
Penghitungan Dan Hasil Data ......................................................................... 71 4.9.1. Analisis Intensitas Radiasi Matahari .............................................. 72 4.9.2. Pengujian ........................................................................................ 73 4.9.2.1. Pengolahan Data ............................................................... 74
4.10. Temperatur Lingkungan Dan Matahari .......................................................... 83 4.11. Analisa Grafik ................................................................................................. 84 4.11.1. Adsorber ......................................................................................... 84 4.11.2. Kondensor....................................................................................... 87 4.11.3. Evaporator ...................................................................................... 89
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN .......................................................................... 93 5.1.
Kesimpulan .................................................................................................... 93
5.2.
Saran .............................................................................................................. 94
DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
12
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1. Penggolongan adsorben berdasarkan kemampuan menyerap air ...................... 6 Tabel 2.2. Spesifikasi karbon aktif ..................................................................................... 8 Tabel 3.1. Konduktifitas Bahan ........................................................................................ 53 Tabel 4.1. Data Intensitas Radiasi Matahari Tanggal 10 April 2014 ................................ 72 Tabel 4.2. Data Intensitas Radiasi Matahari Tanggal 11 April 2014 ................................ 73 Tabel 4.3. Tekanan dan Temperatur pada proses desorpsi .. ............................................ 73 Tabel 4.4. Tekanan dan Temperatur pada proses adsorpsi ............................................... 74
13
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Proses pemanasan kolektor dengan tenaga surya .......................................... 4 Gambar 2.2 Karbon Aktif ................................................................................................... 7 Gambar 2.3 Alumina Aktif ............................................................................................... 11 Gambar 2.4 Biji Besi ......................................................................................................... 11 Gambar 2.5 Kondensor Berpendingin Udara .................................................................... 19 Gambar 2.6 Kondensor Berpendingin Air ........................................................................ 20 Gambar 2.7 Kondensor berpendingin campuran udara dan air ........................................ 21 Gambar 2.8 Siklus refrigerasi adsorpsi (Clapeyron diagram)........................................... 24 Gambar 2.9 Adsorpsi kimia ............................................................................................. 25 Gambar 2.10 penyerapan suatu zat oleh zat pengadsorpsi ............................................... 29 Gambar 2.11 Metanol ....................................................................................................... 34 Gambar 3.1 Mesin Las ...................................................................................................... 45 Gambar 3.2 Mesin Gerinda Tangan .................................................................................. 48 Gambar 3.3 Thermometer Raksa ...................................................................................... 48 Gambar 3.2 Manometer .................................................................................................... 49 Gambar 3.3 Hobo Micro Station smart sensor.................................................................. 50 Gambar 3.4 Pompa Vakum ............................................................................................... 51 Gambar 3.5 Agilent ........................................................................................................... 52 Gambar 3.8 Desain Kolektor Surya .................................................................................. 52 Gambar 3.9 Penampang Kolektor Surya .......................................................................... 53 Gambar 3.10 Desain Kondensor ....................................................................................... 54 Gambar 3.11 Desain Fin Kondensor ................................................................................. 55 Gambar 3.12 Desain Evaporator ....................................................................................... 56 Gambar 4.1 Mesin Pendingin ........................................................................................... 58 Gambar 4.2 Eksperimental Pada Proses Desorpsi ............................................................ 59 Gambar 4.3 Eksperimental Pada Proses Adsorpsi ............................................................ 59 Gambar 4.4 Rangka Mesin Pendingin .............................................................................. 60 Gambar 4.5 Pengecatan Rangka Mesin ............................................................................ 61 Gambar 4.6 Kotak Adsorber ............................................................................................. 61 Gambar 4.7 Kotak Adsorber Dengan Kolektor Di Dalamnya (A) ................................... 62 14
Gambar 4.8 Kotak Adsorber Dengan Kolektor Di Dalamnya (B) .................................... 62 Gambar 4.9 Kaca Penutup Kolektor ................................................................................. 63 Gambar 4.10 Plat Untuk Membuat Kolektor .................................................................... 64 Gambar 4.11 Pengelasan Kolektor Surya Dengan Menggunakan Las Argon .................. 64 Gambar 4.12 Pemotongan Fin Untuk Dalam Kolektor..................................................... 65 Gambar 4.13 Kolektor Surya Dengan Fin Di Dalamnya .................................................. 65 Gambar 4.14 Pengisian Karbon Aktif, Alumina Aktif, Dan Biji Besi Setelah Pengelasan Selesai ............................................................................................................ 66 Gambar 4.15 Pemasangan Kawat Kasa ............................................................................ 66 Gambar 4.16 Pengelasan Kondensor ................................................................................ 68 Gambar 4.17 Evaporator Bagian Bawah........................................................................... 69 Gambar 4.18 Evaporator Bagian Dalam ........................................................................... 69 Gambar 4.19 Pengelasan Evaporator ................................................................................ 70 Gambar 4.20 Evaporator Tampak Dari Atas .................................................................... 70 Gambar 4.21 (a) Kotak Insulasi, (b) Bagian Dalam Kotak Insulasi ................................. 71 Gambar 4.22 Grafik Radiasi Matahari VS Waktu ............................................................ 83 Gambar 4.23 Grafik Temperatur Lingkungan VS Waktu................................................. 84 Gambar 4.24 Grafik Temperatur Adsorber Hari Pertama................................................. 85 Gambar 4.25 Grafik Temperatur Adsorber Hari Kedua ................................................... 86 Gambar 4.26 Grafik Temperatur Adsorber Hari Ketiga ................................................... 87 Gambar 4.27 Grafik Temperatur Kondensor Hari Pertama .............................................. 88 Gambar 4.28 Grafik Temperatur Kondensor Hari Kedua................................................. 88 Gambar 4.29 Grafik Temperatur Kondensor Hari Ketiga ................................................ 89 Gambar 4.30 Grafik Temperatur Evaporator Hari Pertama .............................................. 90 Gambar 4.31 Grafik Temperatur Evaporator Hari Kedua ................................................ 91 Gambar 4.32 Grafik Temperatur Evaporator Hari Ketiga ................................................ 92
15
DAFTAR NOTASI
Simbol
Keterangan
Satuan
COP
Coficient Of Performance -
QCool
Kalor pendinginan
(Joule)
QDrive
Kalor kerja
(Joule)
∆H
Perubahan entalpi
(kJ/kg)
CS
Perubahan entropi
(kJ/kgK)
COA
coefficient of amplification -
Cv
Kalor spesifik volume tetap
( J/kg. K)
Cp
Kalor spesifik tekanan tetap
(J/kg. K)
QL
Kalor laten
( J oule)
Le
Kapasitas kalor spesifik laten
(J/kg)
m
Massa zat
(kg )
Qs
Kalor sensible
(J )
∆T
Beda temperatur
(K)
Qsp
Kapasitas pendinginan spesifik
( kJ/s/m2)
k
Koefisien Konduksi
(W/m.K)
h
Koefisien Konveksi
(W/(m2K))
∆x
Jarak Pusat Adsorben Ke Plat
t
Interval Waktu
(S)
A
Luas Penampang
(m2)
Teva
Temperatur Evaporator
(K)
Tgene
Temperatur Generator
(K)
q
Laju Perpindahan Panas
(Watt)
p
Tekanan
(CmHg)
ε1
Emisivitas Dari Plat Penyerap
ε2
Emisivitas Dari Plat Kaca
α
Harga Absorpsivitas
ρ
Massa Jenis
η
Efisiensi
qu
Total Intensitas Matahari
(Kg/cm3) (W/m2) 16
