rancang bangun lemari pendingin tanpa listrik untuk - USU-IR
advertisement
RANCANG BANGUN LEMARI PENDINGIN TANPA LISTRIK UNTUK MENDINGINKAN SAYUR - SAYURAN DAN BUAH BUAHAN DENGAN MENGGUNAKAN AIR MELALUI PIPA KAPILER SEBAGAI REFRIJERAN SKRIPSI Skripsi yang Diajukan untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Oleh : GOMGOM RINALDY SIDABUTAR (110401015) DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2016 Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara i KATA PENGANTAR Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa karena atas rahmat dan karunia-Nyalah penulis dapat menyelesaikan skripsi ini yang berjudul “RANCANG BANGUN MESIN PENDINGIN TANPA LISTRIK UNTUK MENDINGINKAN SAYUR- SAYURAN DAN BUAH- BUAHAN DENGAN MENGGUNAKAN AIR MELALUI PIPA KAPILER SEBAGAI REFRIJERAN”. Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan Pendidikan Strata-1 (S1) pada Departemen Teknik Mesin Sub bidang Konversi Energi, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Dalam menyelesaikan skripsi ini tidak sedikit kesulitan yang dihadapi penulis, namun berkat dorongan, semangat, doa, dan bantuan baik materiil, moril, maupun spirituil dari berbagai pihak akhirnya kesulitan itu dapat teratasi. Untuk itu sebagai manusia yang harus tahu terimakasih, dengan penuh ketulusan hati penulis mengucapkan terimakasih yang tak terhingga kepada : 1. Bapak Tulus B. Sitorus, ST,MT selaku Dosen pembimbing yang dengan penuh kesabaran telah memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis. 2. Bapak Ir. Syahrul Abda,MSc. selaku Dosen Pembanding I dan Bapak Dr.Eng. Taufiq Bin Nur, M.Eng.Sc. selaku Dosen Pembanding II yang telah memberikan masukan dan saran dalam penyelesaian skripsi ini. 3. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara. 4. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT. selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara. 5. Kedua orang tua penulis, R.Buttu Sidabutar dan Lomak M Malau serta adik penulis, Novelyn,Yulia,Rivan dan Albert yang tidak pernah putusputusnya memberikan dukungan, doa serta kasih sayangnya yang tak terhingga kepada penulis. Universitas Sumatera Utara ii 6. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin, yang telah membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama penulis kuliah. 7. Rekan-rekan khususnya, Afriadi, Even, dan seluruh rekan mahasiswa angkatan 2011 serta semua rekan mahasiswa Teknik Mesin yang telah mendukung dan memberi semangat kepada penulis.Solidarity Forever 8. Teman – teman yang selalu memotivasi khususnya Elisabeth, Hisar, Daniel, Victor dan semua teman – teman yang berada di Pelayanan Kampus Navigator Medan. Penulis meyakini bahwa tulisan ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu penulis akan sangat berterimakasih dan dengan senang hati menerima saran, usul, dan kritik yang membangun demi tercapainya tulisan yang lebih baik. Akhir kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat memberi manfaat kepada pembaca, Terima kasih. Medan, Maret 2016 GOMGOM R S Universitas Sumatera Utara iii ABSTRAK Hasil pertanian di Indonesia sangat banyak dan bervariasi. Hasil pertanian itu mengalami pengolahan paska panen, seperti pengawetan. Mayoritas konsumen tidak langsung mengkonsumsi hasil pertanian. Pengawetan hasil pertanian biasanya dilakukan masyarakat dengan menyimpannya di dalam lemari pendingin. Lemari pendingin atau sering disebut kulkas memerlukan daya listrik yang cukup besar, sedangkan Indonesia masih mengalami krisis pasokan listrik. Hal tersebut dapat diatasi dengan tetap menggunakan lemari pendingin tetapi tidak menggunakan listrik. Lemari pendingin tanpa listrik adalah teknik pendinginan yang dapat mendinginkan ruangan lemari tanpa memerlukan tenaga listrik. Ada berbagai jenis teknik pendinginan tanpa listrik seperti mesin pendingin absorbsi dan mesin pendingin tanpa listrik tanpa refrijeran. Lemari pendingin tanpa listrik dengan menggunakan air sebagai pengganti refrigeran adalah teknik pendinginan yang menggunakan air sebagai pendingin. Air dialirkan melalui pipa kapiler seperti penggunaan refrijeran lainnya di evaporator. Kain goni digunakan untuk menahan kelembaban udara lemari pendingin dari uap air yang dikonveksikan dari pipa tembaga yang diletakkan di sisi kiri dan kanan dinding lemari pendingin. Panas dari benda dalam lemari pendingin dan udara luar ini disebut sebagai beban pendingin. Lemari pendingin tanpa listrik mampu menurunkan suhu hingga 60C sehingga mampu menyimpan buah dan sayur setidaknya 3 hari paska panen. Kata kunci : Lemari pendingin, air, refrijeran, pipa kapiler, kain goni Universitas Sumatera Utara iv ABSTRACT Agricultural products in Indonesia are many and varied. Agricultural output was having post-harvest processing, such as preservation. The majority of consumers do not consume agricultural products directly. Preserving agricultural community is usually done by storing them in the refrigerator. Refrigerators are often called kulkas require considerable electrical power, while Indonesia is still in a crisis of electricity supply. This can be overcome by keep using the refrigerator but do not use electricity. Refrigerator without electricity is the refrigeration to cool the locker room without the need for electrical power. There are many different types refrigeration without of electrical machines such as refrigeration absorption and refrigeration without electricity and refrigerant. Refrigerator without electricity by using water as a substitute refrigerant is cooling machine that uses water as a coolant. Water flowed through a capillary tube such as the use of other refrigerant in evaporator. Burlap used to hold humidity refrigerators from water vapor is convected of copper pipe that is placed on the left and right walls of the refrigerator. The heat from objects inside the refrigerator and the outside air is referred to as the cooling load. Refrigerator without electricity capable of lowering the temperature to 60C so as to keep fruit and vegetables at least three days after harvest. Keywords: Refrigerators, water, , refrigerant, capillary tube, burlap Universitas Sumatera Utara v DAFTAR ISI KATA PENGANTAR ........................................................................................... i ABSTRAK ............................................................................................................ iii ABSTRACT ........................................................................................................... iv DAFTAR ISI .......................................................................................................... v DAFTAR GAMBAR ............................................................................................. ix DAFTAR TABEL ................................................................................................. x DAFTAR SIMBOL ............................................................................................... xi BAB I PENDAHULUAN ..................................................................................... 1 1.1 Latar BelakangMasalah ........................................................................ 1 1.2 Batasan Masalah .................................................................................. 3 1.3 Tujuan penelitian .................................................................................. 3 1.4 Manfaat Penelitian................................................................................ 3 1.5 Sistematika Penulisan........................................................................... 4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA .......................................................................... 5 2.1 Teknik Pendingin ................................................................................. 5 2.1.1 Istilah-Istilah dalam Teknik Pendingin ....................................... 6 2.1.2 Aplikasi Teknik Pendingin ......................................................... 7 2.1.3 Sejarah Teknik Pendingin .......................................................... 8 2.1.4 Sistem Kerja Teknik Pendingin atau Refrijerasi........................... 14 2.2 Mesin Pendingin ................................................................................... 15 2.3 Refrijerasi Tradisional .......................................................................... 12 2.4 Refrijeran, Media Pendingin dan Absorbent ............................................ 19 2.4.1 Syarat Refrigeran ........................................................................ 20 2.4.2 Jenis- Jenis Refrigeran ............................................................... 21 2.5 Air Sebagai Media Pendingin .............................................................. 24 2.6 Pemilihan Kayu Sebagai Bahan Dasar dalam Pembuatan Rangka Mesin Pendingin Tanpa Listrik ............................................................ 26 Universitas Sumatera Utara vi 2.7 Penggunaan Goni Sebagai Tempat Penguapan Air.............................. 31 2.8 Penggunaan Pipa Kapiler sebagai Saluran Air ..................................... 31 2.9 Penggunaan Tangki Air Berbahan Dasar Aluminium.......................... 32 2.10 Prinsip Kerja Mesin Pendingin Tanpa Listrik yang Menggunakan Air sebagai Media Pendingin ..................................................................... 32 2.11 Perkiraan Beban Pendingin (Cooling Load) ........................................ 33 2.11.1 Panas dari Udara Luar ........................................................... 34 2.11.2 Panas dar Dalam Refrijerasi ...................................................... 35 2.11.3 Panas Total Refrijerasi .............................................................. 35 2.11.4 Efisiensi Pada Refrijerasi .......................................................... 40 2.12 Kesegaran Buah dan Sayur................................................................ 40 BAB III METODOLOGI PENELITIAN ....................................................... 42 3.1 Tempat dan Waktu .............................................................................. 42 3.1.1 Tempat Penelitian..................................................................... 42 3.1.2 Waktu Pelaksanaan................................................................. 42 Bahan dan Peralatan......................................................................... 42 3.2.1 Bahan..................................................................................... 42 3.2.2 Peralatan................................................................................ 45 Prosedur Penelitian.......................................................................... 50 3.3.1 Pembuatan Desain Mesin Pendingin Tanpa Listrik.............. 50 3.3.2 Penyiapan Alat dan Bahan.................................................. 51 3.3.3 Perakitan Mesin Pendingin Tanpa Listrik........................... 51 3.4 Skema Pengujian........................................................................... 53 3.5 Kerangka Konsep Penelitian......................................................... 54 3.2 3.3 BAB IV ANALISA DIMENSI DAN BEBAN PENDINGIN ......................... 55 4.1 Analisa PenentuanDimensi .................................................................. 55 4.2 Analisa Beban Pendingin .................................................................... 60 4.2.1 Beban Pendingin Akibat Terjadinya Konveksi ........................... 63 4.2.2 Beban Pendingin Akibat Terjadinya Konduksi .......................... 67 Universitas Sumatera Utara vii 4.2.3 Beban Pendingin Akibat Terjadinya Radiasi ............................. 69 4.2.4 Analisa Performansi diluar Ruangan....................................... 70 4.2.5 Analisa Performansi didalam Ruangan................................... ... 71 4.3 Total Beban Pendingin dan Efisiensi ................................................... 71 4.4 Kapasitas Air yang Diperlukan Sebagai Media Pendingin .................. 74 4.5 Kesegaran Buah dan Sayur................................................................ .. 75 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ......................................................... 83 5.1 Kesimpulan .......................................................................................... 83 5.2 Saran .................................................................................................... 84 DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................ 85 LAMPIRAN Universitas Sumatera Utara viii DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Pendingin Tradisional Sistem Pot-In-Pot ................................................. 17 Gambar 2.2 Mesin Pendingin Tradisional dengan Air Sebagai Media Pendingin....... 19 Gambar 2.3 Kayu Bingkarai ........................................................................................ 27 Gambar 2.4 Kayu Ulin ................................................................................................. 28 Gambar 2.5 Kayu Jati .................................................................................................. 29 Gambar 2.6 Kayu Ingul atau Suren.............................................................................. 29 Gambar 2.7 Beban Pendingin ...................................................................................... 33 Gambar 3.1 Tata Letak Lokasi Penelitian .................................................................... 42 Gambar 3.2 Kain Goni ................................................................................................. 43 Gambar 3.3 Kayu ingul ................................................................................................ 43 Gambar 3.4 Triplek ...................................................................................................... 43 Gambar 3.5 Paku .......................................................................................................... 44 Gambar 3.6 Baut M-12 X 80 ....................................................................................... 44 Gambar 3.7 Pipa Kapiler.............................................................................................. 44 Gambar 3.8 Plat Seng Aluminium ............................................................................... 45 Gambar 3.9 Martil ........................................................................................................ 45 Gambar 3.10 Gunting.................................................................................................... 46 Gambar 3.11 Gergaji Listrik Merek BOSCH35 ............................................................ 46 Gambar 3.12 Bor Listrik Merek BOSCH ...................................................................... 46 Gambar 3.13 Tube Bender ............................................................................................. 47 Gambar 3.14 Tube Cutter .............................................................................................. 47 Gambar 3.15 Flaring Tool.............................................................................................. 47 Gambar 3.16 Laptop Acer.............................................................................................. 48 Gambar 3.17 Thermocouple merek Cole Parmer ........................................................... 48 Gambar 3.18 Hobo Microstation data logger ................................................................ 50 Universitas Sumatera Utara ix Gambar 3.19 Lemari Pendingin ..................................................................................... 51 Gambar 3.20 Hasil Perakitan Lemari Pendingin Tanpa Listrik ..................................... 52 Gambar 3.21 Skema Pengujian ...................................................................................... 53 Gambar 3.22 Diagaram Alir Pembuatan Mesin Pendingin Tanpa Listrik ..................... 54 Gambar 4.1 Lemari Pendingin Tanpa Listrik .............................................................. 59 Gambar 4.2 Grafik Temperatur lingkungan dan kelembaban relatif ........................... 72 Gambar 4.3 Grafik Radiasi Intensitas ........................................................................... 72 Gambar 4.4 Grafik Beban pendingin per hari ................................................................ 73 Gambar 4.5 Kondisi buah dan sayur pada hari pertama diluar ruangan ...................... 75 Gambar 4.6 Kondisi sayur dan buah pada hari kedua diluar ruangan.......................... 76 Gambar 4.7 Kondisi buah dan sayur pada hari ketiga diluar ruangan ......................... 76 Gambar 4.8 Kondisi buah dan sayur pada hari keempat diluar ruangan...................... 77 Gambar 4.9 Kondisi sayur dan buah pada hari kelima diluar ruangan ........................ 78 Gambar 4.10 Kondisi buah pada hari pertama didalam ruangan .................................. 78 Gambar 4.11 Kondisi buah dam sayur pada hari kedua didalam ruangan .................... 79 Gambar 4.12 Kondisi Buah dan Sayur pada hari ketiga didalam ruangan ................... 79 Gambar 4.13 Kondisi Buah dan Sayur pada hari keempat didalam ruangan ................ 80 Gambar 4.14 Kondisi Buah dan Sayur pada hari kelima didalam ruangan .................. 80 Gambar 4.15 Grafik Indeks Kesegaran Buah Jeruk terhadap Temperatur ................... 81 Gambar 4.16 Grafik Indeks Kesegaran Sayur terhadap temperatur.............................. 82 Universitas Sumatera Utara x DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Hasil Pengukuran pada Pendingin Sistem Pot-In-Pot ..................................... 18 Tabel 2.2 Senyawa Halokarbon ...................................................................................... 22 Tabel 2.3 Senyawa Anorganik ........................................................................................ 22 Tabel 2.4 Tabel Perbedaan Keunggulan dan Kekurangan Jenis Kayu ........................... 30 Tabel 2.5 Tabel Konduktivitas Termal.......................... .............................................. 36 Tabel 2.6 Tabel Emisivitas ............................................................................................. 39 Tabel 3.1 Spesifikasi Tipe Sensor Data Akusisi ............................................................. 49 Tabel 3.2 Tabel Dimensi Lemari Pendingin ................................................................... 51 Tabel 4.1 Tabel dimensi Lemari Pendingin tanpa listrik ................................................. 59 Tabel 4.2 Tabel Performansi Lemari Pendingin diluar Ruangan ..................................... 70 Tabel 4.2 Tabel Performansi Lemari Pendingin didalam Ruangan ................................. 71 Universitas Sumatera Utara xi DAFTAR SIMBOL Huruf Latin Simbol Keterangan Satuan A Luas Penampang m2 C Konstanta - h Entalpi W/m2K I Nilai Insulasi Ruangan - K Konduktifitas Termal W/m.K L Panjang m m Massa kg Nul Bilangan Nusselt - n Jumlah Pemmbukaan Pintu - P Panjang m Q Kalor Watt Qdalam Panas dari Dalam Refrijerasi Watt Qkond Panas Konduksi Watt Qkonv Panas Konveksi Watt Ql Panas Laten Watt Qrad Panas radiasi Watt Qs Panas Sensibel Watt Qtotal Panas Total Watt Ral Rayleigh Number - T Tinggi m V Volume m3 w Kelembaban udara - Universitas Sumatera Utara xii Huruf Yunani Simbol Keterangan Satuan μ viskositas fluida kg/m.s ε emisivitas - σ konstanta Stefan Boltzman W/m-2 K-4 ρ rapat massa fluida kg/m3 η Efisiensi - ΔT Perubahan Suhu - Universitas Sumatera Utara
