UNJUK KERJA POMPA AIR ENERGI TERMAL DENGAN PEMANAS VERTIKAL MENGGUNAKAN DUA PIPA PEMANAS PARALEL

  UNJUK KERJA POMPA AIR ENERGI TERMAL DENGAN PEMANAS VERTIKAL MENGGUNAKAN DUA PIPA PEMANAS PARALEL TUGAS AKHIR Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Jurusan Teknik Mesin Disusun oleh : GALIH AJI SANJAYA NIM : 115214024 PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA 2012

  

PERFORMANCE OF THERMAL ENERGY WATER PUMP

WITH VERTICAL HEATERS USING TWO

PARALLEL HEATER PIPES

FINAL PROJECT

Presented as partial fulfillment of requirements

to obtain the Sarjana Teknik Degree

in Mechanical Engineering

  

Presented by :

GALIH AJI SANJAYA

NIM : 115214024

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAMME

  

MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT

FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

2012

  

INTISARI

  Masyarakat membutuhkan air untuk memenuhi kebutuhan sehari-hari. Selama ini masyarakat menggunakan pompa air dengan energi listrik atau bahan bakar fosil untuk mengalirkan air dari sumbernya. Tidak semua daerah terjangkau aliran listrik atau distribusi bahan bakar minyak. Penggunaan tenaga manual sebagai solusi tidak efisien waktu. Salah satu alternatif yang dapat dilakukan adalah dengan menggunakan pompa air energi termal. Tujuan yang ingin dicapai peneliti adalah membuat model pompa air energi termal dengan pemanas ganda dan pemisah uap, meneliti debit, daya pemompaan, dan efisiensi pompa maksimum yang dapat dihasilkan pompa. Fluida kerja yang digunakan adalah eter (dietil eter). Evaporator terdiri dari dua pipa tembaga yang dipanasi dengan uap air panas yang tersusun paralel dengan posisi vertikal. Kondensor berupa kotak pendingin dari pelat tembaga. Variabel yang divariasikan, jumlah volume awal fluida kerja (600 ml, 670 ml, 730 ml), volume awal udara tekan(11,6 liter, 9,2 liter, 6,8 liter, 5,8 liter), jumlah tabung udara tekan, dan tinggi head pemompaan(1,70 m, 2,44 m, 3,25 m). Variabel yang diukur temperatur kotak pendingin, temperatur penampung fluda kerja cair, temperatur bagian dasar evaporator, temperatur bagian atas evaporator, tekanan pada bagian tabung udara tekan, kenaikan air pada tabung udara tekan, volume pemompaan, waktu pemompaan, waktu pemanasan, dan waktu pendinginan. Dari penelitian didapat hasil debit pemompaan maksimum tiap siklus sebesar 1,2 liter/menit, daya pemompaan maksimum sebesar 0,65watt dan efisiensi pemompaan maksimum sebesar 0,092 % didapat pada variasi volume fluida kerja mula-mula sebesar 600 ml, volume udara tekan 5,8 liter, ketinggian head 3,25 m, dan menggunakan satu tabung udara tekan.

  Kata kunci : pompa air, energi termal, daya pompa, efisiensi pompa

KATA PENGANTAR

  Puji syukur kepada Tuhan Yesus Kristus atas berkat, kasih, dan karunia yang dilimpahkan bagi penulis, sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini sebagai salah satu syarat menyelesaikan studi di Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

  Dengan judul Tugas Akhir “Unjuk Kerja Pompa Air Energi Termal Dengan Pemanas Vertikal Menggunakan Dua Pipa Pemanas Paralel ”.

  Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu dalam penyelesaian Tugas Akhir ini, khususnya kepada:

  1. Ibu Paulina Heruningsih Prima Rosa, SSi., MSc., selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

  2. Bapak Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T., selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

  3. Bapak Ir. F.A. Rusdi Sambada, M.T., selaku Dosen Pembimbing Tugas Akhir.

  4. Para Dosen Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta yang telah membagikan ilmunya untuk menyusun Tugas Akhir ini.

  5. Bapak Purwoko dan Ibu Sri Hastuti selaku orang tua penulis yang telah memberikan dukungan sehingga penulisan Tugas Akhir ini dapat diselesaikan.

  6. Adikku Surya selaku keluarga penulis yang telah memberikan semangat

  

DAFTAR ISI

  halaman

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  DAFTAR GAMBAR

Gambar 4.2 Grafik perbandingan daya pompa pada variasi tinggi head dengan volume fluida kerja 600 ml, volume udara tekan 5,8 liter, dan duaGambar 4.5 Grafik perbandingan daya pompa pada variasi volume udara mula- mula pada tabung udara tekan dengan volume fluida kerja 600 ml,

  

Gambar 4.4 Grafik perbandingan debit pemompaan pada variasi volume udara mula-mula pada tabung udara tekan dengan volume fluida kerja 600

  

Gambar 4.3 Grafik perbandingan efisiensi pada variasi ketinggian head dengan volume fluida kerja 600 ml, volume udara tekan 5,8 liter, dan dua

  

  

Gambar 3.1 Skema alat penelitian ............................................................................. 11Gambar 4.1 Grafik perbandingan debit pada variasi ketinggian head dengan volume fluida kerja 600 ml, volume udara tekan 5,8 liter, dan duaGambar 3.6 Posisi termokopel dan manometer. ........................................................ 17Gambar 3.5 Variasi volume udara mula-mula pada tabung udara tekan. .................. 16Gambar 3.4 Variasi ketinggian head pompa .............................................................. 15Gambar 3.3 Variasi volume fluida kerja mula-mula .................................................. 15Gambar 3.2 Skema pemisah uap ................................................................................ 12

  

Gambar 4.6 Grafik perbandingan efisiensi pada variasi volume udara mula-mula pada tabung udara tekan dengan volume fluida kerja 600 ml, head

  

Gambar 4.7 Grafik perbandingan debit pada variasi volume fluida kerja cair dengan volume udara tekan 5,8 liter, head 3,25 m, dan dua tabung

  

Gambar 4.8 Grafik perbandingan daya pompa pada variasi volume fluida kerja dengan volume udara tekan 5,8 liter, head 3,25 m, dan dua buah

  

Gambar 4.10 Grafik perbandingan debit pada variasi jumlah tabung udara tekan dengan volume fluida kerja 600 ml, volume udara tekan 5,8 liter, dan

  

Gambar 4.11 Grafik perbandingan daya pompa pada variasi jumlah tabung udara tekan dengan volume fluida kerja 600 ml, volume udara tekan 5,8

  

Gambar 4.12 Grafik perbandingan efisiensi pada variasi jumlah tabung udara tekan dengan volume fluida kerja 600 ml, volume udara tekan 5,8

  

Gambar 4.13 Grafik perbandingan debit pada variasi jumlah evaporator dengan volume fluida kerja 600 ml, volume udara tekan 5,8 liter, dan head

  

Gambar 4.14 Grafik perbandingan daya pompa pada variasi jumlah evaporator dengan volume fluida kerja 600 ml, volume udara tekan 5,8 liter, dan

  

Gambar 4.15 Grafik perbandingan efisiensi pada variasi jumlah evaporator dengan volume fluida kerja 600 ml, volume udara tekan 5,8 liter, dan

  

Gambar 4.16 Grafik debit pemompaan tiap siklus pada variasi volume fluida kerja 600 ml, head 3,25 m, volume udara tekan 5,8 liter, dan dua tabung

  

Gambar 4.17 Grafik debit pemompaan tiap siklus pada variasi volume fluida kerja 670 ml, head 3,25 m, volume udara tekan 5,8 liter, dan dua tabung

  

Gambar 4.18 Grafik debit pemompaan tiap siklus pada variasi volume fluida kerja 730 ml, head 3,25 m, volume udara tekan 5,8 liter, dan dua tabung

  

Gambar 4.19 Grafik debit pemompaan tiap siklus pada variasi volume fluida kerja 600 ml, head 3,25 m, volume udara tekan 4,6 liter, dan dua

  

Gambar 4.20 Grafik debit pemompaan tiap siklus pada variasi volume fluida kerja 600 ml, head 3,25 m, volume udara tekan 3,4 liter, dan dua tabung

  

Gambar 4.21 Grafik debit pemompaan tiap siklus pada variasi volume fluida kerja 600 ml, head 2,44 m, volume udara tekan 5,8 liter, dan dua tabung

  

Gambar 4.22 Grafik debit pemompaan tiap siklus pada variasi volume fluida kerja 600 ml, head 1,70 m, volume udara tekan 5,8 liter, dan dua tabung

  

Gambar 4.23 Grafik debit pemompaan tiap siklus pada variasi volume fluida kerja 670 ml (siklus 1) dan 600 ml (siklus 2 dan 3), head 3,25 m, volume

  

Gambar 6.1 Alat penelitian pompa air energi termal ................................................. 54Gambar 6.2 Pemanas fluida kerja .............................................................................. 54Gambar 6.3 Pemisah uap............................................................................................ 54Gambar 6.4 Kondensor, (a) kotak pendingin, (b) tabung pendingin ......................... 55Gambar 6.5 Penampung fluida cair, (a) penampung atas, (b) penampung bawah..... 55Gambar 6.6 Tabung udara tekan ................................................................................ 56Gambar 6.7 Bagian pompa air, (a) pipa buang, (b) pompa benam ............................ 56Gambar 6.8 Alat ukur, (a) manometer pemanas, (b) manometer tabung udara tekan, (c) thermologger ......................................................................... 57

  DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Data penelitian dengan variasi volume fluida kerja 600 ml, head 3,25 m, volume udara tekan 5,8 liter, dan dua tabung udara tekan. ....................... 20Tabel 4.2 Data penelitian variasi volume fluida kerja 670 ml, head 3,25 m, volume udara tekan 5,8 liter, dan dua tabung udara tekan. .................................... 20Tabel 4.3 Data penelitian variasi volume fluida kerja 730 ml, head 3,25 m, volume udara tekan 5,8 liter, dan dua tabung udara tekan. .................................... 21Tabel 4.4 Data penelitian variasi volume fluida kerja 600 ml, head 3,25 m, volume udara tekan 4,6 liter, dan dua tabung udara tekan. .................................... 21Tabel 4.5 Data penelitian variasi volume fluida kerja 600 ml, head 3,25 m, volume udara tekan 3,4 liter, dan dua tabung udara tekan. .................................... 21Tabel 4.6 Data penelitian variasi volume fluida kerja 600 ml, head 2,44 m, volume udara tekan 5,8 liter, dan dua tabung udara tekan. .................................... 22Tabel 4.7 Data penelitian variasi volume fluida kerja 600 ml, head 1,70 m, volume udara tekan 5,8 liter, dan dua tabung udara tekan. .................................... 22Tabel 4.8 Data penelitian variasi volume fluida kerja 670 ml dan 600 ml, head

  

Tabel 4.9 Data penelitian variasi volume fluida kerja 600 ml, head 3,25 m, volume udara tekan 5,8 liter, satu tabung udara tekan, dan pemanas tunggal. ....... 23Tabel 4.10 Hasil perhitungan data penelitian variasi volume fluida kerja 600 ml, head 3,25 m, volume udara tekan 5,8 liter, dan dua tabung udara tekan... 26Tabel 4.11 Hasil perhitungan data penelitian variasi volume fluida kerja 670 ml,Tabel 4.12 Hasil perhitungan data penelitian variasi volume fluida kerja 730 ml, head 3,25 m, volume udara tekan 5,8 liter, dan dua tabung udara tekan... 26Tabel 4.13 Hasil perhitungan data penelitian variasi volume fluida kerja 600 ml, head 3,25 m, volume udara tekan 4,6 liter, dan dua tabung udara tekan... 26Tabel 4.14 Hasil perhitungan data penelitian variasi volume fluida kerja 600 ml, head 3,25 m, volume udara tekan 3,4 liter, dan dua tabung udara tekan... 27Tabel 4.15 Hasil perhitungan data penelitian variasi volume fluida kerja 600 ml, head 2,44 m, volume udara tekan 5,8 liter, dan dua tabung udara tekan... 27Tabel 4.16 Hasil perhitungan data penelitian variasi volume fluida kerja 600 ml, head 1,70 m, volume udara tekan 5,8 liter, dan dua tabung udara tekan... 27Tabel 4.17 Hasil perhitungan data penelitian variasi volume fluida kerja 670 ml dan 600 ml, head 3,25 m, volume udara tekan 5,8 liter, dan satu tabung

  

Tabel 4.18 Hasil perhitungan data penelitian variasi volume fluida kerja 600 ml, head 3,25 m, volume udara tekan 5,8 liter, satu tabung udara tekan, dan

  

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

  Dalam kehidupan sehari-hari manusia harus memenuhi kebutuhannya untuk dapat bertahan hidup. Pangan adalah salah satu kebutuhan pokok bagi manusia.

  Kebutuhan akan pangan diwujudkan dalam kebutuhan akan makanan dan minuman. Air adalah salah satu bahan yang selalu ada di makanan dan minuman.

  Kebutuhan akan air menjadi kebutuhan pokok untuk menjamin kelangsungan kehidupan manusia. Pada kenyataannya sumber air tidak selalu berada sesuai dengan tempat air tersebut diperlukan. Alat bantu yang dipakai untuk mengalirkan air dari sumber air ke tempat yang diperlukan adalah pompa air.

  Pompa air umumnya digerakkan dengan energi listrik atau dengan bahan bakar fosil. Penggunaan pompa air ini sangat membantu ketersediaan air pada daerah yang memiliki jaringan listrik dan bahan bakar yang baik. Beberapa daerah, terutama di Indonesia masih belum terjangkau aliran listrik dan sarana transportasi yang tidak memadai. Di daerah tertinggal seperti ini, pemanfaatan pompa dengan bahan bakar fosil akan menyebabkan mahalnya harga penyediaan air. Mahalnya harga penyediaan air juga dipengaruhi oleh adanya krisis energi. Penggunaan bahan bakar fosil yang semakin luas tetapi jumlah cadangan bahan bakar fosil yang semakin sedikit menyebabkan terjadinya krisis energi. Hal ini akan mempengaruhi kemampuan masyarakat dalam memenuhi kebutuhan yang air dari sumber air dengan cara manual yaitu dengan menggunakan tenaga manusia. Penggunaan tenaga manusia ini merupakan tindakan yang tidak efektif.

  Masyarakat harus kehilangan waktu untuk melakukan kegiatan yang lebih produktif. Waktu dan tenaga yang digunakan untuk mengambila air bisa digunakan untuk hal lain yang lebih produktif.

  Setiap daerah memiliki karakteristik alam yang berbeda antara satu dengan lainnya. Pemanfaatan energi alam bisa menjadi salah satu alternatif solusi sumber energi pompa air. Energi surya merupakan salah satu energi bebas yang terdapat di alam. Pemanfaatan energi surya pada umunya berupa sel surya dan kolektor surya. Sel surya masih tergolong teknologi tinggi dan mahal sehingga jarang digunakan di daerah pada negara berkembang. Kolektor surya merupakan teknologi yang sederhana dan murah. Pemanfaatan kolektor surya memiliki peluang untuk dapat digunakan untuk memompa air pada daerah tertinggal.

1.2 Perumusan Masalah

  Dari penelitian ini penulis dapat merumuskan beberapa masalah. Unjuk kerja pompa air energi termal tergantung pada lama waktu penguapan dan pengembunan fluida kerja, dalam hal ini fluida eter (dietil eter) digunakan sebagai fluida kerja. Penggunaan massa fluida kerja yang lebih besar dapat meningkatkan jumlah uap yang terbentuk. Tetapi jika kapasitas pemanas lebih kecil dari massa fluida kerja yang dipanasi maka unjuk kerja pemompaan akan menurun. Kapasitas pemanas mempengaruhi lama waktu pembentukan uap fluida kerja. Penggunaan air sebagai fluida pendingin dapat mempercepat pengembunan uap fluida kerja. Pengembunan yang terlalu cepat dan terjadi pada saat proses penguapan fluida kerja akan menurunkan unjuk kerja pemompaan. Pengembunan fluida yang terlalu cepat menyebabkan volume uap fluida kerja yang dihasilkan menjadi lebih sedikit. Penggunaan pemisah uap untuk memisahkan fluida kerja yang berbentuk uap dengan fluida kerja cair. Fluida kerja cair yang dapat dipisahkan dialirkan kembali ke pemanas sehingga dapat meningkatkan unjuk kerja pemompaan.

1.3 Tujuan dan Manfaat

  Tujuan yang ingin dicapai dalam penelitian ini: 1.

  Membuat model pompa air energi termal dengan dua 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-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 energi listrik untuk penggerak pompa air.

1.4 Batasan Masalah

  Batasan dari penelitian ini adalah : 1.

  Pada penelitian ini dibuat model pompa air energi termal dengan pemanas ganda yang tersusun paralel dan menggunakan pemisah uap, dimana fluida yang dipanasi berupa fluida eter (dietil eter)..

  3 2.

  . Berat jenis eter Berat jenis eter pada kondisi cair 0,7134 gr/cm digunakan dalam perhitungan untuk mencari massa eter. Massa eter digunakan dalam perhitungan daya pemanas.

3. Kalor laten penguapan eter 360226,7 J/kg. Kalor laten penguapan eter digunakan dalam perhitungan daya pemanas.

  4. Tekanan udara tergantung pada ketinggian suatu tempat dari permukaan laut. Dalam penelitian ini tekanan udara sekitar dibutuhkan dalam perhitungan kompresi udara. Tekanan udara sekitar diasumsikan 1 bar.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Dasar Teori

  Pompa air energi thermal dapat menggunakan energi surya sebagai sumber panas. Pemanfaatan energi surya untuk mengasilkan energi mekanik penggerak pompa air dapat dikelompokkan menjadi dua yaitu metode termodinamik dan metode konversi langsung. Pada metode termodinamik, energi termal surya dikumpulkan dengan menggunakan kolektor termal baik jenis pelat datar maupun fokus. Energi termal ini digunakan untuk menaikkan temperatur dan tekanan fluida kerja. Fluida kerja dengan temperatur dan tekanan tinggi ini dimanfaatkan secara langsung maupun secara tidak langsung (dengan fluida kerja kedua) untuk menghasilkan energi mekanik. Energi mekanik yang dihasilkan dimanfaatkan untuk menggerakkan pompa air, baik dengan menggunakan pompa air konvensional (dengan siklus Rankine, Brayton atau Stirling) maupun pompa air dengan disain khusus. Pompa air dengan disain khusus dapat dikelompokkan berdasarkan media pendingin uap fluida kerjanya yaitu berpendingin udara atau air. Pada metode konversi lagsung energi surya dikonversikan menjadi energi listrik (dengan photovoltaic, thermoelektrik atau thermionik), energi listrik yang dihasilkan digunakan motor listrik untuk menggerakkan pompa air.

  Pompa air energi termal pada umumnya memiliki beberapa komponen utama yaitu penggerak pompa air, kondensor, dan pompa air. Pompa air yang bawah permukaan air. Kondensor digunakan untuk mengefektifkan pendinginan. Pendinginan dilakukan dengan menggunakan fluida air. Pada penelitian ini kondensor yang digunakan berbentuk kotak dari pelat tembaga. Dalam penggerak pompa air terdapat penampung fluida kerja cair dan pemanas fluida kerja. Pemanas fluida kerja memanfaatkan panas dari uap air panas. Pemanasan fluida kerja dapat dilakukan dengan memanfaatkan sumber panas yang lain seperti energi surya termal atau penggunaan minyak panas. Fluida kerja yang digunakan dalam penelitian ini adalah fluida eter.

  Prinsip kerja pompa air ini adalah memanfaatkan panas yang didapat dari panas uap air. Pada saat bagian pemanas fluida kerja telah terpanasi, katup penampung fluida kerja cair dibuka. Fluida kerja masuk ke bagian pemanas dan terpanasi kemudian menguap. Uap yang terbentuk mendorong air di tabung pendingin yang terhubung ke tabung udara tekan. Terjadi proses kompresi di tabung udara tekan selama uap fluida kerja terus terbentuk. Air dari pompa benam akan terpompa selama ada kenaikan tekanan di tabung udara tekan. Pada saat fluida kerja yang dipanasi telah habis, tekanan udara di tabung tekan turun. Katup penampung fluida kerja cair ditutup agar fluida cair yang terbentuk tidak langsung masuk ke bagian pemanas. Kondensor didinginkan dengan fluida pendingin air sehingga uap fluida kerja mengembun. Pengembunan fluida kerja menyebabkan tekanan di bagian penggerak pompa turun sehingga air dari tabung udara tekan masuk ke tabung pendingin. Air di tabung udara tekan akan kembali ke posisi awal saat volume fluida kerja cair di penampung fluida kerja sama dengan kondisi awal. Penurunan tekanan pada tabung udara tekan menyebabkan air masuk ke pompa benam. Siklus dapat dilakukan kembali selama ada sumber panas yang cukup untuk menguapkan fluida kerja. Setiap satu langkah penguapan fluida kerja dan satu langkah pengembunan fluida kerja disebut sebagai satu siklus pemompaan. Langkah penguapan fluida kerja disebut juga langkah tekan pompa.

  Langkah pengembunan fluida kerja disebut juga langkah hisap. Pompa benam dilengkapi dengan dua katup searah. Katup searah terletak di sisi hisap dan sisi tekan. Fungsi katup adalah untuk mengatur agar pada saat langkah tekan, air mengalir hanya melewati sisi tekan dan pada saat langkah hisap, air yang terhisap hanya dari sisi hisap.

2.2 Persamaan yang Digunakan

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

  Daya pemompaan dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan sebagai berikut (Soemitro, 1986) : (1) dengan :

  P = daya pemompaan (Watt)

  pompa

  3

  = massa jenis air (kg/m ) ρ

  2

  g = percepatan gravitasi (m/det )

3 Q = debit pemompaan (m /det)

  H = head pemompaan (m) Daya pemanas merupakan energi yang diperlukan untuk menguapkan fluida kerja tiap satuan waktu (Arismunandar, 1995). Persamaan yang digunakan adalah sebagai berikut :

  (2) dengan : P = daya pemanas (Watt)

  pemanas

  m = massa fluida kerja (kg) h = kalor laten fluida kerja (J/kg)

  fg

  t = waktu pemanasan (detik) Efisiensi pompa merupakan perbandingan antara daya pompa dengan daya pemanas (Arismunandar, 1995). Efisiensi pompa dihitung dengan persamaan sebagai berikut :

  (3) Kompresi udara tekan merupakan besarnya tekanan yang terjadi akibat perubahan volume udara pada massa udara tetap dalam tabung udara tekan

  (Cengel, 2008). Kompresi udara tekan dihitung dengan persamaan sebagai berikut :

  (4) dengan : P

  1 = Tekanan udara awal (bar)

  P = Kompresi udara tekan (bar)

2 V = Volume udara awal (liter)

  1 V 2 = Volume udara akhir (liter)

2.3 Penelitian Terdahulu

  Penelitian 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

  2

  kolektor pelat datar seluas 1 m , 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 pelat datar sederhana seluas 1 m2 dengan fluida kerja ethyl ether menghasilkan kapasitas pemompaan 700-1400 liter/hari tergantung ketinggian head (6-10 m). 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

  Pada penelitian ini pompa air energi termal memanfaatkan panas uap air panas sebagai sumber panas. Fluida kerja yang digunakan adalah eter (dietil eter).

Gambar 3.1 adalah skema alat yang digunakan dalam penelitian.

  10

  6

  2

  3

  1

  11

  7

  9

  4

  8

  5 Gambar 3.1 Skema alat penelitian Bagian-bagian utama pada alat pada Gambar 3.1 : 1.

  Pipa tembaga diameter ½ inci yang dipanaskan dengan posisi tegak.

  2. Pemisah uap 3.

  Kotak pendingin tembaga berukuran 26 cm x 24 cm x 3 cm.

  4. Penampung fluida kerja cair.

  5. Tabung pendingin dari stainless steel diameter 10 inci x 36 cm.

  6. Tabung udara tekan dari pipa PVC diameter 4 inci x 1,92 m.

  7. Pompa benam berdiameter 12 cm x 34 cm.

  8. Katup searah pada sisi hisap.

  9. Katup searah pada sisi tekan.

  10. Pipa buang.

  11. Gelas ukur. Pada penelitian ini digunakan pemisah uap untuk memisahkan uap fluida kerja dengan fluida kerja cair yang terbawa aliran uap fluida kerja dengan skema sesuai Gambar 3.2.

  Campuran uap fluida kerja dan fluida kerja cair dari pemanas

  Uap fluida kerja yang menuju kotak pendingin Fluida kerja cair ke pemanas Proses kerja alat penelitian dimulai dengan memanasi pemanas dengan menggunakan panas uap air panas. Katup penghubung kotak pendingin dan tabung stainless steel dalam kondisi terbuka. Katup penghubung penampung fluida cair dan tabung stainless steel dalam kondisi tertutup dan dibuka satu menit setelah fluida kerja cair mulai masuk pemanas. Katup penghubung penampung fluida kerja cair dan pemanas dibuka. Fluida kerja akan memasuki pemanas dan terpanasi. Fluida kerja yang terpanasi akan menguap dan uap fluida kerja akan mengalir ke pemisah uap. Uap fluida kerja yang menguap dan mengalir ke pemisah uap tidak murni hanya uap saja tetapi ada fluida cair yang ikut terbawa aliran uap fluida kerja. Dalam pemisah uap, fluida kerja cair terpisah dari uap fluida kerja. Fluida kerja cair kembali ke pemanas sedangkan uap fluida kerja mengalir ke kotak pendingin kemudian menuju tabung stainless steel. Air dalam tabung stainlees steel terdorong oleh uap fluida kerja sehingga air keluar tabung stainless steel dan menyebabkan tinggi air di tabung udara tekan naik. Naiknya ketinggian air di tabung udara tekan menyebabkan udara terkompresi. Udara yang terkompresi mendorong air di pompa benam menyebabkan katup sisi tekan terbuka dan katup sisi hisap tertutup sehingga air di pompa benam keluar melewati pipa buang. Pada saat fluida kerja cair yang dipanasi sudah habis maka tidak ada lagi uap fluida kerja. Katup penghubung pemanas dan penampung fluida cair ditutup. Proses pendinginan dilakukan dengan menyiram kotak pendingin dengan air. Uap fluida kerja yang ada dalam kotak pendingin akan mengembun. Pengembunan uap fluida kerja menyebabkan air dalam tabung stainless steel naik

dan air di tabung udara tekan turun. Penurunan air di tabung udara tekan menyebabkan udara tidak lagi terkompresi. Penurunan tekanan di tabung udara tekan menyebabkan penurunan tekanan di pompa benam. Penurunan tekanan di pompa benam menyebabkan kevakuman sehingga katup sisi tekan tertutup dan katup sisi hisap terbuka. Terbukanya katup sisi hisap menyebabkan air masuk ke pompa benam. Pada saat volume fluida cair sudah kembali ke posisi yang diinginkan, katup penghubung penampung fluida cair dan tabung stainless steel ditutup. Siklus bisa dimulai lagi dari awal.

3.2 Variabel yang divariasikan

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

  Jumlah massa fluida kerja mula-mula divariasikan sebanyak 3 variasi: 600 ml, 670 ml, dan 730 ml.

  2. Tinggi head pemompaan divariasikan sebanyak 3 variasi: 1,70 m, 2,44 m, dan 3,25 m.

  3. Volume udara dalam tabung udara tekan divariasaikan menurut tinggi air mula-mula dalam tabung udara tekan sebanyak 3 variasi: 150 cm (5,8 liter), 165cm (4,6 liter), dan 180 cm (3,4 liter).

  4. Jumlah tabung udara tekan divariasikan sebanyak 2 variasi: satu tabung udara tekan dan dua tabung udara tekan.

  Variasi jumlah massa fluida kerja mula-mula dilakukan dengan mengatur ketinggian awal fluida kerja pada penampung fluida kerja cair (Gambar 3.3)

  Penampung Detil posisi A fluida kerja cair A a b c

Gambar 3.3 Variasi volume fluida kerja mula-mula Volume fluida kerja mula-mula pada detil (a) Gambar 3.3 adalah 600 ml.

  Volume fluida kerja mula-mula pada detil (b) Gambar 3.3 adalah 670 ml. Volume fluida kerja pada detil (c) Gambar 3.3 adalah 730 ml.

  Variasi ketinggian head pemompaan dilakukan dengan mengatur ketinggian pipa buang dari permukaan air (Gambar 3.4).

  Pipa buang Variasi volume udara mula-mula dalam tabung udara tekan dilakukan dengan mengatur ketinggian air terhadap dasar pipa tabung tekan (Gambar 3.5).

Gambar 3.5 Variasi volume udara mula-mula pada tabung udara tekan.

3.3 Variabel yang diukur

  Variabel yang diukur dalam penelitian ini sebagai berikut: 1. ).

  

1

Temperatur kotak pendingin (T 2.

  2 ).

  Temperatur penampung fluda kerja cair (T 3.

  ).

  3 Temperatur bagian dasar evaporator (T 4. 4 ).

  Temperatur bagian atas evaporator (T 5. ).

  1 Tekanan pada bagian evaporator (P

  7. Kenaikan air pada tabung udara tekan (h).

  8. Volume pemompaan (V). 9. ).

  pompa

  Waktu pemompaan (t 10. ).

  pemanas

  Waktu pemanasan (t 11. pendinginan ). Waktu pendinginan (t

  Pengukuran temperatur menggunakan termokopel dan untuk pengukuran waktu menggunakan stopwatch. Pengukuran volume menggunakan gelas ukur.

  P

  1 T

  1 T

  4 T

  2 P

  2 T

  3

3.4 Langkah Penelitian

  Penelitian dilakukan dengan prosedur yang sama pada tiap variasi sehingga dapat diperoleh hasil yang dapat dibandingkan antar variasi. Berikut adalah langkah-langkah yang dilakukan untuk pengambilan data penelitian: 1.

  Penelitian diawali dengan pembuatan dan penyiapan alat seperti pada Gambar 3.1.

  2. Pengambilan data dilakukan dengan memvariasikan jumlah fluida kerja mula-mula.

  3. Pada variasi jumlah fluida kerja mula-mula dilakukan variasi ketinggian head pemompaan.

  4.

  ), temperatur

  1 Data yang dicatat adalah temperatur kotak pendingin (T

  penampung fluida kerja cair (T

  2 ), temperatur bagian dasar evaporator (T 3 ),

  temperatur bagian atas evaporator (T ), tekanan pada bagian evaporator

  4

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

  1

  2

  tabung udara tekan (h), volume pemompaan (V), waktu pemompaan (t ), waktu pemanasan (t ), dan waktu pendinginan (t ).

  pompa pemanas pendinginan 5.

  Langkah 2 diulangi dengan menggunakan variasi volume udara mula-mula pada tabung udara tekan pada salah satu variasi jumlah massa fluida mula- mula.

  6. Langkah 2 diulangi dengan menggunakan variasi jumlah tabung udara tekan pada salah satu variasi jumlah massa fluida mula-mula.

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

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Hasil Penelitian

  Berikut adalah data hasil penelitian yang didapat dengan memvariasikan volume fluida kerja mula-mula, volume udara mula-mula dalam tabung udara tekan, tinggi head pemompaan dan jumlah tabung udara tekan yang digunakan. Adapun penjelasan mengenai penamaan kolom dan baris adalah sebagai berikut: Baris Awal : Kondisi dimana proses pendinginan selesai dan fluida kerja belum masuk ke pemanas. Dapat juga dikatakan awal siklus tekan atau akhir siklus hisap. Akhir : Kondisi dimana proses pemompaan selesai. Ditandai dengan turunnya ketinggian air di tabung udara tekan. Dapat dikatakan sebagai akhir siklus tekan.

  Kolom T : Temperatur kotak pendingin

  1 T : Temperatur penampung fluida kerja cair.

  2 T 3 : Temperatur bagian dasar evaporator.

  T : Temperatur bagian atas evaporator.

  4 P

  tbg : Tekanan udara tabung udara tekan yang terbaca manometer.

  50 60 5,9 0,00 0,25 249 100 1634 1550 akhir

  62

75 4,1 0,35 0,60

Tabel 4.2 Data penelitian variasi volume fluida kerja 670 ml, head 3,25 m, volume udara tekan 5,8 liter, dan dua tabung udara tekan.

  Kondisi T

  1 (°C) T

  2 (°C) T

  3 (°C) T

  4 (°C) V udara

  (ltr) P tbg (bar) P evap

  (bar) t panas (dtk) t pompa

  (dtk) t dingin (dtk) vol

  (ml) awal

  26

  26

  42

  42

  42

  57 78 3,6 0,35 0,60 awal

  25

  27

  65 75 5,9 0,00 0,25 285 82 997 880 akhir

  42

  42

  56 77 3,6 0,35 0,60 awal

  25

  27

  64 75 5,9 0,00 0,25 312 105 770 1100

  41

  41

  41

  56

73 5,9 0,00 0,25

311 70 1969 300 akhir

  P evap : Tekanan dalam evaporator yang terbaca manometer t

  (dtk) t pompa

  panas

  : Lama waktu pemanasan fluida kerja cair. Dimulai dari awal siklus tekan hingga akhir siklus tekan. t pompa : Lama waktu pemompaan. Diukur ketika air mulai keluar dari ujung tertinggi pipa buang hingga air berhenti mengalir. t dingin : Lama waktu pendinginan. Dimulai dari akhir siklus tekan hingga volume fluida cair kembali ke volume awal.

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

Tabel 4.1 Data penelitian dengan variasi volume fluida kerja 600 ml, head 3,25 m, volume udara tekan 5,8 liter, dan dua tabung udara tekan.

  Kondisi T

  1 (°C) T

  2 (°C) T

  3 (°C) T

  4 (°C)

  V udara

  (ltr) P tbg

  (bar) P evap

  (bar) t panas

  (dtk) t dingin

  27

  (dtk) vol (ml) awal

  25

  27

  59

73 5,9 0,00 0,25

241 89 1454 1000 akhir

  42

  41

  56

71 3,9 0,35 0,60

awal

  25

  26

  64

75 5,9 0,00 0,25

277 52 1293 270 akhir

  37

  40

  61

75 4,1 0,35 0,60

awal

  25

  61 75 3,7 0,35 0,60

Tabel 4.3 Data penelitian variasi volume fluida kerja 730 ml, head 3,25 m, volume udara tekan 5,8 liter, dan dua tabung udara tekan.

  26

  2 (°C) T

  1 (°C) T

  Kondisi T

Tabel 4.5 Data penelitian variasi volume fluida kerja 600 ml, head 3,25 m, volume udara tekan 3,4 liter, dan dua tabung udara tekan.

  64 77 2,7 0,35 0,60

  40

  42

  68 76 4,6 0,00 0,25 225 81 728 850 akhir

  25

  4 (°C) V udara

  67 66 2,7 0,35 0,60 awal

  40

  41

  70 76 4,6 0,00 0,25 226 78 1297 950 akhir

  26

  24

  59 78 2,6 0,35 0,60 awal

  40

  3 (°C) T

  (ltr) P tbg (bar) P evap

  68 66 4,7 0,00 0,25 226 96 1014 1350 akhir

  68

76 3,2 0,00 0,25

277 129 1132 1620 akhir

  40

  42

  73

76 3,2 0,00 0,25

243 116 1061 1470 akhir

  27

  25

  68

76 1,4 0,35 0,60

awal

  38

  42

  27

  (bar) t panas (dtk) t pompa

  25

  66

78 1,5 0,35 0,60

awal

  40

  42

  66

76 3,3 0,00 0,25

251 126 1294 1500 akhir

  27

  25

  (ml) awal

  (dtk) t dingin (dtk) vol

  42

  37

  Kondisi T

  (dtk) vol (ml) awal

  37

  22

  62 67 3,9 0,35 0,60 awal

  49

  37

  66 64 5,9 0,00 0,25 301 127 734 1510 akhir

  36

  25

  (dtk) t dingin

  41

  (dtk) t pompa

  (bar) t panas

  (bar) P evap

  (ltr) P tbg

  V udara

  4 (°C)

  3 (°C) T

  2 (°C) T

  1 (°C) T

  60 65 5,9 0,00 0,25 361 44 1479 150 akhir

  46

  25

  3 (°C) T

  (dtk) vol (ml) awal

  (dtk) t dingin

  (dtk) t pompa

  (bar) t panas

  (bar) P evap

  (ltr) P tbg

  V udara

  4 (°C)

  2 (°C) T

  61 70 4,1 0,35 0,60 awal

  1 (°C) T

  Kondisi T

Tabel 4.4 Data penelitian variasi volume fluida kerja 600 ml, head 3,25 m, volume udara tekan 4,6 liter, dan dua tabung udara tekan.

  62 77 4,0 0,35 0,60

  38

  41

  70 76 5,9 0,00 0,25 302 64 860 350 akhir

  26

  24

  64

77 1,4 0,35 0,60

Tabel 4.6 Data penelitian variasi volume fluida kerja 600 ml, head 2,44 m, volume udara tekan 5,8 liter, dan dua tabung udara tekan.

  35

  1 (°C) T

  2 (°C) T

  3 (°C) T

  4 (°C) V udara

  (ltr) P tbg (bar) P evap

  (bar) t panas (dtk) t pompa

  (dtk) t dingin (dtk) vol

  (ml) awal

  24

  26

  73

76 5,9 0,00 0,25

384 121 367 1560* akhir

  36

  70

77 4,0 0,20 0,50

awal

Tabel 4.7 Data penelitian variasi volume fluida kerja 600 ml, head 1,70 m, volume udara tekan 5,8 liter, dan dua tabung udara tekan.

  25

  26

  69

76 5,9 0,00 0,25

352 148 684 1630* akhir

  36

  35

  74

75 4,1 0,20 0,50

awal

  24

  26

  75

75 5,9 0,00 0,25

401 135 777 1360* akhir

  38

  36

  68

76 4,1 0,20 0,50

  Catatan: * Air dari tabung pendingin masuk ke evaporator sehingga menambah waktu pemanasan karena ada tambahan waktu untuk mengeluarkan air dari evaporator

  Kondisi T

  Catatan: * Air dari tabung pendingin masuk ke evaporator sehingga menambah waktu pemanasan karena ada tambahan waktu untuk mengeluarkan air dari evaporator

  Kondisi T

  65

75 5,6 0,00 0,25

221 132 2806 2000 * akhir

  1 (°C) T

  2 (°C) T

  3 (°C) T

  4 (°C)

  V udara

  (ltr) P tbg

  (bar) P evap

  (bar) t panas

  (dtk) t pompa

  (dtk) t dingin

  (dtk) vol (ml) awal

  25

  27

  40

  66

76 3,4 0,30 0,50

  29

  57

75 3,3 0,30 0,50

awal

  25

  27

  67

74 5,8 0,00 0,25

403 108 1560 500* akhir

  40

  38

  58

76 4,2 0,30 0,50

awal

  25

  27

  67

75 5,8 0,00 0,25

245 111 987 1500 * akhir

  40

  37

  Berikut adalah data penelitian yang diambil dengan menggunakan variasi volume fluida kerja mula-mula sebesar 670 ml, tinggi head pompa 3,25 m, tinggi air mula-mula pada tabung udara tekan 150 cm, dan menggunakan satu tabung udara tekan. Pada variasi ini dilakukan perubahan volume fluida kerja mula-mula menjadi 600 ml. Perubahan dilakukan karena volume pemompaan yang mencapai

  60

70 5,6 0,00 0,25

  2 (°C) T

  42

  40

  56

75 1,5 0,40 0,70

  Catatan: * Volume fluida kerja 670 ml

  Berikut adalah data penelitian yang diambil dengan menggunakan variasi pemanas tunggal, volume fluida kerja mula-mula sebesar 600 ml, tinggi head pompa 3,25 m, tinggi air mula-mula pada tabung udara tekan 150 cm, dan menggunakan satu tabung udara tekan. Data penelitian variasi ini dimaksudkan sebagai data pembanding. Penggunaan pemanas tunggal berarti bahwa pipa tembaga yang dipanasi hanya satu buah saja pipa yang lain dibiarkan dingin.

  Posisi evaporator tetap tegak dan pemisah uap tetap digunakan.

Tabel 4.9 Data penelitian variasi volume fluida kerja 600 ml, head 3,25 m, volume udara tekan 5,8 liter, satu tabung udara tekan, dan pemanas tunggal.

  Kondisi T

  1 (°C) T

  3 (°C) T

  28

  4 (°C)

  V udara

  (ltr) P tbg

  (bar) P evap

  (bar) t panas

  (dtk) t pompa

  (dtk) t dingin

  (dtk) vol (ml) awal

  24

  29

  68

78 5,5 0,00 0,25

219 125 805 2550** akhir

  24

  2950 ml, dikhawatirkan air dalam pompa benam habis. Habisnya air di pompa benam menyebabkan kekacauan proses pada siklus selanjutnya.

  (ml) awal

Tabel 4.8 Data penelitian variasi volume fluida kerja 670 ml dan 600 ml, head 3,25 m, volume udara tekan 5,8 liter, dan satu tabung udara tekan.

  Kondisi T

  1 (°C) T

  2 (°C) T

  3 (°C) T

  4 (°C) V udara

  (ltr) P tbg (bar) P evap

  (bar) t panas (dtk) t pompa

  (dtk) t dingin (dtk) vol

  22

  53

75 1,3 0,40 0,70

awal

  26

  69

75 5,5 0,00 0,25

231 141 1105 2950* * akhir

  46

  48

  52

59 1,2 0,40 0,70

awal

  22

  35

  67

66 5,5 0,00 0,25

241 136 1172 2550** akhir

  41

  42

• Volume fluida kerja 600 ml. Untuk menghindari habisnya air dalam pompa benam akibat banyaknya massa uap yang terbentuk, sehingga pada siklus kedua dan ketiga volume fluida kerja diturunkan menjadi 600 ml.

Dari data yang telah didapat, maka dapat dilakukan perhitungan untuk mengetahui unjuk kerja pompa air energi termal. Berikut adalah perhitungan dengan menggunakan data pertama pada variasi satu (Tabel 4.1).

  Perhitungan yang pertama kali dilakukan adalah menghitung daya pompa. Persamaan yang digunakan adalah Persamaan (1). Variabel yang diketahui adalah: