Pompa air energi termal dengan evapator 22 cc dan pemanas 266 watt - USD Repository

POMPA AIR ENERGI TERMAL DENGAN EVAPORATOR

22 CC DAN PEMANAS 266 WATT

  Tugas Akhir Diajukan untuk Memenuhi Salah Satu Syarat

  Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi

  Disusun oleh : Errie Noviyandhika Antonius

  NIM : 035214038

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA 2009

POMPA AIR ENERGI TERMAL DENGAN EVAPORATOR

22 CC DAN PEMANAS 266 WATT

  i

  Tugas Akhir Diajukan untuk Memenuhi Salah Satu Syarat

  Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi

  Disusun oleh : Errie Noviyandhika Antonius

  NIM : 035214038

  

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

2009

  

THERMAL ENERGY WATER PUMP WITH 22 CC EVAPORATOR AND

266 WATTS HEATER

FINAL PROJECT

  Presented as partitial fulfilment of the requirement to obtain the Sarjana Teknik degree in Mechanical Engineering

  Composed by Errie Noviyandhika Antonius Student Number : 035214038

  

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

2009

  ii iii

iv

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA

  Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa Tugas Akhir yang saya tulis ini, tidak memuat karya atau bagian karya orang lain, kecuali yang telah disebutkan dalam kutipan dan daftar pustaka, sebagaimana layaknya karya ilmiah.

  Yogyakarta, 10 September 2009 Errie Noviyandhika Antonius v

  

PERNYATAAN PERSETUJUAN

PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

  Yang bertanda tangan dibawah ini, saya mahasiswa Universitas sanata Dharma : NAMA : Errie Noviyandhika Antonius NIM : 035214038

  Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah saya yang berjudul : .......................................POMPA AIR ENERGI TERMAL.....................................

  .............DENGAN EVAPORATOR 26 CC DAN PEMANAS 266 WATT............. beserta perangkat yang diperlukan (bila ada). Dengan demikian saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma hak untuk menyimpan, mengalihkan dalam bentuk media lain, mengelolanya dalam bentuk pangkalan data, mendistribusikan secara terbatas, dan mempublikasikanya di internet atau media lain untuk kepentingan akademis tanpa perlu meminta ijin dari saya maupun memberikan royalti kepada saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis. Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya-benarnya.

  Yogyakarta, 10 September 2009 yang menyatakan, Errie Noviyandhika Antonius vi

  

ABSTRAK

  Air merupakan kebutuhan hidup sehari-hari manusia, baik digunakan sebagai air minum, memasak maupun mencuci. Saat ini masih terdapat daerah yang mengalami kesulitan memperoleh air. Hal ini disebabkan oleh pemukiman yang berada di perbukitan dengan sumber air yang terlalu rendah dan tidak tersedianya jaringan listrik. Dengan adanya permasalahan ini, kami mencoba membuat dan meneliti pemodelan pompa air energi alam dengan menggunakan salah satu energi termal yaitu panas matahari. Alasan penggunaan energi ini

  2

  karena Indonesia memiliki potensi radiasi surya harian rata-rata 4,8 kWh/m (sumber dari Kementerian Energi Republik Indonesia), sehingga kebutuhan akan air tidak bergantung pada pompa air energi listrik. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui debit dan daya pemompaan, efisiensi pompa dan kolektor serta temperatur maksimal pada pipa evaporator (T7). Unjuk kerja pompa air energi alam dengan energi termal di Indonesia belum dapat menjadi salah satu bagian dari alat pemenuhan kebutuhan air bagi masyarakat. Oleh karena itu, penelitian ini berguna untuk menjajagi segala kemungkinan yang ada dari pemanfaatan energi termal yaitu dengan membuat pemodelan pompa air energi termal. Pemanfaatan energi termal sebagai pompa air dapat dilakukan dengan tiga cara yaitu pompa air energi termal dengan jenis pulsajet (water jet puls), fluidyn

  

pump dan nifte pump. Pada penelitian ini menggunakan pompa air jenis pulsajet

  karena merupakan jenis pompa energi termal dengan sistem kerja dan pembuatan alat yang paling sederhana. Sumber panas yang digunakan pada pompa air ini berasal dari spirtus sebagai bahan bakarnya. Kemudian dari penelitian pompa air energi termal ini dapat dikembangkan lebih lanjut dengan membuat pompa air energi surya. Sumber panas yang digunakan berasal dari panas matahari dan agar sumber panas tersebut dapat digunakan sebagai pemompaan air, dibuat kolektor sebagai penerima energi surya dan mengkonversikannya menjadi panas dengan fluida kerja (penyimpan panas) oli. Bagian-bagian utama pompa air energi termal (dengan pemanas spiritus) meliputi evaporator, pemanas, pendingin, dan pipa pengatur. Dan bagian utama dari kolektor adalah evporator, reflektor, pipa header dan pipa raisers. Variabel yang diukur pada penelitian pompa adalah temperatur sisi bawah evaporator (T1), temperatur sisi dibawah pemanas spirtus (T2), temperatur sisi uap (T3), temperature udara sekitar (T4) dan volume air hasil pemompaan (Vout). Dan variabel yang diukur pada penelitian dengan kolektor adalah temperatur pipa header (T

  5 ), temperatur fluida pada sisi masuk pipa risers

  (T

  6 ), temperatur evaporator (T 7 ), temperatur fluida pada sisi keluar pipa risers (T 8 ) T dan radiasi surya yang datang (G ).

  Dari hasil dari penelitian ini diperoleh debit pemompaan maksimal adalah 0,4 liter/menit, daya pompa maksimal adalah 0,1154 watt, efisiensi pompa maksimal adalah 0,043%, efisiensi kolektor maksimal adalah 4,58 % dan temperatur kolektor maksimal adalah 61°C. vii

KATA PENGANTAR

  Puji syukur Penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas rahmat dan anugrah-Nya, sehingga tugas akhir ini dapat penulis selesaikan tepat pada waktunya. Tugas akhir ini adalah sebagian persyaratan untuk mencapai derajat sarjana S-1 program studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi,

  .

  Universitas Sanata Dharma Judul tugas akhir yang penulis ambil adalah “Pompa air energi termal dengan evaporator 22 cc dan pemanas 266 watt”. Adapun alasan penulis memilih judul ini adalah adanya penggunaan pompa air listrik di masyarakat untuk memenuhi kebutuhan air dalam kehidupan sehari-hari, sehingga penulis mencoba mencari solusi bagaimana cara untuk mengatasi kebutuhan akan air dalam masyarakat tanpa menggunakan energi listrik. Jika dibuat dalam skala ukuran yang besar, pompa air energi surya ini akan menghasilkan debit air yang sangat besar. Pada kesempatan ini perkenankan penulis mengucapkan terima kasih kepada :

  1. Bapak Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T. selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma.

  2. Budi Sugiharto S.T., M.T, selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin.

  3. Ir. FA. Rusdi Sambada, M.T, selaku Dosen Pembimbing Tugas Akhir.

  4. Laboran mekanika fluida. viii

  5. Semua pihak yang telah ikut membantu dalam menyelesaikan tugas akhir ini.

  Penulis menyadari bahwa masih banyak kekurangan-kekurangan yang perlu diperbaiki dalam penulisan tugas akhir ini, oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan serta saran dari berbagai pihak untuk menyempurnakannya. Semoga penelitian dan tugas akhir ini dapat bermanfaat, baik bagi penulis maupun pembaca. Terima kasih.

  Yogyakarta, 10 September 2009 Errie Noviyandhika Antonius ix

  DAFTAR ISI

  HALAMAN JUDUL....................................................................................... i TITLE PAGE .................................................................................................. ii HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING ............................................. iii HALAMAN PENGESAHAN......................................................................... iv PERNYATAAN KEASLIAN KARYA ......................................................... v PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS ....................................................... vi ABSTRAK ...................................................................................................... vii KATA PENGANTAR .................................................................................... viii DAFTAR ISI................................................................................................... x DAFTAR TABEL........................................................................................... xii DAFTAR GAMBAR ...................................................................................... xiv

  BAB I. PENDAHULUAN .............................................................................. 1

  1.1 Latar Belakang................................................................................ 1

  1.2 Perumusan Masalah ........................................................................ 2

  1.3 Tujuan dan Manfaat Penelitian ....................................................... 3

  BAB II. Tinjauan pustaka ............................................................................... 5

  2.1 Penelitian yang pernah dilakukan .................................................... 5

  2.2 Dasar teori........................................................................................ 6

  BAB III. METODE PENELITIAN................................................................. 16

  3.1 Deskripi Alat ................................................................................... 16

  3.2 Skema alat penelitian ...................................................................... 17

  3.3 Peralatan pendukung ....................................................................... 24

  3.4 Variabel yang diukur....................................................................... 25

  3.5 Variabel yang divariasikan.............................................................. 27

  3.6 Tahapan Pelaksanaan ...................................................................... 28

  3.7 Analisa data..................................................................................... 30 x

  BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN ....................................................... 32

  4.1 Data penelitian ................................................................................ 32

  4.2 Perhitungan ..................................................................................... 42

  4.3 Grafik hasil perhitungan dan pembahasan ...................................... 49

  BAB V. PENUTUP......................................................................................... 58

  5.1 Kesimpulan ..................................................................................... 58

  5.2 Saran ............................................................................................... 58 DAFTAR PUSTAKA ..................................................................................... 60 LAMPIRAN xi

  DAFTAR TABEL

  4.1 Data penelitian pompa dengan variasi bukaan kran 0° pada percobaan I .................................................................................... 32

  4.2 Data penelitian pompa dengan variasi bukaan kran 0° pada percobaan II................................................................................... 33

  4.3 Data penelitian pompa dengan variasi bukaan kran 15° pada percobaan I. ................................................................................... 33

  4.4 Data penelitian pompa dengan variasi bukaan kran 15° pada percobaan II................................................................................... 34

  4.5 Data penelitian pompa dengan variasi bukaan kran 30° pada percobaan I. ................................................................................... 34

  4.6 Data penelitian pompa dengan variasi bukaan kran 30° pada percobaan II................................................................................... 35

  4.7 Data penelitian pompa dengan variasi ketinggian head 175 cm pada percobaan I dan II, seperti pada tabel 4.1 dan 4.2 yaitu variasi dengan bukaan kran terbuka penuh pada percobaan I dan II ..... 35

  4.8 Data penelitian pompa dengan variasi head 150 cm pada percobaan I. ................................................................................... 36

  4.9 Data penelitian pompa dengan variasi head 150 cm pada percobaan II................................................................................... 36

  4.10 Data penelitian pompa dengan variasi head 100 cm pada percobaan I .................................................................................... 37

  4.11 Data penelitian pompa dengan variasi head 100 cm pada percobaan II................................................................................... 37

  4.12 Data penelitian pompa dengan variasi pendingin udara pada percobaan I dan II, seperti pada tabel 4.1 dan 4.2 yaitu dengan bukaan kran 0° pada percobaan I dan II.................................... 38 xii

  4.13 Data penelitian pompa dengan variasi pendingin air pada percobaan I .................................................................................... 38

  4.14 Data penelitian pompa dengan variasi pendingin air pada percobaan II................................................................................... 39

  4.15 Data I penelitian kolektor CPC.............................................................. 40

  4.16 Data II penelitian kolektor CPC ............................................................ 40

  4.17 Data III penelitian kolektor CPC........................................................... 41

  4.18 Data IV penelitian kolektor CPC........................................................... 41

  4.19 Hasil perhitungan pompa dengan variasi bukaan kran ......................... 43

  4.20 Hasil perhitungan pompa dengan variasi head ...................................... 44

  4.21 Hasil perhitungan pompa dengan variasi pendingin ............................. 44

  4.22 Hasil perhitungan data I kolektor CPC.................................................. 46

  4.23 Hasil perhitungan data II kolektor CPC ................................................ 46

  4.24 Hasil perhitungan data III kolektor CPC ............................................... 47

  4.25 Hasil perhitungan data IV kolektor CPC............................................... 48 xiii

  xiv

  3.4 Kolektor CPC............................................................................... 21

  4.3 Grafik hubungan antara temperatur (°C) dengan waktu pada data I variasi bukaan kran 0°, head 175 cm dan pendingin air .... 51

  4.2 Grafik hubungan antara daya pompa (Wp) dengan head ............. 50

  4.1 Grafik hubungan antara efisiensi pompa dengan variasi head, bukaan kran dan pendingin yang digunakan ................................ 49

  3.11 Variasi pendinginan...................................................................... 28

  3.10 Variasi ketinggian head ................................................................ 28

  3.9 Variasi bukaan kran pada tuning pipe .......................................... 27

  3.8 Posisi termokopel pada kolektor .................................................. 26

  3.7 Posisi termokopel pada pompa..................................................... 26

  3.6 Aliran fluida dalam pipa kolektor ................................................ 24

  3.5 Compound Parabolic Collector dan pengaruh sudut kemiringannya terhadap radiasi surya yang datang ..................... 22

  3.3 Aliran fluida ................................................................................. 20

  DAFTAR GAMBAR

  3.2 Ukuran pompa .............................................................................. 18

  3.1 Pompa........................................................................................... 17

  2.8 Perbandingan temperatur yang dihasilkan terhadap jenis kolektor ................................................................................ 13

  2.7 Kolektor parabolik jenis piringan................................................. 12

  2.6 Kolektor plat parabolik jenis tabung ............................................ 12

  2.5 Kolektor plat datar evacuated tube............................................... 11

  2.4 Kolektor plat datar konvensional ................................................. 10

  2.3 Pompa air energi termal jenis nifte pump..................................... 7

  2.2 Pompa air energi termal jenis fluidyn pump................................. 7

  2.1 Pompa air energi termal jenis pulsajet air (water jet puls)........... 6

  4.4 Grafik hubungan antara temperatur (°C) dengan waktu

  pada data I kolektor CPC ............................................................. 52

  4.5 Grafik hubungan G T , η kolektor dan waktu pada data I kolektor CPC...................................................................... 53

  4.6 Grafik hubungan G T , η kolektor dan waktu pada data II kolektor CPC .................................................................... 54

  4.7 Grafik hubungan G T , η kolektor dan waktu pada data III kolektor CPC ................................................................... 55

  4.8 Grafik hubungan G T , η kolektor dan waktu pada data IV kolektor CPC ................................................................... 56

  4.9 Grafik hubungan antara faktor efisiensi kolektor (F’), η kolektor dan waktu pada data IV kolektor CPC ....................... 57 xv

BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

  Air merupakan kebutuhan hidup sehari-hari manusia, baik digunakan sebagai air minum maupun kebutuhan rumah tangga (memasak dan mencuci), tetapi hingga saat ini masih terdapat beberapa daerah atau masyarakat yang masih mengalami kesulitan dalam memperoleh air. Hal ini dapat disebabkan karena letak geografis suatu daerah, misalnya pemukiman di daerah perbukitan dengan sumber air yang terlalu rendah dan tidak tersedianya jaringan listrik. Dengan adanya permasalahan ini, kami mencoba membuat dan meneliti pemodelan pompa air energi alam dengan menggunakan salah satu energi termal yaitu panas matahari (energi surya). Alasan penggunaan energi ini karena Indonesia termasuk negara

  2

  tropis dengan potensi radiasi surya harian rata-rata 4,8 kWh/m (sumber dari Kementerian Energi Republik Indonesia) sehingga penggunaan pompa air energi surya ini dapat lebih maksimal dan kebutuhan akan air tidak bergantung pada pompa air energi listrik.

  Unjuk kerja pompa air energi alam dengan energi termal (energi panas) di Indonesia belum dapat menjadi salah satu bagian dari alat pemenuhan kebutuhan air bagi masyarakat. Oleh karena itu, penelitian ini berguna untuk menjajagi segala kemungkinan yang ada dari pemanfaatan energi termal yaitu dengan membuat pemodelan pompa air energi termal. Pemanfaatan energi termal sebagai pompa air dapat dilakukan dengan tiga cara yaitu pompa air energi termal dengan jenis pulsajet (water jet puls), fluidyn pump, dan nifte pump. Pada penelitian ini menggunakan pompa air jenis pulsajet karena merupakan jenis pompa energi termal dengan sistem kerja dan pembuatan alat yang paling sederhana. Sumber panas yang digunakan pada pemodelan pompa air jenis pulsajet ini berasal dari spirtus sebagai bahan bakarnya. Kemudian dari penelitian pompa air energi termal ini dapat dikembangkan lebih lanjut dengan membuat pompa air energi surya.

  Sumber panas yang digunakan berasal dari panas matahari dan agar sumber panas tersebut dapat digunakan sebagai pemompaan air, dibuat kolektor sebagai penerima energi surya dan mengkonversikannya menjadi panas dengan fluida kerja (penyimpan panas) oli. Pada penelitian dengan menggunakan kolektor ini dibuat kolektor plat datar dengan jenis compound parabolic collector (CPC), dimana pada kolektor jenis ini terdapat 2 (dua) reflektor (pemantul) parabola jenis tabung (through) atau berbentuk setengah tabung memanjang dan bahan yang digunakan pada reflektor adalah aluminium foil. Alasan dari penggunaan jenis

  

CPC pada kolektor ini karena desainnya lebih tepat diaplikasikan pada pipa yang

  memanjang dalam kolektor atau lebih dikenal dengan pipa riser (sebagai absorber ) dan pipa header (sebagai pemanas evaporator).

1.2. Perumusan Masalah Pada penelitian ini dibuat model pompa air energi termal jenis pulsa jet air.

  Pada bagian pipa evaporator dihubungkan dengan saluran osilasi (tuning pipe) dan katub searah. Dengan menggunakan spirtus sebagai pemanas dan unjuk kerja yang dihasilkan adalah debit pemompaan (Q), daya pompa (Wp), efisiensi pompa (η pompa) dengan variasi head, bukaan kran dan fluida pendingin yang digunakan.

  Pada penelitian kolektor CPC (Compound Parabolic Collector), unjuk kerja yang dihasilkan ditunjukkan dengan efisiensi kol ektor (η kolektor) dan faktor efisiensi (F’).

  Pengujian pompa : Beberapa variabel yang diukur saat pengujian pompa yaitu suhu (T1, T2, T3, T4), dan besarnya volume keluaran atau pemompaan yang dihasilkan (Vout).

  Pengujian kolektor : Beberapa variabel yang diukur saat pengujian kolektor yaitu suhu fluida

  T kolektor (T5, T6, T7 dan T8) dan radiasi surya yang datang (G ).

1.3. Tujuan dan Manfaat Penelitian

  Tujuan dari penelitian ini untuk mengetahui : 1. Debit pemompaan (Q).

  2. Daya pompa (Wp).

  3. Efisiensi pompa (η pompa).

  4. Efisiensi kolektor CPC (η kolektor).

  5. Temperatur maksimal kolektor pada evaporator (T7). Manfaat dari penelitian adalah :

  1. Hasil penelitian ini dapat dikembangkan lebih lanjut, sehingga dapat diaplikasikan menjadi alat yang berguna bagi masyarakat.

  2. Menambah kepustakaan teknologi pompa air energi termal.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Penelitian yang pernah dilakukan

  Penelitian pada pompa air energi surya memperlihatkan bahwa waktu pengembunan uap dipengaruhi oleh temperatur dan debit air pendingin masuk kondensor (Sumathy et. al., 1995). Penelitian pompa energi panas berbasis motor stirling dapat secara efektif memompa air dengan variasi head antara 2 – 5 m (Mahkamov, 2003), Penelitian pompa air energi panas oleh Smith menunjukkan bahwa ukuran kondenser yang sesuai dapat meningkatkan daya output sampai 56% (Smith, 2005). Penelitian pompa air energi panas surya memperlihatkan bahwa waktu pengembunan uap dipengaruhi oleh temperatur dan debit air pendingin masuk kondensor (Sumathy et. al., 1995). Penelitian secara teoritis pompa air energi panas surya dengan dua macam fluida kerja, yaitu n-pentane dan

  

ethyl ether memperlihatkan bahwa efisiensi pompa dengan ethyl ether 17% lebih

  tinggi dibanding n-pentane untuk tinggi head 6 m (Wong, 2000). Analisa termodinamika untuk memprediksi unjuk kerja pompa air energi panas surya pada beberapa ketingian head memperlihatkan bahwa jumlah siklus/hari tergantung pada waktu pemanasan fluida kerja dan waktu yang diperlukan untuk pengembunan uap. Waktu pemanasan tergantung pada jumlah fluida awal dalam sistem. Waktu pengembunan tergantung pada luasan optimum koil pendingin (Wong, 2001).

2.2 Dasar Teori

2.2.1 Pompa

  Jenis-jenis pompa air energi termal dapat dibedakan menurut sistem atau cara kerjanya dan jenis yang digunakan pada umumnya adalah pompa air energi termal dengan jenis pulsajet (water puls jet), fluidyn pump dan nifte pump. Pada penelitian ini dibuat pompa energi termal dengan jenis pulsa jet air (water puls jet) karena merupakan jenis pompa air energi termal dengan sistem dan pembuatan alat yang paling sederhana dibandingkan dengan kedua jenis pompa diatas. Fluida kerja yang digunakan adalah air dan sumber panas berasal dari spiritus sebagai bahan bakar. Berikut ini jenis-jenis pompa air energi termal :

  Keterangan :

  1. Fluida air

  2. Sisi uap

  3. Sisi panas

  4. Sisi dingin

  5. Tuning pipe

  6. Katup hisap

  7. Katup buang Gambar 2.1 Pompa air energi termal jenis pulsajet air (Water Jet Puls). Keterangan :

  1. Displacer

  1. Kekuatan piston

  8. Difusi kolom

  7. Saturator

  6. Katup

  5. Kondenser

  4. Evaporator

  3. Silinder displacer

  2. Beban

  Keterangan :

  2. Penukar panas

Gambar 2.2 Pompa air energi termal jenis Fluidyn Pump

  9. Pengapung

  8. Sisi volume mati

  7. Katup buang

  6. Katup hisap

  5. Tuning pipe

  4. Penukar panas

  3. Pemicu regenerasi

  9. Perpindahan panas Gambar 2.3 Pompa air energi termal jenis Nifte Pump. Perhitungan pada penelitian pompa adalah :

  1. Debit pemompaan yaitu volume air yang dapat dihasilkan tiap satuan waktu (detik) dapat dihitung dengan persamaan:

  2

   

. .

  

t

T c m

W

p

spirtus

  3. Daya spritus yang dihasilkan dapat dihitung dengan persamaan :

  /s) H : head pemompaan (m)

  3

  ) Q : debit pemompaan (m

  ) g : percepatan gravitasi (m/s

  t

  3

   (2) dengan:  : massa jenis air (kg/m

  

  H Q g P W . . .

  2. Daya pemompaan yang dihasilkan dapat dihitung dengan persamaan:

  dengan: v : volume air tiap satuan waktu (ml) t : waktu yang diperlukan (detik)

  V Q  (1)

  (3) dengan : m air : massa air (kg) C p air : panas jenis air (J/K)

  o

  C) Δ T : kenaikan temperatur ( t : waktu yang diperlukan untuk pemanasan (detik)

  4. Efisiensi pompa didefinisikan sebagai perbandingan antara daya pemompaan yang dihasilkan selama waktu tertentu dengan besarnya daya fluida yang dihasilkan . Efisiensi pompa dapat dihitung dengan persamaan :

  W

  P

    (4)

  pompa

  Wspritus dengan : Wp : daya pemompaan (watt) Wspritus : daya spritus (watt)

2.2.2 Kolektor

  Kolektor merupakan alat yang digunakan sebagai penerima radiasi matahari (energi surya), kemudian mengubah energi surya menjadi energi panas yang dapat diaplikasikan dengan pompa air energi termal. Terdapat 2 (dua) jenis kolektor yaitu :

  1. Kolektor plat datar Kolektor plat datar dibagi menjadi 2 jenis, yaitu kolektor plat datar konvensional dan kolektor plat datar evacuated tube. Jenis kolektor plat datar konvensional adalah jenis yang paling umum digunakan. Pada prinsipnya terdiri dari kotak berisolasi yang di dalamnya terdapat reflektor dari alumunium foil untuk memantulkan radiasi surya yang datang ke pipa riser (pipa absober). Energi surya diterima reflektor dikonversikan menjadi panas kemudian fluida kerja dalam pipa risers menyimpan panas dan bersirkulasi secara natural menuju evaporator. Kemudian evaporator yang telah panas dapat digunakan untuk menguapkan fluida kerja.

  Jenis kolektor plat datar evacuated terdiri dari beberapa tabung individual yang dihubungkan secara pararel, tiap tabung terdiri dari beberapa tabung konsentris. Jenis kolektor plat datar evacuated ini dapat mencapai temperatur

  O

  120 C dan dapat dimanfaatkan untuk sistem pendingin absorbsi serta untuk pemrosesan air, uap dan panas pada industri.

Gambar 2.4 Kolektor plat datar konvensionalGambar 2.5 Kolektor plat datar Evacuated Tube

  2. Kolektor Plat Parabolik Kolektor ini menggunakan cermin berbentuk parabolis untuk merefleksikan radiasi surya dan mengkonsentrasikan energinya pada area tertentu. Agar tetap dapat memfokuskan radiasi surya yang datang, kolektor ini harus dapat bergerak mengikuti gerak matahari dari terbit sampai tenggelam. Ada 2 jenis kolektor plat parabolik, yaitu jenis tabung (through) dan piringan (disk). Jenis trough berbentuk

  O

  setengah tabung memanjang. Jenis ini dapat menghasilkan temperatur 90 C

  O

  sampai 290 C dengan efisiensi ( ) maks 60% (pada tengah hari) yang dapat diartikan, 60% energi surya yang datang dapat dikonversi langsung menjadi panas dan diserap fluida kerja. Jenis piringan (disk) kemampuan pemanasannya lebih

  O

  besar dari jenis trough, dapat mencapai temperatur 800 C dengan efisiensi ( ) tertinggi 70%. Karena titik fokusnya hanya 1 (satu), maka jenis ini harus selalu mengikuti gerak matahari dimana jenis ini memiliki 2 sumbu gerak. Modifikasi jenis ini dapat digunakan untuk menggerakkan heat engine dengan daya kecil yang dapat menggerakkan generator listrik untuk menghasilkan listrik, sehingga pemindahan energinya menggunakan kabel dan bukan pipa.

Gambar 2.6 Kolektor plat parabolik jenis tabungGambar 2.7 Kolektor plat parabolik jenis piringanGambar 2.8 Perbandingan temperatur yang dihasilkan terhadap jenis kolektor.

  Perhitungan pada penelitian kolektor adalah :

  1. Faktor efisiensi kolektor didefinisikan sebagai perbandingan antara energi yang diberikan ke evaporator dengan yang diterima kolektor. Efisiensi sistem (F’) dapat dihitung dengan persamaan:

      ) T T .( U G . . . Ac d dT

  . c . m ' F _{L 2 s T a} ^{s s s}

   

 

  (5) dengan : F’ : faktor efisiensi. m s : massa oli evaporator (kg). c s : panas jenis oli (J/(kg.K)). Ts : temperatur oli pada evaporator ( C). θ : waktu pemanasan oli (s).

2 Ac : luasan kolektor (m ).

  τ.α : transfusifitas kaca.

  

2

G T : radiasi surya yang datang (W/m ).

  U : faktor koefisien panas di kolektor.

  L

  T s2 : temperatur rata – rata oli masuk dan keluar ( C). T a : temperatur lingkungan ( C).

  2. Efisiensi kolektor ( η kolektor) dapat didefinisikan sebagai perbandingan antara jumlah energi yang dipakai untuk menaikkan temperatur sejumlah massa fluida kerja dalam kolektor dari temperatur awal sampai temperatur penguapan dengan jumlah energi termal (surya) yang datang selama interval waktu tertentu.

  m . C .  T f P

    t (6) kolektor

  Ac G T . dt  dengan :

2 Ac : luasan kolektor (m ).

  C P : panas jenis fluida kerja (J/(kg.K)). dt : lama waktu pemanasan (s).

  2 G : radiasi surya yang datang (W/m ). T m f : massa fluida kerja pada evaporator (kg).

  : kenaikan temperatur oli ( C). ΔT

BAB III METODE PENELITIAN

3.1 Deskripsi Alat

  Pompa air energi termal pada penelitian ini terdiri dari 4 komponen utama, yaitu :

  1. Pemanas dengan bahan bakar spiritus yang berfungsi untuk memanaskan pipa evaporator.

  2. Pendingin atau kondenser sebagai tempat pengembunan sehingga uap air dapat menjadi fluida cair dan kembali ke pemanas. Fluida pendingin yang digunakan adalah udara dan air.

  3. Evaporator yang berfungsi untuk menguapkan fluida kerja (air).

  4. Pipa pengatur atau tuning pipe untuk mengatur dan mengetahui jumlah tekanan uap air pada evaporator.

  Kolektor CPC yang diaplikasikan sebagai pemanas pompa air energi termal terdiri dari 3 komponen utama, yaitu :

  1. Pipa pemanas (pipa risers atau pipa absorber) dengan fluida kerja oli sebagai penyimpan panas dan meneruskannya ke pipa evaporator.

  2. Reflektor yang terbuat dari aluminium foil untuk memantulkan energi surya yang datang ke pipa pemanas kolektor.

  3. Pipa evaporator yang berfungsi untuk menguapkan fluida kerja.

3.2 Skema alat penelitian

3.2.1 Pompa

Gambar 3.1 Pompa

  Keterangan :

  1. Evaporator

  9. Tangki air sumber

  2. Kotak pembakar (pemanas)

  10. Katup searah sisi hisap

  3. Pipa pendingin (kondenser)

  11. Katup searah sisi tekan

  4. Tangki air pendingin

  12. Gelas ukur

  5. Selang pendingin atas

  13. Kran pengatur osilasi

  6. Selang pendingin bawah

  14. Tuning pipe (pipa pengatur)

  7. Kran pengisi

  15. Head

  8. Rangka besi dudukan pompa

  16. Saluran pembuangan

Gambar 3.2 Ukuran pompa

  Prinsip kerja pompa dapat dijelaskan sebagai berikut :

  Sistem diisi dengan fluida kerja air melalui kran pengisi (7) serta mengisi bahan bakar spiritus pada kotak pembakar (2). Kemudian pembakar dinyalakan dan memanasi pipa evaporator (1). Panas dari evaporator dipindahkan ke air dengan cara konveksi. Air yang berada di dalam evaporator menguap dan menimbulkan tekanan. Karena menerima uap air yang bertekanan, pompa melakukan kerja mekanik mendorong air yang ada di sistem menuju saluran buang dan tuning pipe (14). Dengan adanya kondenser (3) yang menggunakan dua variasi pendinginan, yaitu pendingin udara dan air, uap air mengalami pengembunan yang menyebabkan tekanan dalam pompa turun (dibawah tekanan atmosfir atau vakum), sehingga air kembali naik ke pipa evaporator dan menghisap air dari tangki sumber (9) melalui katup searah pada sisi hisap (10).

  Sirkulasi air pendingin pada kondenser berlangsung secara natural karena perbedaan massa jenis air. Air pendingin yang menyerap panas dari evaporator akan bergerak naik karena massa jenis rendah dan keluar melalui selang pendingin atas (5), kemudian mendorong air di dalam tangki pendingin (4) menuju selang pendingin bawah (6). Sirkulasi air berjalan terus menerus secara natural (proses thermosyphon ) selama terjadi penyerapan panas dari evaporator.

  Pada saat turunnya tekanan pompa belum cukup untuk menaikkan sejumlah massa air dari tangki sumber melalui katup searah pada sisi hisap (10) menuju selang head (15), terjadi proses osilasi pada tuning pipe yang menyebabkan air bergerak naik dan turun. Pergerakan tinggi rendahnya air pada

  

tuning pipe dapat diatur dengan memutar kran pengatur osilasi (13) dan pada

  percobaan ini dilakukan 3 (tiga) variasi bukaan kran pengatur osilasi. Tiap variasi bukaan kran menghasilkan volume pemompaan air yang berbeda karena tiap variasi mempengaruhi penguapan air dalam evaporator.

  Terjadinya kevakuman dalam evaporator, menyebabkan air kembali naik dan diubah lagi menjadi uap air karena proses pemanasan dan saat tekanan uap air telah cukup untuk menaikkan sejumlah massa air, proses pemompaan terjadi lagi sehingga air dari tangki sumber dapat naik melalui katup searah pada sisi tekan dan keluar melalui selang head. Kemudian air hasil pemompaan akan keluar melalui saluran pembuangan (16) dan ditampung pada gelas ukur (12). Setiap satu langkah tekan pompa (karena uap bertekanan masuk pompa) dan satu langkah hisap (uap air yang mengembun karena pendinginan) disebut satu siklus. Fungsi katup adalah agar saat langkah hisap terjadi, air yang dihisap adalah air dari tangki sumber (bukan air dari kondenser) dan pada saat langkah tekan terjadi, air dapat mengalir ke tujuan dan tidak kembali ke tangki sumber. Fluida kerja yang digunakan umumnya adalah fluida cair yang mempunyai titik didih rendah (agar mudah menguap).

Gambar 3.3 Aliran fluida

3.2.2 Kolektor

Gambar 3.4 Kolektor CPC

  Keterangan :

  1. Pipa header

  6. Reflektor

  2. Saluran oli keluar sistem

  7. Kotak kayu

  3. Evaporator

  8. Saluran oli masuk sistem

  4. Pipa risers (saluran pengisi)

  5. Kaca

  9. Pipa sirkulasi

Gambar 3.5 Compound Parabolic Collector dan pengaruh sudut kemiringannya terhadap radiasi surya yang datang

  Prinsip kerja kolektor dapat dijelaskan sebagai berikut :

  Kolektor yang digunakan adalah jenis kolektor compound parabolic

  

collector (gambar 3.5). Fluida yang digunakan pada pipa risers (pipa absorber)

  adalah oli. Kolektor menerima radiasi surya yang datang dan dipantulkan oleh reflektor (6) ke pipa risers (4). Radiasi surya yang datang tidak sepenuhnya diterima oleh pipa absorber dimana sebagian dari radiasi surya diserap oleh kaca (5) yang mempunyai transfusitas kaca tertentu, tergantung dari ketebalan dan jenis kaca yang digunakan.

  Agar kolektor dapat menerima radiasi surya maksimal, posisi reflektor menghadap ke arah radiasi surya yang datang (gambar 3.6). Oli yang berada dalam pipa risers akan menyimpan panas dan karena oli yang panas tersebut mempunyai massa jenis yang lebih kecil dari oli dingin di sekitarnya, sehingga bagian oli yang panas ini mengalir ke bagian pipa atas kolektor yaitu pipa header (1). Panas oli tersebut diserap oleh pipa evaporator (3) yang berada di dalam pipa

  

header yang dihubungkan ke pompa untuk menguapkan fluida kerja. Kemudian

  oli yang panas tersebut mendesak oli dalam pipa header yang lebih dingin menuju ke bagian bawah pipa raisers melalui pipa sirkulasi (9). Oli dingin yang masuk ke pipa raisers bagian bawah akan dipanasi lagi dengan energi surya yang diterima kolektor dan karena temperatur oli dalam pipa raisers lebih tinggi dari temperatur oli di sekitarnya, maka sirkulasi oli tersebut akan terus berlangsung selama kolektor menerima energi surya. Karena sirkulasi tersebut terjadi tanpa bantuan pompa, maka sirkulasi ini disebut sirkulasi natural atau yang lebih dikenal sebagai proses thermosyphon. Temperatur yang dapat dicapai oli dalam pipa kolektor (pipa raises dan header) tergantung dari energi surya yang diterima kolektor, luasan kolektor, volume oli dan kualitas bahan isolasi kolektor.

Gambar 3.6 Aliran fluida dalam pipa kolektor

3.3 Peralatan Pendukung

  Peralatan yang digunakan dalam penelitian tersebut adalah :

  a. Piranometer Alat ini berfungsi untuk mengetahui radiasi surya yang datang dalam satuan W/m

  2 .

b. Stopwatch

  Alat ini digunakan untuk mengukur lama waktu pemompaan dan waktu penyalaan pemanas.

  c. Gelas Ukur Alat ini dipakai untuk mengukur volume air hasil pemompaan.

  d. Ember (tangki air) Ember digunakan sebagai tangki sumber air yang dihisap. f. Thermo Logger Alat ini digunakan untuk mengukur suhu pipa evaporator, kolektor, dan kondenser pada pompa.

3.4 Variabel yang diukur

  Variabel-variabel yang diukur pada penelitian pompa adalah temperatur kondenser bagian bawah (T1), temperatur kondenser bagian atas (T2), temperatur evaporator (T3), temperature udara sekitar (T4) dan volume air hasil pemompaan

  out

  (V ). Variabel-variabel yang diukur pada penelitian kolektor adalah temperatur pipa header (T ), temperatur fluida pada sisi masuk pipa risers (T ), temperatur

  5

  6

  evaporator (T

  

7 ), temperatur fluida pada sisi keluar pipa risers (T

8 ) dan radiasi T

  surya yang datang (G ).

Gambar 3.7 Posisi termokopel pada pompaGambar 3.8 Posisi termokopel pada kolektor

3.5 Variabel yang divariasikan

  Variabel yang divariasikan dalam penelitian adalah :

  1. Variasi bukaan kran yaitu terbuka penuh (0 º), tertutup 15º, dan tertutup 30 º.

  2. Variasi head yaitu 100 cm, 150 cm, dan 175 cm 3. Variasi pendinginan yaitu udara dan air.

Gambar 3.9 Variasi bukaan kran tuning pipe m

  5 ,7

  1 Gambar 3.10 Variasi ketinggian head Evaporator Pendingin air

Gambar 3.11 Variasi pendinginan

3.6 Tahapan pelaksanaan

  Pada penelitian ini dibagi menjadi 2 tahap pelaksanaan pengujian yaitu : Tahap pengujian pompa : a. Mempersiapkan sistem dengan mengisi fluida kerja (air) pada pompa melalui kran pengisi b. Memasang termokopel pada evaporator (T3), kondenser bagian atas (T2) dan bawah (T1) serta udara sekitar (T4).

  c. Mempersiapkan alat ukur seperti display thermologger, stopwatch dan gelas ukur.

  d. Mencatat suhu awal pada T1, T2, T3 dan T4.

  e. Mengisi bahan bakar spiritus pada kotak pembakar, yang digunakan sebagai pemanas.

  f. Menyalakan spirtus pada kotak pembakar dan mencatat waktu pengujian dimulai.

  g. Mencatat suhu T1, T2, T3 dan T4 setiap 2 menit selama pembakar menyala.

  h. Mencatat lama waktu pemompaan (t out ). i. Mencatat lama waktu pengujian berlangsung. j. Mencatat volume air hasil pemompaan (V out ). k. Mengulangi percobaan di atas dengan menggunakan variabel yang divariasikan.

  Tahap pengujian kolektor : a. Mempersiapkan kolektor dengan mengisi fluida kerja (oli).

  b. Memasang termokopel pada pipa header (T5), pipa risers pada sisi masuk fluida (T6), evaporator (T7) dan pipa risers pada sisi keluar fluida (T8). c. Mempersiapkan alat ukur yang digunakan seperti display thermologger, stopwatch dan solar meter.

  d. Mencatat suhu awal pada T5, T6, T7 dan T8.

  e. Menempatkan kolektor sesuai dengan arah datangnya energi surya.

  f. Mencatat waktu awal pengujian dimulai g. Mencatat suhu dan waktu pengujian setiap 5 menit selama 60 menit.

  h. Mengulangi percobaan di atas dengan waktu awal pengujian yang berbeda dan dengan hari yang berbeda.

3.7 Analisa Data

  Dari variabel-variabel yang diukur pada penelitian pompa dapat dihitung : 1. Debit (Q).

  2. Daya spirtus (W spirtus ).

  3. Daya pompa (Wp).

  4. Efisiensi ).

  pompa

  pompa (η Dari variabel-variabel yang diukur pada penelitian kolektor dapat dihitung : 1. Faktor efisiensi kolektor (F’).

  2. Efisiensi kolektor ( kolektor ).

  η Analisa akan lebih mudah dilakukan dengan membuat grafik hubungan : Hubungan efisiensi pompa pompa ) dengan variabel yang divariasikan (η

  (bukaan kran, head dan pendingin), daya pompa (Wp) dengan head, efisiensi

  η

  T kolektor ( kolektor ) dengan radiasi surya yang datang (G ).

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1. Data Penelitian

  66

  60

  24 16:39:00

  66

  64

  60

  24 16:38:00

  64

  65

  60

  24 16:37:00

  66

  62

  59

  22 16:36:00

  64

  60

  24 16:40:00

  62

  24

  62

  64

  59

  24 16:43:00

  62

  59

  62

  24 16:42:00

  65

  62

  59

  24 16:41:00

  65

  64

  65

  32 BAB IV

  Pada pengambilan data penelitian ini didapat data-data pengukuran seperti tabel 4.1 sampai dengan tabel 4.18.

  26

  24 16:30:00

  35

  41

  28

  24 16:29:00

  28

  25

  58

  22 16:28:00

  24

  24

  24

  16:27:09

  

waktu T1 T2 T3 T4

Tabel 4.1 Data penelitian pompa dengan variasi bukaan kran 0° pada percobaan I.

  51

  50

  24 16:35:00

  58

  65

  64

  59

  24 16:34:00

  66

  61

  24 16:33:00

  24 16:31:00

  64

  61

  57

  22 16:32:00

  57

  59

  53

  59

  33 Tabel 4.2 Data penelitian pompa dengan variasi bukaan kran 0° pada percobaan II.

  62

  52

  24 17:16:00

  57

  62

  51

  25 17:15:00

  65

  67

  56

  25 17:14:00

  69

  59

  65

  25 17:13:00

  74

  61

  59

  25 17:12:00