BAB II LANDASAN TEORI

BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 DASAR TEORI
Absorbsi adalah proses yang terjadi ketika gas atau cairan
berkumpul atau terhimpun pada permukaan benda padat, dan apabila
interaksi antara gas atau cairan yang terhimpun pada permukaan benda padat
dalam bentuk embuntersebut relatif lemah maka disebut sebagai absorbsi
fisik, sedangkan yang terkumpul pada benda padat disebut absorbat,
sedangkan
untuk
material
benda
padat
yang
merupakan
tempat
terhimpunnya absorbat tadi disebut absorben. Interaksi antara absorben dan
absorbat tersebut disebabkan oleh gaya van der walls.
Untuk sistem absorbsi ini diperlukan pasangan absorben-absorbat,
dimana terdapat beberapa macam pasangan yang dipakai, yaitu silica gel-air,
karbon aktif-metanol, karbon aktif-ammonia, dan zeoilt-air.
5
6
2.1.1 ABSORBENS
Absorben secara umum terbagi 3 yaitu :
1. Physical absorbens diantaranya karbon aktif, zeolite, dan silica
gel.
2. Chemical absorbens seperti kalsium klorida (CaCl 3)
3. Chomposite absorbens didapat dari hasil kombinasi chemical
absorbens dan porous matrix.
Adsorben yang sering digunakan biasanya berupa butiraan-butiran
kecil seperti pil dengan diameter berkisar 0.5 dan 10 mm. absorben ini
memiliki ketahanan terhadan panas yang tinggi, kestabilan panas yang
tinggi, diameter micropore yang kecil dimana akan menghasilkan area
permukaan luar yang luas karenanya akan mengakibatkan kapasitas
yang tinggi dalam proses absorsi. Pasangan zeolite-air merupakan
pasangan untuk cold storage sedangkan pasangan karbon aktifmetanol merupakan pasangan untuk keperluan pembuatan es. Adapun
macam-macam absorben yang sering digunakan antara lain.
2.1.1.1 KARBON AKTIF
Merupakan material yang memiliki pori-pori yang
banyak, tidak berbentuk padat dan terdiri dari mikro kristalis
dengan kisi-kisi granit. Satu kekurangan utamanya adalah
gampang menyala atau terbakar.
7
Gambar 1. Bentuk butiran karbon aktif
Karbon aktif dapat dibuat dari semua bahan yang
mengandung karbon baik dari tumbuhan, kayu, kelapa atau
batu bara. Daya serap karbon aktif umumnya bergantung
kepada sejumlah senyawa karbon yang berkisar 85%-(5%
karbon bebas.
Proses pembuatannya terdiri dari dua tahap yaitu
carbonization dan activation. Proses carbonization termasuk
pengeringan
dilanjutkan
memisahkan
produknya.
dengan
Pada
pemanasan
bagian
akhir
untuk
proses
carbonization dilakukan pamanasan material pada temperature
400oC – 600oC dengan keadaan tanpa oksigen sehingga tidak
terjadi pemabakaran. Kemudian activation dilakukan dengan
menggunakan bahan kimia seperti ZNCl2 atau dengan
menggunakan uap air pada temperature tinggi.
2.1.1.2 SILLICA GEL
Energi yang dibutuhkan untuk pengikatan absorbat pada
silica gel relative kecil disbanding dengan energi yang
8
dibutuhkan untuk mengikat absorbat pada karbon aktif atau
zeolite sehingga temperature untuk desorbsinya rendah. Laju
desorbsi seilica gel terhadap kenaikan temperature sangat
tinggi. Silica gel dibuat dari silica murni dan secara kimia
diikat dengan air. Jika silica gel diberi panas yagn berlebih
sampai kehilangan kadar airnya maka daya absorbsinya akan
hilang sehingga umumnya silica gel digunakan dengan
temperature dibawah 200oC. Silica gel memiliki kapasitas
menyerap air yang sangat besar terutama pada saat tekanan
uap air tinggi.
Gambar 2. Bentuk butiran silica gel
2.1.1.3 ZEOLIT
Zeolit merupakan bahan alami atau campuran aluminium
silicates, zeolite digunakan untuk pengeringan dan pemisahan
campuran hidrokarbon, zeolit memiliki kemampuan absorbsi
yang tinggi karena zeolit memiliki porositas yang tinggi dan
melepaskan air pada temperature yang tinggi.
9
Gambar 3. Bentuk butiran zeolit
2.1.2 ABSORBAT
Absorbat
merupakan
substansi
yangn
mampu
untuk
menempel/melekat atau diabsorbsi pada permukaan absorben. Jumlah
absorbat yang diabsorbsi tergantung pada beberapa faktor diantaranya
jenis absorben, jenis absorbat, konsentrasi absorbat dan temperature.
Absorbat pada sistem refrigasi absorbsi merupakan pengganti
refrigerant seperti pada pendingin kompresi uap.
Adsorbat yang digunakan harus memiliki kalor laten penguapan
yang tinggi yang digunakan untuk mengukur enenrgi pendinginan.
Absorbat yang biasa digunakan untuk pendingin absorbsi adalah air,
methanol, dan ammonia.
2.1.2.1 AIR
Air merupakan refrigerant yang ideal karena memiliki
kalor laten spesifik yang tinggi dan tidak beracun. Air dapat
digunakan sebagai pasangan seolit dan silica gel, tapi tekanan
penguapan yang rendah merupakan keterbatasan air sebagai
refrigerant.
10
2.1.2.2 METHANOL
Memiliki tekanan penguapan yang tinggi disbanding
dengan air, methanol dapat dengan mudah terevaporasi pada
temperature dibawah 0oC karena methanol bekerja dibawah
tekanan atmosfir sehingga sangat cocok digunakan untuk
pembuatan es, methanol sebagai absorbat sebagai pasangan
absorben yang terbuat dari karbon aktif, sillia gel dan zeloit
dengan pemanasan hinggan 120oC.
2.1.2.3 AMMONIA
Besarnya panas laten spesifik ammonia adalah setengah
lebih rendah dari panas laten spesifik air, apada temperature
0oC dan memiliki tekanan penguapan yang tinggi. Ammonia
memiliki keuntungan yang ramah lingkungan dan dapat
digunakan sebagai refrigrant sampai -40oC, dan dapat
dipanaskan sampai 200oC. kerugian dari ammonia :
1. Beracun, sehingga penggunaannya dibatasi.
2. Tidak dapat ditampung pada instalasi yang terbuat dari
tembaga atau campurannya.
2.2 SISTEM KERJA PENDINGIN ABSORBSI
Pendingin absorbsi umumnya terdiri dari 4 (empat) komponen
utama yaitu: (1) absorber, (2) generator, (3) kondensor, dan (4) evaporator.
Pada penelitian ini model pendingin absorbsi yang dibuat hanya
11
terdiri dari dua komponen utama karena komponen absorber dan generator
disatukan (selanjutnya disebut generator saja), dan komponen kondensor dan
evaporator disatukan (selanjutnya disebut evaporator saja).
Menggunakan Kalor
Kondensor
Proses desorbsi
Menyerap Uap kedalam
kalor
Proses absorbsi
Evaporator
Gambar 4. Siklus pendinginan absorbsi
Siklus pendinginan absorbsi terdiri dari proses absorbsi (penyerapan)
refrijeran (metanol) kedalam absorber (karbon aktif) dan proses desorbsi
(pelepasan) refrigerant dari absorber. Proses ini dapat dilihat pada Gambar
1. Proses absorbsi dan desorbsi terjadi pada absorber (pada penelitian ini
di dalam generator). Pada proses desorbsi generator memerlukan energi
panas dari sumber panas. Energi panas dapat berasal dari pembakaran kayu,
bahan bakar minyak dan gas bumi, buangan proses industri, biomassa,
biogas atau dari energi alam seperti panas bumi dan energi panas surya. Untuk
kepraktisan pada penelitian ini digunakan pemanas listrik yang dapat diatur
dayanya sebagai sumber panas. Proses yang terjadi dalam sistem pendingin
absorbsi metanol-karbon aktif adalah: Evaporator diletakan di dalam sebuah
kotak pendingin, bersama bahan-bahan yang ingin didinginkan. Generator
terletak di luar kotak pendingin dan berisi karbon aktif. Evaporator dan
generator dihubungkan oleh pipa dan kran (katup/valve) sebagai pengatur.
12
Metanol cair dimasukan kedalam tabung evaporator dengan perlahan untuk
menjaga tekanan sistem agar tetap vakum. Metanol yang masuk pada sistem
vakum, sebagian akan berubah fase menjadi uap dan membuat tekanan naik.
Setelah kran penghubung dibuka, maka uap metanol akan terserap oleh
karbon aktif yang berada di generator. Proses terserapnya uap metanol ke
dalam karbon aktif membuat tekanan sistem turun dan membuat sebagian
metanol yang masih dalam fase cair menguap. Sebagian metanol yang masih
dalam fase cair membutuhkan kalor untuk menguap. Kalor yang diperlukan
metanol untuk menguap diambil dari lingkungan sekitar. Proses penyerapan
kalor dari lingkungan sekitar membuat temperatur evaporator menurun dan
temperatur generator naik. Proses penyerapan metanol oleh karbon aktif ini
disebut absorbsi. Absorbsi akan berhenti ketika metanol yang berada pada
tabung evaporator sudah habis atau karbon aktif sudah jenuh dan tidak dapat
menyerap lagi.
Selanjutnya ketika absorbsi sudah berhenti, generator dipanasi dengan
sumber panas. Energi panas ini akan menaikkan temperatur karbon aktif
yang berisi uap metanol. Setelah panas, uap metanol akan terlepas dari
karbon aktif dan mengalir kembali ke evaporator. Karena temperatur
evaporator lebih rendah dari generator maka uap metanol akan mengembun
dan berubah menjadi cairan metanol di evaporator. Proses pelepasan uap
metanol dari karbon aktif ini disebut proses desorbsi. Saat proses desorbsi,
proses pendinginan tidak akan terjadi. Proses desorbsi ini tetap berlanjut
hingga uap metanol terlepas semua dari karbon aktif. Hal ini ditandai dengan
tekanan sistem yang naik ke tekanan semula. Proses absorbsi dapat kembali
13
terjadi setelah temperatur karbon aktif turun ke temperatur semula. Oleh
karena proses pendinginan tidak berlangsung secara terus-menerus atau
kontinyu maka proses pendinginannya disebut berlangsung secara intermitten.
Unjuk kerja pendingin absorbsi dapat dinyatakan dengan koefisien
prestasi (COP) dan dapat dihitung dengan persamaan:
(1)
(Sumber: Refrigeration and Air Conditioning, Manohar Prasad 2006)
Dari buku Refrigeration and Air Conditioning oleh Manohar
Prasad, juga diketahui bahwa:
Tabs = Tcond
(2)
Sedangkan berdasarkan alat yang dibuat, seperti yang tertulis pada
halaman 10 naskah Tugas Akhir ini, diketahui bahwa:
T gen = Tabs
(3)
Tevap = Tcond
(4)
Setelah itu, persamaan (2), (3), dan (4) disubstitusikan dalam
persamaan (1), sehingga diperoleh :
(5)
14
Keterangan:
CO
: Unjuk kerja alat
TEvap
: Temperatur evaporator (K)
TGen
: Temperatur generator (K)
Tcond
: Temperatur kondensor (K)
Tabs
: Temperatur absorber (K)
2.3 PENELITIAN YANG PERNAH DILAKUKAN
Beberapa penelitian pendingin absorbsi menggunakan zeolit-air
dengan energi surya yang pernah dilakukan diantaranya oleh Hinotani (1983)
mendapatkan
bahwa
harga
COP
sistem
pendingin
absorbsi
surya
menggunakan zeolit-air akan medekati konstan pada temperatur pemanasan
160oC atau lebih. Grenier (1983) melakukan eksperimen sistem pendingin
absorbsi surya menggunakan zeolit-air dan mendapatkan harga COP sebesar
0,12. Pons (1986) meneliti pendingin absorbsi zeolit-air tetapi COP nya hanya
0,1. Zhu Zepei (1987) melakukan pengetesan pada sistem pendingin absorbsi
surya menggunakan zeolit-air dengan kolektor plat datar dan kondensor
berpendingin udara mendapatkan COP yang rendah sebesar 0,054 modifikasi
yang dilakukan dengan memvakumkan sistem dan penggunaan reflektor datar
tidak banyak menaikkan harga COP. Kreussler (1999) melakukan penelitian
dan hasilnya adalah dengan pemanasan 150o C didapatkan energi pendinginan
sebesar 250 KJ per Kilogram zeolit. Sebuah penyimpan dengan volume 125
liter dapat didinginkan menggunakan kolektor seluas 3m2. Ramos (2003)
mendapatkan COP sebesar 0,25 dengan menggunakan kolektor parabola
secara terpisah dari sistem pendingin sehingga setiap kali diperlukan proses
15
pemvakuman. Sistem yang dipakai Ramos tidak menggunakan kondensor,
Ramos juga mendapatkan kapasitas absorbsi zeolit mencapai optimal
dengan pemanasan tabung zeolit sebesar 250oC. Penelitian-penelitian tersebut
menggunakkan zeolit yang diproduksi di Jerman, Slovnaft-Czech, dan
Perancis