Gasifikasi Biomassa Untuk Pembangkit Listrik Dan

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).