Analisis Evaporator Sebagai Ruang Pemanas Air Laut Pada Sistem Desalinasi Natural Vakum Dengan Software Fortran Powerstation

(1)

L AM P IRA N 1 DA T A K E NA IK AN T E M P E RA T UR AIR L A UT DA L AM E VA P OR ATO R SE L AM A P E N G UJIA N SE L AM

A 6 HAR

Waktu Temperatur Waktu Temperatur Waktu Temperatur Waktu Temperatur Waktu Temperatur Waktu Temperatur 9:00 30.02 9:00 30.25 9:00 29.68 9:00 26.17 9:00 30.75 9:00 27.21 9:15 46.41 9:15 43.22 9:15 42.54 9:15 38.82 9:15 44.20 9:15 40.35 9:30 49.81 9:30 49.81 9:30 47.92 9:30 49.15 9:30 46.17 9:30 49.28 9:45 48.88 9:45 48.88 9:45 47.35 9:45 47.39 9:45 46.46 9:45 48.04 10:00 47.57 10:00 47.57 10:00 47.07 10:00 47.63 10:00 45.32 10:00 47.07 10:15 47.24 10:15 47.24 10:15 46.59 10:15 47.44 10:15 45.05 10:15 46.73 10:30 45.33 10:30 45.33 10:30 45.63 10:30 46.59 10:30 45.14 10:30 46.58 10:45 45.50 10:45 45.50 10:45 45.20 10:45 46.59 10:45 48.58 10:45 46.57 11:00 45.24 11:00 45.24 11:00 44.83 11:00 45.81 11:00 48.62 11:00 45.75 11:15 48.04 11:15 48.04 11:15 44.50 11:15 45.56 11:15 47.65 11:15 45.05 11:30 46.98 11:30 46.98 11:30 48.94 11:30 44.69 11:30 47.57 11:30 44.44 11:45 46.37 11:45 46.37 11:45 48.32 11:45 48.67 11:45 47.03 11:45 48.57 12:00 45.90 12:00 45.90 12:00 47.20 12:00 48.23 12:00 46.41 12:00 47.78 12:15 45.39 12:15 45.39 12:15 46.60 12:15 47.65 12:15 45.78 12:15 47.70 12:30 49.71 12:30 49.71 12:30 46.92 12:30 46.59 12:30 45.70 12:30 46.87 12:45 48.68 12:45 48.68 12:45 46.25 12:45 47.05 12:45 48.67 12:45 46.48 13:00 47.84 13:00 47.93 13:00 45.76 13:00 46.66 13:00 49.48 13:00 46.18 13:15 47.58 13:15 47.60 13:15 49.99 13:15 45.77 13:15 48.92 13:15 48.25 13:30 46.68 13:30 47.34 13:30 49.30 13:30 45.13 13:30 48.35 13:30 48.63 13:45 46.94 13:45 46.37 13:45 48.69 13:45 49.29 13:45 48.17 13:45 48.11 14:00 46.32 14:00 45.95 14:00 47.85 14:00 49.12 14:00 46.95 14:00 47.41 14:15 45.13 14:15 45.78 14:15 46.83 14:15 48.48 14:15 46.74 14:15 47.25 14:30 45.24 14:30 50.24 14:30 46.19 14:30 47.80 14:30 46.53 14:30 46.47 14:45 48.86 14:45 49.51 14:45 45.92 14:45 47.37 14:45 45.97 14:45 45.95 15:00 48.69 15:00 48.58 15:00 45.63 15:00 46.56 15:00 45.54 15:00 45.87 15:15 48.14 15:15 48.62 15:15 49.59 15:15 46.35 15:15 47.11 15:15 49.84 15:30 47.74 15:30 47.61 15:30 48.29 15:30 46.02 15:30 49.31 15:30 49.49 15:45 47.48 15:45 47.83 15:45 47.81 15:45 45.40 15:45 48.58 15:45 48.68 16:00 46.56 16:00 47.40 16:00 47.23 16:00 49.79 16:00 48.02 16:00 48.00 16:15 46.13 16:15 46.50 16:15 46.41 16:15 49.46 16:15 47.80 16:15 47.80 16:30 45.52 16:30 45.30 16:30 46.04 16:30 48.86 16:30 46.88 16:30 46.80 16:45 45.46 16:45 45.30 16:45 45.97 16:45 48.30 16:45 45.72 16:45 45.50 17:00 47.54 17:00 48.60 17:00 47.92 17:00 47.95 17:00 49.89 17:00 45.50

11/18/2015 11/13/2015

(2)

LAMPIRAN 2

DATA KENAIKAN TEMPERATUR AIR LAUT DALAM EVAPORATOR DENGAN ANALISA TEORITIS

Waktu (t) Temperatur (T)

9:00 25 9:01 27.44114 9:02 29.88228 9:03 32.32343 9:04 34.76469 9:05 37.44316 9:06 39.93179 9:07 42.72003 9:08 45.25146 9:09 47.7829 9:10 50.01187 9:11 50.03983 9:12 50.02495 9:13 50.00975 9:14 50.03771 9:15 50.02282 9:16 50.00762 9:17 50.03558 9:18 50.02038 9:19 50.00518 9:20 50.03283 9:21 50.01762 9:22 50.00242 9:23 50.0307 9:24 50.0155 9:25 50.0003 9:26 50.02794 9:27 50.01274 9:28 50.0407 9:29 50.0255 9:30 50.01062

Waktu (t) Temperatur (T) 9:31 50.03858 9:32 50.02338 9:33 50.00786 9:34 50.03582 9:35 50.02062 9:36 50.00573 9:37 50.0337 9:38 50.01849 9:39 50.00329 9:40 50.03094 9:41 50.01574 9:42 50.00053 9:43 50.02881 9:44 50.01361 9:45 50.04157 9:46 50.02605 9:47 50.01085 9:48 50.03881 9:49 50.02361 9:50 50.00873 9:51 50.03669 9:52 50.02149 9:53 50.00597 9:54 50.03393 9:55 50.01873 9:56 50.00353 9:57 50.03149 9:58 50.01629 9:59 50.00109 10:00 50.02905

(3)

LAMPIRAN 3

(4)

LAMPIRAN 4

(5)

xiii

DAFTAR PUSTAKA

Al-Kharabsheh, A. and Goswami, D. Y., Theoretical analysis of a water desalination system using low grade solar heat, Journal of Solar Energy Engineering 126 (2004) 774-780.

Ali MT, Fath HES, Armstrong PR. A comprehensive techno-economical review of indirect solar desalination. Renew Sustain Energy Rev 2011;15:4187-99.

Ambarita, Himsar. 2011. Perpindahan Panas Konveksi dan Pengantar Alat Penukar Kalor. Medan : Departemen Teknik Mesin FT USU

Bemporad, G. A., 1995, ‘‘Basic Hydrodynamic Aspects of a Solar Energy Based

Desalination Process,’’ Desalination, 54, pp. 125–134.

Cath TZ, Childress AE, Elimelech M. Forward osmosis: principles, applications and

recent developments. J Membr Sci 2006;281(1–2):70–87.

Cengel, Y.A. Heat Transfer A Practical Approach, Second Edition. Mc Graw-Hill, Book Company, Inc : Singapore

Helal AM, Al-Malek SA. Design of a solar-assisted mechanical vapor compression

(MVC) desalination unit for remote areas in the UAE. Desalination 2006;197:273–

300.

Rane MV, Padiya YS. Heat pump operated freeze concentration system with tubular heat

exchanger for seawater desalination. Energy Sustain Dev 2011;15:184–91.

Incropera, F. P., and DeWitt, D. P., 1996, Fundamentals of Heat and Mass Transfer, fourth edition, John Wiley & Sons, New York.

Lock, G. S. H., 1994, Latent Heat Transfer: An Introduction to Fundamentals, Oxford Science Publications, New York.

Kalogirou S. Seawater desalination using renewable energy sources. Prog Energy Combust Sci 2005;31:242-81.

Manjarrez R, Galvan M. Solar multi stage flash evaporation (SMSF) as a solar energy application on desalination processes. Description of one demonstration project.

Desalination 1979;31:545–54.

Mamayev, O. I., 1975, Temperature-salinity Analysis of World Ocean Waters, Elsevier Scientific Publishing Company, Amsterdam, pp. 72.

Mezher T, Fath H, Abbas Z, Khaled A. Techno-economic assessment and environmental

(6)

xiv

Parekh S, Farid MM, Selman JR, Al-Halaj S. Solar desalination with a humidification–

dehumidification technique – a comprehensive technical review. Desalination

2004;160:167–86.

Qiblawey HM, Banat F. Solar thermal desalination technologies. Desalination

2008;220:633–44.

Qtaishat MR, Banat F. Desalination by solar powered membrane distillation systems.

Desalination 2012;308(2):186–97.

Rice W, DSC. Chau. Freeze distillation using hydraulic refrigerant compressors.

Desalination 1997;109:157–64.

Roberts DA, Johnston EL, Knott NA. Impacts of desalination plant discharges on the marine environment:a critical review of published studies. Water Res 2010;44:5117- 28.

Rohsenow, W. M., Hartnett, J. P., and Ganic, E. N., 1985, Handbook of Heat Transfer,

third edition, McGraw-Hill Book Company, New York, pp. 6.31–6.41.

Salcedo R, Antipova E, Boer D, Jimenez L, Guillen-Gosalbez G. Multi-objective optimization of solar Rankine cycles coupled with reverse osmosis desalination considering economic and lifecycle environmental concerns. Desalination

2012;286:358–71.

Sangi R. Performance evaluation of solar chimney powerplants in Iran. Renew Sustain

Energy Rev 2012;16:704–10.

UN-Water. 2006. Coping With Water Scarcity : a Strategic Issue and Priority for System-Wide Action

Wu JW, Biggs MJ, Hu EJ. Thermodynamic analysis of an adsorption-based desalination

(7)

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Waktu dan Tempat

Pengujian dilakukan di Magister Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Waktu pelaksanaan penelitian adalah bulan September 2015 sampai dengan November 2015.

3.2 Alat dan Bahan 3.2.1 Alat

Alat yang dipakai dalam penelitian ini terdiri dari:

1. Tangki Air Laut, Konsentrat Garam, dan Air Bersih

Tangki yang berfungsi sebagai penampung air laut, konsentrat garam dan air bersih yang dipasang di bawah 10 meter dari evaporator dan kondensor agar proses pemvakuman dapat berlangsung. Tangki yang akan digunakan mempunyai volume masing-masing 20 liter.

2. Evaporator

Dalam penelitian ini, akan digunakan evaporator sebagai ruang pemanasan air laut dimana pemanasnya adalah elemen pemanas. Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya bahwa tujuan penggunaan elemen pemanas adalah agar suplai panas ke dalam evaporator stabil dan konstan sehingga dapat menyederhanakan analisis. Alat ini merupakan alat yang sangat penting dalam penentuan laju produksi air bersih. Material evaporator, volume air laut di evaporator, dan isolasi panas evaporator sangat mempengaruhi laju penguapan air laut. Spesifikasi evaporator yang akan digunakan adalah sebagai berikut :

(8)

Spesifikasi ruang evaporator :

Material :

Stainless Steel 304 Diameter Alas : 500 mm

Luas Alas: 0.2 m2

Tinggi : 0.2 m

Gambar 3.1 Evaporator

Spesifikasi elemen pemanas: Material : Stainless Steel Diameter Pemanas: 10 mm Panjang total Elemen : 2970 mm Daya Elemen: 2500 Watt / 220 V

(9)

3. Kondensor

Kondensor pada sistem ini berbentuk tabung yang dimiringkan dan di sepanjang tabung terdapat sirip (fin) yang berfungsi mempercepat proses kondensasi di kondensor. Semakin cepat proses kondensasi, semakin cepat pula air bersih yang dihasilkan. Spesifikasi kondensor yang digunakan adalah sebagai berikut :

Material : Stainless Steel 304 Panjang Tabung : 0.5 m Ketebalan Tabung: 0.25 cm Diameter Tabung: 4 inci

Untuk sirip (fin) yang dipasang di permukaan luar tabung memilki spesifikasi sebagai berikut :

Jumlah fin : 10 buah Diameter fin : 25.4 cm Ketebalan fin : 0.0635 cm Jarak antar fin : 4 cm

Gambar 3.3. Kondensor dan Sirip (fin) beserta Flange

4. Alat Penukar Kalor Tube-in-Tube

Konsentrat garam yang berada pada evaporator tidak dapat berevaporasi karena titik didih konsentrat garam lebih tinggi daripada titik didih air bersih, sehingga konsentrat garam yang tidak mendidih akan dialirkan ke tangki konsentrat garam. Oleh karena temperatur konsentrat garam masih relatif tinggi saat dipanaskan di evaporator, maka sebelum dialirkan ke

(10)

tangki konsentrat garam, terlebih dahulu konsentrat garam akan dialirkan ke alat penukar kalor untuk mengalirkan sebagian kalor terhadap air laut yang mengalir di pipa dalam. Sehingga pemanasan di evaporator dapat berlangsung dengan cepat. Spesifikasi alat penukar kalor adalah sebagai berikut :

Material pipa luar : Stainless Steel 304 Material pipa dalam : Stainless Steel 304 Diameter pipa luar : 2.54 cm

Diameter pipa dalam : 1.27 cm

Gambar 3. 4. Alat Penukar Kalor Tube-in-Tube

5. Thermocontrol dan Termokopel

Penggunaan elemen pemanas pada evaporator akan memakan banyak energi listrik jika dioperasikan terlalu lama. Material evaporator stainless steel yang mampu menjebak panas lebih lama, aluminium foil yang melapisi bagian luar evaporator yang mampu menahan panas keluar lingkungan tidak akan cukup membuat sistem lebih efisien apabila penggunaan elemen pemanas tidak dibatasi waktu penggunaannya. Oleh karena sistem berada dalam tekanan vakum (tekanan dibawah tekanan udara), tentunya air laut yang dipanaskan akan berevaporasi pada

(11)

bahwa pada tekanan 8 kPa air dapat berevaporasi pada temperatur

40,29oC. Karena temperatur penguapan yang kecil ini, maka elemen

pemanas dapat diatur lama pemanasannya berdasarkan temperatur fluida di evaporator. Pengaturan lama pemanasan ini diatur oleh sebuah sensor temperatur yang disebut Thermocontrol, sedangkan pengukur temperatur dalam evaporator disebut Termokopel.

Gambar 3.5. Panel Thermocontrol Spesifikasi Thermocontrol :

Sampling rate : 2.5 times/second

Analog Output: 1 loop 4-20 mA; load resistance600Ωmax Auxiliary voltage output: DC 24V

(12)

37 Control output : Relay output load capability:3A/250VAC

Resolution: Display ± 0.1℃

Power consumption: ≤ 5 W

Working environment: 0~50℃ < 85% RH

Storange environment: -20~60℃ < 85% RH

Gambar 3.6. Termokopel Spesifikasi Termokopel :

Bahan Konduktor Positif: Tembaga Bahan Konduktor Negatif: Konstantan

Range Temperatur: 0 – 350oC

Batasan Ralat: ±1oC atau ±1.5%

(13)

3.2.2 Bahan

Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah air laut yang berasal

dari pantai Ocean Pacific (Belawan) dengan asumsi temperatur awal 25oC dan

konsentrasi 3.5%.

3.2.3 Alat Ukur

Alat ukur yang digunakan untuk mengukur variabel-variabel dalam penelitian antara lain :

1. Agilent

Agilent digunakan untuk mengukur temperatur pada titik-titik sistem, dimana alat ini bekerja secara otomatis dan mencatat hasil pengukuran per menitnya dalam bentuk file Ms. Excel. Pada percobaan ini kabel agilent atau selanjutnya disebut termokopel (berwarna merah pada gambar 3.3) yang digunakan berjumlah tujuh titik yang dipasang pada alat penelitian tersebut.

Gambar 3.7 Agilent Spesifikasi

Tipe: Agilent 34970A Buatan: Belanda

Jumlah sensor termokopel: 20 channels multiplexer Volt: 250 V

2. Laser Distance Meter

Laser distance meter adalah alat pengukur jarak dengan menggunakan laser sebagai media pengukurannya. Alat ukur ini digunakan untuk

(14)

mengukur jarak yang cukup jauh seperti sistem yang diharuskan berada pada ketinggian minimal 10,3 meter dari tanah, panjang kabel yang dibutuhkan untuk dapat menyuplai listrik dari panel listrik lokasi pengujian ke panel kontrol temperatur dan lain-lain.

Gambar 3.8. Laser Distance Meter Extech DT300 Spesifikasi

Type: Extech DT300

Laser diode : Class 2 red laser (wavelength: 635nm)

Battery : Two(2) ‘AAA’ alkaline batteries Dust/Splash Proof : IP 54

Operating conditions : 0 to 40°C (32 to 104°F)

Storage conditions : -10 to 60°C (14 to 140°F)

Dimensions: 115 x 48 x 28mm (4.5 x 1.9 x 1.1”) Weight : 150 g (5.3 oz)

Distance Range: 0.5 to 50 m (2” to 164’) Resolution : 0.001 inches, feet, or meters Accuracy: ±1.5 mm (± 0.06”)

Length: 99.99 m (99’ 11”) Area : 999.99 m2(999.99 sq. ft)

(15)

3.3 Prosedur Pengujian

Prosedur pengujian dilakukan dengan langkah-langkah sebagai berikut :

1. Instalasi alat penelitian

2. Pengecekan kebocoran sistem dan pelapisan isolasi panas pada evaporator

3. Pemasangan vacuum pressure, termokopel panel dan termokopel agilent

pada sistem

4. Mengisi air laut pada sistem dan tangki air laut

5. Pemvakuman sistem

6. Saklar penyuplai listrik dihidupkan, panel kontrol yang terhubung dengan

termokopel diatur pada temperatur 50oC

7. Proses perekaman data dimulai

8. Pengujian dilakukan hingga 8 jam mulai pukul 09.00 sampai 17.00 WIB

9. Tekanan vakum dicatat setiap 1 jam

10.Ketinggian air laut di tangki diatur pada ketinggian 10,34 meter

11.Laju produksi air bersih dan konsentrat garam diukur setelah pengujian

selesai

12.Ulangi pengujian hingga 6 hari

13.Hasil data pengujian dianalisis

3.4 Set-up Experimental

Untuk memulai pengujian, sistem harus divakumkan terlebih dahulu. Proses pemvakuman dilakukan dengan mengisi penuh air laut dalam evaporator dan alat penukar kalor tube-in-tube, sedangkan pada sisi kondensor diisi penuh oleh air bersih. Antara evaporator dan kondensor terdapat keran untuk memisahkan air laut dan air bersih pada saat proses pemvakuman berlangsung. Untuk memvakumkan evaporator, keran pada pipa pengumpan (pipa dalam alat penukar kalor) dibuka, sehingga air laut di evaporator akan jatuh melalui pipa pengumpan sehingga membentuk ruang vakum pada bagian atas evaporator. Cara yang sama untuk memvakumkan kondensor yaitu dengan membuka keran pipa air bersih dan membiarkan air bersih jatuh melalui pipa air bersih sehingga

(16)

membentuk ruang vakum pada kondensor. Keran antara evaporator dan kondensor pun dibuka setelah terbentuk ruang vakum di evaporator dan kondensor.

Air laut di dalam evaporator dipanaskan oleh elemen pemanas yang telah

diatur pada thermocontrol untuk memanaskan hingga temperatur 50oC. Oleh

karena pemanasan berlangsung pada tekanan vakum, maka kandungan air dalam air laut akan berevaporasi dan uap yang dihasilkan dialirkan melalui pipa penghubung evaporator-kondensor, dan proses kondensasi akan berlangsung di kondensor. Untuk menjaga agar panas dari evaporator tidak berpindah ke kondensor secara konduksi, maka antara pipa penghubung tersebut dipasang flange. Diantara flange terdapat packing karet yang digunakan untuk mengisolasi panas yang dikonduksi dari evaporator sehingga temperatur kondensor dapat dijaga tetap pada temperatur lingkungan.

Pada sisi kondensor, uap air akan dikondensasikan dengan bantuan sirip (fin) yang terpasang pada tabung kondensor. hasil kondensasi akan jatuh melalui pipa air bersih dan menjadi produk air bersih. Air laut yang tidak mendidih akan jatuh melalui pipa luar alat penukar kalor menuju tangki konsentrat garam. Karena air laut yang tidak mendidih mempunyai temperatur yang cukup tinggi, sebelum menuju tangki konsentrat garam, air laut yang panas akan memanasi pipa pengumpan dalam alat penukar kalor sehingga air laut umpan pada pipa pengumpan akan terpanasi sebelum memasuki evaporator untuk selanjutnya dipanasi oleh elemen pemanas. Air bersih dan konsentrat garam yang telah keluar dari sistem mengakibatkan volume fluida berkurang. Kekurangan volume fluida ini akan diisi oleh pipa pengumpan, sehingga air laut dapat ditarik ke atas evaporator tanpa memerlukan pompa air ataupun pompa vakum.

(17)

Gambar 3.9. Skema Pengujian Desalinasi Prinsip kerja skema pengujian, yaitu :

1. Panel control akan menyuplai dan mengatur besar tegangan listrik yang

akan dialirkan ke heater dengan tegangan maksimum sebesar 220 V dan mengaturnya secara otomatis dengan data temperatur yang dibaca oleh termokopel.

2. Heater merupakan sumber panas yang akan menaikkan temperatur

fluida kerja di dalam evaporato.

3. Termokopel digunakan untuk mengukur besarnya perubahan

temperatur yang terjadi dalam evaporator dan mengirimkan data tersebut ke panel control dan agilent.

4. Agilent akan mencatat temperatur setiap menit dan data tersebut akan

disimpan ke dalam USB.

5. Data perubahan temperatur kemudian ditampilkan di laptop untuk

(18)

3.5. Diagram Alir Analisis

Gambar 3.10. Diagram Alir Analisis Mulai

Selesai

Masukkan data input parameter kondisi awal fluida kerja :

ρ0, C0, Ci, Ts, Tf dan T0

Tentukan sifat fluida kerja (Cp,0 , ρi, ρs dan Cp,i), serta

tekanan pada evaporator (Ps(Ts)), dan tekanan pada

kondensor (Pf(Tf)) dengan fungsi temperatur

Masukkan data input parameter pada evaporator, alat penukar kalor

dan kondensor:

De, Di, Do, Dfin, l, Dco, Dci, lc, k, kc

Tentukan luas alas evaporator (Ae), laju penguapan ( ), panas

laten penguapan (hfg(Ts)), kalor penguapan (Qe), dan temperatur

air laut masuk evaporator (Ti)

Tentukan Temperatur pada setiap detik (T(i)) dengan persamaan kekekalan energi sistem

Bandingkan data temperatur hasil analisis dengan data temperatur pengukuran agilent

Validasi Data

(19)

BAB IV

HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA 4.1 Data Input Analisa Teoritis

Tabel berikut menunjukkan data sistem pada kondisi awal dari desalinasi sistem vakum, baik sifat material evaporator, kondensor, alat penukar kalor tube-in-tube, sifat fluida kerja pada kondisi awal, serta bilangan-bilangan tanpa dimensi yang dibutuhkan untuk menghitung parameter-parameter lain. Data-data ini untuk selanjutnya akan dianalisis dengan bantuan perangkat lunak Fortran PowerStation 95 dan hasil analisis akan dibandingkan dengan hasil pengujian.

Tabel 4.1. Data Input Analisa Teoritis

KETERANGAN Simbol Nilai Satuan

Massa Jenis Air Laut Awal ρ0 1026.43 kg/m3

Koefisien Ekspansi Termal Volumetrik βT 0.0005 /oC

Koefisien Ekspansi Larutan βC 0.008 /oC

Temperatur Air Laut Awal T0 25 oC

Konsentrasi Air Laut Awal C0 35 %

Diameter Evaporator De 0.5 m

Koefisien Empirik αm 0.0000001 kg/m2.Pa.s.K0.5

Koefisien Empirik untuk faktor koreksi α1 0.0054 m

Diameter Pipa Luar Alat Penukar Kalor Do 0.0254 m

Diameter Pipa Dalam Alat Penukar Kalor Di 0.0127 m

Temperatur Lingkungan Ta 25 m

Panjang Pipa Alat Penukar Kalor l 9 m

Percepatan Gravitasi g 9.8 m/s2

Konduktivitas Termal Stainless Steel k 14.9 W/mK

Temperatur Rata-Rata pada Alas Evaporator Tb 44.3 oC

Konsentrasi Air Laut Sebelum Masuk Evaporator Ci 35 %

Temperatur Kondensasi Tf 40 oC

Massa Jenis Air Bersih di Kondensor ρf 992.06 kg/m3

Temperatur Rata-Rata pada Dinding Evaporator Tsd 46

Temperatur Rata-Rata pada Kerucut Evaporator Tt 39.34 J/K.mol

Bilangan Prandtl Dinding Evaporator Prs 0.70581

Konduktivitas Termal Air Laut Keadaan Awal k 0.62225 W/mK

Volume Air Laut Awal V0 0.018 m3

Fouling Factor Pipa FT 0.001

Difusivitas Termal Alas Evaporator αb 0.0000236 m

Viskositas Kinematik Alas Evaporator γb 0.00001666 m2/s

Jarak dari pusat ke aluminium foil rino 0.251 m

(20)

4.2 Asumsi Perhitungan

Sebelum memulai perhitungan dengan bantuan perangkat lunak Fortran PowerStation 95, maka perlu adanya asumsi-asumsi yang digunakan selama perhitungan agar dapat menyederhanakan persamaan. Asumsi-asumsi yang digunakan tersebut adalah :

1. Kapasitas panas material evaporator dan kondensor diabaikan

2. Temperatur pada masing-masing komponen adalah seragam atau tidak ada

variasi temperatur di evaporator dan kondensor

3. Sumber panas menggunakan pemanas listrik agar suplai panas ke

evaporator merata dan tidak mengganggu perhitungan konfigurasi evaporator dan kondensor

4. Aliran fluida dalam sistem diasumsikan laminar karena kecepatan fluida

kerja baik dalam alat penukar kalor, evaporator dan kondensor sangat kecil

5. Efek radiasi diabaikan

6. Panas hilang secara konveksi natural

7. Ketinggian air laut dalam evaporator konstan

4.3 Koding Fortran PowerStation 95

Berikut perintah-perintah pada Fortran PowerStation 95 yang digunakan untuk menghitung kenaikan temperatur pada evaporator, perubahan konsentrasi air laut selama pemanasan di dalam evaporator, serta panas hilang rata-rata yang terjadi selama 8 jam eksperimen. Perintah perhitungan untuk setiap bagian sistem dipisah dalam subroutine sehingga data-data output hasil perhitungan setiap bagian lebih sistematis.

(21)

(22)

(23)

(24)

4.4 Data Output Hasil Analisis

Hasil Analisa dengan perangkat lunak Fortran PowerStation 95

menunjukkan bahwa temperatur fluida mencapai 50oC pada detik ke 605 (10.08

menit). Gambar berikut menunjukkan hasil analisa laju aliran volume, konsentrasi, serta temperatur pada evaporator.

(25)

(26)

(27)

(28)

(29)

(30)

(31)

(32)

(33)

Gambar 4.10 Kenaikan Temperatur pada Menit Kesepuluh

(34)

4.5 Hasil Perbandingan Grafik Analisis dengan Grafik Pengujian

Pada subbab ini akan dipaparkan grafik temperatur hasil pengujian selama 8 hari dan grafik hasil analisis dengan fortran. Seperti yang telah dijelaskan pada bab 3 bahwa pengukuran temperatur akan menggunakan alat ukur Agilent. Agilent yang dipakai memiliki 20 termokopel atau biasa disebut 20 channel. Namun pada penelitian ini hanya akan membandingkan hasil analisa teoritis dengan hasil pengukuran agilent channel 111, yakni pengukuran termokopel panel kontrol.

Gambar 4.14 Posisi Termokopel Agilent Channel 111

Letak termokopel agilent sangat bergantung aspek kemudahan dalam pemasangan dan perkiraan posisi dimana perubahan temperatur terjadi secara signifikan. Semakin dekat termokopel dengan fluida maka semakin akurat pengukuran agilent. Berikut akan dipaparkan grafik kenaikan temperatur yang terjadi dalam evaporator selama 6 hari pengujian.

Channel 111 (Termokopel Panel Kontrol)

(35)

60 Ga mba r 4. 15 H asil P enguji an Ta ngga l 12 Nove m be r 201 5 Ga mbar 4. 16 H asil P engu ji an Ta ngga l 13 Nove m be r 201 5

0 10 20 30 40 50 60

9:00 AM 9:15 AM 9:30 AM 9:45 AM 10:00 AM 10:15 AM 10:30 AM 10:45 AM 11:00 AM 11:15 AM 11:30 AM 11:45 AM 12:00 PM 12:15 PM 12:30 PM 12:45 PM 1:00 PM 1:15 PM 1:30 PM 1:45 PM 2:00 PM 2:15 PM 2:30 PM 2:45 PM 3:00 PM 3:15 PM 3:30 PM 3:45 PM 4:00 PM 4:15 PM 4:30 PM 4:45 PM 5:00 PM

Temperatur (o_C)

Waktu

D

a

ta

Agile

n

t

Tang

g

al 12

-11

-2015

0 10 20 30 40 50 60

Temperatur (o_C)

Waktu

D

a

ta

Agile

n

t

Tang

g

al 13

-11

-2015

(36)

61 Ga mbar 4. 17 H asil P enguji an Ta ngga l 14 Nove m be r 201 5 Ga mbar 4. 18 H asil P enguji an Ta ngga

l 16 Nove

r 201

0 10 20 30 40 50 60

Temperatur (o_C)

Waktu

D

a

ta

Agile

n

t

Tang

g

al 14

-11

-2015

0 10 20 30 40 50 60

Temperatur (o_C)

Waktu

D

a

ta

Agile

n

t

Tang

g

al 16

-11

-2015

(37)

62 Ga mbar 4. 19 H asil P enguji an Ta ngga

l 17 Nove

m be r 201 5 Ga mbar 4. 20 H asil P enguji an Ta ngga

l 18 Nove

r 201

0 10 20 30 40 50 60

Temperatur (o_C)

Waktu

D

a

ta

Agile

n

t

Tang

g

al 17

-11

-2015

0 10 20 30 40 50 60

Temperatur (o_C)

Waktu

D

a

ta

Agile

n

t

Tang

g

al 18

-11

-2015

(38)

Dari grafik pengujian selama 6 hari yang telah dipaparkan, dapat dilihat bahwa bentuk grafik berupa garis naik dan turun. Hal ini terjadi karena pada saat

temperatur yang diukur oleh termokopel panel kontrol telah mencapai 50oC, maka

elemen pemanas akan berhenti menyuplai panas pada evaporator hingga

pengukuran termokopel menunjukkan 49oC. Grafik yang menurun menunjukkan

penurunan temperatur yang dimulai saat temperatur fluida kerja mencapai 50oC.

Sedangkan grafik yang cenderung naik menunjukkan elemen pemanas sedang

memanaskan kembali fluida kerja yang telah mencapai 49oC menurut pengukuran

termokopel panel kontrol. Perbedaan grafik pada setiap pengujian disebabkan oleh faktor cuaca, kesalahan (error) dari alat ukur agilent, serta kondisi lingkungan sekitar tempat pengujian berlangsung.

Validasi terhadap hasil analisa dilakukan dengan membandingkan antara hasil analisa dengan hasil pengujian untuk mendapatkan ralat yang terjadi dalam perhitungan. Pada gambar diatas, dapat disimpulkan bahwa kenaikan temperatur tercepat adalah pada termokopel panel kontrol (channel 111). Hal ini disebabkan karena posisi termokopel panel kontrol berada paling dekat pada heater dibanding pada alas dan dinding evaporator. Pada analisa teoritis ini akan dihitung kenaikan temperatur air laut di dalam evaporator selama pemanasan. Perhitungan kenaikan temperatur per detik pada analisis ini akan menggunakan software Fortran PowerStation untuk memudahkan perhitungan. Hasil analisa teoritis akan dituangkan dalam bentuk tabel yang menunjukkan kenaikan temperatur setiap menit selama 1 jam. Dengan membandingkan nilai kenaikan temperatur pada pengujian dan hasil analisis, maka akan didapat ralat. Tabel berikut menunjukkan kenaikan temperatur setiap menit dengan hasil analisis Fortran dengan hasil pengujian selama 6 hari.

(39)

64 Tabel 4 .2 P erba n d in g an D ata T e m p eratur H asi l P e n g u ji an d an H asi l An al isa Te o ri ti s u n tuk 6 hari p eng u ji an

12/11/2015 Ralat (%) 13-11-2015 Ralat (%) 14-11-2015 Ralat (%) 16-11-2016 Ralat (%) 17-11-2016 Ralat (%) 18-11-2016 Ralat (%) 9:00 25 3.00E+01 20.08% 30.25 21.02% 29.68 18.74% 26.17 4.68% 30.75 23.01% 27.21 8.84% 9:01 27.48891 3.15E+01 14.41% 31.02 12.85% 30.14 9.66% 26.61 3.21% 31.62 15.02% 28.20 2.58% 9:02 29.97702 3.27E+01 8.98% 31.91 6.43% 30.61 2.10% 27.21 9.23% 32.51 8.46% 28.90 3.61% 9:03 32.46435 3.38E+01 3.96% 32.72 0.78% 31.10 4.21% 28.20 13.14% 33.21 2.28% 29.80 8.22% 9:04 34.95086 3.48E+01 0.49% 33.59 3.91% 31.92 8.66% 28.90 17.33% 34.14 2.33% 30.63 12.37% 9:05 37.55588 3.56E+01 5.23% 34.51 8.12% 32.84 12.55% 29.80 20.66% 34.93 6.99% 31.58 15.90% 9:06 40.06465 3.71E+01 7.32% 35.45 11.52% 33.83 15.57% 30.63 23.56% 36.07 9.98% 32.57 18.72% 9:07 42.57261 3.89E+01 8.65% 36.40 14.51% 34.88 18.08% 31.58 25.81% 37.02 13.04% 33.36 21.64% 9:08 45.07978 3.95E+01 12.31% 37.27 17.32% 35.65 20.93% 32.57 27.76% 38.04 15.63% 34.49 23.49% 9:09 47.38484 4.01E+01 15.33% 38.19 19.41% 36.69 22.56% 33.36 29.60% 39.19 17.30% 35.37 25.35% 9:10 49.86799 4.16E+01 16.66% 39.32 21.15% 37.54 24.71% 34.49 30.84% 40.19 19.40% 36.05 27.72% 9:11 50.02047 4.28E+01 14.48% 40.14 19.75% 38.79 22.46% 35.37 29.28% 40.74 18.55% 36.77 26.48% 9:12 50.00035 4.35E+01 13.08% 41.15 17.71% 39.66 20.69% 36.05 27.91% 41.67 16.65% 37.87 24.26% 9:13 50.02301 4.48E+01 10.54% 41.88 16.27% 41.04 17.96% 36.77 26.49% 41.74 16.56% 38.82 22.41% 9:14 50.00289 4.57E+01 8.71% 42.45 15.10% 41.48 17.04% 37.87 24.26% 43.03 13.94% 39.35 21.30% 9:15 50.02591 4.64E+01 7.23% 43.22 13.60% 42.54 14.97% 38.82 22.41% 44.20 11.66% 40.35 19.35% 9:16 50.00579 4.80E+01 3.95% 44.63 10.75% 43.54 12.92% 39.35 21.30% 44.89 10.23% 41.69 16.62% 9:17 50.02986 4.91E+01 1.80% 45.17 9.71% 44.06 11.94% 40.35 19.35% 45.75 8.56% 42.16 15.73% 9:18 50.00994 5.02E+01 0.44% 45.81 8.40% 45.06 9.89% 41.69 16.63% 46.74 6.55% 43.22 13.58% 9:19 50.03318 5.00E+01 0.01% 47.18 5.71% 46.13 7.80% 42.16 15.74% 47.28 5.51% 44.33 11.40% 9:20 50.01326 5.04E+01 0.77% 47.99 4.05% 47.18 5.66% 43.22 13.58% 47.60 4.82% 45.00 10.02% 9:21 50.03653 5.05E+01 0.83% 49.08 1.92% 48.26 3.55% 44.33 11.40% 47.29 5.50% 45.41 9.26% 9:22 50.01684 5.08E+01 1.55% 50.16 0.29% 49.18 1.68% 45.00 10.03% 47.27 5.50% 46.25 7.54% 9:23 50.04029 5.09E+01 1.75% 50.91 1.75% 48.81 2.47% 45.41 9.26% 46.64 6.80% 47.61 4.85% 9:24 50.0206 5.08E+01 1.54% 50.79 1.54% 49.29 1.45% 46.25 7.55% 46.67 6.70% 48.45 3.13% 9:25 50.03717 5.09E+01 1.67% 50.87 1.67% 49.02 2.04% 47.61 4.84% 47.18 5.70% 48.75 2.58% 9:26 50.01724 5.08E+01 1.62% 50.83 1.62% 48.87 2.29% 48.45 3.13% 47.49 5.06% 49.39 1.25% 9:27 50.04045 5.03E+01 0.45% 50.27 0.45% 48.68 2.73% 48.75 2.59% 46.73 6.62% 49.65 0.77% 9:28 50.02052 5.03E+01 0.50% 50.27 0.50% 48.86 2.33% 49.39 1.26% 47.08 5.89% 49.15 1.73% 9:29 50.0006 5.01E+01 0.24% 50.12 0.24% 48.56 2.88% 49.65 0.70% 47.12 5.77% 49.47 1.07% 9:30 50.02398 4.98E+01 0.43% 49.81 0.43% 47.92 4.20% 49.15 1.74% 46.17 7.70% 49.28 1.48%

Temperatur

Analisis Agilent

(40)

65 Tabel 4 .2 P erba n d in g an D ata T e m p eratur H asi l P e n g u ji an d an H asi l An al isa Te o ri ti s u n tuk 6 hari p eng u ji an ( Lan ju tan)

12/11/2015 Ralat (%) 13-11-2015 Ralat (%) 14-11-2015 Ralat (%) 16-11-2016 Ralat (%) 17-11-2016 Ralat (%) 18-11-2016 Ralat (%) 9:31 50.00405 5.00E+01 0.04% 49.98 0.04% 47.68 4.65% 49.47 1.08% 45.96 8.09% 48.41 3.19% 9:32 50.02726 4.99E+01 0.24% 49.91 0.24% 47.99 4.08% 49.28 1.49% 46.49 7.08% 47.55 4.95% 9:33 50.00733 4.96E+01 0.72% 49.65 0.72% 48.50 3.02% 48.41 3.19% 46.79 6.44% 48.04 3.94% 9:34 50.03496 4.90E+01 1.99% 49.04 1.99% 48.74 2.60% 47.55 4.97% 46.56 6.94% 48.05 3.97% 9:35 50.01525 4.93E+01 1.41% 49.31 1.41% 48.64 2.74% 48.04 3.96% 46.91 6.21% 48.56 2.90% 9:36 50.03866 4.95E+01 1.18% 49.45 1.18% 47.95 4.17% 48.05 3.98% 46.78 6.50% 48.26 3.55% 9:37 50.01895 4.93E+01 1.52% 49.26 1.52% 47.66 4.72% 48.56 2.91% 47.09 5.86% 48.50 3.05% 9:38 49.99944 4.93E+01 1.43% 49.28 1.43% 48.33 3.35% 48.26 3.47% 46.91 6.18% 48.67 2.67% 9:39 50.02295 4.90E+01 2.03% 49.01 2.03% 48.01 4.02% 48.50 3.05% 47.05 5.94% 48.65 2.75% 9:40 50.00339 4.88E+01 2.38% 48.81 2.38% 48.27 3.47% 48.67 2.67% 47.02 5.98% 48.53 2.95% 9:41 50.02693 4.85E+01 3.10% 48.48 3.10% 48.49 3.06% 48.65 2.76% 46.77 6.52% 48.50 3.05% 9:42 50.0002 4.87E+01 2.64% 48.68 2.64% 47.05 5.90% 48.53 2.94% 46.14 7.72% 48.29 3.42% 9:43 50.02359 4.89E+01 2.28% 48.88 2.28% 47.18 5.69% 48.50 3.04% 46.04 7.97% 47.39 5.27% 9:44 50.00386 4.86E+01 2.75% 48.63 2.75% 47.65 4.71% 48.29 3.43% 46.45 7.12% 47.46 5.09% 9:45 50.02725 4.89E+01 2.29% 48.88 2.29% 47.35 5.36% 47.39 5.28% 46.46 7.14% 48.04 3.97% 9:46 50.01786 4.89E+01 2.30% 48.87 2.30% 47.05 5.94% 47.46 5.12% 46.09 7.84% 47.69 4.65% 9:47 50.04125 4.86E+01 2.91% 48.59 2.91% 47.07 5.94% 48.04 4.00% 46.33 7.42% 47.89 4.30% 9:48 50.02152 4.80E+01 4.00% 48.02 4.00% 48.03 3.97% 47.69 4.66% 45.95 8.15% 47.89 4.26% 9:49 50.00179 4.77E+01 4.54% 47.73 4.54% 47.91 4.19% 47.89 4.22% 45.90 8.21% 47.41 5.18% 9:50 50.02716 4.78E+01 4.45% 47.80 4.45% 48.03 3.99% 47.89 4.27% 45.82 8.42% 47.73 4.60% 9:51 50.00743 4.81E+01 3.85% 48.08 3.85% 47.57 4.87% 47.41 5.19% 46.07 7.88% 47.98 4.06% 9:52 50.03082 4.82E+01 3.66% 48.20 3.66% 46.76 6.54% 47.73 4.60% 45.95 8.15% 47.65 4.77% 9:53 50.01109 4.81E+01 3.87% 48.08 3.87% 46.61 6.81% 47.98 4.06% 46.04 7.93% 47.44 5.14% 9:54 50.03448 4.76E+01 4.79% 47.64 4.79% 46.70 6.67% 47.65 4.77% 46.36 7.34% 47.17 5.73% 9:55 50.01394 4.75E+01 4.93% 47.55 4.93% 46.71 6.61% 47.44 5.15% 46.14 7.75% 47.44 5.16% 9:56 50.03959 4.75E+01 5.05% 47.51 5.05% 47.56 4.95% 47.17 5.74% 45.43 9.21% 47.27 5.54% 9:57 50.02007 4.77E+01 4.65% 47.69 4.65% 47.53 4.97% 47.44 5.17% 45.32 9.39% 47.32 5.39% 9:58 50.00055 4.79E+01 4.23% 47.89 4.23% 47.25 5.50% 47.27 5.47% 45.68 8.64% 47.63 4.75% 9:59 50.02391 4.80E+01 3.95% 48.05 3.95% 46.89 6.26% 47.32 5.40% 45.57 8.91% 47.29 5.46% 10:00 50.00438 4.76E+01 4.88% 47.57 4.88% 47.07 5.88% 47.63 4.75% 45.32 9.37% 47.07 5.86%

4.48% 5.85% 7.69% 9.77% 8.75% 8.41%

Rata-Rata Waktu

Temperatur

(41)

Gambar 4.21 Grafik Hasil Pengujian vs Hasil Analisa Teoritis

Dari tabel dan grafik yang telah dipaparkan di atas, bahwa ralat rata-rata tertinggi terjadi pada tanggal 16 November 2015 yaitu sebesar 9.77%. Ralat ini terjadi disebabkan oleh beberapa faktor, yakni :

1. Pada analisa teoritis, temperatur lingkungan awal dianggap sama untuk 8

jam pengujian, yaitu 25oC. Sedangkan temperatur awal selama pengujian

8 jam berbeda-beda. Temperatur lingkungan yang semakin rendah akan meningkatkan panas hilang lebih cepat.

2. Pada analisa teoritis digunakan asumsi bahwa semua fluida yang

berevaporasi akan masuk ke kondensor untuk dikondensasikan. Sedangkan pada pengujian, uap yang dihasilkan evaporator dapat terkondensasi langsung pada dinding kerucut evaporator sehingga air kondensat jatuh kembali ke evaporator.

3. Posisi termokopel agilent channel 111 menempel pada termokopel panel

kontrol. Sedangkan termokopel panel kontrol dan agilent tidak dapat langsung berhubungan dengan fluida kerja. Sehingga pada termokopel 0 10 20 30 40 50 60 9: 00 AM 9: 15 AM 9: 30 AM 9: 45 AM 10: 00 AM Tem p e ratu r ( oC) Waktu

Grafik Hasil Pengujian VS Hasil Analisis

Pengujian 12-11-15 Pengujian 13-11-15 Pengujian 14-11-15

Pengujian 16-11-15 Pengujian 17-11-15 Pengujian 18-11-15

(42)

panel kontrol dipasang sarung termokopel pada dinding evaporator dimana sarung termokopel akan berhubungan langsung dengan fluida kerja dalam evaporator, dan panas dari fluida kerja dialirkan lagi secara konduksi dari sarung termokopel dinding luar ke dinding dalam dan mengenai termokopel panel kontrol dan agilent untuk pengukuran temperaturnya. Oleh karena pengukuran termokopel agilent tidak langsung berhubungan dengan fluida kerja dalam evaporator, maka akan ada perbedaan temperatur pada fluida kerja dan termokopel. Sehingga pengukuran agilent tidak sepenuhnya akurat.

4. Pada analisa teoritis, model matematik sistem mengasumsikan panas

hilang secara konveksi natural. Sedangkan pada pengujian dapat terjadi konveksi paksa apabila kecepatan angin melalui cukup tinggi.

5. Bahan termokopel panel kontrol adalah Stainless Steel 304 dimana

secara umum bahan ini memiliki laju pembuangan panas yang rendah. sehingga temperatur antara fluida kerja evaporator dengan temperatur termokopel sedikit menyimpang.

Nilai mass flow rate yang di dapat (xmf) dari gambar 4.13 diasumsikan konstan setiap detik dan terkondensasi semuanya, sehingga jumlah total evaporasi dapat dirumuskan sebagai berikut :

t m m *

8 * 3600 * 2 0000399059 , 0  m kg m1,14929

 m V         kg dm kg V 998 1000 * 14929 , 1 3 6. liter

V 1,152

Ralat dari hasil simulasi yang didapat dengan hasil eksperimental adalah : % 167 , 4 % 100 * 016 , 1 2 , 1 152 ,

1  _



liter liter liter

(43)

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan

Dari hasil analisis dan pengujian desalinasi air laut sistem vakum, penulis mendapatkan beberapa kesimpulan, yaitu :

1. Prinsip kerja desalinasi sistem vakum adalah dengan memanfaatkan ruang

vakum pada sistem untuk memanaskan air laut pada temperatur pemanas

yang rendah (dalam penelitian ini temperatur pemanas 50oC).

Pemvakuman sistem dibentuk dengan menjatuhkan sebagian air laut dalam evaporator melalui pipa Tube-in-Tube setinggi 10 meter dan air bersih dalam kondensor hingga mencapai kondisi setimbang. Saat kondisi setimbang terjadi, air laut yang dipanaskan akan menjadi uap air dan dikondensasikan oleh kondensor menjadi air bersih yang jatuh melalui pipa kondensor. Jumlah volume air yang jatuh melalui pipa kondensor ini akan diisi kembali dengan menarik volume air laut pada tangki air laut ke evaporator. Didapat laju aliran massa untuk produksi air bersih adalah sebesar 1.152 liter dengan ralat sebesar 4.167%.

2. Dari hasil perbandingan analisa teoritis dengan perangkat lunak Fortran

PowerStation 95 dan hasil pengujian selama 6 hari, didapat ralat tertinggi sebesar 9,77% dan ralat terendah sebesar 5,87%. Ralat ini terjadi disebabkan oleh faktor cuaca, sehingga panas hilang lebih cepat dan waktu pemanasan pada pengujian menjadi lebih lama.

3. Pada hasil analisa teoritis, dengan telah memperhitungkan panas hilang

secara konveksi natural dan besarnya panas hilang diasumsikan konstan, bahwa rata-rata kenaikan temperatur air laut di dalam evaporator setiap

(44)

5.2 Saran

Adapun saran dari penulis adalah sebagai berikut :

1. Pada penelitian selanjutnya, sebaiknya letak termokopel panel berada

dekat dengan fluida kerja dan lebih jauh dari elemen pemanas karena elemen pemanas dapat langsung memanaskan termokopel sehingga pengukuran temperatur lebih akurat

2. Pada penelitian selanjutnya sebaiknya sistem berada pada ruang tertutup

sehingga efek cuaca, kecepatan angin, dan radiasi matahari dapat diabaikan dimana hal ini sesuai dengan asumsi analisis agar hasil analisa lebih akurat dengan hasil pengujian

3. Agar material evaporator yang digunakan adalah titanium untuk mencegah

terjadi korosi. Sedangkan material kondensor adalah tembaga agar pembuangan panas lebih cepat.

(45)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Teori Dasar Desalinasi

Desalinasi pada prinsipnya merupakan cara untuk mendapatkan air bersih melalui proses penyulingan air kotor. Secara umum terdapat berbagai cara yang sering digunakan untuk mendapatkan air bersih yaitu : perebusan, penyaringan, desalinasi dan lain-lainnya. Cara perebusan dilakukan hanya untuk mematikan kuman dan bakteri-bakteri yang merugikan, namun kotoran yang berupa padatan-padatan kecil tidak bisa terpisah dengan air. Penyaringan digunakan hanya untuk menyaring kotoran-kotoran yang berupa padatan kecil, namun kuman dan bakteri yang merugikan tidak bisa terpisah dari air. Cara desalinasi merupakan cara yang efektif digunakan untuk menghasilkan air bersih yang bebas dari kuman, bakteri, dan kotoran yang berupa padatan kecil. Proses desalinasi secara umum biasanya yang diambil hanyalah air kondensatnya, sedangkan konsentrat garam dibuang dan ini dapat berakibat buruk bagi kehidupan air laut (Ketut dkk, 2011).

Prinsip kerja desalinasi secara umum sebenarnya sangat sederhana. Air laut dipanaskan hingga menguap, dan kemudian uap yang dihasilkan dikondensasikan kembali dan ditampung di sebuah wadah. Air kondensat tersebut adalah air bersih. Sedangkan air laut yang tidak mendidih selama pemanasan adalah konsentrat garam. Proses desalinasi yang akan penulis bahas pada penelitian ini adalah desalinasi sistem vakum dengan modifikasi suplai panas menggunakan elemen pemanas berdaya rendah. Konsep dari sistem ini adalah memanfaatkan ruang vakum yang dibentuk secara alami untuk dapat mengevaporasikan sejumlah air laut pada tekanan rendah sehingga dapat berevaporasi dengan suplai energi panas yang lebih sedikit dibanding dengan teknik konvensional. Suplai energi panas yang sedikit dapat diambil dari kolektor surya plat datar dan / atau panas yang dibuang. Namun pada penelitian ini akan digunakan elemen pemanas daya rendah agar suplai panas dalam evaporator konstan. Keunikan dari sistem ini adalah cara gaya gravitasi dan tekanan atmosfer digunakan dalam pembentukan kondisi vakum. Pembentukan sistem vakum bertujuan untuk menurunkan tekanan ruang evaporator agar pemanasan dapat

(46)

berlangsung dengan suplai panas yang rendah. Tekanan atmosfer akan sama dengan tekanan hidrostatis yang dibentuk dengan pipa air yang tingginya sekitar 10 meter. Jadi, jika ketinggian pipa lebih dari 10 meter dan ditutup dari bagian atas dengan air, dan air dibiarkan jatuh kebawah akibat gravitasi, air akan jatuh pada ketinggian sekitar 10 meter, dan membentuk ruang vakum diatasnya.

Komponen-komponen yang terdapat pada desalinasi sistem vakum natural

adalah evaporator, kondensor, dan alat penukar kalor berupa Tube-in-Tube.

Evaporator berfungsi sebagai ruang pemanasan air laut dengan suplai panas berasal dari pemanas listrik berdaya rendah untuk menjaga kestabilan suplai panas. Kondensor berfungsi untuk mengumpulkan uap yang dihasilkan oleh pemanasan air laut di evaporator untuk dikondensasikan kembali sehingga air kondensat dapat ditampung dan didapat air bersih sebagai produk sistem.

Sedangkan tube in tube heat exchanger berfungsi sebagai heat recovery (pemulih

panas), dimana air laut yang tidak mendidih akibat pemanasan di ruang evaporator

akan jatuh melalui pipa luar dari tube in tube untuk memanaskan pipa dalam yang

sedang dialiri air laut dari tangki pengumpan. Alasan penggunaan sistem desalinasi vakum natural dalam penelitian ini adalah karena penggunaan daya listriknya yang rendah, cocok untuk pemakaian skala besar terutama di pesisir pantai, dan keunikan sistemnya yang tidak membutuhkan pompa vakum untuk menyuplai air laut ke evaporator yang tingginya 10m. Gambar 2.1 menunjukkan desalinasi sistem vakum. Adapun kelebihan dan kelemahan dari sistem desalinasi vakum natural sebagai berikut.

Kelebihan menggunakan Desalinasi Vakum Natural :

1. Tidak membutuhkan pompa vakum untuk penyuplaian air laut

2. Biaya konstruksi termurah diantara semua jenis desalinasi tenaga surya

3. Pemanasan dapat menggunakan suplai panas rendah karena sistem dalam

(47)

Kelemahan menggunakan Desalinasi Vakum Natural :

1. Konstruksi cukup sulit karena proses instalasi berhubungan dengan

ketinggian

2. Hanya cocok untuk pemakaian skala besar (untuk luas alas evaporator

yang besar)

3. Pemilihan bahan konstruksi sangat mempengaruhi lifetime sistem

Selain desalinasi sistem vakum, masih banyak jenis lain sistem desalinasi bertenaga surya. Pembahasan mengenai sistem desalinasi jenis lain beserta prinsip kerja, kelebihan dan kelemahannya dibahas pada subbab berikutnya.

10,34 m

C o n d e n s e r

Evaporator

Saline Water Tank Saline Water

Brine Condensate

Heater

Gambar 2.1. Desalinasi Sistem Vakum Natural

2.2 Klasifikasi Sistem Desalinasi 2.2.1 Solar Still

Solar still terdiri dari bak yang dicat hitam yang diisi oleh air laut hingga pada kedalaman tertentu dan ditutup oleh kaca yang dimiringkan sebagai tempat masuknya radiasi surya sekaligus peristiwa kondensasi. Radiasi surya memasuki bak melalui kaca untuk memanaskan sisi bak yang dicat hitam yang mengakibatkan pemanasan air laut hingga terjadi evaporasi, karena perbedaan tekanan parsial dan perbedaan temperatur, uap air terkondensasi sepanjang kaca penutup yang dimiringkan dan ditampung oleh penampung yang berada tepat

(48)

dibawah kemiringan kaca (Qiblawey dkk, 2008). Gambar 2.2 menunjukkan sistem solar still sederhana.

Kelebihan menggunakan Solar Still :

1. Konstruksi yang sederhana

2. Kondensasi tidak memerlukan kondensor, proses kondensasi terjadi pada

kaca

3. Mudah dalam perawatannya

Kelemahan menggunakan Solar Still :

1. Laju produksi air bersih per hari rendah

2. Sebagian uap air yang terkondensasi pada kaca dapat langsung jatuh

kembali dan bercampur dengan air laut yang belum berevaporasi

3. Proses evaporasi lambat karena air laut dipanaskan pada tekanan atmosfer

Gambar 2.2. Solar Still Sederhana

2.2.2 Solar Desalinasi Humidifikasi-Dehumidifikasi

Ide utama dibalik proses solar humidification-dehumidification adalah uap saturasi dapat membawa udara dengan kapasitas yang semakin banyak dengan meningkatnya temperatur. Air laut akan melalui pemanasan awal sebelum disemprotkan ke dalam evaporator. Pemanasan terjadi pada dua fluida, yakni air laut dan angin. Pemanasan pada angin bertujuan untuk disirkulasikan ke dalam ruang evaporator - kondensor. Sesuai dengan ide utama sistem ini, udara panas membawa uap dari pemanasan air laut ke ruang kondensor yang berada tepat di

Sea Water Tank

Basin

Brine Tank Fresh Water Tank

Solar Radiation

Glass

(49)

sebelah ruang evaporator untuk dikondensasikan. Air laut yang tidak berevaporasi akan langsung jatuh ke tempat penampungan konsentrat garam (Parekh dkk,

2004). Gambar 2.3 menunjukkan sistem desalinasi surya humidifikasi –

dehumidifikasi.

Kelebihan sistem desalinasi humidifikasi-dehumidifikasi :

1. Efektif dalam memproduksi air bersih

2. Sangat cocok dioperasikan untuk kapasitas rendah

3. Konsentrat garam yang masih mengandung air dapat diproses ulang

Kelemahan sistem desalinasi humidifikasi – dehumidifikasi :

1. Konstruksi yang kompleks

2. Air laut yang tidak berevaporasi dibiarkan jatuh bebas ke tempat

penampungan dapat menimbulkan percikan air sehingga memungkinkan terkontaminasi konsentrat garam ke air bersih jika isolasi tidak baik

3. Meskipun menggunakan energi surya sebagai sumber pemanas, sistem

masih menggunakan energi listrik untuk mensirkulasikan udara dan air laut

Gambar 2.3. Sistem Desalinasi Surya Humidifikasi – Dehumidifikasi

Hot Air

Evaporator

Air in Solar Air Heater

Blower Hot Air Inlet

Brine Out

Brine Storage Tank

Solar Water Heater

Preheated Sea Water Hot Sea Water

Distillate Tank

Brine Recycle

Pump Dehumidified Air Outlet

Saline Water Tank

Sea Water In

(50)

2.2.3 Solar Chimney

Solar Chimney mengkonversikan energi termal surya ke energi kinetik yang akan dikonversikan menjadi energi listrik dengan menggunakan turbo-generator. Komponen-komponen utama dalam solar chimney adalah diameter kolektor surya yang besar, turbin, generator dan cerobong (chimney) yang tinggi. Penggunaan kolektor terutama kaca atau lembaran plastik yang berperan sebagai rumah kaca akan menjebak panas dan menyebabkan pemanasan pada ruang dibawah kolektor sehingga terjadi perbedaan temperatur antara udara lingkungan dan udara di dalam sistem yang menyebabkan udara panas mengalir melalui cerobong. Energi kinetik dari udara yang mengalir menyebabkan turbin yang dipasang dibawah cerobong berotasi dan menghasilkan daya (Sangi, 2012)

Kelebihan sistem desalinasi solar chimney :

1. Laju produksi air bersih yang tinggi

2. Dapat menghasilkan daya selain air bersih

3. Biaya produksi air bersih yang lebih rendah

Kelemahan sistem desalinasi solar chimney :

1. Konstruksi sistem kompleks

2. Biaya turbin dan kolektor surya yang mahal karena dibutuhkan kolektor

yang sangat besar

3. Perawatan sistem sangat sulit dan mahal

Gambar 2.4. Instalasi Sistem Desalinasi Solar Chimney pada Air Laut

Condensate Tank Condensate Pump

Condenser

Air In Sea Water

Transparent Plastic or Glass Cover

SUN

Chimney

Humid Hot Air

Wind Turbine

Solar Radiation Solar Radiation

(51)

2.2.4. Solar Multi Stage Flash Desalination

Dalam sistem desalinasi Multi-Stage Flash, air laut pengumpan

dipanaskan diatas temperatur saturasi dalam pemanas konsentrat garam dan mengalami perubahan fasa secara cepat dalam bak tekanan rendah yang dipertahankan dengan menggunakan pompa vakum. Konsentrat garam yang dibuang keluar dari tingkat sebelumnya diperbolehkan untuk berubah fasa pada tingkat berikutnya dan uap dibentuk di setiap tingkat dikondensasikan dengan menggunakan kondensor dimana air laut masuk telah dipanaskan terlebih dahulu (Manjarrez dkk, 1979)

Kelebihan solar multi stage flash desalination :

1. Laju produksi air bersih yang sangat tinggi

2. Pemanasan yang cepat sehingga tidak memakan banyak energi panas dari

kolektor surya

3. Adanya tangki penyimpan kalor yang dapat menyuplai energi panas

selama 24 jam

Kelemahan solar multi stage flash desalination :

1. Konstruksi sistem yang kompleks

2. Tangki penyimpan kalor (Thermal Energy Storage) dan pompa vakum

mahal

3. Perawatan sulit dan mahal

Gambar 2.5. Sistem Desalinasi Solar Multi Stage Flash

Brine

Saline Water Tank

Saline Water Destilate Tank

Pump Condenser Preheated Feed Water

Solar Field

Thermal Energy Storage

Heat Transfer Field

Thermic Fluid Boiler

(52)

2.2.5. Solar Multi Effect Distillation

Unit Multi-Effect Distillation (MED) terdiri dari bak-bak dimana secara umum disebut efek yang dipertahankan pada tekanan rendah dengan pompa vakum. Panas yang dibutuhkan untuk mengevaporasi air laut pada efek pertama disuplai dari kumpulan kolektor surya atau dengan pembakaran bahan bakar fosil dan uap yang dibentuk digunakan untuk memanaskan air laut pengumpan pada efek selanjutnya. Sehingga, panas laten yang diproduksi uap air pada efek sebelumnya dapat digunakan seluruhnya di efek selanjutnya pada MED (Mezher dkk, 2011)

Kelebihan solar multi effect distillation :

1. Proses pemanasan dilakukan secara bertingkat, sehingga tidak ada

konsentrat garam yang terkandung dalam air bersih

2. Sistem dapat diperbanyak dengan menambah efek

3. Laju produksi air bersih tinggi

Kelemahan solar multi effect distillation :

1. Proses pemvakuman menggunakan pompa vakum dimana pada pasaran

pompa vakum sangat mahal

2. Masih menggunakan energi listrik pada sistem

3. Konstruksi sistem mahal dan kompleks

Gambar 2.6. Solar Multi Effect Distillation

To Vacuum To Vacuum To Vacuum Preheated Feed Water

Saline Water Tank

Destillste Tank Destillate

Pump Condenser

Brine Solar Cell

(53)

2.2.6 Desalinasi Kompresi Uap

Dalam Desalinasi Kompresi Uap, air laut pengumpan dipanaskan oleh sumber panas eksternal dan berubah fasa menjadi uap, sehingga uap yang diproduksi akan dikompres menggunakan Mechanical Vapor Compressor (MVC) atau Thermo Vapor Compressor (TVC) untuk meningkatkan tekanan kondensasi dan temperatur uap dan uap terkompresi digunakan untuk memanaskan air pengumpan pada tingkat yang sama maupun tingkat yang lain (Helal dkk, 2006) Kelebihan sistem desalinasi kompresi uap :

1. Pemanasan menggunakan pemanas air listrik sehingga perawatannya lebih

mudah

2. Konstruksi sistem yang sederhana

3. Air bersih tidak akan terkontaminasi dengan air laut di kondensor

Kelemahan sistem desalinasi kompresi uap :

1. Komponen sistem yakni pompa dan kompresor mahal

2. Masih menggunakan enegi listrik yang tidak sedikit

3. Tidak cocok dalam memproduksi air bersih untuk skala kecil

Gambar 2.7. Sistem Desalinasi Kompresi Uap Mekanik

Condenser

Destillate Tank Saline Water Tank Pump

Brine Tank Brine Out Compressor

External power Source Electic Heater

Hot Saline Water

Heated Vapor Vapor

(54)

2.2.7 Freeze Desalination

Desalinasi beku adalah teknik di mana air laut dibiarkan untuk didinginkan di bawah titik beku, sehingga kristal es dari air bersih yang terbentuk di permukaan. Ketiga jenis desalinasi beku adalah desalinasi beku kontak lansung, desalinasi beku kontak tidak langsung dan desalinasi beku operasi vakum (Rane dkk, 2011). Dalam proses desalinasi beku kontak langsung cairan refrigeran (biasanya n-butana) dicampur langsung dengan air laut pengumpan dalam pembeku sehingga panas dari air laut akan diserap oleh refrigeran menghasilkan pembentukan kristal es yang kemudian dipisahkan dan dimurnikan untuk mendapatkan air bersih dalam bentuk kristal es. Proses desalinasi beku seperti ini membutuhkan rasio tekanan rendah, untuk mencapai rasio tekanan ini dengan kompresor konvensional tidak ekonomis, sehingga dewasa ini mengarah pada pengembangan refrigeran kompresor hidrolik. Kompresor pendingin hidrolik tidak menggunakan minyak pelumas karena dapat mengkontaminasi kristal es. Ukuran dari alat pencairan dan pembersihan dapat diperkecil dengan memperkecil jumlah dalam air sehingga biaya dan ukuran sistem dapat diperkecil dan dapat digunakan untuk tujuan irigasi di daerah yang mengalami kelangkaan air bersih (Rice dkk, 1997). Dalam desalinasi beku kontak tak langsung, pendingin dan air laut yang tidak dicampur satu sama lain, mereka dipisahkan dalam bentuk kristal oleh permukaan perpindahan panas dan es yang terbentuk dalam sistem ini kemudian dikerok dari permukaan perpindahan panas (Rane dkk, 2011). Dalam sistem desalinasi beku vakum, air laut umpan didinginkan di bawah three point dengan mengurangi tekanan untuk menghasilkan masing-masing es dan uap. Es yang terbentuk dikumpulkan dan uap yang dihasilkan dikompresi dan kondensasi di ruang beku. Metode ini membutuhkan kompresor ukuran besar karena volume spesifik uap air yang tinggi dan dikenal dengan vacuum vapors compression freeze desalination.

Kelebihan Freeze Desalination :

1. Efisiensi sistem desalinasi sangat tinggi

2. Konstruksi mudah

(55)

Kelemahan Freeze Desalination :

1. Sistem masih menggunakan energi listrik

2. Perawatan sistem sulit

3. Membutuhkan kompresor yang besar sehingga biaya konstruksi sistem

mahal

Gambar 2.8. Desalinasi Beku menggunakan Auto Reversed Vapor Compression Heat Pump

2.2.8 Desalinasi Adsorpsi

Sistem utama desalinasi adsorpsi terdiri dari evaporator, dudukan adsorpsi (silica atau zirconia) dan kondensor. Dudukan adsorpsi disuplai dengan air panas atau pendingin sesuai kebutuhan. Air laut yang menguap di evaporator diserap oleh dudukan dengan dipertahankan pada suhu rendah oleh sirkulasi air pendingin. Uap air terperangkap di dudukan dipulihkan oleh sirkulasi air panas, uap air terjebak di dalam dudukan dipulihkan oleh sirkulasi air panas, uap air yang telah dipulihkan dikondensasikan dalam kondensor dan hasil kondensasi berkualitas tinggi karena distilasi ganda. Untuk sistem dua dudukan, adsorpsi berlangsung di satu dudukan dan Desorpsi berlangsung di dudukan lain secara bersamaan (Wu dkk, 2010)

Fresh Water Brine Water Waste Washing Water Line

Brine Fresh Water

B A

Evaporator or Condenser Evaporator or

Condenser

Solar PV or Thermal Powered Compressor Unit

Solenoid Controlled Valve Reversing Unit Throttling Valve Sea Water Tank Saline Water

(56)

Kelebihan sistem desalinasi adsorpsi :

1. Laju produksi air bersih yang tinggi

2. Air bersih yang dihasilkan berkualitas tinggi karena melalui distilasi ganda

3. Air bersih tidak mungkin terkontaminasi oleh konsentrat garam

Kelemahan sistem desalinasi adsorpsi :

1. Konstruksi yang kompleks dan mahal karena memerlukan distilasi ganda

2. Perawatan sistem sulit

3. Masih menggunakan energi listrik (pompa) untuk mensirkulasikan air

dingin dan air panas

Gambar 2.9. Sistem Desalinasi Adsorpsi

2.2.9 Desalinasi Osmosis Terbalik Tenaga Surya

Dalam desalinasi RO (Reverse Osmosis) tenaga surya, energi mekanik

yang dihasilkan oleh aliran fluida organik secara langsung digunakan untuk menjalankan unit RO dan pompa tekanan tinggi. Unit desalinasi RO surya thermal adalah teknologi yang lebih menjanjikan, setiap perkembangan teknologi RO akan berguna untuk mengembangkan teknologi RO berdasarkan sistem panas matahari. Menggabungkan unit RO dengan siklus Rankine tenaga surya dapat

Brine Tank Ambient Temperatur Water Saline Water

V1 V2

Warm Water Out Warm Water Out

Cold water In Hot water In

Adsorption Process

Desorption Process BED 1 BED 2

V3 V4

Chilled Water Warm Water

Desalinated Water

Destillate Tank Condenser

Pump Chilled Water Evaporator

(57)

memotong emisi CO2 dan mengakibatkan penghematan lingkungan dengan selisih

sedikit tambahan biaya modal (Salcedo dkk, 2012)

Kelebihan Desalinasi Osmosis Terbalik Tenaga Surya Termal :

1. Adanya tangki penyimpan kalor yang dapat menyimpan energi termal

selama 24 jam

2. Proses pemanasan sangat cepat karena dibantu oleh boiler

3. Adanya kolektor surya dalam jumlah banyak dapat menyuplai baik energi

termal mauun energi listrik yang dibutuhkan sistem Kelemahan Desalinasi Osmosis Terbalik Tenaga Surya Termal :

1. Sistem membutuhkan daya listrik yang besar karena adanya boiler dan dua

pompa bertekanan tinggi

2. Perawatan sistem yang sulit

3. Konstruksi kompleks dan mahal

Gambar 2.10. Unit Desalinasi Reverse Osmosis Bertenaga Siklus Rankine Organik Surya

Saline Water Tank Saline Water

Condenser Solar Organic Rankine Cycle Organic Fluid

Turbine

High Pressure Pump

RO Module

Fresh Water Brine

Brine Tank Fresh Water Tank Heat Transfer Fluid

Thermal Energy Storage

Boiler

Solar Field

(58)

2.2.10 Elektrodialisis Tenaga Surya (ED)

Elektrodialisis (ED) adalah proses penghilangan garam dari air laut dan unit ED terdiri dari sejumlah besar ruangan diisi dengan air laut dan dipisahkan oleh membran pertukaran kation dan anion. Ketika polaritas DC diterapkan melalui katoda dan anoda, ion negatif melewati membran pertukaran anion dan ion positif melewati membran pertukaran kation dan ion-ion ini akan terakumulasi dalam ruangan khusus dan dibuang sebagai konsentrat garam. Pembalikan polaritas biasanya diikuti setiap 20 menit untuk mencegah pengendapan garam di membran (Charcosset dkk, 2009)

Kelebihan Elektrodialisis :

1. Tidak adanya penggunaan kalor untuk pemanasan air laut, kolektor surya

disini digunakan untuk membangkitkan arus listrik DC

2. Tidak ada kemungkinan kontaminasi konsentrat garam ke air bersih

karena melalui banyak membran

3. Laju produksi air bersih tinggi

Kelemahan Elektrodialisis :

1. Membran sangat mahal

2. Membutuhkan energi listrik yang besar untuk disuplai pada pompa dan

unti elektrodialisis

3. Perawatan sistem sulit dan mahal

Gambar 2.11. Prinsip Kerja Unit Elektrodialisis

Saline Water Tank Pump

Fresh Water Tank Brine Tank

Saline Water

Anode Cathode

CEM AEM CEM AEM CEM

AEM

- Cation Exchange Membrane - Anion Exchange Membrane

(59)

2.2.11 Distilasi Membran Tenaga Surya (MD)

Distilasi membran adalah proses pemisahan yang mana hanya uap yang diperbolehkan untuk melewati poros membran hidrofobik. Pemisahan ini dapat terjadi karena perbedaan tekanan uap antara permukaan membran. Ada empat

jenis proses distilasi membran yaitu membran distilasi celah udara, sweeping gas

distillation, membran distilasi kontak langsung dan membran distilasi vakum. Di

semua proses ini larutan panas umpan berkontak langsung dengan permukaan membran (Qtaishat dkk, 2012). Penjelasan tentang keempat jenis proses distilasi membran dapat dilihat pada diagram berikut.

Gambar 2.12. Tipe Proses Distilasi Membran

Destilasi Membran Kontak Langsung

 larutan umpan panas dan permeat

dingin akan berada dalam kontak langsung dengan membrane

 kondensasi uap terjadi dalammodul

membran

 panas hilang secara konduksi

Destilasi Membran Celah Udara

 Kehadiran celah udara antara membran dan permukaan kondensat

 kondensasi uap terjadi di dalam sel membran setelah melintasi celah

 Pengurangan panas hilang secara konduksi

 adanya udara meningkatkan resistensi perpindahan massa

Destilasi Membran gas Menyapu

 gas menyapu digunakan untuk

menyapu uap di sisi membran permeat

 kondensasi terjadi di luar modul

membrane

 Pengurangan panas hilang secara

konduksi

 perpindahan massa ditingkatkan

Destilasi Membran Vakum

 vakum dibuat dalam sisi membran permeat

 kondensasi terjadi di luar modul membran

 kehilangan panas oleh konduksi diabaikan

(60)

Gambar 2.13. Unit distilasi membran bertenaga surya

2.2.12 Forward Osmosis (FO)

Forward Osmosis adalah sebuah proses di mana molekul air dari air laut bergerak melalui membran semi permeabel terhadap larutan seimbang yang mana umumnya pada konsentrasi yang lebih tinggi daripada larutan umpan. Utamanya FO menggunakan gradien tekanan osmotik dan bukan gradien tekanan hidrolik (Cath dkk, 2006).

Kelebihan Forward Osmosis :

1. Konstruksi sederhana

2. Perawatan mudah yaitu cukup dengan mengganti membran semi

permeabel

3. Laju produksi air bersih yang tinggi

Kelemahan Forward Osmosis :

1. Membran semi permeabel yang mahal

2. Kontaminasi konsentrat garam ke air bersih bergantung pada efektivitas

membran semi permeabel

3. Usia membran semi permeabel singkat

Saline Water Tank Pump

Distillate

Brine Membrane

Condensate Solar Collector Field

(61)

Gambar 2.14. Unit Forward Osmosis

2.2.13 Sistem Desalinasi Vakum Natural Tenaga Surya

Dalam sistem desalinasi, uap air bersih dapat diproduksi dari air laut pada tekanan operasi yang rendah jika vakum telah disediakan oleh pompa vakum, akan tetapi hal ini akan mengkonsumsi lebih banyak daya. Konsumsi energi listrik dapat dikurangi atau ditiadakan dengan memvakumkan ruangan secara alami, artinya dengan menggunakan gaya gravitasi yang diikuti oleh jatuhnya air dibawah gravitasi sehingga membentuk vakum pada ketinggian 10,34 meter.

Gambar 2.15. Sistem Desalinasi Vakum Natural Tenaga Surya

Sea Water Tank

Fresh Water Tank Fresh Water

Solar Radiation

Draw Solution Brine Tank

Semi Permeable Membrane Sea Water

Condensate Brine

Saline Water

Saline Water Tank Solar Heating System

Evaporator

C o n d e n s e r

(62)

2.3 Pemodelan Matematik Sistem

Pada subbab ini akan dijelaskan pemodelan matematis dari setiap komponen yang ada dalam desalinasi sistem vakum. Pemodelan matematis yang akan dibahas adalah pada evaporator, sumber panas (heat source), alat penukar

kalor tube in tube, dan kondensor. Pembahasan akan lebih sederhana apabila telah

ditetapkan beberapa asumsi, antara lain :

1. Kapasitas panas di evaporator dan kondensor diabaikan

2. Temperatur pada masing-masing komponen adalah seragam atau tidak ada

variasi temperatur di evaporator dan kondensor

3. Sumber panas menggunakan pemanas listrik agar suplai panas ke

evaporator merata dan tidak mengganggu perhitungan konfigurasi evaporator dan kondensor

4. Aliran fluida dalam sistem diasumsikan laminar karena kecepatan fluida

kerja baik dalam alat penukar kalor, evaporator dan kondensor sangat kecil

5. Kenaikan konsentrasi air laut dalam evaporator sangat kecil sehingga

dapat diabaikan

6. Efek radiasi diabaikan

7. Panas hilang secara konveksi natural

8. Ketinggian air laut dalam evaporator konstan

2.3.1 Analisis pada Evaporator

Pada subbab 2.1 telah dijelaskan bahwa fungsi dari evaporator adalah sebagai ruang pemanasan air laut hingga sejumlah air laut dapat menjadi air bersih. Air laut akan masuk ke evaporator dari pipa pengumpan pada laju aliran

massa yang disimbolkan m_i[kg/s]. Kemudian akan terjadi penguapan dengan laju

m [kg/s] yang akan mengalir dalam bentuk uap dan masuk ke kondensor.

Sebagai sisanya akan terbentur air garam yang akan keluar dari evaporator dengan

laju m_w [kg/s]. Pada saat terjadi penguapan diperlukan panas untuk menyuplai

panas laten penguapan. Panas ini akan diambil dari elemen pemanas dengan daya

(63)

Gambar 2.16 Diagram Aliran Massa pada Evaporator

Penerapan hukum kekekalan massa diberikan oleh persamaan berikut :

 

V s iVi wVw eVe

d _ __ _ __ _ __ _

(2.1)

Dimana V [m3] adalah volume air laut di evaporator, dan V[m3/s] laju aliran

volume pada masing-masing sisi masuk dan sisi keluar evaporator. Akibat adanya penguapan, maka konsentrasi garam di dalam evaporator akan bertambah. Jika

konsentrasi dinyatakan dengan C[%], maka perubahan konsentrasi garam di

dalam tabung evaporator dapat dinyatakan dengan:



  

s C iVi

 

C sVw

d _ _ _ _ _ _ _

(2.2)

Dimana huruf s menyatakan sea water yang ada di evaporator.

Hukum kekekalan energi pada evaporator dapat didefenisikan sebagai banyaknya panas yang masuk dikurangi dengan panas yang keluar akan digunakan untuk menaikkan temperatur fluida di evaporator. Dalam bentuk persamaan menjadi:



CpVT



_s Qin



CpT

 

_iVi CpT



_sVw Qe Qloss

d _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

(2.3)

(64)

Laju penguapan (evaporasi) dari air laut di dalam evaporator (dinyatakan dengan

huruf "s") ke dalam air murni di kondensor (dinyatakan dengan huruf "f") dapat

dirumuskan dengan menggunakan persamaan berikut:









_        

 ₀_,₅ ₀_,₅

273 ) ( 273 ) ( ) ( f f s s s f m s e T T P T T P C f A V    _(2.4)

Dimana A_s adalah luas permukaan air yang ada di evaporator. Parameter _m

adalah koefisien empirik yang diperoleh dengan cara eksperimen, nilainya

6 7

10 _m   [kg/m2.Pa.s.K0,5] (Bemporad, 1995). Tekanan uap sebagai fungsi

temperatur dapat dirumuskan dengan persamaan:

63,042 7139,6 ( 273) 6,2558ln( 273)

100 )

(

T





e

 T  T

P

[Pa] (2.5)

Pada persamaan (4), f(C) adalah faktor koreksi yang dihitung dengan

menggunakan persamaan:

C C

f( )11 (2.6)

Dimana ₁0,0054 [tanpa dimensi] adalah koefisien empirik. Pada persamaan

(2.4), laju penguapan juga dipengaruhi oleh massa jenis fluida. Sementara massa jenis juga dipengaruhi oleh konsentrasi dan temperatur fluida, yang dirumuskan dengan



0 0



) ,

(T C  _TT _CC

 (2.7)

Dimana _T 5104/oC adalah koefisien ekspansi thermal volumetrik dan

8 

 C

 /% adalah koefisien ekspansi larutan (Al-Kharabsheh dan Goswami,

2004).

Panas jenis air laut juga merupakan fungsi dari temperatur dan konsentrasi dan dapat dirumuskan dengan persamaan (Mamayev, 1975):



4 2 2



10 5261 , 3 0162 , 0 0049 , 1 4186 ) ,

(T C C C AT BT

(65)

Konstanta A dan B dirumuskan dengan

4 2 10 ) 07765 , 0 4795 , 1 2506 , 3 (     

 C C

A dan,

6 2 10 ) 0612 , 0 2084 , 1 8013 , 3 (    

 C C

B (2.9)

Laju panas penguapan di evaporator pada persamaan (2.4), dapat dihitung dengan menggunakan persamaan:

e s fg f

e h T V

Q  ( ) (2.10)

Dimana h_fg(T_s) adalah panas laten penguapan air laut, yang dapat dihitung

dengan persamaan (Incropera dan DeWitt, 1996): )] 273 ( 36 , 2 3146 [ 1000 )

( _s    _s 

fg T T

(2.11) Untuk pengujian dengan suplai panas konstan, panas hilang dari evaporator dapat diasumsikan sebagai konveksi natural. Dalam perhitungan ini radiasi diabaikan, dan panas hilang diasumsikan dari tiga bagian, yaitu kerucut (atas), dinding, dan alas evaporator. Setiap bagian memiliki koefisien konveksi yang berbeda-beda. Panas hilang dari konduksi antara pipa outlet uap ke pipa kondensor diabaikan karena terdapat insulasi panas berbahan karet.

Panas hilang dari alas evaporator ke lingkungan dapat dihitung dengan persamaan:

(2.12)

Koefisien perpindahan panas konveksi natural diberikan dengan persamaan :

(2.13)

dengan RaL adalah bilangan tanpa dimensi Rayleigh diberikan dengan :

(2.14)

(66)

(2.15)

dimana As dan p masing-masing adalah luas alas evaporator dan keliling evaporator.

Panas hilang dari sisi dinding diberikan dengan persamaan :

(2.16)

dimana rins,o dan ls masing-masing merupakan radius dari pusat evaporator ke permukaan luar dari insulasi dan tinggi dinding evaporator.

Koefisien perpindahan panas konveksi natural dari sisi dinding evaporator diberikan oleh :

(2.17)

Bagian atas dari evaporator dibentuk seperti kerucut terpotong dimana dapat

dianggap sebagai plat miring dengan sudut kemiringan θ. Panas hilang dari bagian

tersebut dapat dihitung dengan rumus :

(2.18)

Koefisien perpindahan panas konveksi natural pada bagian atas evaporator dihitung dengan :

_(2.19)

2.3.2 Analisis Alat Penukar Kalor Tube in Tube

Pada saat air garam turun atau keluar dari evaporator temperaturnya masih relatif tinggi. Sementara air laut yang baru yang ditarik naik ke evaporator temperaturnya juga masih relatif rendah. Panas yang terbawa bersama aliran

(67)

garam akan diambil kembali (heat recovery) dengan menggunakan sebuah Alat

Penukar Kalor pipa annulus, seperti Gambar 2.16 berikut.

0 T i T i m w m w T i D o D 0 0 i p po

c mC VC

C    

ps w s ps w

h m C V C

C     

 Jika Cc > Ch

 Jika Cc < Ch

h c r C C C  c h r C C C  l

Gambar 2.17 Alat Penukar Kalor sebagai Heat Recovery

Perpindahan panas pada Alat Penukar Kalor ini dapat dirumuskan dengan

menggunakan persamaan efektifitas ().



₀



min T T C

q_r  _w (2.20)

Efektivitas untuk APK pipa ganda sepusat dirumuskan dengan







(1 )



exp 1 ) 1 ( exp 1 r r r C NTU C C NTU         (2.21)

Dimana NTU adalah Number of Transfer Unit dan C_r adalah perbandingan

kapasitas panas kedua fluida. Kedua persamaan ini dirumuskan masing-masing sebagai berikut:

min C

NTU (2.22)

max min C C

C_r  (2.23)

Untuk menentukan aliran fluida mana (air laut yang naik atau air garam yang turun) yang minimum, maka kedua nya harus dibandingkan terlebih dahulu.

(68)

Perkalian koefisien perpindahan panas menyeluruh dengan luas bidang perpindahan panas untuk pipa ganda sepusat dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut.





0 0 0 1 2 ln 1 1 lh D kl D D lh D UA i i

i  

  

 (2.24)

Semua dimensi pada persamaan ini sudah ditampilkan pada Gambar 2.16 Sementara untuk koefisien perpindahan panas di luar pipa dalam diantara kedua pipa (annulus) dapat dihitung dengan metode berikut (Incropera dan DeWitt, 1996).

Jika aliran adalah laminar, yang dinyatakan dengan bilangan Reynolds berikut:

2300 ) ( 25 , 0 ) (

Re ₂ ₂

0 0      i w s i D D D V D D      (2.25)

Maka Bilangan Nusselt diantara annulus merupakan fungsi perbandingan diameternya dan dapat dipilih dari Tabel 2.1.

Tabel 2.1. Bilangan Nu di dalam pipa annulus aliran laminar

0 D

Di 0,05 0,1 0,25 0,5 1

Nu 17,46 11,56 7,37 5,74 4,86

Tetapi jika aliran adalah turbulent ReD2300 maka koefisien di dalam annulus

akan sama dengan di dalam pipa dan persamaan berikut dapat digunakan :

4 , 0 8 , 0 Pr Re 023 , 0 _D k hD

Nu  (2.26)

Setelah semua parameter ini dihitung, maka temperatur air laut masuk ke evaporator dapat dihitung.

0 0 0 T C V Q T p i h

(69)

2.4 Evaporative Cooling

Fenomena yang terjadi pada evaporator untuk mengevaporasikan sejumlah fluida kerja bukan hanya bergantung pada pemanas air listrik, namun lebih

bergantung pada fenomena evaporative cooling.

Untuk lebih memahami mekanisme evaporative cooling, bayangkan

evaporasi air dari kolam renang ke udara. Asumsikan air dan udara bertemperatur sama pada kondisi awal. Jika udara bersaturasi (humiditas relatif 100%), maka tidak akan ada perpindahan panas atau massa selama kondisi isotermal terjadi. Namun apabila udara tidak bersaturasi (humiditas relatif < 100%), maka akan ada perbedaan diantara konsentrasi uap air pada lapisan antara uap air dan udara (yang mana selalu tersaturasi) dan posisi di atas lapisan tersebut (lapisan batas konsentrasi). Perbedaan konsentrasi adalah gaya penggerak untuk perpindahan massa, dan oleh karena itu perbedaan konsentrasi ini akan menggerakkan air ke udara. Akan tetapi air harus berevaporasi terlebih dahulu, dan untuk berevaporasi air membutuhkan panas laten evaporasi. Pada kondisi awal, seluruh panas

penguapan berasal dari air di dekat lapisan uap air – udara karena tidak ada

perbedaan temperatur diantara air dan sekitarnya sehingga tidak mungkin ada perpindahan panas. Temperatur air yang dekat dengan permukaan harus turun sebagai akibat kehilangan panas sensibel, dimana juga menurunkan tekanan

saturasi sehingga terbentuk uap air pada lapisan air – udara.

Penurunan temperatur ini membentuk perbedaan temperatur pada bagian atas air dan juga diantara air dan udara sekitarnya. Perbedaan temperatur ini akan menyebabkan perpindahan panas ke permukaan air dari udara dan bagian lebih dalam dari air, seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.19. Jika laju evaporasi tinggi dan kebutuhan panas penguapan lebih tinggi daripada jumlah panas yang dapat disuplai dari bagian bawah air dan sekitarnya, kekurangan panas akan disuplai oleh panas sensibel air pada permukaan, yang menyebabkan temperatur air pada permukaan akan jatuh lebih jauh. Fenomena ini akan berlangsung secara kontinu hingga panas laten penguapan sama dengan laju perpindahan panas ke air pada permukaan. Saat kondisi tetap tercapai dan temperatur lapisan telah stabil,

(1)

Gambar 3.5 Panel Thermocontrol ... 36

Gambar 3.6 Termokopel ... 37

Gambar 3.7 Agilent ... 38

Gambar 3.8 Laser Distance Meter Extech DT300 ... 39

Gambar 3.9 Skema Pengujian Desalinasi ... 42

Gambar 3.10 Diagram Alir Analisis ... 43

Gambar 4.1 Koding Perhitungan Persamaan Diskretisasi ... 46

Gambar 4.2 Koding Perhtungan Perpindahan Panas pada Evaporator . 47 Gambar 4.3 Koding Perhitungan Alat Penukar Kalor ... 48

Gambar 4.4 Kenaikan Temperatur pada Menit Pertama ... 49

Gambar 4.5 Kenaikan Temperatur pada Menit Kedua ... 50

Gambar 4.6 Kenaikan Temperatur pada Menit Ketiga ... 51

Gambar 4.7 Kenaikan Temperatur pada Menit Keempat ... 52

Gambar 4.8 Kenaikan Temperatur pada Menit Kelima ... 53

Gambar 4.9 Kenaikan Temperatur pada Menit Keenam ... 54

Gambar 4.10 Kenaikan Temperatur pada Menit Ketujuh ... 55

Gambar 4.11 Kenaikan Temperatur pada Menit Kedelapan ... 56

Gambar 4.12 Kenaikan Temperatur pada Menit Kesembilan ... 57

Gambar 4.13 Kenaikan Temperatur pada Menit Kesepuluh ... 58

Gambar 4.14 Posisi Termokopel Agilent Channel 111 ... 59

Gambar 4.15 Hasil Pengujian Tanggal 12 November 2015 ... 60

Gambar 4.16 Hasil Pengujian Tanggal 13 November 2015 ... 60

Gambar 4.17 Hasil Pengujian Tanggal 14 November 2015 ... 61

Gambar 4.18 Hasil Pengujian Tanggal 16 November 2015 ... 61

Gambar 4.19 Hasil Pengujian Tanggal 17 November 2015 ... 62

(2)

x Gambar 4.21 Grafik Hasil Pengujian vs Hasil Analisa Teoritis ... 66

(3)

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Bilangan Nu di dalam Pipa Annulus Aliran Laminar ... 28 Tabel 4.1 Data Input Analisa Teoritis ... 44 Tabel 4.2 Perbandingan Data Temperatur Hasil Pengujian dan

(4)

DAFTAR NOTASI

V Laju Aliran Volume (m3/s) C Konsentrasi (g/kg)

Cp Panas Jenis (J/kg K) T Temperatur (K)

Q Laju Perpindahan Panas (Watt) A Luas Permukaan (m2)

f(C) Faktor Koreksi (W/m2oC)

P Tekanan (Pa)

hfg Panas Laten Penguapan Air Laut (J/kg)

h Koefisien Perpindahan Panas Konveksi (W/m2 K) Nu Bilangan Nusselt (tanpa dimensi)

RaL Bilangan Rayleigh (tanpa dimensi) l Panjang Karakteristik (m)

p Perimeter (m)

r Radius / Jari-Jari (m)

ls Tinggi Dinding Evaporator (m) Pr Bilangan Prandtl (tanpa dimensi)

Cc Kapasitas Panas Air Laut Masuk Evaporator (kg m2/s2)

(5)

xii Cr Perbandingan Kapasitas Panas Air Laut dan Konsentrat Garam (tanpa

dimensi)

m _{Laju Aliran Massa (kg/m}3 )

NTU Number of Transfer Unit (tanpa dimensi)

UA Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh (W/m2K)

D Diameter (m)

k Konduktivitas Thermal (W/mK) ReD Bilangan Reynold

Huruf Yunani

μ Viskositas Dinamik Fluida (N s/m2)

ε Efektivitas untuk Alat Penukar Kalor (tanpa dimensi)

θ Sudut Kemiringan (o)

α1 Koefiisen Empirik Faktor Koreksi (=0.0054, tanpa dimensi)

βT Koefisien Ekspansi Thermal Volumetrik (=5*10-4 /oC)

βC Koefisien Ekspansi Larutan (=8*10-3/%)

ρ Massa Jenis (kg/m3)

αm Koefisien Empirik Laju Penguapan (=10

-7

- 10-6kg/m2.Pa.s.K0,5)

Subskrip

s Seawater dalam Evaporator, Surface

i Inlet

w Withdrawal (Konsentrat Garam Keluar Evaporator) e Evaporasi (Air yang Berevaporasi dalam Evaporator)

(6)

xiii

in Masuk

loss Kehilangan Panas

f Fresh Water (Air Bersih) 0 Kondisi Awal (Sebelumnya) bottom Bagian Bawah (Alas Evaporator) A Ambien (Lingkungan)

side Bagian Sisi (Dinding Evaporator)

ins,o Dari Pusat Evaporator ke Luar Permukaan Insulasi top Bagian Atas (Kerucut Evaporator)

min Minimum

max Maksimum

o Outlet