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

BAB II
TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Teori Dasar Desalinasi
Desalinasi pada prinsipnya merupakan cara untuk mendapatkan air bersih
melalui proses penyulingan air kotor. Secara umum terdapat berbagai cara yang
sering digunakan untuk mendapatkan air bersih yaitu : perebusan, penyaringan,
desalinasi dan lain-lainnya. Cara perebusan dilakukan hanya untuk mematikan
kuman dan bakteri-bakteri yang merugikan, namun kotoran yang berupa padatanpadatan kecil tidak bisa terpisah dengan air. Penyaringan digunakan hanya untuk
menyaring kotoran-kotoran yang berupa padatan kecil, namun kuman dan bakteri
yang merugikan tidak bisa terpisah dari air. Cara desalinasi merupakan cara yang
efektif digunakan untuk menghasilkan air bersih yang bebas dari kuman, bakteri,
dan kotoran yang berupa padatan kecil. Proses desalinasi secara umum biasanya
yang diambil hanyalah air kondensatnya, sedangkan konsentrat garam dibuang
dan ini dapat berakibat buruk bagi kehidupan air laut (Ketut dkk, 2011).
Prinsip kerja desalinasi secara umum sebenarnya sangat sederhana. Air
laut dipanaskan hingga menguap, dan kemudian uap yang dihasilkan
dikondensasikan kembali dan ditampung di sebuah wadah. Air kondensat tersebut
adalah air bersih. Sedangkan air laut yang tidak mendidih selama pemanasan
adalah konsentrat garam. Proses desalinasi yang akan penulis bahas pada
penelitian ini adalah desalinasi sistem vakum dengan modifikasi suplai panas

menggunakan elemen pemanas berdaya rendah. Konsep dari sistem ini adalah
memanfaatkan ruang vakum yang dibentuk secara alami untuk dapat
mengevaporasikan sejumlah air laut pada tekanan rendah sehingga dapat
berevaporasi dengan suplai energi panas yang lebih sedikit dibanding dengan
teknik konvensional. Suplai energi panas yang sedikit dapat diambil dari kolektor
surya plat datar dan / atau panas yang dibuang. Namun pada penelitian ini akan
digunakan elemen pemanas daya rendah agar suplai panas dalam evaporator
konstan. Keunikan dari sistem ini adalah cara gaya gravitasi dan tekanan atmosfer
digunakan dalam pembentukan kondisi vakum. Pembentukan sistem vakum
bertujuan untuk menurunkan tekanan ruang evaporator agar pemanasan dapat

5

berlangsung dengan suplai panas yang rendah. Tekanan atmosfer akan sama
dengan tekanan hidrostatis yang dibentuk dengan pipa air yang tingginya sekitar
10 meter. Jadi, jika ketinggian pipa lebih dari 10 meter dan ditutup dari bagian
atas dengan air, dan air dibiarkan jatuh kebawah akibat gravitasi, air akan jatuh
pada ketinggian sekitar 10 meter, dan membentuk ruang vakum diatasnya.
Komponen-komponen yang terdapat pada desalinasi sistem vakum natural
adalah evaporator, kondensor, dan alat penukar kalor berupa Tube-in-Tube.

Evaporator berfungsi sebagai ruang pemanasan air laut dengan suplai panas
berasal dari pemanas listrik berdaya rendah untuk menjaga kestabilan suplai
panas. Kondensor berfungsi untuk mengumpulkan uap yang dihasilkan oleh
pemanasan air laut di evaporator untuk dikondensasikan kembali sehingga air
kondensat dapat ditampung dan didapat air bersih sebagai produk sistem.
Sedangkan tube in tube heat exchanger berfungsi sebagai heat recovery (pemulih
panas), dimana air laut yang tidak mendidih akibat pemanasan di ruang evaporator
akan jatuh melalui pipa luar dari tube in tube untuk memanaskan pipa dalam yang
sedang dialiri air laut dari tangki pengumpan. Alasan penggunaan sistem
desalinasi vakum natural dalam penelitian ini adalah karena penggunaan daya
listriknya yang rendah, cocok untuk pemakaian skala besar terutama di pesisir
pantai, dan keunikan sistemnya yang tidak membutuhkan pompa vakum untuk
menyuplai air laut ke evaporator yang tingginya 10m. Gambar 2.1 menunjukkan
desalinasi sistem vakum. Adapun kelebihan dan kelemahan dari sistem desalinasi
vakum natural sebagai berikut.

Kelebihan menggunakan Desalinasi Vakum Natural :
1. Tidak membutuhkan pompa vakum untuk penyuplaian air laut
2. Biaya konstruksi termurah diantara semua jenis desalinasi tenaga surya
3. Pemanasan dapat menggunakan suplai panas rendah karena sistem dalam

keadaan vakum

6

Kelemahan menggunakan Desalinasi Vakum Natural :
1. Konstruksi cukup sulit karena proses instalasi berhubungan dengan
ketinggian
2. Hanya cocok untuk pemakaian skala besar (untuk luas alas evaporator
yang besar)
3. Pemilihan bahan konstruksi sangat mempengaruhi lifetime sistem
Selain desalinasi sistem vakum, masih banyak jenis lain sistem desalinasi
bertenaga surya. Pembahasan mengenai sistem desalinasi jenis lain beserta prinsip
kerja, kelebihan dan kelemahannya dibahas pada subbab berikutnya.

Condenser

Evaporator

Heater
10,34 m

Saline
Water
Brine

Condensate

Saline Water Tank

Gambar 2.1. Desalinasi Sistem Vakum Natural

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

7

dibawah kemiringan kaca (Qiblawey dkk, 2008). Gambar 2.2 menunjukkan sistem
solar still sederhana.
Kelebihan menggunakan Solar Still :
1. Konstruksi yang sederhana
2. Kondensasi tidak memerlukan kondensor, proses kondensasi terjadi pada
kaca
3. Mudah dalam perawatannya
Kelemahan menggunakan Solar Still :
1. Laju produksi air bersih per hari rendah
2. Sebagian uap air yang terkondensasi pada kaca dapat langsung jatuh
kembali dan bercampur dengan air laut yang belum berevaporasi
3. Proses evaporasi lambat karena air laut dipanaskan pada tekanan atmosfer

SUN

Glass

Solar Radiation

Sea
Water
Tank

Basin

Fresh Water Tank

Brine Tank

Gambar 2.2. Solar Still Sederhana
2.2.2 Solar Desalinasi Humidifikasi-Dehumidifikasi
Ide utama dibalik proses solar humidification-dehumidification adalah uap
saturasi dapat membawa udara dengan kapasitas yang semakin banyak dengan
meningkatnya temperatur. Air laut akan melalui pemanasan awal sebelum
disemprotkan ke dalam evaporator. Pemanasan terjadi pada dua fluida, yakni air
laut dan angin. Pemanasan pada angin bertujuan untuk disirkulasikan ke dalam
ruang evaporator - kondensor. Sesuai dengan ide utama sistem ini, udara panas

membawa uap dari pemanasan air laut ke ruang kondensor yang berada tepat di

8

sebelah ruang evaporator untuk dikondensasikan. Air laut yang tidak berevaporasi
akan langsung jatuh ke tempat penampungan konsentrat garam (Parekh dkk,
2004). Gambar 2.3 menunjukkan sistem desalinasi surya humidifikasi –
dehumidifikasi.
Kelebihan sistem desalinasi humidifikasi-dehumidifikasi :
1. Efektif dalam memproduksi air bersih
2. Sangat cocok dioperasikan untuk kapasitas rendah
3. Konsentrat garam yang masih mengandung air dapat diproses ulang

Kelemahan sistem desalinasi humidifikasi – dehumidifikasi :
1. Konstruksi yang kompleks
2. Air laut yang tidak berevaporasi dibiarkan jatuh bebas ke tempat
penampungan dapat menimbulkan percikan air sehingga memungkinkan
terkontaminasi konsentrat garam ke air bersih jika isolasi tidak baik
3. Meskipun menggunakan energi surya sebagai sumber pemanas, sistem
masih menggunakan energi listrik untuk mensirkulasikan udara dan air

laut

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
9

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 yang besar, turbin, generator dan cerobong (chimney) yang tinggi.
Penggunaan kolektor terutama kaca atau lembaran plastik yang berperan sebagai
rumah kaca akan menjebak panas dan menyebabkan pemanasan pada ruang
dibawah kolektor sehingga terjadi perbedaan temperatur antara udara lingkungan
dan udara di dalam sistem yang menyebabkan udara panas mengalir melalui
cerobong. Energi kinetik dari udara yang mengalir menyebabkan turbin yang
dipasang dibawah cerobong berotasi dan menghasilkan daya (Sangi, 2012)
Kelebihan sistem desalinasi solar chimney :
1. Laju produksi air bersih yang tinggi
2. Dapat menghasilkan daya selain air bersih
3. Biaya produksi air bersih yang lebih rendah
Kelemahan sistem desalinasi solar chimney :
1. Konstruksi sistem kompleks
2. Biaya turbin dan kolektor surya yang mahal karena dibutuhkan kolektor
yang sangat besar
3. Perawatan sistem sangat sulit dan mahal

SUN

Chimney

Condensate

Condenser
Pump

Condensate Tank
Humid Hot Air

Solar Radiation

Solar Radiation

Wind Turbine
Transparent Plastic or
Glass Cover

Sea Water
Air In

Sea Water
Air In

Gambar 2.4. Instalasi Sistem Desalinasi Solar Chimney pada Air Laut

10

2.2.4. Solar Multi Stage Flash Desalination
Dalam sistem desalinasi Multi-Stage Flash, air laut pengumpan
dipanaskan diatas temperatur saturasi dalam pemanas konsentrat garam dan
mengalami perubahan fasa secara cepat dalam bak tekanan rendah yang
dipertahankan dengan menggunakan pompa vakum. Konsentrat garam yang
dibuang keluar dari tingkat sebelumnya diperbolehkan untuk berubah fasa pada
tingkat berikutnya dan uap dibentuk di setiap tingkat dikondensasikan dengan
menggunakan kondensor dimana air laut masuk telah dipanaskan terlebih dahulu
(Manjarrez dkk, 1979)
Kelebihan solar multi stage flash desalination :
1. Laju produksi air bersih yang sangat tinggi
2. Pemanasan yang cepat sehingga tidak memakan banyak energi panas dari
kolektor surya
3. Adanya tangki penyimpan kalor yang dapat menyuplai energi panas
selama 24 jam
Kelemahan solar multi stage flash desalination :
1. Konstruksi sistem yang kompleks
2. Tangki penyimpan kalor (Thermal Energy Storage) dan pompa vakum
mahal
3. Perawatan sulit dan mahal
Heat Transfer Field
Vacum Pump

Thermal
Energy
Storage

Preheated
Feed
Water
Boiler

Thermic Fluid
Condenser

Brine
Destilate
Tank

Pump

Saline Water

Solar Field

Saline Water Tank

Gambar 2.5. Sistem Desalinasi Solar Multi Stage Flash
11

2.2.5. Solar Multi Effect Distillation
Unit Multi-Effect Distillation (MED) terdiri dari bak-bak dimana secara
umum disebut efek yang dipertahankan pada tekanan rendah dengan pompa
vakum. Panas yang dibutuhkan untuk mengevaporasi air laut pada efek pertama
disuplai dari kumpulan kolektor surya atau dengan pembakaran bahan bakar fosil
dan uap yang dibentuk digunakan untuk memanaskan air laut pengumpan pada
efek selanjutnya. Sehingga, panas laten yang diproduksi uap air pada efek
sebelumnya dapat digunakan seluruhnya di efek selanjutnya pada MED (Mezher
dkk, 2011)
Kelebihan solar multi effect distillation :
1. Proses pemanasan dilakukan secara bertingkat, sehingga tidak ada
konsentrat garam yang terkandung dalam air bersih
2. Sistem dapat diperbanyak dengan menambah efek
3. Laju produksi air bersih tinggi
Kelemahan solar multi effect distillation :
1. Proses pemvakuman menggunakan pompa vakum dimana pada pasaran
pompa vakum sangat mahal
2. Masih menggunakan energi listrik pada sistem
3. Konstruksi sistem mahal dan kompleks

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

12

2.2.6 Desalinasi Kompresi Uap
Dalam Desalinasi Kompresi Uap, air laut pengumpan dipanaskan oleh
sumber panas eksternal dan berubah fasa menjadi uap, sehingga uap yang
diproduksi akan dikompres menggunakan Mechanical Vapor Compressor (MVC)
atau Thermo Vapor Compressor (TVC) untuk meningkatkan tekanan kondensasi
dan temperatur uap dan uap terkompresi digunakan untuk memanaskan air
pengumpan pada tingkat yang sama maupun tingkat yang lain (Helal dkk, 2006)
Kelebihan sistem desalinasi kompresi uap :
1. Pemanasan menggunakan pemanas air listrik sehingga perawatannya lebih
mudah
2. Konstruksi sistem yang sederhana
3. Air bersih tidak akan terkontaminasi dengan air laut di kondensor
Kelemahan sistem desalinasi kompresi uap :
1. Komponen sistem yakni pompa dan kompresor mahal
2. Masih menggunakan enegi listrik yang tidak sedikit
3. Tidak cocok dalam memproduksi air bersih untuk skala kecil

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

13

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

14

Kelemahan Freeze Desalination :
1. Sistem masih menggunakan energi listrik
2. Perawatan sistem sulit
3. Membutuhkan kompresor yang besar sehingga biaya konstruksi sistem
mahal

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

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

15

Kelebihan sistem desalinasi adsorpsi :
1. Laju produksi air bersih yang tinggi
2. Air bersih yang dihasilkan berkualitas tinggi karena melalui distilasi ganda
3. Air bersih tidak mungkin terkontaminasi oleh konsentrat garam
Kelemahan sistem desalinasi adsorpsi :
1. Konstruksi yang kompleks dan mahal karena memerlukan distilasi ganda
2. Perawatan sistem sulit
3. Masih menggunakan energi listrik (pompa) untuk mensirkulasikan air
dingin dan air panas

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

Ambient
Temperatur
Water

Destillate
Tank

V2

Chilled Water
Evaporator

Brine Tank

Pump

Gambar 2.9. Sistem Desalinasi Adsorpsi

2.2.9 Desalinasi Osmosis Terbalik Tenaga Surya
Dalam desalinasi RO (Reverse Osmosis) tenaga surya, energi mekanik
yang dihasilkan oleh aliran fluida organik secara langsung digunakan untuk
menjalankan unit RO dan pompa tekanan tinggi. Unit desalinasi RO surya thermal
adalah teknologi yang lebih menjanjikan, setiap perkembangan teknologi RO
akan berguna untuk mengembangkan teknologi RO berdasarkan sistem panas
matahari. Menggabungkan unit RO dengan siklus Rankine tenaga surya dapat

16

memotong emisi CO2 dan mengakibatkan penghematan lingkungan dengan selisih
sedikit tambahan biaya modal (Salcedo dkk, 2012)
Kelebihan Desalinasi Osmosis Terbalik Tenaga Surya Termal :
1. Adanya tangki penyimpan kalor yang dapat menyimpan energi termal
selama 24 jam
2. Proses pemanasan sangat cepat karena dibantu oleh boiler
3. Adanya kolektor surya dalam jumlah banyak dapat menyuplai baik energi
termal mauun energi listrik yang dibutuhkan sistem
Kelemahan Desalinasi Osmosis Terbalik Tenaga Surya Termal :
1. Sistem membutuhkan daya listrik yang besar karena adanya boiler dan dua
pompa bertekanan tinggi
2. Perawatan sistem yang sulit
3. Konstruksi kompleks dan mahal

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

17

2.2.10 Elektrodialisis Tenaga Surya (ED)
Elektrodialisis (ED) adalah proses penghilangan garam dari air laut dan
unit ED terdiri dari sejumlah besar ruangan diisi dengan air laut dan dipisahkan
oleh membran pertukaran kation dan anion. Ketika polaritas DC diterapkan
melalui katoda dan anoda, ion negatif melewati membran pertukaran anion dan
ion positif melewati membran pertukaran kation dan ion-ion ini akan terakumulasi
dalam ruangan khusus dan dibuang sebagai konsentrat garam. Pembalikan
polaritas biasanya diikuti setiap 20 menit untuk mencegah pengendapan garam di
membran (Charcosset dkk, 2009)
Kelebihan Elektrodialisis :
1. Tidak adanya penggunaan kalor untuk pemanasan air laut, kolektor surya
disini digunakan untuk membangkitkan arus listrik DC
2. Tidak ada kemungkinan kontaminasi konsentrat garam ke air bersih
karena melalui banyak membran
3. Laju produksi air bersih tinggi
Kelemahan Elektrodialisis :
1. Membran sangat mahal
2. Membutuhkan energi listrik yang besar untuk disuplai pada pompa dan
unti elektrodialisis
3. Perawatan sistem sulit dan mahal

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. Prinsip Kerja Unit Elektrodialisis

18

2.2.11 Distilasi Membran Tenaga Surya (MD)
Distilasi membran adalah proses pemisahan yang mana hanya uap yang
diperbolehkan untuk melewati poros membran hidrofobik. Pemisahan ini dapat
terjadi karena perbedaan tekanan uap antara permukaan membran. Ada empat
jenis proses distilasi membran yaitu membran distilasi celah udara, sweeping gas
distillation, membran distilasi kontak langsung dan membran distilasi vakum. Di
semua proses ini larutan panas umpan berkontak langsung dengan permukaan
membran (Qtaishat dkk, 2012). Penjelasan tentang keempat jenis proses distilasi
membran dapat dilihat pada diagram berikut.

Destilasi Membran Kontak Langsung





larutan umpan panas dan permeat
dingin akan berada dalam kontak
langsung dengan membrane
kondensasi uap terjadi dalam modul
membran

panas hilang secara konduksi

Destilasi Membran Celah Udara


Kehadiran celah udara antara membran dan
permukaan kondensat
kondensasi uap terjadi di dalam sel membran
setelah melintasi celah
Pengurangan panas hilang secara konduksi
adanya udara meningkatkan resistensi
perpindahan massa





Proses Destilasi Membran

Destilasi Membran gas Menyapu





gas menyapu digunakan untuk
menyapu uap di sisi membran permeat
kondensasi terjadi di luar modul
membrane
Pengurangan panas hilang secara
konduksi
perpindahan massa ditingkatkan

Destilasi Membran Vakum




vakum dibuat dalam sisi membran
permeat
kondensasi terjadi di luar modul
membran
kehilangan panas oleh konduksi
diabaikan

Gambar 2.12. Tipe Proses Distilasi Membran

19

Hot Saline Water

Solar Collector Field

Condensate
Membrane

Brine
Distillate
Pump

Saline Water Tank

Gambar 2.13. Unit distilasi membran bertenaga surya

2.2.12 Forward Osmosis (FO)
Forward Osmosis adalah sebuah proses di mana molekul air dari air laut
bergerak melalui membran semi permeabel terhadap larutan seimbang yang mana
umumnya pada konsentrasi yang lebih tinggi daripada larutan umpan. Utamanya
FO menggunakan gradien tekanan osmotik dan bukan gradien tekanan hidrolik
(Cath dkk, 2006).
Kelebihan Forward Osmosis :
1. Konstruksi sederhana
2. Perawatan mudah yaitu cukup dengan mengganti membran semi
permeabel
3. Laju produksi air bersih yang tinggi
Kelemahan Forward Osmosis :
1. Membran semi permeabel yang mahal
2. Kontaminasi konsentrat garam ke air bersih bergantung pada efektivitas
membran semi permeabel
3. Usia membran semi permeabel singkat

20

Sea Water

Sea Water Tank

Semi Permeable
Membrane

Solar Radiation

Fresh Water

Draw Solution

Brine Tank

Fresh Water Tank

Gambar 2.14. Unit Forward Osmosis

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

Condenser

Evaporator
Solar Heating
System

10 m

Saline
Water
Brine

Condensate

Saline Water Tank

Gambar 2.15. Sistem Desalinasi Vakum Natural Tenaga Surya
21

2.3 Pemodelan Matematik Sistem
Pada subbab ini akan dijelaskan pemodelan matematis dari setiap
komponen yang ada dalam desalinasi sistem vakum. Pemodelan matematis yang
akan dibahas adalah pada evaporator, sumber panas (heat source), alat penukar
kalor tube in tube, dan kondensor. Pembahasan akan lebih sederhana apabila telah
ditetapkan beberapa asumsi, antara lain :
1. Kapasitas panas di evaporator dan kondensor diabaikan
2. Temperatur pada masing-masing komponen adalah seragam atau tidak ada
variasi temperatur di evaporator dan kondensor
3. Sumber panas menggunakan pemanas listrik agar suplai panas ke
evaporator merata dan tidak mengganggu perhitungan konfigurasi
evaporator dan kondensor
4. Aliran fluida dalam sistem diasumsikan laminar karena kecepatan fluida
kerja baik dalam alat penukar kalor, evaporator dan kondensor sangat kecil
5. Kenaikan konsentrasi air laut dalam evaporator sangat kecil sehingga
dapat diabaikan
6. Efek radiasi diabaikan
7. Panas hilang secara konveksi natural
8. Ketinggian air laut dalam evaporator konstan
2.3.1 Analisis pada Evaporator
Pada subbab 2.1 telah dijelaskan bahwa fungsi dari evaporator adalah
sebagai ruang pemanasan air laut hingga sejumlah air laut dapat menjadi air
bersih. Air laut akan masuk ke evaporator dari pipa pengumpan pada laju aliran
massa yang disimbolkan m i [kg/s]. Kemudian akan terjadi penguapan dengan laju

m e [kg/s] yang akan mengalir dalam bentuk uap dan masuk ke kondensor.
Sebagai sisanya akan terbentur air garam yang akan keluar dari evaporator dengan
laju m w [kg/s]. Pada saat terjadi penguapan diperlukan panas untuk menyuplai
panas laten penguapan. Panas ini akan diambil dari elemen pemanas dengan daya
pemanasan Qin. Diagram Aliran pada evaporator ditampilkan pada gambar 2.14

22

Gambar 2.16 Diagram Aliran Massa pada Evaporator

Penerapan hukum kekekalan massa diberikan oleh persamaan berikut :

d
V s   iVi   wVw   eVe
dt

(2.1)

Dimana V [m3] adalah volume air laut di evaporator, dan V [m3/s] laju aliran
volume pada masing-masing sisi masuk dan sisi keluar evaporator. Akibat adanya
penguapan, maka konsentrasi garam di dalam evaporator akan bertambah. Jika
konsentrasi dinyatakan dengan C [%], maka perubahan konsentrasi garam di
dalam tabung evaporator dapat dinyatakan dengan:

d
CV s  C i Vi  C s Vw
dt

(2.2)

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

d
C pVT s  Qin  C pT i Vi  C pT s Vw  Qe  Qloss
dt

(2.3)

Pada persamaan ini C p [J/kg.K] adalah panas jenis.

23

Laju penguapan (evaporasi) dari air laut di dalam evaporator (dinyatakan dengan
huruf "s") ke dalam air murni di kondensor (dinyatakan dengan huruf "f") dapat
dirumuskan dengan menggunakan persamaan berikut:
P(T f ) 
 
P(Ts )

Ve  As m  f (C s )

 f 
Ts  2730,5 T f  2730,5 

(2.4)

Dimana As adalah luas permukaan air yang ada di evaporator. Parameter  m
adalah koefisien empirik yang diperoleh dengan cara eksperimen, nilainya

107  m  106 [kg/m2.Pa.s.K0,5] (Bemporad, 1995). Tekanan uap sebagai fungsi
temperatur dapat dirumuskan dengan persamaan:

P(T )  100  e63,0427139,6 (T  273) 6,2558ln(T  273)  [Pa]
Pada persamaan (4),

(2.5)

f (C ) adalah faktor koreksi yang dihitung dengan

menggunakan persamaan:
f (C )  1  1C

(2.6)

Dimana 1  0,0054 [tanpa dimensi] adalah koefisien empirik. Pada persamaan
(2.4), laju penguapan juga dipengaruhi oleh massa jenis fluida. Sementara massa
jenis juga dipengaruhi oleh konsentrasi dan temperatur fluida, yang dirumuskan
dengan

 (T , C )  0 1  T T0  C C0 
Dimana T  5  104 /oC

(2.7)

adalah koefisien ekspansi thermal volumetrik dan

C  8  103 /% adalah koefisien ekspansi larutan (Al-Kharabsheh dan Goswami,
2004).
Panas jenis air laut juga merupakan fungsi dari temperatur dan konsentrasi dan
dapat dirumuskan dengan persamaan (Mamayev, 1975):



C p (T , C )  4186  1,0049  0,0162C  3,5261  104 C 2  AT  BT 2



(2.8)

24

Konstanta A dan B dirumuskan dengan

A  (3,2506  1,4795C  0,07765C 2 )  104 dan,
B  (3,8013  1,2084C  0,0612C 2 )  106

(2.9)

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

Qe   f h fg (Ts )Ve

(2.10)

Dimana h fg (Ts ) adalah panas laten penguapan air laut, yang dapat dihitung
dengan persamaan (Incropera dan DeWitt, 1996):

h fg (Ts )  1000  [3146  2,36(Ts  273)]

(2.11)

Untuk pengujian dengan suplai panas konstan, panas hilang dari evaporator dapat
diasumsikan sebagai konveksi natural. Dalam perhitungan ini radiasi diabaikan,
dan panas hilang diasumsikan dari tiga bagian, yaitu kerucut (atas), dinding, dan
alas evaporator. Setiap bagian memiliki koefisien konveksi yang berbeda-beda.
Panas hilang dari konduksi antara pipa outlet uap ke pipa kondensor diabaikan
karena terdapat insulasi panas berbahan karet.
Panas hilang dari alas evaporator ke lingkungan dapat dihitung dengan
persamaan:
(2.12)
Koefisien perpindahan panas konveksi natural diberikan dengan persamaan :
(2.13)
dengan RaL adalah bilangan tanpa dimensi Rayleigh diberikan dengan :
(2.14)
l adalah panjang karakteristik yang dirumuskan dengan :

25

(2.15)
dimana As dan p masing-masing adalah luas alas evaporator dan keliling
evaporator.
Panas hilang dari sisi dinding diberikan dengan persamaan :
(2.16)
dimana rins,o dan ls masing-masing merupakan radius dari pusat evaporator ke
permukaan luar dari insulasi dan tinggi dinding evaporator.
Koefisien perpindahan panas konveksi natural dari sisi dinding evaporator
diberikan oleh :
(2.17)

Bagian atas dari evaporator dibentuk seperti kerucut terpotong dimana dapat
dianggap sebagai plat miring dengan sudut kemiringan θ. Panas hilang dari bagian
tersebut dapat dihitung dengan rumus :
(2.18)

Koefisien perpindahan panas konveksi natural pada bagian atas evaporator
dihitung dengan :
(2.19)

2.3.2 Analisis Alat Penukar Kalor Tube in Tube
Pada saat air garam turun atau keluar dari evaporator temperaturnya masih relatif
tinggi. Sementara air laut yang baru yang ditarik naik ke evaporator
temperaturnya juga masih relatif rendah. Panas yang terbawa bersama aliran

26

garam akan diambil kembali (heat recovery) dengan menggunakan sebuah Alat
Penukar Kalor pipa annulus, seperti Gambar 2.16 berikut.
Ti
C c  m i C po   0Vi C p 0

m w

Tw

C h  m w C ps   sVw C ps



Jika Cc < Ch

Jika Cc > Ch

Cr 
Cr 

Di

Cc
Ch

l

Do

Ch
Cc

m

i

T0

Gambar 2.17 Alat Penukar Kalor sebagai Heat Recovery
Perpindahan panas pada Alat Penukar Kalor ini dapat dirumuskan dengan
menggunakan persamaan efektifitas (  ).

qr  Cmin Tw  T0 

(2.20)

Efektivitas untuk APK pipa ganda sepusat dirumuskan dengan



1  exp  NTU (1  Cr )
1  Cr exp  NTU (1  Cr )

(2.21)

Dimana NTU adalah Number of Transfer Unit dan Cr adalah perbandingan
kapasitas panas kedua fluida. Kedua persamaan ini dirumuskan masing-masing
sebagai berikut:

NTU 

Cr 

UA
Cmin

Cmin
Cmax

(2.22)

(2.23)

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

27

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

UA 

1

1
Di lhi

ln D0


Di 
1

2kl
D0lh0

(2.24)

Semua dimensi pada persamaan ini sudah ditampilkan pada Gambar 2.16
Sementara untuk koefisien perpindahan panas di luar pipa dalam diantara kedua
pipa (annulus) dapat dihitung dengan metode berikut (Incropera dan DeWitt,
1996).
Jika aliran adalah laminar, yang dinyatakan dengan bilangan Reynolds berikut:

Re D 

 ( D0  Di )
 sVw

 2300
2
2

0,25 ( D0  Di )

(2.25)

Maka Bilangan Nusselt diantara annulus merupakan fungsi perbandingan
diameternya dan dapat dipilih dari Tabel 2.1.
Tabel 2.1. Bilangan Nu di dalam pipa annulus aliran laminar

Di D0

0,05

0,1

0,25

0,5

1

Nu0

17,46

11,56

7,37

5,74

4,86

Tetapi jika aliran adalah turbulent ReD  2300 maka koefisien di dalam annulus
akan sama dengan di dalam pipa dan persamaan berikut dapat digunakan :

Nu 

hD
 0,023 Re0D,8 Pr0,4
k

(2.26)

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

Ti 

Qh
 T0
 0ViC p 0

(2.27)

28

2.4 Evaporative Cooling
Fenomena yang terjadi pada evaporator untuk mengevaporasikan sejumlah
fluida kerja bukan hanya bergantung pada pemanas air listrik, namun lebih
bergantung pada fenomena evaporative cooling.
Untuk lebih memahami mekanisme evaporative cooling, bayangkan
evaporasi air dari kolam renang ke udara. Asumsikan air dan udara bertemperatur
sama pada kondisi awal. Jika udara bersaturasi (humiditas relatif 100%), maka
tidak akan ada perpindahan panas atau massa selama kondisi isotermal terjadi.
Namun apabila udara tidak bersaturasi (humiditas relatif < 100%), maka akan ada
perbedaan diantara konsentrasi uap air pada lapisan antara uap air dan udara (yang
mana selalu tersaturasi) dan posisi di atas lapisan tersebut (lapisan batas
konsentrasi). Perbedaan konsentrasi adalah gaya penggerak untuk perpindahan
massa, dan oleh karena itu perbedaan konsentrasi ini akan menggerakkan air ke
udara. Akan tetapi air harus berevaporasi terlebih dahulu, dan untuk berevaporasi
air membutuhkan panas laten evaporasi. Pada kondisi awal, seluruh panas
penguapan berasal dari air di dekat lapisan uap air – udara karena tidak ada
perbedaan temperatur diantara air dan sekitarnya sehingga tidak mungkin ada
perpindahan panas. Temperatur air yang dekat dengan permukaan harus turun
sebagai akibat kehilangan panas sensibel, dimana juga menurunkan tekanan
saturasi sehingga terbentuk uap air pada lapisan air – udara.
Penurunan temperatur ini membentuk perbedaan temperatur pada bagian
atas air dan juga diantara air dan udara sekitarnya. Perbedaan temperatur ini akan
menyebabkan perpindahan panas ke permukaan air dari udara dan bagian lebih
dalam dari air, seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.19. Jika laju evaporasi
tinggi dan kebutuhan panas penguapan lebih tinggi daripada jumlah panas yang
dapat disuplai dari bagian bawah air dan sekitarnya, kekurangan panas akan
disuplai oleh panas sensibel air pada permukaan, yang menyebabkan temperatur
air pada permukaan akan jatuh lebih jauh. Fenomena ini akan berlangsung secara
kontinu hingga panas laten penguapan sama dengan laju perpindahan panas ke air
pada permukaan. Saat kondisi tetap tercapai dan temperatur lapisan telah stabil,

29

keseimbangan energi pada lapisan tipis cairan pada permukaan dapat diberikan
dengan rumus sebagai berikut.

atau
(2.28)

Gambar 2.18. Mekanisme Evaporative Cooling (Yunus A. Cengel, 2002)
2.5 Fortran PowerStation 95
Untuk menganalisa perhitungan matematik sistem yang membutuhkan
perhitungan pada setiap detiknya, perhitungan secara manual akan lebih sulit dan
rumit. Untuk itu digunakanlah bahasa pemrograman agar analisa dapat dilakukan
secara kontinu. Dalam perhitungan ini, analisa data akan dibantu dengan program
Fortran PowerStation 95. Fortran adalah sebuah bahasa pemrograman. Pertama
kali dikembangkan pada tahun 1956 oleh John Backus di IBM Corporation
(International Business Machines). Digunakan dalam bidang sains selama 50
tahun kemudian. Ditujukan untuk mempermudah pembuatan aplikasi matematika,
ilmu pengetahuan, dan teknik.
Pertama kali bernama FORTRAN yang merupakan singkatan dari Formula
Translator/Translation, tetapi penggunaan huruf besar kemudian ditiadakan sejak
versi Fortran 90. Merupakan bahasa pemrograman tingkat tinggi pertama dan
prosedural, akan tetapi versi-versi terbaru dari Fortran kemudian dikembangkan
dengan memasukkan kemampuan object-oriented programming. Unggul pada
dukungan dalam menangani bentuk perhitungan, termasuk bilangan kompleks.
30

Kelemahannya pada operasi input/output yang lalu. Kode sumbernya juga sulit
dipahami dibanding bahasa pemrograman tingkat tinggi lainnya.
Fortran dapat melakukan analisa terhadap sistem secara kontinu dan dapat
mengurangi waktu yang lama jika dibandingkan dengan perhitungan secara
manual. Alasan penggunaan Fortran dalam analisis ini adalah agar lebih mudah
dan lebih cepat dalam perhitungan. Pada Bab 4 akan dibahas mengenai koding
pada fortran beserta hasil analisis dalam bentuk tabel perbandingan dan grafik.

31