UNJUK KERJA POMPA AIR ENERGI TERMAL MENGGUNAKAN FLUIDA KERJA PETROLEUM ETER DENGAN DEBIT FLUIDA KERJA 1,4 LITERMENIT
UNJUK KERJA POMPA AIR ENERGI TERMAL
MENGGUNAKAN FLUIDA KERJA PETROLEUM ETER
DENGAN DEBIT FLUIDA KERJA 1,4 LITER/MENIT
TUGAS AKHIR
Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan
mencapai derajat Sarjana S-1
Program Studi Teknik Mesin
Oleh :
IDA BAGUS KADE DWI MURDHIANA P.
PERFORMANCE OF THERMAL ENERGY WATER PUMP
USING PETROLEUM ETHER AS WORKING FLUIDS WITH
DEBITE 1,4 LITRE/MINUTE
FINAL PROJECT
Presented as partial fulfilment of the requirement
to obtain the Sarjana Teknik degree
in Mechanical Engineering
By
IDA BAGUS KADE DWI MURDHIANA P.
Student Number : 105214068
INTISARI
Kebutuhan air semakin lama semakin meningkat sejalan dengan meningkatnya
kebutuhan hidup manusia, baik di daerah perkotaan maupun daerah pedesaan. Air
adalah salah satu kebutuhan pokok manusia untuk melangsungkan kegiatannya
sehari-hari. Umumnya sumber air terletak berbeda dengan tempat air tersebut
digunakan, maka perlu digunakan pompa air energi listrik untuk mengalirkan air dari
sumber ke tempat yang memerlukan. Hal ini tidak dapat terlaksana pada daerah
daerah-daerah terpencil yang belum terjangkau jaringan listrik. Salah satu alternatif
yang dapat dilakukan adalah dengan menggunakan pompa air energi termal. Tujuan
yang ingin dicapai peneliti adalah membuat model pompa air termodinamik energi
surya, meneliti debit pemompaan, daya pemompaan, dan efisiensi maksimum yang
dihasilkan pompa air. Fluida kerja yang digunakan adalah petroleum eter. Evaporator
terbuat dari pipa tembaga berdiameter ½ inci berbentuk paralel dengan posisi
okemiringan 8,5 yang dipanaskan dengan media minyak. Kondensor dari bahan
stainless steel berdiameter ¾ inci dengan panjang 7 m. Variabel yang divariasikan
adalah head pemompaan 1,35 m dan 2,35 m, pipa pemanas dan kondensor berisi
fluida kerja dengan pemanas berisi udara dengan tekanan 1 atm dan kondensor berisi
fluida kerja, menggunakan 1 tabung udara tekan dan 2 tabung udara tekan. Parameter
yang diukur pada penelitian adalah temperatur kompor pemanas berisi fluida minyak
(T 1 dan T 2 ), temperatur fluida kerja yang masuk pada pipa pemanas (T 3 ), temperatur fluida kerja yang menguap pada pipa pemanas (T4 ), Tekanan fluida kerja di dalam evaporator (P 1 ), tekanan air pada tabung tekan air (P 2 ), tekanan udara pada tabung tekan udara (P
3 ), kenaikan air pada tabung tekan udara (h), volume pemompaan
(V pompa ), waktu pemompaan (t pompa ). Hasil dari penelitian ini yaitu debit pemompaan
maksimum sebesar 0,453 liter/menit, daya pemompaan maksimum sebesar 0,17 watt
dan efisiensi pemompaan maksimum sebesar 0,0104 % didapat pada variasi,
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur senantiasa kepada Tuhan Yang Maha Esa karena rahmat yang
diberikan dalam penyusunan Tugas Akhir ini sehingga penulis dapat menyelesaikan
tugas akhir ini dengan baik.Tugas Akhir ini merupakan sebagai salah satu syarat yang wajib untuk setiap
mahasiswa Jurusan Teknik Mesin. Tugas Akhir ini dilaksanakan dalam rangka
memenuhi syarat untuk mendapatkan gelar sarjana S-1 pada Jurusan Teknik Mesin,
Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.Berkat bimbingan, dukungan dan nasihat dari berbagai pihak, akhirnya Tugas
Akhir ini dapat terselesaikan dengan baik. Pada kesempatan ini dengan segenap
kerendahan hati penulis menyampaikan rasa terimakasih yang sebesar-besarnya
kepada :1. Paulina Heruningsih Prima Rosa, S.Si., M.Sc. Selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
2. Ir. PK. Purwadi, M.T. selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
3. I Gusti Ketut Puja, S.T, M.T. selaku Dosen Pembimbing Akademik dan Dosen Pembimbing 1 Tugas Akhir .
4. A. Prasetyadi, M.Si. selaku Dosen Pembimbing 2 Tugas Akhir.
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL.............................................................................................. i 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
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ..............................................................
28 4.1 Hasil Penelitian .............................................................................................
28 4.2 Pembahasan...................................................................................................
36 BAB V PENUTUP................................................................................................
45 5.1 Kesimpulan .....................................................................................................
45 5.2 Saran................................................................................................................
46 DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................
47 LAMPIRAN...........................................................................................................
48
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1a Pompa air termodinamik energi termal ..........................................7 Gambar 1.1b Pipa pemanas..................................................................................
8 Gambar 3.1 Skema alat penelitian .....................................................................
15 Gambar 3.2 Skema pemisah uap........................................................................
17 Gambar 3.3 Katup terbuka .................................................................................
20 Gambar 3.4a Ketinggian head pemompaan 1,35 meter .......................................
21 Gambar 3.4b Ketinggian head pemompaan 2,35 meter.......................................
21 Gambar 3.5a Variasi pemanas dan kondensor berisi fluida kerja........................
22 Gambar 3.5b Variasi kondensor yang berisi fluida kerja dengan volume 1,25 liter sedangkan pemanas berisi udara dengan tekanan 1 atm.....................................................................
22 Gambar 3.6a Variasi 1 tabung tekan udara ..........................................................
23 Gambar 3.6b Variasi 2 tabung tekan udara..........................................................
23 Gambar 3.7 Posisi termologger dan manometer ................................................
25 Gambar 4.1 Grafik perbandingan debit pada variasi jumlah tabung udara tekan dengan kondisi yang sama .........................................
36 Gambar 4.2 Grafik perbandingan daya pemompaan pada variasi jumlah tabung udara tekan ............................................................
37
Gambar 4.7 Grafik perbandingan debit air pemompaan pada variasi volume fluida kerja cair mula mula ...............................................41 Gambar 4.8 Grafik perbandingan daya pemompaan pada variasi volume fluida kerja cair mula-mula ...............................................
42 Gambar 4.9 Grafik Perbandingan efisiensi pemompaan pada variasi pemanas dan kondensor berisi fluida kerja dengan pemanas berisi udara dengan tekanan 1 atm dan kondensor berisi fluida kerja............................................................................
43
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1 Data penelitian dengan variasi menggunakan 2 tabung tekan udara dan 1 tabung tekan udara. Pada keadaan mula-mula sama ............................. 30Tabel 4.2 Data penelitian dengan variasi dengan ketinggian head 2,35 m dan ketinggian head 1,35 m. Pada keadaan mula-mula sama ...................... 30Tabel 4.3 Tabel 4.3 Perbandingan Hasil perhitungan data penelitian dengan variasi 1 tabung udara tekan dan menggunakan 2 tabung tekan udara ............. 35Tabel 4.4 Perbandingan Hasil perhitungan data penelitian dengan variasi ketinggian head pemompaan 2,35 m dan 1,35 m .................................................... 35Tabel 4.5 Perbandingan Hasil perhitungan data penelitian variasi volume fluida kerja awal mengisi pipa pemanas dan kondensor dengan variasi volumefluida kerja awal mengisi kondensor dan pipa pemanas berisi udara dengan tekanan 1 atm ............................................................................ 35
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Kebutuhan air semakin lama semakin meningkat sejalan dengan meningkatnya kebutuhan hidup manusia, baik di daerah perkotaan maupun daerah pedesaan. Air adalah salah satu kebutuhan pokok manusia untuk melangsungkan kegiataannya sehari-hari. Umumnya sumber air terletak berbeda dengan tempat air tersebut digunakan. Untuk memindahkan air dari sumbernya ke tempat yang memerlukan air umumnya digunakan pompa air atau dipindahkan secara manual yaitu dengan menggunakan tenaga manusia.
Pompa air umumnya digerakkan dengan energi listrik atau bahan bakar fosil. Beberapa daerah di Indonesia terutama di daerah yang masih terpencil belum terjangkau jaringan listrik. Di daerah terpencil seperti itu, penggunaan pompa air memiliki peluang untuk dapat digunakan untuk memompa air di daerah terpencil. Kolektor termal surya merupakan teknologi yang sederhana dan murah sehingga dapat dibuat dan dirawat dengan teknologi lokal yang ada.Terdapat beberapa sistem dalam pemanfaatan kolektor termal surya untuk penggerak pompa air. Sistem yang paling sederhana adalah sistem termodinamik. Ada beberapa jenis kolektor termal surya yang dapat digunakan pada sistem termodinamik. Jenis kolektor termal surya yang paling sederhana adalah kolektor pelat datar.
1.2 Perumusan Masalah Pada pemanfaatan kolektor termal surya untuk penggerak pompa air dengan sistem termodinamik menggunakan kolektor pelat datar diperlukan fluida kerja untuk melakukan kerja pemompaan. Kerja pemompaan dihasilkan oleh proses penguapan dan pengembunan fluida kerja. Saat terjadi 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 pemompaan.
Permasalahan dalam penelitian ini dapat dirumuskan sebagai berikut:
1. Fluida kerja yang digunakan harus mempunyai sifat mudah menguap (mempunyai kapasitas panas dan titik didih yang tidak terlalu tinggi) tetapi juga mudah untuk diembunkan kembali. Fluida yang mempunyai sifat seperti ini diantaranya adalah dietil eter dan petroleum eter. Petroleum eter yang dijual dipasaran umumnya tidak memiliki spesifikasi yang jelas dan tidak sama antara satu toko dan toko lainnya. Penelitian ini akan menjajagi kemungkinan apakah petroleum eter yang ada di pasaran (khususnya di Yogyakarta) dapat digunakan sebagai fluida kerja pada pemanfaatan pipa pemanas yang dipanasi menggunakan kompor pemanas untuk penggerak pompa air dengan sistem termodinamik.
2. Jumlah massa fluida kerja yang lebih banyak dapat menghasilkan kenaikan tekanan yang lebih besar tetapi dengan kecepatan penguapan yang lebih rendah dibandingkan jumlah massa fluida kerja yang lebih penguapan dan pengembunan fluida kerja sehingga akan mempengaruhi unjuk kerja pompa air yang dihasilkan. Penelitian ini akan meneliti bagaimana pengaruh beban pemompaan terhadap unjuk kerja pompa air dengan sistem termodinamik menggunakan pipa pemanas.
1.3 Tujuan dan Manfaat Tujuan yang ingin dicapai dari penelitian ini : 1. Membuat model pompa air termodinamik energi termal.
2. Meneliti debit pemompaan maksimum.
3. Meneliti daya pemompaan maksimum.
4. Meneliti efesiensi maksimum yang dihasilkan pompa air. 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
1.4 Batasan Masalah Batasan dari penelitian ini adalah :
1. Pada penelitian ini dibuat pompa energi termal menggunakan delapan pipa yang tersusun secara paralel sebagai pemanas fluida dan pemisah fluida, untuk memisahkan uap dengan fluida yang terbawa saat dipanaskan.
2. Petroleum eter digunakan sebagai fluida kerja. Berat jenis petroleum eter pada kondisi cair 0,71 gr/ml. Berat jenis digunakan dalam perhitungan mencari massa petroleum eter.
3. Kalor laten petroleum eter yaitu 300 kJ/kg.
4. Dalam penelitian ini tekanan udara sekitar dibutuhkan dalam perhitungan kompresi udara. Diasumsikan tekanan udara sekitar adalah 1 bar.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Dasar Teori Pompa air energi termal dapat menggunakan energi surya sebagai sumber panas. Pemanfaatan energi surya untuk menghasilkan energi mekanik penggerak pompa air dapat dikelompokkan menjadi dua yaitu metode termodinamik dan metode konversi langsung. Pada metode termodinamik, energi thermal surya dikumpulkan dengan menggunakan kolektor thermal baik jenis pelat datar maupun fokus. Energi thermal ini digunakan untuk menaikan 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, sederhana. Pada penelitian ini tidak menggunakan kolektor termal surya sebagai penerima panasnya tetapi menggunakan pipa pemanas yang tersusun paralel sebagai penerima panasnya. Pompa air dengan sistem termodinamik menggunakan pipa pemanas sebagai penerima panasnya memiliki beberapa komponen (Gambar 1a.) yaitu pipa pemanas (1), pipa penyalur uap fluida kerja (2), tabung pemisah (3), kondensor (4), tabung udara tekan (5), tangki air tekan (6), tabung penampung eter (7), pompa benam (8), sumur (10), katup tekan (11), katup hisap (12). Pipa pemanas (gambar 1b) berfungsi sebagai penerima panas dari kompor pemanas, energi panas digunakan untuk memanasi fluida kerja (petroleum eter). Skema pipa pemanas dapat dilihat pada Gambar 1b.
Gambar 1.1b pipa pemanas Pipa output berfungsi sebagai penyalur uap fluida kerja dari proses pemanasan dan pipa input berfungsi sebagai penyalur fluida kerja cair. Kondensor digunakan untuk mengefektifkan pendinginan. Pendinginan dilakukan dengan menggunakan fluida pendingin air yang diperoleh dari kerja pemompaan sebelum masuk dalam bak penampung bawah. Pada penelitian ini kondensor yang digunakan berbentuk spiral terbuat dari bahan stainless steel. Dalam penggerak pompa air terdapat penampung fluida kerja cair dan pemanas fluida kerja. Pemanasan fluida kerja memanfaatkan panas dari uap air panas. Pemanasan fluida kerja dapat dilakukan dengan memanfaatkan sumber panas yang lain seperti energi surya thermal atau penggunaan minyak panas. Fluida kerja yang digunakan dalam penelitian ini adalah fluida eter.
Prinsip kerja pompa air ini adalah pipa pemanas menerima panas yang benam dan menekan air di dalam pompa benam. Karena tertekan udara, air di dalam pompa benam akan mengalir kedalam bak penampung atas. Mengalirnya air dari pompa benam ke bak penampung atas disebut langkah tekan. Dari bak penampung atas, sebagian air yang berada di bak penampung atas di alirkan ke bak kondensor. Kondensor akan di dinginkan menggunakan sebagian air yang berada di bak penampung, uap fluida kerja di dalam tangki tekan air akan mengalami pendinginan sehingga mengembun. Pengembunan fluida kerja ini menyebabkan tekanan sistem turun. Turunnya tekanan menyebabkan air di dalam sumber akan mengalir kedalam pompa benam. Mengalirnya air dari sumber air kedalam pompa benam disebut langkah hisap. Satu siklus pemompaan terdiri dari satu langkah tekan dan satu langkah hisap. Siklus pemompaan akan berlangsung terus selama ada energi panas yang cukup.
2.2 Persamaan yang Digunakan Untuk mengetahui unjuk kerja pompa air energi thermal maka diperlukan
Daya pemompaan dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut (Soemitro, 1986):
P . g . Q . H pompa
(1)
pompa
Dengan P adalah daya pemompaan, ρ adalah massa jenis air, g adalah percepatan gravitasi, Q adalah debit pemompaan, dan 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 h . A . T pemanas (2)
Dengan P adalah daya pemanas, h adalah koefisien perpindahan kalor, A adalah luas penampang dimana kalor mengalir, dan ΔT adalah perubahan atau perbedaan temperatur rata-rata keseluruhannya.
Perhitungan daya pemanas dilakukan dengan pendekatan perpindahan Dimana k adalah konduktivitas termal bahan, Nu adalah bilangan nuselt, δ adalah panjang karakteristik.
Bilangan Rayleigh digunakan untuk mencari nilai Bilangan Nuselt. Bilangan Rayleigh dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut: . .
( ). . R =
(4)
a
Dengan Ra adalah bilangan Rayleigh, g adalah percepatan gravitasi, Ts adalah temperatur permukaan, T ∞ adalah temperatur disekitar permukaan, β adalah volume koefisien ekspansi, Pr adalah bilangan prandtl merupakan suatu nilai yang dipakai untuk menentukan distribusi temperatur pada suatu aliran, v adalah viskositas kinematik fluida.
Bilangan Nuselt adalah rasio pindah panas konveksiterhadap batas dalam kasus pindah panas pada permukaan fluida,rataan bilangan Nusselt dinyatakan sebagai fungsi dari bilangan Rayleigh dan bilangan Prandtl. Bilangan Nuselt dapat Efisiensi pompa merupakan perbandingan antara daya pompa dengan daya pemanas. Efisiensi pompa dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut:
P pompa
(6)
100 % pompa P pemanas
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: P . 1 V
1
(7)
p 2 V 2
dengan adalah tekanan udara awal, adalah kompresi udara tekan, adalah volume udara awal,dan adalah volume udara akhir.
Efisiensi termal merupakan perbandingan antara daya pemanas output dengan daya pemanas input. Efisiensi pompa dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut:
2.3 Penelitian yang Terdahulu Penelitian pompa air energi surya termal menunjukkan bahwa waktu yang diperlukan untuk pengembunan uap fluida kerja dipengaruhi debit dan temperatur air pendingin masuk kekondensor (Sumathy et.al.,1995). Prototipe pompa air energi surya termal yang bekerja dengan siklus Rankin diuji dengan menggunakan fluida kerja refrijeran R113 untuk mengetahui unjuk kerjanya (Spindleret.al.,1996). Penelitian unjuk kerja pompa air energi surya termal dengan menggunakan kolektor
2
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 waktuyang diperlukan untuk pemanasan fluida kerja 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 METODE PENELITIAN
3.1 Skema Alat Pada penelitian ini pompa air dengan menggunakan energi termal memanfaatkan panas uap air panas sebagai sumber panas. Fluida kerja yang digunakan adalah eter (petroleum eter). Foto alat penelitian seperti ditampilkan pada skema alat ditunjukan pada bagian lampiran Gambar L.1.
Bagian-bagian utama alat pada Gambar 3.1 :
1. Pemanas eter dari pipa tembaga berdiameter ½ inci berbentuk parallel yang dipanaskan dengan posisi kemiringan 8,5
o
. Foto pipa pemanas eter ditunjukan pada bagian lampiran Gambar L.2.
2. Pipa tembaga berdiameter ½ inci sebagai penyalur uap.
3. Tabung pemisah uap berdiameter 5 cm dengan tinggi 25 cm. Foto tabung pemisah uap ditunjukan pada bagian lampiran Gambar L.3.
4. Kondensor dari stainless steel berdiameter ¾ inci dengan panjang 7 m.
Foto kondensor ditunjukan pada bagian lampiran Gambar L.4.
5. Tabung tekan udara dari pipa PVC diameter 4 inci dengan tinggi 2 m.
Foto tabung tekan udara ditunjukan pada bagian lampiran Gambar L.5.
6. Tabung tekan air dari bahan stainless steel berdiameter 40 cm dengan tinggi 100 cm. Foto tabung tekan air ditunjukan pada bagian lampiran Gambar L.6.
7. Tabung penampung eter dari bahan stainless steel berdiameter 15 cm
Pada penelitian ini digunakan tabung pemisah uap untuk memisahkan uap fluida kerja dengan fluida kerja cair yang terbawa aliran uap fluida kerja dengan skema sesuai Gambar 3.2. Foto alat pemisah uap seperti ditampilkan pada skema pemisah uap ditunjukan pada bagian lampiran (Gambar L.3).
Gambar 3.2 Skema pemisah uapProses kerja alat penelitian dimulai dengan memanasi pemanas dengan menggunakan media minyak kelapa. Katup penghubung kondensordan tabung tekan uap tidak murni hanya uap saja tetapi ada fluida cair yang terbawa aliran uap fluida kerja. Didalam pemisah uap, fluida kerja cair terpisah dari uap fluida kerja. Uap fluida fluida kerja mengalir ke kondensor kemudian menuju tabung tekan air sedangkan fluida kerja cair mengalir kembali ke pemanas. Air yang berada didalam tabung tekan air tertekan oleh uap fluida kerja sehingga air keluar tabung tekan air dan menyebabkan tinggi air di tabung tekan udara naik. Naiknya ketinggian air di tabung tekan udara menyebabkan udara terkompresi. Udara yang terkompresi menekan air di pompa benam dan katup sisi tekan terbuka dan katup sisi hisap tertutup sehingga air di pompa benam keluar melewati pipa buan. Pada saat fluida kerja cair yang dipanasi habis maka tidak ada lagi uap fluida kerja yang menekan air yang berada di tabung tekan air. Katup penghubung pemanas dan penampung fluida cair ditutup. Proses pendinginan dilakukan dengan cara menyiram kondensor dengan sebagian air hasil dari pemompaan. Uap fluida kerja yang ada dalam kondensor akan mengembun. Pengembunan uap fluida kerja menyebabkan air dalam tabung tekan air naik dan air di tabung tekan udara turun. Penurunan air yang terjadi di tabung tekan
3.2 Variabel yang Divariasikan Variasi yang dilakukan pada penelitian ini adalah sebagai berikut :
1. Head pemompaan menggunakan 2 variasi yaitu 2,35 m dan 1,35 m
2. Jumlah massa fluida kerja awal menggunakan 2 variasi yaitu pemanas dan kondensor berisi fluida kerja dengan volume 2,5 liter, dan hanya kondensor yang berisi fluida kerja dengan volume 1,25 liter sedangkan pemanas berisi udara dengan tekanan 1 atm.
3. Volume udara dalam tabung tekan udara divariasikan dengan berapa banyak jumlah tabung tekan udara yang digunakan yaitu 1 dan 2. Pengaturan debit fluida kerja yang mengalir ke pemanas (Gambar 3.3).
Gambar 3.3 Katup terbukaPada saat katup terbuka, jumlah debit fluida kerja yang mengalir ke pipa
Variasi head pemompaan dilakukan dengan menggunakan 2 variasi yaitu 1,35 m (Gambar 3.4a) dan 2,35 m (Gambar 3.4b).
Gambar 3.4a Ketinggian head pemompaan 1,35 m Variasi Jumlah massa fluida kerja awal yaitu pemanas dan kondensor berisi fluida kerja dengan volume 2,512 liter (Gambar 3.5a), dan hanya kondensor yang berisi fluida kerja dengan volume 1,256 liter sedangkan pemanas berisi udara dengan tekanan 1 atm (Gambar 3.5b).
Gambar 3.5a Variasi pemanas dan kondensor berisi fluida kerja. Variasi jumlah tabung tekan udara yang digunakan yaitu 1 tabung (Gambar 3.6a) dan 2 tabung (Gambar 3.6b).
Gambar 3.6a Variasi 1 tabung tekan udara
3.3 Parameter yang Diukur Parameter yang diukur pada penelitian ini adalah sebagai berikut :
1
2 1. Temperatur kompor pemanas berisi fluida minyak (T dan T ).
2. Temperatur fluida kerja yang masuk pada pipa pemanas (T 3 ).
3. Temperatur fluida kerja yang menguap pada pipa pemanas (T 4 ).
4. Tekanan fluida kerja di dalam evaporator (P 1 ).
5. Tekanan air pada tabung tekan air (P 2 ).
6. Tekanan udara pada tabung tekan udara (P 3 ).
7. Kenaikan air pada tabung tekan udara (h) 8. Volume pemompaan (V ).
pompa 9. Waktu pemompaan (t pompa ).
10. Waktu pemanasan (t panas ).
11. Waktu pendinginan (t dingin ). Pengukuran temperatur menggunakan termologger dan untuk pengukuran waktu menggunakan stopwatch. Pengukuran volume menggunakan gelas ukur dan untuk pengukuran tekanan menggunakan manometer. Foto manometer dan termologger ditunjukan pada bagian lampiran Gambar L.10.
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 mengatur jumlah debit fluida kerja yang mengalir.
3. Pada variasi jumlah debit fluida kerja yang mengalir dilakukan variasi penggunaan tabung tekan udara dan ketinggian head pemompaan sesuai dengan variasi mula-mula yang diinginkan.
4. Ketika uap fluida kerja mulai habis saat pemanasan, katup tabung penampung fluida kerja mulai dibuka dengan debit yang divariasikan
5. Data yang dicatat adalah temperatur minyak bagian dasar (T
1 ), temperatur
pipa pemanas yang terendam minyak (T
2 ), temperatur fluida kerja yang
7. Data yang diperoleh dianalisa dengan menggunakan persamaan (1) sampai persamaan (4).
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Hasil Penelitian Berikut adalah data hasil penelitian yang didapat dengan memvariasikan pengisian 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 udara V : Volume udara tekan pada tabung udara.
1 P : Tekanan fluida kerja dalam evaporator yang terbaca manometer.
2 P : Tekanan air pada tabung air tekan yang terbaca manometer.
3 P : Tekanan udara pada tabung udara yang terbaca manometer. panas
t : Lama waktu pemanasan fluida cair. Dimulai dari awal siklus tekan hingga akhir siklus tekan.
pompa
t : Lama waktu pemompaan. Diukur ketika air mulai mengalir dari ujung tertinggi pipa buang hingga air berhenti mengalir.
dingin
t : Lama waktu pendinginan. Dimulai dari awal siklus tekan hingga volume fluida cair kembali ke posisi awal.
sumur
V : Volume air yang dipompa dari sumur dan keluar pada pipa buang selama satu siklus pemompaan.
Tabel 4.1 Data penelitian dengan variasi menggunakan 2 tabung tekan udara dan 1 tabung tekan udara. Pada keadaan mula-mula sama25
(
2
C) T
O
(
1
Kondisi T
2 Tabel 4.2 Data penelitian dengan variasi dengan ketinggian head 2,35 m dan ketinggian head 1,35 m. Pada keadaan mula-mula sama.
sumur
48 72 1,7 0,59 0,5 0,4 14,2 ΔV
Akhir 114 116
25 25 5,9 0,14 0,1 0,02 7200 265 5400 16,2
25
C) T
(liter) Awal
sumur
V
(det)
(dingin)
(det) t
(pompa)
(det) t
(panas)
(Bar) t
3
(Bar) P
2
O
3
1
(Bar) t
Akhir 113 115
27 28 5,9 0,01 0,08 7200 667 5400 16,2
36
35
(liter) Awal
sumur
V
(det)
(dingin)
(det) t
(pompa)
(det) t
(panas)
3
(
(Bar) P
2
(Bar) P
1
(liter) P
udara
V
C)
O
(
4
C) T
O
(Bar) P
(liter) P
Kondisi T
O
(pompa)
(det) t
(panas)
(Bar) t
3
(Bar) P
2
(Bar) P
1
(liter) P
udara
V
C)
(
(dingin)
4
C) T
O
(
3
C) T
O
(
2
C) T
O
(
1
(det) t
(det)
udara
C) T
V
C)
O
(
4
C) T
O
(
3
C) T
O
(
2
O
V
(
1
T
0,6 Kondisi
sumur
57 74 8,5 0,4 0,39 0,3 15,6 ΔV
Akhir 118 120
25 12 0,12 0,05 7200 217 5400 16,2
25
25
25
(liter) Awal
sumur
61 75 2,1 0,59 0,5 0,4 14,3 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:
Head = 2,35 m Vol air = 0,6 liter
3
ρ air = 1000 kg/m t pompa = 265 detik Perhitungan daya pemompaan adalah:
=
pompa ρ.g.Q.H
P
−3
0,6
3
2
.10
pompa = (1000 kg/m ).(9,81 m/det ). m /det
P .(2,35 m)
265
pompa = 0,064 watt
P Perhitungan yang selanjutnya dilakukan adalah menghitung daya pemanas.
Variabel yang diketahui adalah sebagai berikut:
o o
T
1 = Tm 1 = 118 C T 3 = Te 1 = 57 C menentukan Bilangan Nuselt, Persamaan (3) untuk menentukan koefisien perpindahan kalor, Persamaan (2) untuk menentukan daya pemanas.
Variabel yang diketahui adalah viskositas kinematik (terdapat pada tabel cengel), Bilangan Prandlt (terdapat pada tabel cengel), konduktivitas termal bahan ditentukan dengan menggunakan interpolasi dan luas penampang sebagai berikut:
2
2 v = 6,49.
10 ft /detik g = 9,81 m/s Pr = 84,79 = 0,0127 m
2 o
A = 0,1914 m T s = 119 C
o
= 0,0028 T = 88,2 C
o
k = 0,12846 W/m. C Hasil Perhitungan Bilangan Rayleigh adalah: . .
( ). . R a =
( , ).( , ). , ).( , ) ( ).( ,
R =
a −6
( 6,49.10 ) Hasil Perhitungan Bilangan Nuselt adalah:
N u
= ⎩ ⎪ ⎨ ⎪ ⎧ 0,6 +
, .
.
⎭ ⎪ ⎬ ⎪ ⎫
N u
= ⎩ ⎪ ⎨ ⎪ ⎧ 0,6 +
( , ) .( , .
) .
,
⎭
⎪
⎬
⎪
⎫
N u
= 28,1024
Hasil Perhitungan koefisien perpindahan kalor adalah : h = . h =
( , ).( , )
, Perhitungan efisiensi pompa dilakukan dengan menggunakan Persamaan (3) sebagai berikut : η pompa
= 100%
η pompa =
, ,
100% η pompa = 0,0038 % Perhitungan kompresi udara dalam tabung udara tekan dilakukan dengan menggunakan persamaan (7) sebagai berikut: 2 1 1 2 .
V V P p
5 ,
8
12 2 p 41 ,
1 2 p bar
Dengan cara yang sama, seluruh data penelitian tiap variasi dihitung dengan Persamaan (1) sampai Persamaan (7). Berikut adalah hasil dari seluruh data penelitian yang disajikan dalam bentuk tabel.
Tabel 4.3 Perbandingan Hasil perhitungan data penelitian dengan variasi 1 tabung udara tekan dan menggunakan 2 tabung tekan udara.P (pompa) (watt)
Efisiensi pompa Efisiensi termal
P (pemanas) (watt)
P (pompa) (watt)
2 (kompresi udara) (bar)
(air) (liter/menit) P
(air) (liter) Q
(pompa) (bar) Vol
t (panas) (bar) t
kerja awal mengisi kondensor dan pipa pemanas berisi udara dengan tekanan 1 atm.
Tabel 4.5 Perbandingan Hasil perhitungan data penelitian variasi volume fluida kerja awal mengisi pipa pemanas dan kondensor dengan variasi volume fluida
7200 667 1,9 0,17 2,81 0,07 1395,66 0,0047 0,77
7200 1718 2,6 0,09 4 0,02 1119,89 0,0018 0,62Efisiensi pompa Efisiensi termal
P (pemanas) (watt)
2 (kompresi udara) (bar)
t (panas) (bar) t (pompa)
(liter/menit) P
(liter) Q (air)
(bar) Vol (air)
t (panas) (bar) t (pompa)
Tabel 4.4 Perbandingan Hasil perhitungan data penelitian dengan variasi ketinggian head pemompaan 2,35 m dan 1,35 m7200 265 2 0,45 3,47 0,17 1670,31 0,0104 0,927
7200 217 0,6 0,16 1,41 0,07 1674,37 0,0038 0,93
Efisiensi pompa Efisiensi termal
P (pemanas) (watt)
P (pompa) (watt)
2 (kompresi udara) (bar)
(liter/menit) P
(liter) Q (air)
(bar) Vol (air)
7200 265 2 0,45 3,47 0,17 1670,31 0,0104 0,93
7200 667 1,9 0,17 2,81 0,07 1395,66 0,0047 0,77
4.2 Pembahasan Hasil penelitian pada Gambar 4.1 menunjukkan debit maksimal pemompaan didapat pada variasi menggunakan 1 tabung tekan udara yaitu sebesar 0,45 liter/menit. Pada variasi menggunakan 2 tabung udara tekan, debit yang dihasilkan lebih rendah karena pengkompresian udara yang terjadi pada 2 tabung lebih banyak.
1,2 ) it n
1 e m r/
0,8 te li ( n a
0,6 a p m o
0,4 m e p it
0,2 b e D
1
2 Jumlah tabung udara tekan
Gambar 4.1 Grafik perbandingan debit pada variasi jumlah tabung udara tekan0,20 0,18 )
0,16 tt a w
0,14 ( n a
0,12 a p
0,10 m o
0,08 m e p
0,06 a y a
0,04 D
0,02 0,00
1
2 Jumlah tabung udara tekan
Gambar 4.2 Grafik perbandingan daya pemompaan pada variasi jumlah tabung udara tekan dengan kondisi yang sama.Hasil penelitian pada Gambar 4.2 menunjukan daya pompa maksimal didapat pada variasi menggunakan 1 tabung udara tekan sebesar 0,17 watt. Pada penelitian ini daya pompa dipengaruhi oleh debit yang dihasilkan dan waktu pemompaan yang
Gambar 4.3 Grafik perbandingan efisiensi pada variasi jumlah tabung udara tekan dengan kondisi yang sama.Hasil penelitian pada Gambar 4.3 menunjukan efisiensi terbesar didapat pada variasi menggunakan 1 tabung udara tekan sebesar 0,0104%. Dengan volume fluida cair mula-mula sama, maka diasumsikan volume uap sama. Efisiensi tergantung pada daya pemompaan yang dihasilkan. Uap fluida yang lebih banyak menyebabkan
0,000 0,002 0,004 0,006 0,008 0,010 0,012
1
2 E ff is ie n si ( % )
Jumlah tabung udara tekan
Gambar 4.4 Grafik Perbandingan debit pemompaan antara head pemompaan 1,35 m dengan 2,35 m.0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18
2,35 1,35 D e b it p e m o m p a a n ( li te r/ m e n it )
Head pemompaan (meter)
0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 o m p a a n ( w a tt ) Hasil penelitian pada Gambar 4.4 menunjukan debit pemompaan maksimal yang didapat pada variasi ketinggian head 2,35 m sebesar 0,17 liter/menit. Pada
Gambar 4.5 menunjukan daya pemompaan maksimal yang didapat pada variasi ketinggian head 2,35 m sebesar 0,07 watt. Semakin tinggi head maka dibutuhkantekanan udara pada tabung udara tekan yang lebih besar. Dengan jumlah uap dan volume air pada tabung udara tekan yang sama maka untuk head yang lebih tinggi dihasilkan debit yang lebih sedikit. Pada variasi ketinggian head 1,35 meter terjadi rugi-rugi daya pemompaan hal ini membuat aliran air pada pipa buang tidak mengalir secara kontinyu maka dari itu debit yang dihasilkan sedikit. Daya pemompaan tergantung pada head dan debit pemompaan maka debit yang dihasilkan berbanding lurus dengan daya yang dihasilkan.
0,0030 0,0035 0,0040 0,0045 0,0050 o m p a ( % ) Hasil penelitian pada Gambar 4.6 menunjukan efisiensi pemompaan maksimal yang didapat pada variasi head pemompaan 2,35 m yaitu sebesar 0,0047 %.
Pada variasi ini efisiensi ditentukan oleh daya pemompaan dan daya pemanasan yang dihasilkan. Daya pemompaan pada head 2,35 m lebih besar dibandingkan 1,35 karena daya pemompaan berbanding lurus dengan debit pemompaan yang dihasilkan. Semakin tinggi daya pemompaan maka efisiensi akan semakin tinggi.
0,50 )
0,45 it n e
0,40 m r/ 0,35 te li
0,30 ( n a
0,25 a p m
0,20 o m
0,15 e p it 0,10 b e
0,05 D
0,00
0,45 liter/menit. Hal ini terjadi karena udara pada pipa pemanas menghambat laju aliran uap fluida kerja. Aliran uap fluida kerja berpengaruh pada proses pemompaannya, jika terjadinya hambatan maka debit yang dihasilkan pada variasi pemanas berisi udara dengan tekanan 1 atm tidak maksimal.
0,20 0,18 )
0,16 tt a
0,14 w ( n a 0,12 a p
0,10 m o m 0,08 e p
0,06 a y a
0,04 D
0,02 0,00
Pada pemanas dan kondensor Pada pemanas berisi udara berisi fluida kerja dengan tekanan 1 atm dan kondensor berisi fluida kerja
Gambar 4.8 Grafik Perbandingan daya pemompaan pada variasi pemanas dan menghasilkan debit pemopaan yang lebih besar daripada pemanas berisi udara dengan tekanan 1 atm dan kondensor berisi fluida kerja. Udara yang menghambat laju aliran uap akan mempengaruhi debit pemompaannya. Ketika dipanaskan udara lebih dulu sampai ke kondensor daripada uap karena massa jenis udara lebih ringan dibandingkan uap. Didalam sistem (pemanas dan kondensor), antara udara dan uap fluida kerja tidak bersinergi, aliran uap akan terhambat oleh udara. Adanya udara pada sistem (pada pipa pemanas) membuat debit yang dihasilkan lebih kecil maka akan mempengaruhi daya pemompaan yang dihasilkan.0,012 0,010 ) % (
0,008 a p m o
0,006 p si n e
0,004 si fi E
0,002