Analisa Deformasi Termal pada Evaporator Sistem Desalinasi Air Laut Secara Eksperimental dan Analitik Dengan Bahan Evaporator Stainless Steel
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Teori Dasar Desalinasi
Salah satu cara untuk mendapatkan sumber air yang layak untuk keperluan
hidup sehari-hari adalah dengan mengolah air laut menjadi air tawar. Proses
pengolahan air laut menjadi air tawar lebih dikenal dengan istilah Desalinasi.
Yaitu mengurangi kadar garam yang terkandung pada air laut sampai pada level
tertentu sehingga air laut tersebut layak untuk dipergunakan seperti halnya air
tawar. Sebagaimana diketahui, air laut adalah sumber air terbesar di muka bumi
sementara air tawar yang tersedia dianggap akan semakin berkurang seiring
berkembangnya populasi manusia.
Prinsip kerja desalinasi secara umum adalah air laut dipanaskan hingga
mendidih, dan kemudian uap yang dihasilkan dialirkan ke untuk dikondensasikan
kembali dan ditampung di sebuah wadah/penampung. Air hasil kondensat yang
diperoleh adalah air bersih. Sedangkan air laut yang tidak mendidih akibat
pemanasan adalah konsentrat garam. Proses desalinasi yang akan penulis bahas
pada penelitian ini adalah solar desalinasi sistem vakum. Konsep dari sistem ini
adalah memanfaatkan ruang vakum yang dibentuk secara alami untuk dapat
mengevaporasikan sejumlah air laut pada tekanan yang lebih rendah 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. 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 berlangsung dengan suplai panas yang rendah. Tekanan
atmosfer akan sama dengan tekanan hidrostatis yang dibentuk dengan pipa air
setinggi 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 adalah
evaporator, kondensor, dan alat penukar kalor berupa Tube-in-Tube. Evaporator
4
Universitas Sumatera Utara
disini berfungsi sebagai ruang pemanasan air laut dengan suplai panas berasal dari
kolektor surya plat datar dan juga sebagai tempat perubahan fasa air laut menjadi
uap. Kondensor berfungsi sebagai ruang dimana 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, 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. Gambar 2.1 menunjukkan desalinasi sistem
vakum natural yang akan dibuat penulis.
Condenser
Evaporator
Solar Heating
System
10 m
Saline
Water
Brine
Condensate
Saline Water Tank
Gambar 2.1. Desalinasi Sistem Vakum Natural (Sumber: Dokumentasi Frengky
C. Nababan)
2.2
Klasifikasi Sistem Desalinasi
2.2.1
Solar Still
Solar still terdiri dari bak yang dicat hitam yang diisi oleh air payau atau
air laut hingga pada kedalaman tertentu dan ditutup oleh kaca yang dimiringkan
sebagai tempat masuknya radiasi surya sekaligus peristiwa kondensasi. Radiasi
surya memasuki bak untuk memanaskan sisi bak yang dicat hitam yang
mengakibatkan pemanasan air laut hingga terjadi evaporasi, karena perbedaan
5
Universitas Sumatera Utara
tekanan parsial dan perbedaan temperatur, uap air terkondensasi sepanjang kaca
penutup yang dimiringkan dan ditampung oleh penampung yang cocok tepat
dibawah kemiringan kaca (Qiblawey dkk, 2008). Sistem solar still sederhana
dapat dilihat pada Gambar 2.2
Kelebihan menggunakan Solar Still :
1. Konstruksi sederhana
2. Kondensasi tidak menggunakan kondensor, kondensasi hanya terjadi di
kaca
3. Mudah dalam perawatannya
Kelemahan menggunakan Solar Still :
1. Laju produksi air bersih per hari rendah
2. Sebagian uap air yang naik ke kaca dapat langsung terkondensasi dan
jatuh bercampur dengan air laut yang belum mendidih
3. Tidak dapat memproduksi air bersih pada kondisi tidak ada matahari
SUN
Glass
Solar Radiation
Sea
Water
Tank
Basin
Fresh Water Tank
Brine Tank
Gambar 2.2. Solar Still Sederhana (Sumber: Dokumentasi Frengky C. Nababan)
6
Universitas Sumatera Utara
2.2.2
Solar Desalinasi Humidifikasi-Dehumidifikasi
Ide utama dibalik proses solar humidification-dehumidification adalah
embun yang membawa kapasitas udara bertambah dengan meningkatnya
temperatur. Saat udara panas dipanaskan oleh kolektor surya disirkulasikan secara
alamiah atau paksa bersinggungan dengan air laut yang disemprotkan di dalam
evaporator, sebagian uap diekstrak oleh udara yang dapat dipulihkan oleh
kondensor dimana air laut pengumpan dipanaskan terlebih dahulu (Parekh dkk,
2004). Sistem desalinasi humidifikasi-dehumidifikasi dapat dilihat pada gambar
2.3
Kelebihan sistem desalinasi humidifikasi-dehumidifikasi :
1. Efektif dalam memproduksi air bersih
2. Sangat cocok dioperasikan untuk kapasitas rendah
3. Biaya produksi air tidak mahal
Kelemahan sistem desalinasi humidifikasi – dehumidifikasi :
1. Konstruksi Kompleks
2. Sulit dalam perawatannya
3. Konstruksi sistem mahal
Solar Water Heater
Preheated Sea Water
Hot Sea Water
Hot Air
Condenser
Evaporator
Saline
Water
Tank
Solar Air
Heater
Sea Water In
Air in
Dehumidified Air Outlet
Hot Air Inlet
Blower
Brine Out
Distillate Tank
Brine Storage Tank
Brine Recycle
Pump
Gambar 2.3. Sistem Desalinasi Surya Humidifikasi – Dehumidifikasi (Sumber:
Dokumentasi Frengky C. Nababan)
7
Universitas Sumatera Utara
2.2.3
Solar Chimney
Solar Chimney mengkonversikan energi termal surya ke energi kinetik
yang akan dikonversikan menjadi energi listrik dengan menggunakan turbogenerator. Komponen-komponen utama dalam solar chimney adalah diameter
kolektor surya besar, turbin, generator dan cerobong (chimney) yang panjang.
Penggunaan kolektor terutama kaca atau lembaran plastik yang berperan sebagai
rumah kaca, 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). Sistem solar
chimney dapat dilihat pada gambar 2.4
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 kolektor surya yang mahal karena dibutuhkan kolektor yang sangat
besar
3. Perawatan sistem sangat sulit dan mahal
8
Universitas Sumatera Utara
SUN
Chimney
Condensate
Condenser
Pump
Condensate Tank
Humid Hot Air
Solar Radiation
Solar Radiation
Wind Turbine
Transparent Plastic or
Glass Cover
Sea Water
Sea Water
Air In
Air In
Gambar 2.4. Instalasi Sistem Desalinasi Solar Chimney pada Air Laut (Sumber:
Dokumentasi Frengky C. Nababan)
2.2.4
Solar Multi Stage Flash Desalination
Dalam sistem desalinasi Multi-Stage Flash, air garam pengumpan
dipanaskan diatas temperatur saturasi dalam pemanas konsentrat garam dan dibuat
perubahan fasa secara cepat dalam bak dimana tekanan rendah dipertahankan
dengan menggunakan pompa vakum. Konsentrat garam yang dibuang keluar dari
tingkat sebelumnya diizinkan untuk berubah fasa secara cepat dalam tingkat
berturutan dan uap dibentuk di setiap tingkat dikondensasikan dengan
menggunakan kondensor dimana air laut masuk telah dipanaskan terlebih dahulu
(Manjarrez dkk, 1979). Sistem solar multi stage flash desalination dapat dilihat
pada gambar 2.5
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
9
Universitas Sumatera Utara
Kelemahan solar multi stage flash desalination :
1. Konstruksi sistem yang kompleks
2. Tangki penyimpan kalor mahal
3. Perawatan sulit dan mahal
Heat Transfer Field
Vacum Pump
Thermal
Energy
Storage
Preheated
Feed
Water
Boiler
Thermic Fluid
Condenser
Brine
Destilate
Tank
Pump
Saline Water
Saline Water Tank
Solar Field
Gambar 2.5. Sistem Desalinasi Solar Multi Stage Flash (Sumber: Dokumentasi
Frengky C. Nababan)
2.2.5
Solar Multi Effect Distillation
Unit Multi-Effect Distillation (MED) terdiri dari bak-bak dimana secara
umum disebut efek sukses dipertahankan pada tekanan rendah dimana air laut
disemprot. Panas yang dibutuhkan untuk terjadi evaporasi pada efek pertama
disuplai dari energi surya atau dengan pembakaran bahan bakar fosil dan uap yang
dibentuk digunakan untuk memanaskan air pengumpan pada efek selanjutnya.
Sehingga, panas laten yang diproduksi uap air pada efek sebelumnya dapat
digunakan seluruhnya di efek selanjutnya pada MED. Sistem MED mendapat
banyak pembagian di market karena kompatibilitas yang lebih baik dengan
desalinasi solar termal (Mezher dkk, 2011). Sistem solar multi effect distillation
dapat dilihat pada gambar 2.6
10
Universitas Sumatera Utara
Kelebihan solar multi effect distillation :
1. Proses pemanasan dilakukan secara bertingkat, sehingga tidak ada air
bersih yang terkandung dalam konsentrat garam
2. Sistem dapat diperbanyak dengan menambah tingkat pemanasan
3. Biaya produksi air bersih yang rendah
Kelemahan solar multi effect distillation :
1. Proses pemvakuman ruangan sulit
2. Laju produksi air bersih yang rendah
3. Konstruksi sistem mahal dan kompleks
Preheated Feed Water
To Vacuum
To Vacuum
To Vacuum
Hot Thermic Fluid
Condenser
Pump
Destillate
Brine
Destillste Tank
Solar Cell
Saline Water Tank
Gambar 2.6. Solar Multi Effect Distillation (Sumber: Dokumentasi Frengky C.
Nababan)
2.2.6
Desalinasi Kompresi Uap
Dalam Desalinasi Uap Terkompresi, air laut pengumpan dipanaskan oleh
sumber panas dari luar dan diizinkan untuk berubah fasa secara cepat, 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
11
Universitas Sumatera Utara
memanaskan air pengumpan pada tingkat yang sama maupun tingkat yang lain
(Helal dkk, 2006). Sistem desalinasi kompresi uap dapat dilihat pada Gambar 2.7
Kelebihan sistem desalinasi kompresi uap :
1. Konsumsi daya spesifik lebih rendah dibanding sistem desalinasi lain
2. Biaya produksi air bersih lebih rendah
3. Dapat menghasilkan daya selain air bersih
Kelemahan sistem desalinasi kompresi uap :
1. Konstruksi Mahal dan Kompleks
2. Perawatan sistem yang sulit
3. Hanya efektif dalam menghasilkan air bersih bila tingkat proses ada 12
tingkat
Heated Vapor
Vapor
Hot Saline Water
External power
Source
Electic Heater
Compressor
Condenser
Brine Out
Pump
Destillate Tank
Saline Water Tank
Brine Tank
Gambar 2.7. Sistem Desalinasi Kompresi Uap Mekanik (Sumber: Dokumentasi
Frengky C. Nababan)
2.2.7
Freeze Desalination
Desalinasi beku adalah teknik di mana air laut diperbolehkan untuk
mendinginkan bawah titik beku, dimana kristal es dari air murni yang terbentuk di
permukaan. Ketiga jenis desalinasi beku adalah desalinasi beku kontak lansung,
12
Universitas Sumatera Utara
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 masukan air garam dalam
pembeku sehingga panas dari air garam akan diserap oleh refrigeran
menghasilkan pembentukan kristal es yang kemudian dipisahkan dan dimurnikan
untuk mendapatkan air minum. Proses desalinasi beku seperti ini membutuhkan
rasio tekanan rendah, untuk mencapai rasio tekanan ini dengan kompresor
konvensional tidak ekonomis dan ini mengarah pada pengembangan refrigeran
kompresor hidrolik. Kompresor pendingin hidrolik tidak menggunakan minyak
pelumas hasilnya kontaminasi kristal es oleh minyak pelumas pun dihindari.
Ukuran dari freezing desalination plant melter dan washer dapat di perkecil
dengan menerima sejumlah garam dalam air hasilnya biaya dan ukuran sistem
dapat diperkecil dan produk air dapat digunakan untuk tujuan irigasi di daerah
yang mengalami kelangkaan air bersih (Rice dkk, 1997). Dalam desalinasi beku
kontak tak langsung, pendingin dan air garam yang tidak dicampur dengan satu
sama lain, mereka dipisahkan dalam bentuk crystal oleh permukaan perpindahan
panas dan es yang terbentuk dalam sistem ini kemudian dikerok dari permukaan
perpindahan panas (Rane dkk, 2011). Dalam system desalinasi beku vakum, air
garam umpan didinginkan di bawah titik tiga dengan mengurangi tekanan untuk
menghasilkan masing-masing es dan uap. Es yang terbentuk dikumpulkan dan
uap yang dihasilkan dikompresi dan kondensi di ruang beku. Metode ini
membutuhkan kompresor ukuran besar karena volume spesifik uap air
yang
tinggi dan dikenal dengan vacuum vapors compression freeze desalination. Freeze
desalination dapat dilihat pada gambar 2.8
Kelebihan Freeze Desalination :
1. Biaya produksi air bersih dapat diperkecil
2. Dapat digunakan di daerah yang mengalami kelangkaan air bersih
3. Laju Produksi air bersih tinggi
Kelemahan Freeze Desalination :
1. Konsumsi daya spesifik tinggi
13
Universitas Sumatera Utara
2. Perawatan sistem sulit
3. Membutuhkan kompresor yang besar
Sea Water Tank
Saline Water
A
Evaporator or
Condenser
Throttling Valve
Reversing Unit
B
Evaporator
or Condenser
Solar PV or Thermal
Powered Compressor Unit
Fresh Water
Brine
Washing Water Line
Solenoid Controlled Valve
Waste
Brine
Water
Fresh
Water
Gambar 2.8. Desalinasi Beku menggunakan Auto Reversed Vapor Compression
Heat Pump (Sumber: Dokumentasi Frengky C. Nababan)
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 garam 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 pulih
dikondensasikan dalam kondensor dan 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). Sistem desalinasi
adsorpsi dapat dilihat pada gambar 2.9
14
Universitas Sumatera Utara
Kelebihan sistem desalinasi adsorpsi :
1. Laju produksi air bersih yang tinggi
2. Konsumsi daya spesifik yang rendah
3. Biaya produksi air bersih yang rendah
Kelemahan sistem desalinasi adsorpsi :
1. Konstruksi yang kompleks
2. Perawatan sistem sulit dan mahal
3. Konstruksi mahal
Warm Water
Condenser
Chilled Water
Desalinated Water
V4
V3
Cold water In
Hot water In
BED 2
BED 1
Desorption
Process
Adsorption
Process
Warm Water Out
Warm Water Out
V1
Saline
Water
Destillate
Tank
Ambient
Temperatur
Water
V2
Chilled Water
Evaporator
Pump
Brine Tank
Gambar 2.9. Sistem Desalinasi Adsorpsi (Sumber: Dokumentasi Frengky C.
Nababan)
2.2.9
Desalinasi Osmosis Terbalik Tenaga Surya Termal
Dalam desalinasi RO tenaga panas surya, energi mekanik yang dihasilkan
oleh siklus surya organik secara langsung digunakan untuk menjalankan unit RO
15
Universitas Sumatera Utara
pompa tekanan tinggi. Unit desalinasi RO surya thermal adalah teknologi yang
lebih menjanjikan, setiap perkembangan
mengembangkan
teknologi
RO
teknologi RO akan berguna untuk
berdasarkan
sistem
panas
matahari.
Menggabungkan unit RO dengan siklus Rankine tenaga surya dapat memotong
emisi CO2 dan mengakibatkan penghematan lingkungan dengan selisih sedikit
tambahan biaya modal (Salcedo dkk, 2012). Desalinasi osmosis dapat dilihat pada
Gambar 2.10
Kelebihan Desalinasi Osmosis Terbalik Tenaga Surya Termal :
1. Adanya tangki penyimpan kalor yang dapat menyimpan energi termal
selama 24 jam
2. Pemanasan 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. Biaya produksi air bersih mahal
3. Konstruksi kompleks dan mahal
16
Universitas Sumatera Utara
Heat Transfer Fluid
RO Module
Thermal
Energy
Storage
High Pressure
Pump
Organic Fluid
Boiler
Turbine
Solar Organic
Rankine Cycle
Thermic Fluid
Condenser
Brine
Fresh
Water
Saline Water
Solar Field
Brine Tank
Saline Water Tank
Fresh
Water
Tank
Gambar 2.10. Unit Desalinasi Reverse Osmosis Bertenaga Siklus Rankine
Organik Surya (Sumber: Dokumentasi Frengky C. Nababan)
2.2.10 Elektrodialisis Tenaga Surya (ED)
Elektrodialisis (ED) adalah proses penghilangan garam dari air garam dan
unit ED terdiri dari sejumlah besar ruangan diisi dengan air garam dan dipisahkan
oleh kation dan anion membran pertukaran. Ketika polaritas DC diterapkan
melalui katoda dan node, ion negatif melewati membran pertukaran anion dan ion
positif melewati membran penukar kation dan ion ini akan terakumulasi dalam
ruangan khusus dan dibuang sebagai air garam. Pembalikan polaritas biasanya
diikuti setiap 20 menit untuk mencegah pengendapan garam di membran
(Charcosset dkk, 2009). Sistem Elektrodialisis dapat dilihat pada gambar 2.11
Kelebihan Elektrodialisis :
1. Tidak adanya penggunaan kalor untuk pemanasan air laut, kolektor surya
disini digunakan untuk membangkitkan arus listrik DC
2. Konstruksi sederhana
3. Laju produksi air bersih tinggi
Kelemahan Elektrodialisis :
1. Membran sangat mahal
17
Universitas Sumatera Utara
2. Biaya produksi air bersih mahal
3. Perawatan sistem mahal
Saline Water
Anode
Cathode
CEM
CEM
- Cation Exchange Membrane
AEM
- Anion Exchange Membrane
AEM
CEM
AEM
Pump
Brine Tank
Fresh Water Tank
Saline Water Tank
Gambar 2.11. Sistem Unit Elektrodialisis (Sumber: Dokumentasi Frengky C.
Nababan)
2.3
Evaporator
Evaporator adalah sebuah alat yang berfungsi mengubah sebagian atau
keseluruhan sebuah pelarut dari sebuah larutan dari bentuk cair menjadi uap.
Evaporator mempunyai dua prinsip dasar, untuk menukar panas dan untuk
memisahkan uap yang terbentuk dari cairan. Evaporator umumnya terdiri dari tiga
bagian, yaitu penukar panas, bagian evaporasi (tempat di mana cairan mendidih
lalu menguap), dan pemisah untuk memisahkan uap dari cairan lalu dimasukkan
ke dalam kondenser (untuk diembunkan/kondensasi) atau ke peralatan lainnya.
Hasil dari evaporator (produk yang diinginkan) biasanya dapat berupa padatan
atau larutan berkonsentrasi. Larutan yang sudah dievaporasi bisa saja terdiri dari
18
Universitas Sumatera Utara
beberapa komponen volatil (mudah menguap). Evaporator biasanya digunakan
dalam industri kimia dan industri makanan. Pada industri kimia, contohnya garam
diperoleh dari air asin jenuh (merupakan contoh dari proses pemurnian) dalam
evaporator. Evaporator mengubah air menjadi uap, menyisakan residu mineral di
dalam evaporator. Uap dikondensasikan menjadi air yang sudah dihilangkan
garamnya. Pada sistem pendinginan, efek pendinginan diperoleh dari penyerapan
panas oleh cairan pendingin yang menguap dengan cepat (penguapan
membutuhkan energi panas). Evaporator juga digunakan untuk memproduksi air
minum, memisahkannya dari air laut atau zat kontaminasi lain. Gambar bentuk
evaporator dapat dilihat pada gambar 2.12.
Gambar 2.12 Evaporator (Sumber: Dokumentasi Frengky C. Nababan)
2.4
Jenis – Jenis Evaporator
Evaporator dibagi menjadi beberapa jenis, yaitu:
1. Submerged combustion evaporator, adalah evaporator yang dipanaskan
oleh api yang menyala di bawah permukaan cairan, dimana gas yang panas
bergelembung melewati cairan.
2. Direct fired evaporator, adalah evaporator dengan pengapian langsung
dimana api dan pembakaran gas dipisahkan dari cairan mendidih lewat
dinding besi atau permukaan untuk memanaskan.
3. Steam heated evaporator, adalah evaporator dengan pemanasan stem
dimana uap atau uap lain yang dapat dikondensasi adalah sumber panas
dimana uap terkondensasi di satu sisi dari permukaan pemanas dan panas
ditranmisi lewat dinding ke cairan yang mendidih.
19
Universitas Sumatera Utara
2.5
Koefisien Expansi Thermal
Koefisien Expansi Termal digambarkan sebagai seberapa besar perubahan
ukuran benda dengan perubahan temperatur. Umumnya, koefisien expansi thermal
mengukur perbandingan perubahan ukuran benda dengan perubahan derajat
temperatur pada tekanan konstan. Beberapa tipe koefisien telah dikembangkan
yaitu volumetric, area, dan linear dimana digunakan sesuai dengan dimensi yang
dianggap penting. Untuk benda padat (solids), yang dapat dipertimbangkan adalah
perubahan panjang atau luasnya.
Untuk material isotropic koefisien volumetric memiliki nilai tiga kali dari
koefisien linear yaitu:
.................................... (1)
Untuk membuktikan rumus diatas dapat kita ambil contoh, suatu kubus
baja yang memiliki panjang sisi L. Volume mula-mulanya adalah
dan
volume akhir setelah mengalami perubahan temperatur adalah.
Karena nilainya sangat kecil,
maka dapat diabaikan
Dengan mensubstitusikan persamaan (4) maka
dapat diubah menjadi
dan diperoleh persamaan.
Maka dapat disimpulkan
Dan dengan cara yang sama koefisien area memiliki nilai dua kali nilai
koefisien linear:
20
Universitas Sumatera Utara
.................................... (2)
Pembuktian:
Karena nilainya sangat kecil,
maka dapat diabaikan
Dengan mensubstitusikan persamaan (4) maka
dapat diubah menjadi
dan diperoleh persamaan.
Maka dapat disimpulkan
Dimana :
αL
= Linear coefficient of thermal expansion (/oC)
αA
= Area coefficient of thermal expansion (/oC)
αV
= Volumetric of thermal expansion (/oC)
2.6
Thermal Stress
Tegangan thermal atau thermal stress dapat diartikan sebagai suatu bahan
yang mengalami tegangan karena memperoleh temperatur yang berbeda dengan
temperatur awalnya. Tegangan thermal dapat dihitung dengan rumus berikut.
.................................... (3)
Dimana :
σ
= Tegangan Thermal (MPa)
E
= Modulus Young (MPa)
αL
= Koefisien linear expansi thermal (/oC)
ΔT
= Perubahan temperatur (oC)
21
Universitas Sumatera Utara
Perubahan suhu dapat menyebabkan perubahan dimensi pada benda.
Umumnya, jika suhu meningkat, benda memuai, sebaliknya jika suhu menurun,
benda menyusut. Displacement pada benda yang memiliki Panjang L dapat
dihitung menggunakan rumus berikut.
................................ (4)
Dimana :
αL
= Linear coefficient of thermal expansion (mm)
∆T
= perubahan temperatur benda (oC)
L
= panjang awal benda (mm)
δTL
= perubahan panjang benda (mm)
Jika benda memiliki Luas A, maka displacement dapat dihitung
menggunakan rumus berikut.
............................... (5)
Dimana:
αA
= area coefficient of thermal expansion (mm2)
∆T
= perubahan temperatur benda (oC)
A
= luas awal benda (mm2)
δTA
= perubahan luas benda (mm2)
Dan jika benda memiliki Volume V, maka displacement dapat dihitung
menggunakan rumus berikut.
............................... (6)
Dimana:
αV
= volumetric coefficient of thermal expansion (mm3)
∆T
= perubahan temperatur benda (oC)
V
= volume awal benda (mm3)
δTV
= perubahan volume benda (mm3)
2.7
Proses Pembentukan Thermal akibat Arus Listrik
Sistim kerja alat ini adalah dengan mengubah energi listrik menjadi energi
panas. Perubahan bentuk energi tersebut dihasilkan oleh rangkaian listrik yang
22
Universitas Sumatera Utara
memiliki hambatan cukup besar. Hambatan inilah yang menyebabkan timbulnya
panas pada bagian coil yang disebut elemen pemanas. Elemen pemanas
membangkitkan panas secara bertahap dan alat ini sudah dilengkapi dengan
komponen yang disebut termostat. Dengan adanya komponen ini, maka panas
yang dikehendaki oleh pengguna dapat diatur dan stabil sehingga tidak
menyebabkan timbulnya panas berlebih yang dapat memicu kebakaran pada
elemen.
Setelah sejumlah energi panas dibangkitkan oleh elemen pemanas, maka
selanjutnya panas tersebut dialirkan menuju coil. Mekanisme perpindahan kalor
tersebut berlangsung secara konduksi. Konduksi merupakan proses transfer kalor
di dalam zat perantara dimana energi panas berpindah dari molekul satu ke
molekul lain hanya dengan jalan getaran termal berkala, tanpa ada pemindahan
massa zat perantara sama sekali (Abdul Jamal dan Tamrin, 1995).
23
Universitas Sumatera Utara
2.8
Tabel Koefisien Linear Expansi Termal
Berdasarkan Technical Report no 18 (rev. F) oleh Bal Seal Engineering
pada tahun 2004, dipaparkan pada tabel 2.1 koefisien linear expansi termal dari
beberapa material.
Tabel 2.1 Tabel Koefisien Linear Expansi Termal untuk Steel (Sumber: Technical
Report TR-18 Bal Seal Engineering)
2.9
Contoh Penelitian Mengenai Deformasi Thermal
Pada pengujian yang dilakukan oleh mahasiswa Universitas Indonesia
dengan judul “Studi Pengaruh Kenaikan Temperatur Pada Sambungan Konduktor
Aluminium Dengan Tembaga”, pengujian ini bertujuan untuk mengetahui
pengaruh kenaikan suhu terhadap sifat mekanis logam. Dalam pengujian ini
dilakukan sebanyak lima kali untuk masing-masing logam. Pertama, logam diukur
pada suhu awal (29oC), kemudian diukur tiap kenaikan 10oC.
24
Universitas Sumatera Utara
2.9.1
Pengujian Pada Tembaga
Tabel 2.2 Besar Pemuaian tembaga dengan menggunakan perhitungan (Sumber:
Skripsi David Simanjuntak, Universitas Indonesia 2010)
Tabel 2.3 Pengujian pemuaian panjang, lebar dan tebal tembaga (Sumber: Skripsi
David Simanjuntak, Universitas Indonesia 2010)
25
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.13 Grafik Pengujian pemuaian panjang, lebar dan tebal tembaga
(Sumber: Skripsi David Simanjuntak, Universitas Indonesia 2010)
Tabel 2.4 Data nilai rata-rata pemuaian tembaga pada percobaan (Sumber: Skripsi
David Simanjuntak, Universitas Indonesia 2010)
26
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.14 Grafik pemuaian rata-rata panjang, lebar dan tebal pada tembaga
(Sumber: Skripsi David Simanjuntak, Universitas Indonesia 2010)
2.9.2
Pengujian pada Aluminium
Tabel 2.5 Besar Pemuaian aluminium dengan menggunakan perhitungan
(Sumber: Skripsi David Simanjuntak, Universitas Indonesia 2010)
27
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.6 Pengujian pemuaian panjang, lebar dan tebal aluminium (Sumber:
Skripsi David Simanjuntak, Universitas Indonesia 2010)
Gambar 2.15 Grafik Pengujian pemuaian panjang, lebar dan tebal aluminium
(Sumber: Skripsi David Simanjuntak, Universitas Indonesia 2010)
28
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.7 Data nilai rata-rata pemuaian aluminium pada percobaan (Sumber:
Skripsi David Simanjuntak, Universitas Indonesia 2010)
Gambar 2.16 Grafik pemuaian rata-rata panjang, lebar dan tebal pada Aluminium
(Sumber: Skripsi David Simanjuntak, Universitas Indonesia 2010)
Pada pengujian ini diperoleh grafik deformasi yang linear pada bahan
konduktor tembaga dan aluminium.
29
Universitas Sumatera Utara
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Teori Dasar Desalinasi
Salah satu cara untuk mendapatkan sumber air yang layak untuk keperluan
hidup sehari-hari adalah dengan mengolah air laut menjadi air tawar. Proses
pengolahan air laut menjadi air tawar lebih dikenal dengan istilah Desalinasi.
Yaitu mengurangi kadar garam yang terkandung pada air laut sampai pada level
tertentu sehingga air laut tersebut layak untuk dipergunakan seperti halnya air
tawar. Sebagaimana diketahui, air laut adalah sumber air terbesar di muka bumi
sementara air tawar yang tersedia dianggap akan semakin berkurang seiring
berkembangnya populasi manusia.
Prinsip kerja desalinasi secara umum adalah air laut dipanaskan hingga
mendidih, dan kemudian uap yang dihasilkan dialirkan ke untuk dikondensasikan
kembali dan ditampung di sebuah wadah/penampung. Air hasil kondensat yang
diperoleh adalah air bersih. Sedangkan air laut yang tidak mendidih akibat
pemanasan adalah konsentrat garam. Proses desalinasi yang akan penulis bahas
pada penelitian ini adalah solar desalinasi sistem vakum. Konsep dari sistem ini
adalah memanfaatkan ruang vakum yang dibentuk secara alami untuk dapat
mengevaporasikan sejumlah air laut pada tekanan yang lebih rendah 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. 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 berlangsung dengan suplai panas yang rendah. Tekanan
atmosfer akan sama dengan tekanan hidrostatis yang dibentuk dengan pipa air
setinggi 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 adalah
evaporator, kondensor, dan alat penukar kalor berupa Tube-in-Tube. Evaporator
4
Universitas Sumatera Utara
disini berfungsi sebagai ruang pemanasan air laut dengan suplai panas berasal dari
kolektor surya plat datar dan juga sebagai tempat perubahan fasa air laut menjadi
uap. Kondensor berfungsi sebagai ruang dimana 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, 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. Gambar 2.1 menunjukkan desalinasi sistem
vakum natural yang akan dibuat penulis.
Condenser
Evaporator
Solar Heating
System
10 m
Saline
Water
Brine
Condensate
Saline Water Tank
Gambar 2.1. Desalinasi Sistem Vakum Natural (Sumber: Dokumentasi Frengky
C. Nababan)
2.2
Klasifikasi Sistem Desalinasi
2.2.1
Solar Still
Solar still terdiri dari bak yang dicat hitam yang diisi oleh air payau atau
air laut hingga pada kedalaman tertentu dan ditutup oleh kaca yang dimiringkan
sebagai tempat masuknya radiasi surya sekaligus peristiwa kondensasi. Radiasi
surya memasuki bak untuk memanaskan sisi bak yang dicat hitam yang
mengakibatkan pemanasan air laut hingga terjadi evaporasi, karena perbedaan
5
Universitas Sumatera Utara
tekanan parsial dan perbedaan temperatur, uap air terkondensasi sepanjang kaca
penutup yang dimiringkan dan ditampung oleh penampung yang cocok tepat
dibawah kemiringan kaca (Qiblawey dkk, 2008). Sistem solar still sederhana
dapat dilihat pada Gambar 2.2
Kelebihan menggunakan Solar Still :
1. Konstruksi sederhana
2. Kondensasi tidak menggunakan kondensor, kondensasi hanya terjadi di
kaca
3. Mudah dalam perawatannya
Kelemahan menggunakan Solar Still :
1. Laju produksi air bersih per hari rendah
2. Sebagian uap air yang naik ke kaca dapat langsung terkondensasi dan
jatuh bercampur dengan air laut yang belum mendidih
3. Tidak dapat memproduksi air bersih pada kondisi tidak ada matahari
SUN
Glass
Solar Radiation
Sea
Water
Tank
Basin
Fresh Water Tank
Brine Tank
Gambar 2.2. Solar Still Sederhana (Sumber: Dokumentasi Frengky C. Nababan)
6
Universitas Sumatera Utara
2.2.2
Solar Desalinasi Humidifikasi-Dehumidifikasi
Ide utama dibalik proses solar humidification-dehumidification adalah
embun yang membawa kapasitas udara bertambah dengan meningkatnya
temperatur. Saat udara panas dipanaskan oleh kolektor surya disirkulasikan secara
alamiah atau paksa bersinggungan dengan air laut yang disemprotkan di dalam
evaporator, sebagian uap diekstrak oleh udara yang dapat dipulihkan oleh
kondensor dimana air laut pengumpan dipanaskan terlebih dahulu (Parekh dkk,
2004). Sistem desalinasi humidifikasi-dehumidifikasi dapat dilihat pada gambar
2.3
Kelebihan sistem desalinasi humidifikasi-dehumidifikasi :
1. Efektif dalam memproduksi air bersih
2. Sangat cocok dioperasikan untuk kapasitas rendah
3. Biaya produksi air tidak mahal
Kelemahan sistem desalinasi humidifikasi – dehumidifikasi :
1. Konstruksi Kompleks
2. Sulit dalam perawatannya
3. Konstruksi sistem mahal
Solar Water Heater
Preheated Sea Water
Hot Sea Water
Hot Air
Condenser
Evaporator
Saline
Water
Tank
Solar Air
Heater
Sea Water In
Air in
Dehumidified Air Outlet
Hot Air Inlet
Blower
Brine Out
Distillate Tank
Brine Storage Tank
Brine Recycle
Pump
Gambar 2.3. Sistem Desalinasi Surya Humidifikasi – Dehumidifikasi (Sumber:
Dokumentasi Frengky C. Nababan)
7
Universitas Sumatera Utara
2.2.3
Solar Chimney
Solar Chimney mengkonversikan energi termal surya ke energi kinetik
yang akan dikonversikan menjadi energi listrik dengan menggunakan turbogenerator. Komponen-komponen utama dalam solar chimney adalah diameter
kolektor surya besar, turbin, generator dan cerobong (chimney) yang panjang.
Penggunaan kolektor terutama kaca atau lembaran plastik yang berperan sebagai
rumah kaca, 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). Sistem solar
chimney dapat dilihat pada gambar 2.4
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 kolektor surya yang mahal karena dibutuhkan kolektor yang sangat
besar
3. Perawatan sistem sangat sulit dan mahal
8
Universitas Sumatera Utara
SUN
Chimney
Condensate
Condenser
Pump
Condensate Tank
Humid Hot Air
Solar Radiation
Solar Radiation
Wind Turbine
Transparent Plastic or
Glass Cover
Sea Water
Sea Water
Air In
Air In
Gambar 2.4. Instalasi Sistem Desalinasi Solar Chimney pada Air Laut (Sumber:
Dokumentasi Frengky C. Nababan)
2.2.4
Solar Multi Stage Flash Desalination
Dalam sistem desalinasi Multi-Stage Flash, air garam pengumpan
dipanaskan diatas temperatur saturasi dalam pemanas konsentrat garam dan dibuat
perubahan fasa secara cepat dalam bak dimana tekanan rendah dipertahankan
dengan menggunakan pompa vakum. Konsentrat garam yang dibuang keluar dari
tingkat sebelumnya diizinkan untuk berubah fasa secara cepat dalam tingkat
berturutan dan uap dibentuk di setiap tingkat dikondensasikan dengan
menggunakan kondensor dimana air laut masuk telah dipanaskan terlebih dahulu
(Manjarrez dkk, 1979). Sistem solar multi stage flash desalination dapat dilihat
pada gambar 2.5
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
9
Universitas Sumatera Utara
Kelemahan solar multi stage flash desalination :
1. Konstruksi sistem yang kompleks
2. Tangki penyimpan kalor mahal
3. Perawatan sulit dan mahal
Heat Transfer Field
Vacum Pump
Thermal
Energy
Storage
Preheated
Feed
Water
Boiler
Thermic Fluid
Condenser
Brine
Destilate
Tank
Pump
Saline Water
Saline Water Tank
Solar Field
Gambar 2.5. Sistem Desalinasi Solar Multi Stage Flash (Sumber: Dokumentasi
Frengky C. Nababan)
2.2.5
Solar Multi Effect Distillation
Unit Multi-Effect Distillation (MED) terdiri dari bak-bak dimana secara
umum disebut efek sukses dipertahankan pada tekanan rendah dimana air laut
disemprot. Panas yang dibutuhkan untuk terjadi evaporasi pada efek pertama
disuplai dari energi surya atau dengan pembakaran bahan bakar fosil dan uap yang
dibentuk digunakan untuk memanaskan air pengumpan pada efek selanjutnya.
Sehingga, panas laten yang diproduksi uap air pada efek sebelumnya dapat
digunakan seluruhnya di efek selanjutnya pada MED. Sistem MED mendapat
banyak pembagian di market karena kompatibilitas yang lebih baik dengan
desalinasi solar termal (Mezher dkk, 2011). Sistem solar multi effect distillation
dapat dilihat pada gambar 2.6
10
Universitas Sumatera Utara
Kelebihan solar multi effect distillation :
1. Proses pemanasan dilakukan secara bertingkat, sehingga tidak ada air
bersih yang terkandung dalam konsentrat garam
2. Sistem dapat diperbanyak dengan menambah tingkat pemanasan
3. Biaya produksi air bersih yang rendah
Kelemahan solar multi effect distillation :
1. Proses pemvakuman ruangan sulit
2. Laju produksi air bersih yang rendah
3. Konstruksi sistem mahal dan kompleks
Preheated Feed Water
To Vacuum
To Vacuum
To Vacuum
Hot Thermic Fluid
Condenser
Pump
Destillate
Brine
Destillste Tank
Solar Cell
Saline Water Tank
Gambar 2.6. Solar Multi Effect Distillation (Sumber: Dokumentasi Frengky C.
Nababan)
2.2.6
Desalinasi Kompresi Uap
Dalam Desalinasi Uap Terkompresi, air laut pengumpan dipanaskan oleh
sumber panas dari luar dan diizinkan untuk berubah fasa secara cepat, 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
11
Universitas Sumatera Utara
memanaskan air pengumpan pada tingkat yang sama maupun tingkat yang lain
(Helal dkk, 2006). Sistem desalinasi kompresi uap dapat dilihat pada Gambar 2.7
Kelebihan sistem desalinasi kompresi uap :
1. Konsumsi daya spesifik lebih rendah dibanding sistem desalinasi lain
2. Biaya produksi air bersih lebih rendah
3. Dapat menghasilkan daya selain air bersih
Kelemahan sistem desalinasi kompresi uap :
1. Konstruksi Mahal dan Kompleks
2. Perawatan sistem yang sulit
3. Hanya efektif dalam menghasilkan air bersih bila tingkat proses ada 12
tingkat
Heated Vapor
Vapor
Hot Saline Water
External power
Source
Electic Heater
Compressor
Condenser
Brine Out
Pump
Destillate Tank
Saline Water Tank
Brine Tank
Gambar 2.7. Sistem Desalinasi Kompresi Uap Mekanik (Sumber: Dokumentasi
Frengky C. Nababan)
2.2.7
Freeze Desalination
Desalinasi beku adalah teknik di mana air laut diperbolehkan untuk
mendinginkan bawah titik beku, dimana kristal es dari air murni yang terbentuk di
permukaan. Ketiga jenis desalinasi beku adalah desalinasi beku kontak lansung,
12
Universitas Sumatera Utara
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 masukan air garam dalam
pembeku sehingga panas dari air garam akan diserap oleh refrigeran
menghasilkan pembentukan kristal es yang kemudian dipisahkan dan dimurnikan
untuk mendapatkan air minum. Proses desalinasi beku seperti ini membutuhkan
rasio tekanan rendah, untuk mencapai rasio tekanan ini dengan kompresor
konvensional tidak ekonomis dan ini mengarah pada pengembangan refrigeran
kompresor hidrolik. Kompresor pendingin hidrolik tidak menggunakan minyak
pelumas hasilnya kontaminasi kristal es oleh minyak pelumas pun dihindari.
Ukuran dari freezing desalination plant melter dan washer dapat di perkecil
dengan menerima sejumlah garam dalam air hasilnya biaya dan ukuran sistem
dapat diperkecil dan produk air dapat digunakan untuk tujuan irigasi di daerah
yang mengalami kelangkaan air bersih (Rice dkk, 1997). Dalam desalinasi beku
kontak tak langsung, pendingin dan air garam yang tidak dicampur dengan satu
sama lain, mereka dipisahkan dalam bentuk crystal oleh permukaan perpindahan
panas dan es yang terbentuk dalam sistem ini kemudian dikerok dari permukaan
perpindahan panas (Rane dkk, 2011). Dalam system desalinasi beku vakum, air
garam umpan didinginkan di bawah titik tiga dengan mengurangi tekanan untuk
menghasilkan masing-masing es dan uap. Es yang terbentuk dikumpulkan dan
uap yang dihasilkan dikompresi dan kondensi di ruang beku. Metode ini
membutuhkan kompresor ukuran besar karena volume spesifik uap air
yang
tinggi dan dikenal dengan vacuum vapors compression freeze desalination. Freeze
desalination dapat dilihat pada gambar 2.8
Kelebihan Freeze Desalination :
1. Biaya produksi air bersih dapat diperkecil
2. Dapat digunakan di daerah yang mengalami kelangkaan air bersih
3. Laju Produksi air bersih tinggi
Kelemahan Freeze Desalination :
1. Konsumsi daya spesifik tinggi
13
Universitas Sumatera Utara
2. Perawatan sistem sulit
3. Membutuhkan kompresor yang besar
Sea Water Tank
Saline Water
A
Evaporator or
Condenser
Throttling Valve
Reversing Unit
B
Evaporator
or Condenser
Solar PV or Thermal
Powered Compressor Unit
Fresh Water
Brine
Washing Water Line
Solenoid Controlled Valve
Waste
Brine
Water
Fresh
Water
Gambar 2.8. Desalinasi Beku menggunakan Auto Reversed Vapor Compression
Heat Pump (Sumber: Dokumentasi Frengky C. Nababan)
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 garam 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 pulih
dikondensasikan dalam kondensor dan 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). Sistem desalinasi
adsorpsi dapat dilihat pada gambar 2.9
14
Universitas Sumatera Utara
Kelebihan sistem desalinasi adsorpsi :
1. Laju produksi air bersih yang tinggi
2. Konsumsi daya spesifik yang rendah
3. Biaya produksi air bersih yang rendah
Kelemahan sistem desalinasi adsorpsi :
1. Konstruksi yang kompleks
2. Perawatan sistem sulit dan mahal
3. Konstruksi mahal
Warm Water
Condenser
Chilled Water
Desalinated Water
V4
V3
Cold water In
Hot water In
BED 2
BED 1
Desorption
Process
Adsorption
Process
Warm Water Out
Warm Water Out
V1
Saline
Water
Destillate
Tank
Ambient
Temperatur
Water
V2
Chilled Water
Evaporator
Pump
Brine Tank
Gambar 2.9. Sistem Desalinasi Adsorpsi (Sumber: Dokumentasi Frengky C.
Nababan)
2.2.9
Desalinasi Osmosis Terbalik Tenaga Surya Termal
Dalam desalinasi RO tenaga panas surya, energi mekanik yang dihasilkan
oleh siklus surya organik secara langsung digunakan untuk menjalankan unit RO
15
Universitas Sumatera Utara
pompa tekanan tinggi. Unit desalinasi RO surya thermal adalah teknologi yang
lebih menjanjikan, setiap perkembangan
mengembangkan
teknologi
RO
teknologi RO akan berguna untuk
berdasarkan
sistem
panas
matahari.
Menggabungkan unit RO dengan siklus Rankine tenaga surya dapat memotong
emisi CO2 dan mengakibatkan penghematan lingkungan dengan selisih sedikit
tambahan biaya modal (Salcedo dkk, 2012). Desalinasi osmosis dapat dilihat pada
Gambar 2.10
Kelebihan Desalinasi Osmosis Terbalik Tenaga Surya Termal :
1. Adanya tangki penyimpan kalor yang dapat menyimpan energi termal
selama 24 jam
2. Pemanasan 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. Biaya produksi air bersih mahal
3. Konstruksi kompleks dan mahal
16
Universitas Sumatera Utara
Heat Transfer Fluid
RO Module
Thermal
Energy
Storage
High Pressure
Pump
Organic Fluid
Boiler
Turbine
Solar Organic
Rankine Cycle
Thermic Fluid
Condenser
Brine
Fresh
Water
Saline Water
Solar Field
Brine Tank
Saline Water Tank
Fresh
Water
Tank
Gambar 2.10. Unit Desalinasi Reverse Osmosis Bertenaga Siklus Rankine
Organik Surya (Sumber: Dokumentasi Frengky C. Nababan)
2.2.10 Elektrodialisis Tenaga Surya (ED)
Elektrodialisis (ED) adalah proses penghilangan garam dari air garam dan
unit ED terdiri dari sejumlah besar ruangan diisi dengan air garam dan dipisahkan
oleh kation dan anion membran pertukaran. Ketika polaritas DC diterapkan
melalui katoda dan node, ion negatif melewati membran pertukaran anion dan ion
positif melewati membran penukar kation dan ion ini akan terakumulasi dalam
ruangan khusus dan dibuang sebagai air garam. Pembalikan polaritas biasanya
diikuti setiap 20 menit untuk mencegah pengendapan garam di membran
(Charcosset dkk, 2009). Sistem Elektrodialisis dapat dilihat pada gambar 2.11
Kelebihan Elektrodialisis :
1. Tidak adanya penggunaan kalor untuk pemanasan air laut, kolektor surya
disini digunakan untuk membangkitkan arus listrik DC
2. Konstruksi sederhana
3. Laju produksi air bersih tinggi
Kelemahan Elektrodialisis :
1. Membran sangat mahal
17
Universitas Sumatera Utara
2. Biaya produksi air bersih mahal
3. Perawatan sistem mahal
Saline Water
Anode
Cathode
CEM
CEM
- Cation Exchange Membrane
AEM
- Anion Exchange Membrane
AEM
CEM
AEM
Pump
Brine Tank
Fresh Water Tank
Saline Water Tank
Gambar 2.11. Sistem Unit Elektrodialisis (Sumber: Dokumentasi Frengky C.
Nababan)
2.3
Evaporator
Evaporator adalah sebuah alat yang berfungsi mengubah sebagian atau
keseluruhan sebuah pelarut dari sebuah larutan dari bentuk cair menjadi uap.
Evaporator mempunyai dua prinsip dasar, untuk menukar panas dan untuk
memisahkan uap yang terbentuk dari cairan. Evaporator umumnya terdiri dari tiga
bagian, yaitu penukar panas, bagian evaporasi (tempat di mana cairan mendidih
lalu menguap), dan pemisah untuk memisahkan uap dari cairan lalu dimasukkan
ke dalam kondenser (untuk diembunkan/kondensasi) atau ke peralatan lainnya.
Hasil dari evaporator (produk yang diinginkan) biasanya dapat berupa padatan
atau larutan berkonsentrasi. Larutan yang sudah dievaporasi bisa saja terdiri dari
18
Universitas Sumatera Utara
beberapa komponen volatil (mudah menguap). Evaporator biasanya digunakan
dalam industri kimia dan industri makanan. Pada industri kimia, contohnya garam
diperoleh dari air asin jenuh (merupakan contoh dari proses pemurnian) dalam
evaporator. Evaporator mengubah air menjadi uap, menyisakan residu mineral di
dalam evaporator. Uap dikondensasikan menjadi air yang sudah dihilangkan
garamnya. Pada sistem pendinginan, efek pendinginan diperoleh dari penyerapan
panas oleh cairan pendingin yang menguap dengan cepat (penguapan
membutuhkan energi panas). Evaporator juga digunakan untuk memproduksi air
minum, memisahkannya dari air laut atau zat kontaminasi lain. Gambar bentuk
evaporator dapat dilihat pada gambar 2.12.
Gambar 2.12 Evaporator (Sumber: Dokumentasi Frengky C. Nababan)
2.4
Jenis – Jenis Evaporator
Evaporator dibagi menjadi beberapa jenis, yaitu:
1. Submerged combustion evaporator, adalah evaporator yang dipanaskan
oleh api yang menyala di bawah permukaan cairan, dimana gas yang panas
bergelembung melewati cairan.
2. Direct fired evaporator, adalah evaporator dengan pengapian langsung
dimana api dan pembakaran gas dipisahkan dari cairan mendidih lewat
dinding besi atau permukaan untuk memanaskan.
3. Steam heated evaporator, adalah evaporator dengan pemanasan stem
dimana uap atau uap lain yang dapat dikondensasi adalah sumber panas
dimana uap terkondensasi di satu sisi dari permukaan pemanas dan panas
ditranmisi lewat dinding ke cairan yang mendidih.
19
Universitas Sumatera Utara
2.5
Koefisien Expansi Thermal
Koefisien Expansi Termal digambarkan sebagai seberapa besar perubahan
ukuran benda dengan perubahan temperatur. Umumnya, koefisien expansi thermal
mengukur perbandingan perubahan ukuran benda dengan perubahan derajat
temperatur pada tekanan konstan. Beberapa tipe koefisien telah dikembangkan
yaitu volumetric, area, dan linear dimana digunakan sesuai dengan dimensi yang
dianggap penting. Untuk benda padat (solids), yang dapat dipertimbangkan adalah
perubahan panjang atau luasnya.
Untuk material isotropic koefisien volumetric memiliki nilai tiga kali dari
koefisien linear yaitu:
.................................... (1)
Untuk membuktikan rumus diatas dapat kita ambil contoh, suatu kubus
baja yang memiliki panjang sisi L. Volume mula-mulanya adalah
dan
volume akhir setelah mengalami perubahan temperatur adalah.
Karena nilainya sangat kecil,
maka dapat diabaikan
Dengan mensubstitusikan persamaan (4) maka
dapat diubah menjadi
dan diperoleh persamaan.
Maka dapat disimpulkan
Dan dengan cara yang sama koefisien area memiliki nilai dua kali nilai
koefisien linear:
20
Universitas Sumatera Utara
.................................... (2)
Pembuktian:
Karena nilainya sangat kecil,
maka dapat diabaikan
Dengan mensubstitusikan persamaan (4) maka
dapat diubah menjadi
dan diperoleh persamaan.
Maka dapat disimpulkan
Dimana :
αL
= Linear coefficient of thermal expansion (/oC)
αA
= Area coefficient of thermal expansion (/oC)
αV
= Volumetric of thermal expansion (/oC)
2.6
Thermal Stress
Tegangan thermal atau thermal stress dapat diartikan sebagai suatu bahan
yang mengalami tegangan karena memperoleh temperatur yang berbeda dengan
temperatur awalnya. Tegangan thermal dapat dihitung dengan rumus berikut.
.................................... (3)
Dimana :
σ
= Tegangan Thermal (MPa)
E
= Modulus Young (MPa)
αL
= Koefisien linear expansi thermal (/oC)
ΔT
= Perubahan temperatur (oC)
21
Universitas Sumatera Utara
Perubahan suhu dapat menyebabkan perubahan dimensi pada benda.
Umumnya, jika suhu meningkat, benda memuai, sebaliknya jika suhu menurun,
benda menyusut. Displacement pada benda yang memiliki Panjang L dapat
dihitung menggunakan rumus berikut.
................................ (4)
Dimana :
αL
= Linear coefficient of thermal expansion (mm)
∆T
= perubahan temperatur benda (oC)
L
= panjang awal benda (mm)
δTL
= perubahan panjang benda (mm)
Jika benda memiliki Luas A, maka displacement dapat dihitung
menggunakan rumus berikut.
............................... (5)
Dimana:
αA
= area coefficient of thermal expansion (mm2)
∆T
= perubahan temperatur benda (oC)
A
= luas awal benda (mm2)
δTA
= perubahan luas benda (mm2)
Dan jika benda memiliki Volume V, maka displacement dapat dihitung
menggunakan rumus berikut.
............................... (6)
Dimana:
αV
= volumetric coefficient of thermal expansion (mm3)
∆T
= perubahan temperatur benda (oC)
V
= volume awal benda (mm3)
δTV
= perubahan volume benda (mm3)
2.7
Proses Pembentukan Thermal akibat Arus Listrik
Sistim kerja alat ini adalah dengan mengubah energi listrik menjadi energi
panas. Perubahan bentuk energi tersebut dihasilkan oleh rangkaian listrik yang
22
Universitas Sumatera Utara
memiliki hambatan cukup besar. Hambatan inilah yang menyebabkan timbulnya
panas pada bagian coil yang disebut elemen pemanas. Elemen pemanas
membangkitkan panas secara bertahap dan alat ini sudah dilengkapi dengan
komponen yang disebut termostat. Dengan adanya komponen ini, maka panas
yang dikehendaki oleh pengguna dapat diatur dan stabil sehingga tidak
menyebabkan timbulnya panas berlebih yang dapat memicu kebakaran pada
elemen.
Setelah sejumlah energi panas dibangkitkan oleh elemen pemanas, maka
selanjutnya panas tersebut dialirkan menuju coil. Mekanisme perpindahan kalor
tersebut berlangsung secara konduksi. Konduksi merupakan proses transfer kalor
di dalam zat perantara dimana energi panas berpindah dari molekul satu ke
molekul lain hanya dengan jalan getaran termal berkala, tanpa ada pemindahan
massa zat perantara sama sekali (Abdul Jamal dan Tamrin, 1995).
23
Universitas Sumatera Utara
2.8
Tabel Koefisien Linear Expansi Termal
Berdasarkan Technical Report no 18 (rev. F) oleh Bal Seal Engineering
pada tahun 2004, dipaparkan pada tabel 2.1 koefisien linear expansi termal dari
beberapa material.
Tabel 2.1 Tabel Koefisien Linear Expansi Termal untuk Steel (Sumber: Technical
Report TR-18 Bal Seal Engineering)
2.9
Contoh Penelitian Mengenai Deformasi Thermal
Pada pengujian yang dilakukan oleh mahasiswa Universitas Indonesia
dengan judul “Studi Pengaruh Kenaikan Temperatur Pada Sambungan Konduktor
Aluminium Dengan Tembaga”, pengujian ini bertujuan untuk mengetahui
pengaruh kenaikan suhu terhadap sifat mekanis logam. Dalam pengujian ini
dilakukan sebanyak lima kali untuk masing-masing logam. Pertama, logam diukur
pada suhu awal (29oC), kemudian diukur tiap kenaikan 10oC.
24
Universitas Sumatera Utara
2.9.1
Pengujian Pada Tembaga
Tabel 2.2 Besar Pemuaian tembaga dengan menggunakan perhitungan (Sumber:
Skripsi David Simanjuntak, Universitas Indonesia 2010)
Tabel 2.3 Pengujian pemuaian panjang, lebar dan tebal tembaga (Sumber: Skripsi
David Simanjuntak, Universitas Indonesia 2010)
25
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.13 Grafik Pengujian pemuaian panjang, lebar dan tebal tembaga
(Sumber: Skripsi David Simanjuntak, Universitas Indonesia 2010)
Tabel 2.4 Data nilai rata-rata pemuaian tembaga pada percobaan (Sumber: Skripsi
David Simanjuntak, Universitas Indonesia 2010)
26
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.14 Grafik pemuaian rata-rata panjang, lebar dan tebal pada tembaga
(Sumber: Skripsi David Simanjuntak, Universitas Indonesia 2010)
2.9.2
Pengujian pada Aluminium
Tabel 2.5 Besar Pemuaian aluminium dengan menggunakan perhitungan
(Sumber: Skripsi David Simanjuntak, Universitas Indonesia 2010)
27
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.6 Pengujian pemuaian panjang, lebar dan tebal aluminium (Sumber:
Skripsi David Simanjuntak, Universitas Indonesia 2010)
Gambar 2.15 Grafik Pengujian pemuaian panjang, lebar dan tebal aluminium
(Sumber: Skripsi David Simanjuntak, Universitas Indonesia 2010)
28
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.7 Data nilai rata-rata pemuaian aluminium pada percobaan (Sumber:
Skripsi David Simanjuntak, Universitas Indonesia 2010)
Gambar 2.16 Grafik pemuaian rata-rata panjang, lebar dan tebal pada Aluminium
(Sumber: Skripsi David Simanjuntak, Universitas Indonesia 2010)
Pada pengujian ini diperoleh grafik deformasi yang linear pada bahan
konduktor tembaga dan aluminium.
29
Universitas Sumatera Utara