UNJUK KERJA POMPA AIR ENERGI TERMAL MENGGUNAKAN FLUIDA KERJA PETROLEUM ETER DENGAN DEBIT FLUIDA KERJA 0,3 LITERMENIT

  UNJUK KERJA POMPA AIR ENERGI TERMAL MENGGUNAKAN FLUIDA KERJA PETROLEUM ETER DENGAN DEBIT FLUIDA KERJA 0,3 LITER/MENIT TUGAS AKHIR Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat Sarjana S-1 Program Studi Teknik Mesin Oleh : KRISTOFORUS ADE YULIANTO NIM : 105214052 PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA 2013

  

PERFORMANCE OF THERMAL ENERGY WATER PUMP

USING PETROLEUM ETHER AS WORKING FLUIDS WITH

DEBITE 0,3 LITRE/MINUTE

  

FINAL PROJECT

Presented as partitial fulfilment of the requirement

to obtain the Sarjana Teknik degree

in Mechanical Engineering

  Presented by

  

KRISTOFORUS ADE YULIANTO

Student Number : 105214052

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING

FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

  

2013

  DAFTAR ISI

  i HALAMAN JUDUL……………………………………….……………….. TITLE PAGE ii ……………………………………………........................…. HALAMAN PENGESAHAN iii

  …………………………………….........…… DAFTAR DEWAN PENGUJI iv …………………………………........……... PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR v ……………….....…......….. LEMBAR PUBLIKASI …………………………………………..............…. vi

  INTISARI ........................................................................................................ vii KATA PENGANTAR

  ……………..………..........………............…..……... viii DAFTAR ISI

  ……….………..........…..............………..…..............……....... x DAFTAR GAMBAR ....................................................................................... xii DAFTAR TABEL

  ………........................................................................... xiv

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

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

  1 1.2 Perumusan Masalah ...............................................................................

  2 1.3 Tujuan dan Manfaat................................................................................

  4 1.4 Batasan Masalah.....................................................................................

  5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA....................................................................

  6 2.1 Dasar Teori............................................................................................

  6 2.2 Persamaan Yang Digunakan.................................................................

  8 2.3 Penelitian Terdahulu.............................................................................

  11 BAB III METODOLOGI PENELITIAN......................................................

  13 3.1 Skema Alat.............................................................................................

  13 3.2 Variabel Yang Divariasikan...................................................................

  16

  3.3 Parameter Yang Diukur........................................................................... 21

  3.4 Langkah Penelitian................................................................................. 23 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN.......................................................

  25 4.1 Hasil Penelitian......................................................................................

  25 4.2 Pembahasan…………………………………………………................

  35 BAB V PENUTUP.........................................................................................

  43

  5.1 Kesimpulan 43 5.2 Saran.........................................................................................................

  44 DAFTAR PUSTAKA ....................................................................................

  45 LAMPIRAN ... ………..…………… .............................................................

  46

  DAFTAR GAMBAR Gambar 3.1 Skema alat penelitian........................................................................

  13 Gambar 3.2 Skema pemisah uap..........................................................................

  15 Gambar 3.3 Skema keadaan fluida kerja tidak mengalir......................................

  17 Gambar 3.4 Skema keadaan debit fluida kerja 0,3 liter/menit............................. 17 Gambar 3.5 Keadaan kondensor terisi fluida kerja Petroleum Eter.....................

  18 Gambar 3.6 Keadaan kondensor dan pemanas terisi fluida kerja Petroleum Eter....................................................................................................

  18 Gambar 3.7 Variasi ketinggian pipa buang 2,35 meter........................................

  19 Gambar 3.8 Variasi ketinggian pipa buang 1,35 meter........................................

  19 Gambar 3.9 Variasi menggunakan 1 tabung tekan udara.....................................

  20 Gambar 3.10 Variasi menggunakan 2 tabung tekan udara..................................... 21 Gambar 3.11 Posisi termologger dan manometer..................................................

  22 Gambar 4.1 Grafik perbandingan debit pada variasi 2 tabung tekan udara dan 1 tabung tekan udara, keadaan fluida kerja penuh di kondensor dan pemanas dan tinggi pipa buang 2,35 meter.....................................

  35 Gambar 4.2 Grafik perbandingan daya pompa pada variasi 2 tabung tekan udara dan 1 tabung tekan udara, keadaan fluida kerja penuh di kondensor dan pemanas dan tinggi pipa buang 2,35 meter.............

  36 Gambar 4.3 Grafik perbandingan efisiensi pada variasi 2 tabung tekan udara dan 1 tabung tekan udara, keadaan fluida kerja penuh di kondensor dan pemanas dan tinggi pipa buang 2,35 meter.............

  36 Gambar 4.4 Grafik perbandingan debit pada variasi keadaan fluida penuh di kondensor dan evaporator dengan keadaan fluida hanya di kondensor menggunakan 1 tabung tekan udara, keadaan tinggi head 2,35 m.......................................................................................

  38

Gambar 4.5 Grafik perbandingan daya pompa pada variasi keadaan fluida penuh di kondensor dan evaporator dengan keadaan fluida hanya

  di kondensor menggunakan 1 tabung tekan udara, keadaan tinggi head 2,35 m.......................................................................................

  38 Gambar 4.6 Grafik perbandingan efisiensi pada variasi keadaan fluida penuh di kondensor dan evaporator dengan keadaan fluida hanya di kondensor menggunakan 1 tabung tekan udara, keadaan tinggi head 2,35 m....................................................................................... 39

Gambar 4.7 Grafik perbandingan debit pada variasi tinggi head 2,35 m dan

  1,35 m dengan keadaan fluida hanya di kondensor menggunakan 1 tabung tekan udara.........................................................................

  40 Gambar 4.8 Grafik perbandingan daya pemanas pada variasi tinggi head 2,35 m dan 1,35 m dengan keadaan fluida penuh di kondensor dan evaporator menggunakan 1 tabung tekan udara...............................

  41 Gambar 4.9 Grafik perbandingan efisiensi pada variasi tinggi head 2,35 m dan 1,35 m dengan keadaan fluida penuh di kondensor dan evaporator . menggunakan 1 tabung tekan udara ................................................

  41 Gambar L.1 Alat penelitian pompa air energi termal...........................................

  46 Gambar L.2 Pemanas fluida kerja.........................................................................

  46 Gambar L.3 Tabung pemisah uap.........................................................................

  46 Gambar L.4 Kondensor.........................................................................................

  47 Gambar L.5 Tabung penampung petroleum eter..................................................

  47 Gambar L.6 Tabung tekan air...............................................................................

  47 Gambar L.7 Tabung tekan udara..........................................................................

  47 Gambar L.8 Pompa benam...................................................................................

  48 Gambar L.9 Thermologger...................................................................................

  48 Gambar L.10 Manometer.......................................................................................

  48

  

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Data penelitian dengan variasi fluida kerja penuh di pemanas dan kondensor, head pemompaan 2,35 meter

  dengan menggunakan 2 tabung udara............................

  27 Tabel 4.2 Data penelitian dengan variasi fluida kerja penuh di pemanas dan kondensor, head pemompaan 2,35 meter dengan menggunakan 1 tabung udara............................

  27 Tabel 4.3 Data penelitian dengan variasi fluida kerja penuh di kondensor pemanas terisi udara, head pemompaan 2,35 meter dengan menggunakan 1 tabung udara..........

  27 Tabel 4.4 Data penelitian dengan variasi fluida kerja penuh di kondensor pemanas terisi udara, head pemompaan 2,35 meter dengan menggunakan 1 tabung udara..........

  28 Tabel 4.5 Data penelitian yang telah dihitung dengan variasi fluida kerja penuh di pemanas dan kondensor, head pemompaan 2.35 meter dengan menggunakan 2 tabung udara...............................................................................

  33 Tabel 4.6 Data penelitian yang telah dihitung dengan variasi fluida kerja penuh di pemanas dan kondensor, head pemompaan 2,35 meter dengan menggunakan 1 tabung udara...............................................................................

  34 Tabel 4.7 Data penelitian yang telah dihitung dengan variasi fluida kerja penuh di kondensor pemanas terisi udara, head pemompaan 2,35 meter dengan menggunakan 1 tabung udara...................................................................

  34 Tabel 4.8 Data penelitian yang telah dihitung dengan variasi fluida kerja penuh di kondensor, pemanas terisi udara,

  34

  head pemompaan 1,35 meter dengan menggunakan 1 tabung udara...................................................................

Tabel 4.9 Perbandingan pada variasi 2 tabung tekan udara dan 1 tabung tekan udara dengan keadaan head pemompaan

  2,35 meter, keadaan fluida kerja penuh di kondensor dan pemanas...................................................................

  35 Tabel 4.10 Perbandingan pada variasi keadaan fluida penuh di kondensor dan pemanas dengan keadaan fluida hanya di kondensor menggunakan 1 tabung tekan udara, keadaan head pemompaan 2,35 m..................................

  37 Tabel 4.11 Perbandingan pada variasi head pemompaan 2,35 m dengan 1,35 meter, keadaan fluida penuh di kondensor dan pemanas menggunakan 1 tabung tekan udara.........

  40 Tabel L.1 Sifat-sifat fluida..............................................................

  49

  

INTISARI

  Air adalah salah satu kebutuhan pokok untuk kelangsungan hidup manusia. Untuk menyediakan air, selama ini masyarakat masih menggunakan pompa air dengan energi listrik atau bahan bakar fosil untuk mengalirkan dari sumbernya. Cara sederhana dengan tenaga manual juga dinilai tidak efektif tenaga dan waktu. Pompa termal adalah salah satu alternatif untuk menggantikan cara tersebut. Tujuan penelitian yang ingin dicapai adalah membuat model pompa air energi termal dengan delapan pipa pemanas paralel dan pemisah uap, meneliti debit, daya pompa dan juga efisiensi pompa maksimum yang dihasilkan pompa. Fluida kerja yang digunakan adalah petrolium eter. Parameter yang divariasikan adalah keadaan mula-mula fluida kerja (penuh di kondensor dan pemanas, penuh di kondensor dan pemanas terisi udara), ketinggian head (2,35 m dan 1,35 m) dan jumlah tabung tekan udara (2 tabung tekan udara dan 1 tabung tekan udara). Parameter yang diukur adalah temperatur minyak di bagian dasar, temperatur minyak di bagian tengah,temperatur pipa di bagian pipa saluran fluida kerja yang masuk ke pemanas, temperatur dibagian pipa keluanya uap fluida kerja dari pemanas, tekanan pada pemanas, tekanan pada tabung tekan air,tekanan pada tabung udara, waktu pemanasan, waktu pemompaan dan volume pemompaan.dari data yang diperoleh dari penelitian didapat hasil debit pemompaan maksimum 0,87 liter/menit, daya pemompaan sebesar 0,52 watt dan efisiensi pompa maksimum 0,032% didapat pada variasi kondisi fluida kerja penuh di pemanas dan kondensor dengan 2 tabung tekan udara pada ketinggian head 2,35 meter. Kata kunci: pompa air, energi termal, daya pompa, efisiensi pompa

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

  Pangan merupakan suatu kebutuhan pokok yang dibutuhkan manusia untuk kelangsungan kehidupannya. Air adalah salah satu bahan pangan yang selalu menjadi kebutuhan pokok untuk menjamin kelangsungan kehidupan manusia. Tetapi keberadaan air tidak selalu berada di tempat yang setrategis. Diperlukan alat atau perangkat untuk mengalirkan air dari sumbernya ke tempat yang diinginkan. Pompa air adalah salah satu alat untuk mengalirkan air dari sumber ke tempat yang diperlukan.

  Pada umumnya pompa air digerakan menggunakan pompa air tradisional dan yang lebih modern menggunakan energi listrik atau menggunakan bahan bakar minyak. Penggunaan pompa air tradisional sangat tidak efisien karena manusia harus mengeluarkan tenaga yang lebih banyak dan harus meluangkan waktu untuk memompa air. Padahal waktu dan tenaga untuk memompa air bisa digunakan untuk kegiatan lainya. Sedangkan penggunaan pompa air tenaga listrik atau bahan bakar minyak tidak selalu tersedia di daerah-daerah yang terpencil. Bahkan di Indonesia masih banyak daerah yang belum terjangkau aliran listrik dan transportasi masih sulit. Sehingga berdampak pada mahalnya harga penyediaan air. Faktor tersebut yang menghambat daerah tertinggal tidak dapat memenuhi kebutuhan air dengan baik. Penggunaan energi fosil yang terus-menerus akan menjadi masalah krisis energi yang berdampak pada kebutuhan manusia lainya.

  Salah satu cara untuk mengatasi masalah tersebut yaitu pemanfaatan energi termal. Energi termal adalah energi panas, energi panas bisa didapat dari berbagai cara antara lain adalah panas dari energi surya, kompor (listrik dan bahan bakar minyak), panas bumi dan lain-lain. Energi surya adalah salah satu alternatif untuk menjadi sumber energi pada pompa air. Untuk mendapatkan energi surya sangat mudah karena energi surya adalah energi bebas yang terdapat dialam baik di kota ataupun di daerah terpencil sekalipun.

1.2 Perumusan Masalah

  Dalam penelitian ini, penulis menggunakan media pemanas kompor listrik untuk menggerakan pompa air dengan sistem termodinamik yang diperlukan fluida kerja untuk melakukan kerja pemompaan. Fluida kerja yang digunakan adalah petroleum eter. ketika proses penguapan, tekanan fluida kerja akan naik, kenaikan tekanan ini digunakan untuk mengalirkan air dari pompa ke tempat air tersebut diperlukan. Saat terjadi proses pengembunan tekanan fluida kerja akan turun, penurunan tekanan ini digunakan untuk mengalirkan air dari sumber air kedalam pompa air. Proses penguapan fluida kerja memerlukan energi panas dan proses pengembunan memerlukan pendinginan. Energi panas diperoleh dari energi surya dan pendinginan dilakukan oleh fluida pendingin seperti udara atau pengembunan fluida kerja. Kecepatan penguapan dan pengembunan fluida kerja ditentukan oleh sifat-sifat dan jumlah massa fluida kerja yang digunakan serta beban (head) pemompaan. Permasalahan dalam penelitian ini dapat dirumuskan sebagai berikut:

  1. Fluida kerja yang digunakan harus mempunyai sifat yang mudah menguap tetapi juga yang mudah untuk diembunkan kembali. Fluida kerja yang digunakan adalah petroleum eter yang mempunyai titik

  3

  didih 40-60°C dan massa berat jenis 0,6 sampai 0,8 gram/cm tergantung pada komposisinya.

  2. Jumlah massa fluida kerja mempengaruhi dalam sistem pemompaan. massa fluida lebih banyak dapat menghasilkan tekanan lebih besar tetapi membutuhkan waktu penguapan yang lama. Penelitian ini akan meneliti bagaimana pengaruh jumlah massa fluida kerja yang digunakan petroleum eter terhadap unjuk kerja pompa air dengan sistem termodinamik.

  3. Beban head pemompaan mempengaruhi kecepatan penguapan fluida kerja sehingga berpengaruh pada unjuk kerja pompa yang dihasilkan.

  Penelitian ini akan meneliti pengaruh beban pemompaan pada unjuk kerja pompa air sistem termodinamik.

  4. Penelitian ini akan meneliti pengaruh dari volume udara tekan dengan jumlah yang berbeda yang terkompresi di tabung udara tekan terhadap unjuk kerja pompa air sistem termodinamik.

5. Penelitian ini akan meneliti pengaruh volume udara pada pemanas dan kondensor terhadap unjuk kerja pompa air sistem termodinamik.

1.3 Tujuan dan Manfaat

  Tujuan yang ingin diperoleh dalam penelitian ini: 1.

  Membuat model pompa air energi termal dengan delapan pipa pemanas paralel dan pemisah uap.

  2. Meneliti debit pemompaan maksimum.

  3. Meneliti daya pemompaan maksimum.

  4. Meneliti efisiensi pompa maksimum. Manfaat yang diperoleh dari penelitian ini adalah: 1.

  Menambah kepustakaan tentang teknologi pompa air energi termal.

  2. Hasil penelitian diharapkan dapat dikembangkan untuk membuat prototipe dan produk teknologi pompa air energi termal yang dapat diterima masyarakat dan meningkatkan kesejahteraan.

3. Mengurangi ketergantungan penggunaan minyak bumi dan

1.4 Batasan Masalah

  Batasan masalah dari penelitian ini adalah : 1.

  Pada penelitian ini dibuat model pompa air energi termal dengan pemanasan ganda yang tersusun paralel dan menggunakan tabung pemisah uap.

  2. Penggunaan petroleum eter sebagai fluida kerja. Berat jenis petroleum eter pada kondisi cair 0,64 gr/ml. Berat jenis digunakan dalam perhitungan mencari massa petroleum eter. Selanjutnya massa tersebut untuk menghitung daya pemanas.

  3. Kalor laten petroleum eter yaitu 300 kJ/kg. Kalor laten fluida digunakan dalam perhitungan daya pemanas.

  4. Tekanan udara sekitar dibutuhkan dalam perhitungan kompresi udara. Diasumsikan tekanan udara sekitar adalah 1 bar.

  5. Variasi yang dibandingkan adalah jumlah tabung udara tekan dengan 2 tabung dan 1 tabung, kondisi petroleum eter penuh pada kondensor, evaporator dan kondisi petroleum eter panuh hanya di kondensor (evaporator hanya berisi udara) dan perbandingan head pemompaan 2,35 meter dan 1,35 meter.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Dasar Teori

  Sumber energi surya dapat digunakan untuk pemanasan pompa air energi termal. Ada dua pengelompokan metode untuk pemanfaatan energi surya agar menghasilkan energi mekanik, yaitu: metode termodinamik dan metode konversi. Pada metode termodinamik, alat utama untuk pengumpulan energi termal surya adalah kolektor termal baik jenis pelat datar maupun fokus. Energi termal ini yang digunakan untuk menaikan temperatur dan tekanan fluida kerja. Fluida kerja dengan temperatur dan tekanan tinggi ini yang dimanfaatkan untuk menghasilkan energi mekanik baik langsung maupun tidak langsung (dengan fluida kerja kedua). Energi mekanik yang dihasilkan dimanfaatkan untuk menggunakan pompa air konvensional (dengan siklus Rankine, Brayton atau Stirling) maupun pompa air dengan disain khusus. Pada pompa air dengan desain khusus dapat dikelompokan berdasarkan media pendingin uap fluida kerjanya yaitu berpendingin udara atau air. Pada metode konversi langsung energi surya dikonversikan menjadi energi listrik dan energi listrik yang dihasilkan digunakan untuk menggerakan pompa. Pengkonversian energi surya ke listrik menggunakan photovoltaic, thermoelektrik.

  Komponen utama pada pompa air energi termal pada umumnya adalah

  7

  adalah jenis pompa benam. Prinsip pompa benam selalu terletak dibawah pemukaan air. Kondensor digunakan untuk mempercepat pendinginan. Pendingan dilakukan dengan fluida air. Pada penelitian ini kondensor yang digunakan berbentuk pipa spiral dari stainless steel. Dalam penggerak pompa air terdapat penampung fluida kerja cair dan pemanas fluida kerja. Selain pemanasan dengan energi surya termal fluida kerja juga bisa dipanaskan menggunakan pemanasan minyak panas. Dalam penelitian ini, fluida kerja yang digunakan adalah fluida petroleum eter.

  Pompa air ini mempunyai prinsip kerja sebagai berikut: Bagian pemanas fluida kerja katup penampung fluida kerja cair dibuka. Fluida kerja cair masuk ke dalam bagian pemanas berbentuk paralel dan terpanasi kemudian menguap. Uap akan mendorong dan memberi tekanan melewati kondensor yang terhubung ke tabung udara tekan. Proses kompresi terjadi di tabung udara ketika uap fluida kerja terbentuk. Setelah proses tersebut, air di pompa benam akan terpompa selama tekanan di dalam tabung tekan mengalami kenaikan. Air di pompa benam akan mengalir ke dalam bak penampung atas. Proses mengalirnya air dari pompa benam ke bak penampung disebut langkah tekan. Sebagian air di bak penampung akan mengalir ke kondensor yang terletak di dalam tangki air. Karena kondensor teraliri air maka kondensor mengalami pendinginan sehingga mengembun. Ketika proses pengembunan ini menyebabkan tekanan sistem turun. Penurunan tekanan menyebabkan air di dalam sumber air terhisap kedalam pompa benam dapat disebut proses hisap. Satu siklus pemompaan terdiri dari satu langkah tekan dan

  8

  satu langkah hisap. Siklus pemompaan akan berlangsung terus selama masih ada persediaan energi panas yang cukup.

2.2 Persamaan yang Digunakan

  Untuk mengetahui unjuk kerja pompa air energi thermal maka diperlukan persamaan yang dapat membantu mengetahui unjuk kerja sistem. Unjuk kerja pompa air energi termal diantaranya dinyatakan dengan daya pompa dan efisiensi pompa. Efisiensi pompa merupakan perbandingan antara daya pompa dengan daya pemanas tiap satuan waktu.

  Daya pemompaan dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut (Soemitro, 1986) :

  P   gQH pompa

  (1) dengan adalah daya pemompaan,

  ρ adalah massa jenis air, g adalah

  percepatan gravitasi , Q adalah debit pemompaan , H adalah head pemompaan Daya pemanas merupakan energi yang diperlukan untuk menguapkan fluida kerja tiap satuan waktu (Cengel, 2008). Daya pemanas dapat dihitung dengan persamaan berikut:

  P  hA  T (2) _pemanas pemanas

  dengan P adalah daya pemanas, h adalah koefisien perpindahan panas, A

  9

  Untuk mencari persamaan h, dibutuhkan persamaan bilangan Nusselt (Nu).

  Untuk mencari Nu harus diketahui nilai Ra terlebih dahulu. Berikut ini adalah persamaaan untuk menghitung bilangan Rayleigh (Ra): ₃

  − ∞

  Ra = Pr (3) ₂ Dengan Pr adalah bilangan Prandtl, adalah koefisien volume ekspansi temperatur rata-rata kontak pipa ,Ts adalah temperatur pipa dan adalah

  ∞ temperatur evaporator, v adalah kekentalan kinematik fluida.

  panjang karakteristik pipa.

  Persamaan bilangan Nusselt pada konveksi luar pipa dapat dihitung dengan persamaan berikut: _{1 6}

  2

0,387Ra

  Nu = 0,6 + _{0,559 16 9 27} ^{8 (4)}

  1+

_Pr

  Dengan Ra adalah bilangan Rayleigh, Pr adalah bilangan Prandtl Persamaan bilangan Nusselt pada konveksi dalam pipa dapat dihitung dengan persamaan berikut:

  1/5

  Nu = 0,4 Ra (5)

  10

  Setelah semua bilangan diketahui persamaannya, maka selanjutnya adalah mencari nilai h dengan persamaan berikut: (6)

  ℎ = Nu dengan  adalah konduktifitas termal, adalah panjang karakteristik pipa dan Nu adalah bilangan Nusselt.

  Efisiensi pompa merupakan perbandingan antara daya pompa dengan daya pemanas (Arismunandar, 1995). Efisiensi pompa dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut:

  = × 100% (7) ɳ

  Kompresi udara tekan merupakan besarnya tekanan yang terjadi akibat perubahan voluma udara pada massa udara retap dalam tabung udara tekan (Cengel, 2008). Untuk menghitung kompresi udara tekan menggunakan persamaan sebagai berikut: _{1 1}

  = (8)

  2

₂

Dengan: P 1 adalah tekanan udara awal, P 2 adalah kompresi udara tekan, V 1 adalah

  volume udara awal, dan V

2 adalah volume udara akhir.

  Efisisensi termal adalah perbandingan antara daya pemanas output dengan daya pemanas input, efisiensi termal dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut:

  11 P _{pemanas ( output )}

     _termal 100 %

  P _{pemanas ( input )} (9)

2.3 Penelitian Terdahulu

  Pompa air energi surya termal menunjukkan bahwa waktu yang diperlukan untuk pengembunan uap fluida kerja dipengaruhi debit dan temperatur air pendingin masuk ke kondensor (Sumathy et. al., 1995). Prototipe pompa air energi surya termal yang bekerja dengan siklus Rankin diuji dengan menggunakan fluida kerja refrijeran R 113 untuk mengetahui unjuk kerjanya (Spindler et. al., 1996). Penelitian unjuk kerja pompa air energi surya termal dengan menggunakan kolektor pelat datar seluas 1 m2, pada variasi head 6, 8, dan 10 m menunjukkan bahwa ukuran vesel uap fluida kerja berpengaruh pada unjuk kerja pompa (Sumathy, 1999). Penelitian secara teoritis pompa air energi surya termal dengan menggunakan dua fluida kerja, yaitu n-pentane dan ethyl ether menunjukkan bahwa efisiensi pompa dengan fluida kerja ethyl ether lebih tinggi 17% dibanding n-pentane pada head 6 m (Wong, 2000). Analisa termodinamika untuk mengetahui unjuk kerja pompa air energi surya termal pada beberapa ketinggian head menunjukkan bahwa jumlah siklus tiap satu hari tergantung waktu yang diperlukan untuk pemanasan fluida kerja dan waktu yang diperlukan untuk pengembunan uap. Waktu pemanasan tergantung pada jumlah fluida awal dalam sistem. Waktu pendinginan tergantung pada luasan optimum koil pendingin (Wong, 2001a). Penelitian pompa air energi surya dengan menggunakan kolektor

  2

  pelat datar sederhana seluas 1 m dengan fluida kerja ethyl ether menghasilkan

  12

  Efisiensi sistem mencapai 0,34-0,42% (Wong, 2001b). Penelitian pompa air energi surya termal dengan menggunakan metode matematis menunjukkan unjuk kerja pompa ditentukan oleh fraksi uap dari siklus yang terjadi. Naiknya temperatur maksimum pemanasan meningkatkan daya pemompaan, sementara penurunan efisiensi disebabkan oleh kerugian panas karena proses penguapan dan pengembunan air (Mahkamov, 2005).

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Skema Alat

  Pompa air energi termal ini memanfaatkan panas minyak yang dipanaskan dengan kompor listrik sebagai sumber panas. Fluida kerja yang dipakai adalah petroleum eter. Berikut ini adalah gambar skema alat yang digunakan ditunjukan pada Gambar 3.1. Foto alat penelitian ditunjukan pada bagian lampiran Gambar L.1. Bagian-bagian utama pada alat penelitian di Gambar 3.1 : 1.

  Pipa tembaga dengan diameter ½ inci dirangkai secara paralel dipasang miring 8,53° dan dipanaskan minyak. Foto alat penelitian ditunjukan pada bagian lampiran Gambar L.2 2. Bak penampung minyak dengan kapasitas 12 liter.

  3. Tabung pemisah uap terbuat dari stainless steel dengan ukuran diameter 5 cm dan tinggi 25 cm. Foto alat penelitian ditunjukan pada bagian lampiran Gambar L.3.

  4. Kondensor spiral dari stainless steel diameter ¾ inci dengan panjang 7 m. Foto alat penelitian ditunjukan pada bagian lampiran Gambar L.4.

  5. Penampung fluida kerja cair dengan diameter 15 cm, tinggi 20 cm terbuat dari stainless steel. Foto alat penelitian ditunjukan pada bagian lampiran Gambar L.5.

  6. Tabung air tekan, dengan diameter 40 cm, tinggi 100 cm dan terbuat dari plat baja dengan tebal 1 mm. Foto alat penelitian ditunjukan pada bagian lampiran Gambar L.6.

  7. Tabung tekan udara dari pipa PVC diameter 4 inci, tinggi 2 m. Foto alat penelitian ditunjukan pada bagian lampiran Gambar L.7.

  8. Katup searah pada sisi tekan.

  9. Pompa benam, terbuat dari PVC diameter 4 inci, panjang 2 m Foto alat penelitian ditunjukan pada bagian lampiran Gambar L.8.

  10. Katup searah pada sisi hisap.

  Untuk meminimalisir cairan fluida kerja cair yang terbawa uap pada penelitian ini menggunakan tabung pemisah uap dengan skema sesuai Gambar

  3.2. Gambar 3.2 Skema pemisah uap Proses kerja dari alat penelitian ini dimulai dari pemanasan pipa tembaga yang dirangkai secara paralel. Pemanasan menggunakan minyak goreng yang dipanasi dengan kompor listrik hingga ±110 °C. Setelah mengalami pemanasan, fluida kerja yang berada di dalam pipa tembaga akan mengalami penguapan. Uap fluida kerja akan masuk ke tabung pemisah fluida kerja. Di tabung pemisah uap ini, fluida kerja yang masih cair yang terdorong sampai tabung pemisah akan dipisah dan fluida kerja yang masih cair dikembalikan ke pemanas. Uap fluida kerja akan terus masuk ke kondensor dan uap menuju tabung tekan air. Uap memberi tekanan di tabung tekan air. Air yang berada di tabung tekan air akan mengalami kenaikan dan menyebabkan kompresi. Pada saat udara terkompresi pompa benam bekerja, katup searah sisi tekan membuka karena mendapat tekanan dan air terpompa sampai tangki air out put. Pada saat proses pendinginan, kompor dimatikan dan suhu pemanasan menurun. Sehingga menyebabkan uap fluida kerja mengembun. Karena mengembun tekanan menurun dan air yang berada di tabung tekan udara menurun. Pada saat penurunan air di tabung tekan udara, katup searah sisi hisap di pompa benam bekerja dan terjadi proses penghisapan air dari sumur.

3.2 Variabel yang Divariasikan

  Variasi yang dilakukan pada penelitian ini adalah sebagai berikut : 1.

  Variasi dengan 2 tabung tekan udara pada ketinggian air 127 cm dengan ketinggian pipa buang 2,35 m keadaan pemanas dan kondensor terisi penuh fluida kerja.

  2. Variasi dengan 1 tabung tekan udara pada ketinggian air 127 cm dengan ketinggian pipa buang 2,35 m keadaan pemanas dan kondensor terisi penuh fluida kerja.

  3. Variasi dengan 1 tabung tekan udara pada ketinggian air 127 cm dengan ketinggian pipa buang 2,35 m keadaan pipa pemanas hanya terisi udara dengan tekanan 1 atm.

  4. Variasi dengan 1 tabung tekan udara pada ketinggian air 127 cm dengan ketinggian pipa buang 1,35 m keadaan pipa Debit fluida kerja 0,3 liter/menit diperoleh dari perhitungan bukaan katup diantara tabung penampung fluida kerja menuju pemanas. Seperti pada Gambar 3.3 dan 3.4.

Gambar 3.3 Skema keadaan fluida kerja tidak mengalirGambar 3.4 Skema keadaan debit fluida kerja 0,3 liter/menit

  Pada variasi pemanas dan kondensor terisi fluida kerja, katup tabung pemanas hanya terisi udara dan kondensor terisi fluida kerja, katup tabung penampung dibuka saat pipa tembaga di pemanas sudah mencapai suhu 70°C.

  Simulasi variasi terlihat pada gambar dibawah (Gambar 3.5 dan Gambar 3.6).

Gambar 3.5 Keadaan kondensor terisi fluida kerja Petroleum EterGambar 3.6 Keadaan kondensor dan pemanas terisi fluida kerja Petroleum

  Eter Variasi ketinggian head pemompaan dilakukan dengan mengatur ketinggian pipa buang dari pompa benam. (Gambar 3.7 dan Gambar 3.8).

Gambar 3.7 Variasi ketinggian pipa buang 2,35 meterGambar 3.8 Variasi ketinggian pipa buang 1,35 meter Untuk variasi penggunaan 2 tabung tekan udara adalah dengan cara membuka semua katup pada tabung tekan udara. Untuk variasi 1tabung tekan udara caranya dengan menutup 2 sisi katup pada salah satu tabung tekan udara. Seperti pada gambar di bawah ini (Gambar 3.9 dan Gambar 3.10).

Gambar 3.9 Variasi menggunakan 1 tabung tekan udaraGambar 3.10 Variasi menggunakan 2 tabung tekan udara

3.3 Parameter yang diukur

  Parameter yang diukur dalam penelitian ini adalah : 1.

  Temperatur bagian dasar minyak pemanas (

  1

  ) 2. Temperatur bagian tengah minyak pemanas (

  2

  ) 3. Temperatur bagian pipa pemanas yang mengalir ke tabung pemisah (

  3

  ) 4. Temperatur bagian pipa pemanas yang mengalir dari tabung penampung ke pemanas (

  4

  )

  6.

  ) Tekanan pada bagian tabung air tekan (

  2 7.

  ) Tekanan pada bagian tabung udara tekan (

  3 8.

  Kenaikan air pada tabung udara tekan (h) 9. Volume pemompaan (v)

  10. ) Waktu pemompaan (

  11. ) Waktu pemanasan (

  12. ) Waktu pendinginan (

  Pada penelitian ini, pengukuran temperatur menggunakan thermologger dan untuk pengukuran waktu menggunakan stopwatch dan pengukuran volume menggunakan gelas ukur. . Foto alat ukur thermologger dan manometer ditunjukan pada bagian lampiran Gambar L.9 dan Gambar L.10.

3.4 Langkah Penelitian

  Berikut ini adalah langkah-langkah yang dilakukan untuk pengambilan data penelitian :

  1. Persiapan alat-alat dan pembuatan alat seperti pada Gambar 3.1.

  2. Pengambilan data dimulai dengan kalibrasi debit fluida kerja.

  3. Pada variasi debit fluida kerja mula-mula dilakukan variasi pengisian fluida kerja hingga penuh di pemanas dan kondensor menggunakan 2 tabung angin tekan.

  4.

  ), Data yang dicatat adalah temperatur bagian dasar pada pemanas (

  1

  temperatur bagian tengah pada pemanas ( ), temperatur bagian pipa

  2

  pemanas yang mengalir ke tabung pemisah ( ), temperatur bagian

  3

  pipa pemanas yang mengalir dari tabung penampung ke pemanas ( ),

  4

  tekanan pada bagian pemanas ( ), tekanan pada bagian tabung air

  1

  tekan ( ), tekanan pada bagian tabung udara tekan ( ), kenaikan air

  2

  3

  pada tabung udara tekan (h), volume pemompaan (v), waktu pemompaan ( ), waktu pemanasan ( ) dan waktu pendinginan ( ).

  5. Langkah 2 diulangi dengan menggunakan variasi pengisian fluida kerja pada pemanas dan kondensor menggunakan 1 tabung udara tekan.

  6. Langkah 2 diulangi dengan menggunakan variasi pengosongan fluida

  7. Langkah 2 diulangi dengan menggunakan variasi pengosongan fluida kerja pada pemanas dengan ketinggian pipa buang yang berbeda.

  8. Data yang diperoleh dianalisa dengan menggunakan Persamaan (1) sampai Persamaan (9).

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Hasil Penelitian

  Berikut ini adalah data hasil penelitian yang didapat dengan memvariasikan tinggi head pemompaan 2,35 meter dan 1,35 meter , jumlah tabung udara tekan dengan 2 tabung dan 1 tabung, kondisi fluida kerja petroleum eter di kondensor, pemanas penuh dan kondisi fluida kerja petroleum eter hanya di kondensor (pemanas berisi udara). Adapun penjelasan mengenai penamaan kolom dan baris adalah sebagai berikut: Baris Awal : Kondisi saat proses pendinginan selesai dan fluida kerja belum masuk belum masuk ke pemanas. Bisa dikatakan awal siklus tekan atau akhir siklus hisap. Akhir : Kondisi saat proses pemompaan selesai. Terlihat ketika ketinggian air di tabung udara tekan menurun. Bisa dikatakan sebagai akhir siklus tekan.

  26

  Kolom : Temperatur minyak di bagian dasar.

  1 : Temperatur minyak di bagian tengah.

  2

  : Temperatur di bagian pipa saluran petroleum eter yang masuk ke

  3 pemanas.

  : Temperatur di bagian pipa uap keluar dari pemanas.

  4 : Volume udara tekan pada satu tabung.

  1 : Volume udara tekan pada dua tabung.

  2 : Tekanan udara di pipa pemanas yang terbaca manometer.

  1 : Tekanan udara tabung tekan air yang terbaca manometer.

  2 : Tekanan tabung tekan udarayang terbaca manometer.

  3

  : Lama waktu pemanasan fluida kerja cair. Dimulai dari waktu siklus tekan hingga akhir siklus tekan.

  : Lama waktu pemompaan.diukur ketika air mulai keluar dari ujung tertinggi pipa buang shingga air berhenti mengalir.

  : Lama waktu pendinginan. Dimulai dari awak siklus tekan hingga fluida kembali ke volume awal.

  : Volume air yang keluar dari pipa buang selama siklus pemompaan.

  27

Tabel 4.1 Data penelitian dengan variasi fluida kerja penuh di pemanas dan kondensor, head pemompaan 2,35 meter dengan menggunakan 2

  tabung udara.

  Temperatur t t t v Tekanan Kondisi

  Head sumur panas pompa dingin (detik) (detik) (detik) (liter) T1 T2 T3 T4

  1

  2

  

3

  awal

  25

  25

  25 25 0,12 0,08 16,20 akhir 112 114 59 67 0,52 0,46 0,38 23,7 7200 20 54000

Tabel 4.2 Data penelitian dengan variasi fluida kerja penuh di pemanas dan kondensor, head pemompaan 2,35 meter dengan menggunakan 1

  tabung udara.

  Temperatur t t t v Tekanan panas pompa dingin Kondisi

  Head sumur (detik) (detik) (detik) (liter) T1 T2 T3 T4

  1

  2

  3

  16,20 awal

  24

  25

  25 25 0,02 0,05 akhir 115 116

  56

  67

  0.5

  0.5

  0.4 40 5400 109 54000

Tabel 4.3 Data penelitian dengan variasi fluida kerja penuh di kondensor pemanas terisi udara, head pemompaan 2,35 meter dengan

  menggunakan 1 tabung udara.

  v t t t Temperatur Tekanan Kondisi Head sumur panas pompa dingin (liter) (detik) (detik) (detik) T1 T2 T3 T4

  1

  2

  3

  16,20 Awal

  24

  25

  25 25 0,02 0,05 akhir 114 115 58 64 0,58 0,5 0,4 51 7200 581 54000

  28

Tabel 4.4 Data penelitian dengan variasi fluida kerja penuh di kondensor pemanas terisi udara, head pemompaan 2,35 meter dengan

  menggunakan 1 tabung udara.

  Temperatur v t t t Tekanan Kondisi Head sumur panas pompa dingin (liter) (detik) (detik) (detik)

  

3

T1 T2 T3 T4

  1

  2

  16,206 awal

  35

  35

  26 32 0,05 0,01 akhir 106 106 65 86 0,49 0,4 0,3 43,2 7200 715 54000

  Setelah mendapatkan data, maka dapat dilakukan perhitungan untuk mengetahui unjuk kerja pompa air energi termal. Perhitungan dibawah ini menggunakan data pertama pada variasi satu (Tabel 4.1)

  Perhitungan yang pertama adalah menghitung daya pompa. Pada perhitungan ini menggunakan Persamaan (1), variabel yang diketahui adalah: Head = 2,35 m vol = 0,292 liter

  air

  3

  = 1000 kg/m t pompa = 20 detik

  2 g = 9,81 m/det

  Perhitungan daya pompa adalah:

  P pompa =

   g Q H

  0,292 liter ( )

  3 2 1000 P pompa = (1000 kg/m )(9,81 m/det )( ) (2,35 meter)

  20 0,33 watt

  P

  pompa =

  29

  Perhitungan yang kedua adalah mengitung daya pemanas. Pada perhitungan daya pemanasan menggunakan Persamaan (2). Parameter yang didapat adalah:

  T 1 =T m1 = 112°C T 3 =T e1 = 59°C T 2 =T m2 =114°C T 4 =T e2 = 67°C

  2 D = ½ inch g = 9,81 m/s L = 60 cm

  Untuk menghitung daya pemanas sifat-sifat fluida yang digunakan adalah bilangan Nusselt, bilangan Prandtl, bilangan Rayleigh dan koefisien perpindahan kalor perhitungan. Perhitungan bilangan Rayleigh menggunakan Persamaan (3). Bilangan Nusselt konveksi luar pipa dapat menggunakan Persamaaan (4) dan untuk bilangan Nusselt konveksi dalam pipa dapat menggunakan Persamaan (5), Bilangan Prandtl adalah minyak 53,85 dan fluida kerja adalah 9,21 diketahui dari tabel (Cangel, 2008). Untuk menghitung koefisien perpindahan kalor menggunakan Persamaan (6). Setelah semua sifat-sifat fluida diketahui maka daya pemanas dapat dihitung.

  Perhitungan bilangan Rayleigh luar pipa adalah: ₃

  − ∞

  Ra = Pr _{2 3}

  )

9,8 0,0026 113 − 86,3 (0,012

  Ra = 58, 85 ₂

  −6

(3,8×10 )

  2 Nu = 31,33

  × 9,21 Ra = 2465263511

  2 Nu = 0,6 + 0,387 ×5288678 ,62 ^{1 6}

1+

^0,559 _53,85 ^{9 16 8 27}

  0,387R a ^{1 6} 1+ ^0,559 _Pr ^{9 16 8 27}

  Nu = 0,6 +

  adalah temperatur permukaan pipa yang didapat dari metode iterasi Perhitungan bilangan Nusselt konveksi luar pipa adalah:

  ∞

  ) dan

  2

  Dengan Ts adalah temperatur rata-rata minyak ( ³

  ) ²

  30

  

9,8 0,0026 86,36 − 63 (0,0012

³⁾

(6,7×10

−6

  Ra =

  − ∞ ³ ₂ Pr

  Ra =

  adalah temperatur permukaan pipa yang didapat dari metode iterasi Perhitungan bilangan Rayleigh dalam pipa adalah:

  ∞

  ) dan

  2

  Ra = 5288678,62 Dengan Ts adalah temperatur rata-rata minyak ( ^{1 + 2}

• ₄

  31

  Perhitungan bilangan Nusselt konveksi dalam pipa adalah:

  

1/5

  Nu = 0,4 Ra

  1

  5 Nu = (0,4) (2465263511 )

  Nu = 30,22 Perhitungan koefisien perpindahan kalor luar pipa adalah:

  = ℎ Nu