PENGARUH TEMPERATUR PREHEATING FEED WATER TERHADAP UNJUK KERJA UNIT DESALINASI BERBASIS POMPA KALOR DENGAN MENGGUNAKAN PROSES HUMIDIFIKASI DAN DEHUMIDIFIKASI

(1)

commit to user

PENGARUH TEMPERATUR PREHEATING FEED WATER

TERHADAP UNJUK KERJA UNIT DESALINASI BERBASIS

POMPA KALOR DENGAN MENGGUNAKAN PROSES

HUMIDIFIKASI DAN DEHUMIDIFIKASI

SKRIPSI

Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik

Oleh :

TOMI ANDRIYANTO NIM : I 0406054

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

(2)

commit to user

ii

PENGARUH TEMPERATUR PREHEATING FEED WATER

TERHADAP UNJUK KERJA UNIT DESALINASI BERBASIS

POMPA KALOR DENGAN MENGGUNAKAN PROSES

HUMIDIFIKASI DAN DEHUMIDIFIKASI

Disusun oleh :

Tomi Andriyanto NIM. I0406054

Dosen Pembimbing I Dosen Pembimbing II

Wibawa Endra J., ST., MT Tri Istanto, ST., MT

NIP. 197009112000031001 NIP. 197308202000121001

Telah dipertahankan di hadapan Tim Dosen Penguji pada hari ... tanggal ...

1. Eko Prasetyo B., ST.,MT ………...

NIP. 197109261999031002

2. Muhammad Nizam Ph.D ………...

NIP. 197007201999031007

3. Zainal Arifin., ST.,MT ………

NIP. 197303082000031001

Mengetahui:

Ketua Jurusan Teknik Mesin

Dody Ariawan, ST, MT NIP . 197308041999031003

Koordinator Tugas Akhir

(3)

commit to user

iii

PERSEMBAHAN

Kepada mereka yang telah berjasa, kepada mereka pula saya

persembahkan hasil jerih payah dan kerja keras saya selama menempuh jenjang

S-1 ini yaitu sebuah skripsi yang akan menjadi karya terbesar dan kebanggaan saya

sehingga saya lulus dari Universitas Sebelas Maret ini dengan gelar Sarjana

Teknik. Mereka adalah:

1. Segala puji bagi Allah SWT dan Muhammad SAW sebagai rosulNya.

2. Keluarga besar Gito Suwarno (Bapak : Gito Suwarno, Ibu : Sularni, karena

berkat beliaulah penulis terlahir didunia ini) beserta saudara dari Bapak dan

Ibu.

3. Kakaku: Sri Hariyanti Amd dan Adikku: Adi Setiawan, terimakasih dengan

semua dorongan dan semangatnya dan semoga kelak bisa membahagiakan

ayah dan ibu kita kelak di dunia dan akhirat…Amien...

4. Riutha Meredith Alberta terima kasih atas semua semangatmu dan nasehatmu

(aku akan terus melawan mentari).

5. Semua ilmuwan dan praktisi pendidikan, terima kasih dengan semua ilmu

pengetahuan dan teknologi yang telah dihasilkan.

6. Semua orang yang dekat dan kenal dengan penulis (mereka yang pernah

(4)

commit to user

iv

MOTTO

‘’Allah akan mengangkat

(

derajat

)

orang-orang yang beriman

dintara kamu dan orang-orang yang diberi ilmu beberapa derajat

dan Allah Maha Teliti yang kamu kerjakan’’

(QS. Al Mujadalah :11

‘’Bacalah dan Tuhanmulah yang Maha Mulia yang mengajar

(

manusia

)

dengan pena. Dia mengajarkan manusia apa yang tidak

diketahuinya’’

QS. Al. Alaq: 3-5

‘’Carilah ilmu walaupun sampai ke negeri Cina’’

HR. Bukhori Muslim

‘’Jangan menilai orang lain dari kesuksesan yang didapat tapi

nilailah dari usaha yang dilakukannya’’

Bong Chandra

‘’ Sebuah target dan cita-cita itu dibuat bukan untuk dicapai.

Cita-cita itu dbuat untuk dimulai, maka segera mulailah, lalu

perhatikan apa yang terjadi,’’

Mario Teguh

(5)

commit to user

viii

KATA PENGANTAR

Segala puji dan syukur hanya kepada Allah SWT yang Maha Pengasih dan

Maha Penyayang, shalawat serta salam untuk Nabi besar Muhammad SAW yang

telah menjadi suri tauladan bagi umat manusia. Walaupun berbagai rintangan dan

hambatan yang dihadapi selama pembuatannya. Akhirnya atas berkat rahmat dan

karunia-Nya penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.

Tidaklah mungkin menyelesaikan skripsi ini seorang diri. Dengan segala

keterbatasan dan kemampuan dalam proses pembuatannya, penulis menyadari

bahwa proses pembuatan skripsi ini tidak lepas dari bimbingan, bantuan, arahan

serta dorongan dan doa dari berbagai pihak. Oleh karena itu dengan segala

ketulusan dan kerendahan hati, penulis mengucapkan terima kasih kepada: .

1. Bapak Wibawa Endra Juwana, ST., MT, selaku Pembimbing I atas

bimbingan dan ilmu yang bermanfaat hingga penulis dapat

menyelesaikan skripsi ini.

2. Bapak Tri Istanto, ST. MT., selaku Pembimbing II yang telah turut serta

memberikan bimbingan yang berharga bagi penulis.

3. Bapak Dody Ariawan, ST., MT., selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin

UNS Surakarta.

4. Bapak Wahyu Purwo Raharjo, ST., MT., selaku koordinator Tugas

Akhir

5. Seluruh Dosen serta Staff di Jurusan Teknik Mesin UNS, yang telah

turut serta membantu dan mendidik penulis hingga menyelesaikan studi

S1.

6. Kedua orang tuaku tercinta (Gito Suwarno dan Sularni) atas segala kasih

sayang, pengorbanan dan jasanya yang tak terkira, yang telah

memberikan dukungan, semangat, doa yang tulus ikhlas dan

kepercayaan kepada penulis untuk mengemban amanah yang mulia ini.

7. Kakakku: Sri Hariyanti Amd dan Adikku: Adi Setiawan yang sangat

(6)

commit to user

viii

8. Teman-teman seperjuangan Edy, Septian, dan Adin terima kasih berkat

kerja keras kalian semua dan pengalaman pahit maupun senang dalam

menyelesaikan skripsi yang kita alami bersama.

9. Rekan rekan Teknik Mesin semua, khususnya angkatan 2006 terima

kasih atas kebersamaan selama ini.

10.Semua pihak yang tidak dapat saya sebutkan satu per satu yang telah

membantu pelaksanaan dan penyusunan laporan Tugas Akhir ini.

Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan skripsi ini masih jauh dari

sempurna, maka kritik dan saran penulis harapkan untuk kesempurnaan skripsi

ini.Ahirnya penulis berharap, semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi kita

semua.

Surakarta, Januari 2011

(7)

commit to user

ix

DAFTAR ISI

Halaman

Abstract ... v

KATA PENGANTAR ... vii

Daftar Isi ... ix

Daftar Tabel ... xi

Daftar Gambar ... xii

Daftar Persamaan ... xiv

Daftar Notasi ... xv

Daftar Lampiran ... xvi

BAB I PENDAHULUAN 1.1.Latar Belakang Masalah ... 1

1.2.Perumusan Masalah ... 2

1.3.Batasan Masalah ... 2

1.4.Tujuan dan Manfaat Penelitian ... 4

1.5.Sistematika Penulisan ... 4

BAB II LANDASAN TEORI 2.1.Tinjauan Pustaka ... 6

2.2.Dasar Teori ... 7

2.2.1. Desalinasi (Desalination) ... 7

2.2.1.1. Metode pemisahan termal ... 7

2.2.1.2. Metode Pemisahan membran ... 13

2.2.2. Pompa kalor ( heat pump ) ... 16

2.2.3. Siklus Kompresi Uap Standar ... 17

2.2.4. Siklus Kompresi Uap Aktual ... 19

2.2.5. Psikrometrik ... 21

2.2.5.1. Proses-proses yang terjadi pada udara dalam diagram psikrometrik ... 23

2.2.5.1.1. Pemanasan (heating) ... 23

2.2.5.1.2. Pendinginan (cooling) ... 23

2.2.5.1.3. Humidifikasi ... 24

2.2.5.1.4. Dehumidifikasi ... 26

BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1.Tempat Penelitian ... 30

3.2.Bahan Penelitian ... 30

3.3.Alat Penelitian ... 30

3.4.Peralatan Pendukung unit desalinasi ... 44

3.5.Prosedur Penelitian ... 47

3.5.1 Tahap Persiapan ... 47

3.5.2 Tahap Pengujian ... 47

3.6.Analisis Data ... 48

3.7.Diagram Alir Penelitian ... 50

BAB IV DATA DAN ANALISIS 4.1.Data Penelitian ... 51

(8)

commit to user

x

4.1.2. Proses humidifikasi dan dehumidifikasi yang terjadi pada unit desalinasi berbasis pompa kalor dengan menggunakan proses

humidifikasi dan dehumidifikasi ... 53

4.1.3. Perhitungan volume air tawar yang dihasilkan ... 55

4.1.4. Menghitung COP ... 58

4.2.Analisis Data ... 62

4.2.1. Pengaruh temperatur air laut terhadap produksi air tawar 62 4.2.2. Pengaruh temperatur air laut terhadap ... 63

4.2.3. Pengaruh temperatur air laut terhadap ref ... 64

4.2.4. Air tawar hasil proses desalinasi ... 65

BAB V PENUTUP 5.1.Kesimpulan ... 67

5.2.Saran ... 67

DAFTAR PUSTAKA ... 68

LAMPIRAN ... 69

(9)

commit to user

xi

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 3.1. Hasil pengujian kadar garam air laut yang digunakan ... 30

Tabel 3.2. Spesifikasi pompa Moswell Model 125C ... 37

Tabel 4.1. Hasil pengujian kadar garam air laut sebelum proses desalinasi ... 52

Tabel 4.2. Hasil pengujian salinitas air tawar setelah proses desalinasi ... 52

Tabel 4.3. Hasil pengamatan akumulasi produksi air tawar aktual untuk seluruh variasi temperatur air laut ... 52

Tabel 4.4. Data proses humidifikasi dan dehumidifikasi pada menit ke-60 variasi temperatur udara 60 °C ... 54

Tabel 4.5. Hasil perhitungan laju aliran massa udara, penambahan massa uap total, pengurangan massa uap total dan volume air tawar yang dihasilkan pada menit ke-60 variasi temperatur udara 60 °C ... 57

Tabel 4.6. Hasil perhitungan volume air tawar yang dihasilkan untuk seluruh variasi temperatur air laut ... 57

Tabel 4.7. Hasil perhitungan penambahan massa uap air total untuk seluruh variasi temperatur air laut ... 58

Tabel 4.8. Hasil perhitungan pengurangan massa uap air total untuk seluruh variasi temperatur air laut ... 58

Tabel 4.9.COPHP aktual untuk variasi temperatur air laut 60°C ... 60

Tabel 4.10. COPHP aktual seluruh variasi temperatur air laut ... 60

Tabel 4.11. ref untuk variasi temperatur air laut 600C ... 61

Tabel 4.12. ref seluruh variasi temperatur air laut ... 62

(10)

commit to user

xii

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2.1. Multi-stage flash distillation ... 8

Gambar 2.2. Multiple Effect Evaporation ... 9

Gambar 2.3. Single Effect Vapour Compression ... 10

Gambar 2.4. Humidification-Dehumidification ... 10

Gambar 2.5. Desalinasi dengan humidifikasi-dehumidifikasi berbasis pompa kalor ... 11

Gambar 2.6. humidifier ... 11

Gambar 2.7. Solar Still ... 13

Gambar 2.8. Proses Osmosis Balik ... 13

Gambar2.9. Desalinasi dengan osmosis balik ... 14

Gambar 2.10. Proses Elektrodialisis ... 15

Gambar 2.11. Kombinasi desalinasi dengan energy terbaharukan ... 15

Gambar 2.12. Siklus dasar pompa kalor ... 16

Gambar 2.13. Komponen pompa kalor pada proses pemanasan ... 17

Gambar 2.14. Komponen pompa kalor pada proses pendinginan ... 17

Gambar 2.15. Siklus kompresi uap standar ... 18

Gambar 2.16. Siklus kompresi uap aktual dan standar ... 20

Gambar 2.17. Diagram psikrometrik ... 22

Gambar 2.18. Proses pemanasan udara dalam psikrometrik ... 23

Gambar 2.19. Proses pendinginani dalam diagram psikrometrik ... 24

Gambar 2.20. Proses humidifikasi ... 24

Gambar 2.21. Proses humidifikasi dalam diagram psikrometrik ... 24

Gambar 2.22. Proses heating and humidification dalam psikrometrik ... 25

Gambar 2.23. Proses cooling and humidification dalam diagram psikrometrik . 25 Gambar 2.24. Proses dehumidifikasi ... 27

Gambar 2.25. Proses dehumdifikasi dalam diagram psikrometrik ... 27

Gambar 2.26. Proses heating and dehumidification dalam psikrometrik ... 28

Gambar 2.27. Proses cooling and dehumidification dalam psikrometrik ... 28

Gambar 3.1. Refrigeran HFC 134-a ... 30

Gambar 3.2. Skema unit desalinasi berbasis pompa kalor dengan menggunakan proses humidifikasi dan dehumidifikasi ... 31

Gambar 3.3. Gambar 3D unit desalinasi berbasis pompa kalor dengan menggunakan proses humidifikasi dan dehumidifikasi ... 32

Gambar 3.4. Unit desalinasi berbasis pompa kalor dengan menggunakan proses humidifikasi dan dehumidifikasi ... 33

Gambar 3.5. Kompresor ... 33

Gambar 3.6. Kondensor ... 33

Gambar 3.7. Receiver ... 34

Gambar 3.8. Katup ekspansi ... 34

Gambar 3.9. Evaporator ... 34

Gambar 3.10. Humidifier ... 35

Gambar 3.11. Dehumidifier ... 35

Gambar 3.12. Sprinkler ... 36

Gambar 3.13. Motor listrik 3HP ... 36

(11)

commit to user

xiii

Gambar 3.15. Fan aksial ... 37

Gambar 3.16. Pompa sentrifugal ... 37

Gambar 3.17. Rotameter air laut ... 38

Gambar 3.18. Flowmeter refrigeran ... 38

Gambar 3.19. Pemanas udara ... 39

Gambar 3.20. Termokopel tipe T ... 39

Gambar 3.21. Pemasangan termokopel tipe T pada pipa ... 39

Gambar 3.22. Display termokopel ... 40

Gambar 3.23. Thermostat ... 40

Gambar 3.24. Relay atau kontaktor ... 40

Gambar 3.25. Termometer digital ... 41

Gambar 3.26. Termometer bola basah ... 41

Gambar 3.27. Power supply switching circuit ... 41

Gambar 3.28. Timbangan digital ... 42

Gambar 3.29. Stopwatch ... 42

Gambar 3.30. Gelas Ukur ... 42

Gambar 3.31. Pemanas air elektrik ... 43

Gambar 3.32. Bak penampung air laut ... 43

Gambar 3.33. Bak penampung air tawar ... 43

Gambar 3.4. Alat Pendukung Dalam Sistem Desalinasi ... 45

Gambar 4.1. Data temperatur dan tekanan pada menit ke-60 variasi temperatur udara 60°C ... 51

Gambar 4.2. Proses humidifikasi dan dehumidifikasi pada menit ke-60 variasi temperatur udara 60°C pada psikrometrik ... 53

Gambar 4.3. Proses humidifikasi dan dehumidifikasi variasi temperatur air laut pada psikrometrik ... 54

Gambar 4.4 Diagram P-H siklus aktual ... 59

Gambar 4.5. Grafik produksi air tawar terhadap waktu dan variasi temeperatur air laut ... 62

Gambar 4.6 Grafik penambahan massa uap air total terhadap waktu dan variasi temperatur air laut ... 63

Gambar 4.7 Grafik COP aktual terhadap waktu dan temperatur air laut ... 64

Gambar 4.8 Grafik hubungan kerja kompresor terhadap waktu dan temperatur air lut ... 64

Gambar 4.9 Grafik ref terhadap waktu dan temperatur air laut ... 65

Gambar 4.10 Grafik hubungan beban pendinginan terhadap waktu dan temperatur air laut ... 65

(12)

commit to user

xiv

DAFTAR PERSAMAAN

Halaman

Persamaan (2.1) COP ideal Heat Pump ... 19

Persamaan (2.2) COP aktual Heat Pump ... 20

Persamaan (2.3) Laju aliran massa refrigeran aktual ... 20

Persamaan (2.4) Kapasitas panas yang dilepas ... 21

Persamaan (2.5) Beban pendinginan ... 21

Persamaan (2.6) Kenaikan entalpi udara spesifik ... 26

Persamaan (2.7) Kenaikan entalpi udara total ... 26

Persamaan (2.8) Penambahan kadar uap air (moisture content) ... 26

Persamaan (2.9) Penambahan massa uap air total (moisture content) ... 26

Persamaan (2.10) Jumlah kalor yang dilepas selama proses ... 26

Persamaan (2.11) laju aliran massa uap air ... 26

Persamaan (2.12) entalpi spesifik dari uap air ... 26

Persamaan (2.13) Penurunan entalpi udara ... 28

Persamaan (2.14) Penurunan kadar uap air (moisture content) ... 28

Persamaan (2.15) Jumlah kalor yang dilepas udara selama proses ... 29

Persamaan (2.16) Laju aliran massa udara ... 29

(13)

commit to user

xv

DAFTAR NOTASI

A = luas penampang saluran (m2)

COPaktual = koefisien prestasi aktual

COPHP = koefisien prestasi ideal

= entalpi spesifik dari uap air (kJ/kg)

= entalpi refrigeran keluar evaporator (kJ/kg)

= entalpi udara masuk humidifier (kJ/kg)

= entalpi udara keluar humidifier (kJ/kg)

h2 = entalpi gas refrigeran pada tekanan keluar kompresor (kJ/kg)

= entalpi refrigeran masuk kondensor (kJ/kg)

h3 = entalpi refrigeran pada tekanan keluar kondensor (kJ/kg)

= entalpi udara keluar dehumidifier (kJ/kg)

= laju aliran massa udara (kg/s)

= laju aliran massa refrigeran (kg/s)

= massa air tawar yang dihasilkan selama proses (kg)

= debit aliran refrigeran (m3/s)

Qkond = kalor yang dilepas oleh kondensor (kW)

= jumlah kalor yang dilepas selama proses (kW)

= jumlah kalor yang dilepas udara selama proses (kW)

= kecepatan udara (m/s)

= rasio kelembaban udara setelah melewati evaporator (kg/kg)

= rasio kelembaban udara sebelum melewati evaporator (kg/kg)

Wkomp = daya kompresor (kW)

= rasio kelembaban udara masuk humidifier (kg uap air/kg udara kering)

= rasio kelembaban udara keluar humidifier (kg uap air/kg udara kering)

∆H = kenaikan entalpi udara total (kJ/kg)

∆h = kenaikan entalpi udara spesifik (kJ/kg)

∆w = penambahan kadar uap air (kg uap air/kg udara kering)

∆W = penambahan massa uap air total (kg/s)

= densitas refrigeran (kg/m3)

= massa jenis udara (kg/m3)

(14)

commit to user

xvi

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman

LAMPIRAN 1. DATA VARIASI TEMPERATUR AIR LAUT 28°C ... 70

Tabel 1. Data Sistem Pompa Kalor untuk variasi air laut 280C ... 70

Tabel 2. Data flowmeter untuk variasi air laut 280C ... 70

Tabel 3. Data COP aktual untuk variasi air laut 280C ... 71

Tabel 4. Data debit refrigerant untuk variasi air laut 280C ... 71

Tabel 5. Data beban pendinginan untuk variasi air laut 280C ... 72

Tabel 6. Data hasil produksi air tawar yang dihasilkan secara aktual dan temperatur dalam duct untuk variasi air laut 280C ... 72

Tabel 7. Data volume air tawar menurut perhitungan untuk variasi air laut 280C ... 73

Gambar 1. Proses humidifikasi dan dehumidifiaksi pada menit ke-60 untuk variasi air laut 280C ... 73

Tabel 8. Data proses humidifikasi dan dehumidifikasi sesuai psikrometrikuntuk variasi air laut 280C ... 70

LAMPIRAN 2. DATA VARIASI TEMPERATUR AIR LAUT 30 °C ... 75

Tabel 9. Data sistem pompa kalor untuk variasi air laut 300C ... 75

Tabel 10 Data flowmeter untuk variasi air laut 300C ... 74

Tabel 11 Data COP aktual untuk variasi air laut 300C ... 76

Tabel 16. Data proses humidifikasi dan dehumidifikasi sesuai psikrometrik untuk variasi air laut 300C ... 79

LAMPIRAN 3. DATA VARIASI TEMPERATUR AIR LAUT 45 °C ... 80

Tabel 17. Data sistem pompa kalor untuk variasi air laut 450C ... 80

Tabel 24. Data proses humidifikasi dan dehumidifikasi sesuai psikrometrik untuk variasi air laut 450C ... 84

LAMPIRAN 4. DATA VARIASI TEMPERATUR AIR LAUT 60 °C ... 85

(15)

commit to user

xvii

(16)

commit to user

v

Pengaruh Temperatur Preheating Feed Water Terhadap Unjuk Kerja Unit

Desalinasi Berbasis Pompa Kalor Dengan Menggunakan Proses

Humidifikasi dan Dehumidifikasi

Tomi Andriyanto

Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret

Surakarta, Indonesia E-mail: tomi_a08@yahoo.com

Abstrak

Unit desalinasi berbasis pompa kalor dengan menggunakan proses humidifikasi dan dehumidifikasi merupakan salah satu aplikasi dari sistem pompa kalor, dengan penambahan humidifier, sprinkler dan evaporator (dehumidifier) yang menyatu di dalam suatu duct. Udara mengalami penambahan kelembaban (humidifikasi) di dalam humidifier dengan semburan air laut melalui sprinkler yang kemudian didinginkan oleh evaporator (dehumidifier) sehingga menghasilkan air tawar. Pemanas air elektrik ditambahkan untuk memvariasikan temperatur air laut dalam sistem ini. Pada penelitian ini menguji pengaruh temperatur pemanasan awal (preheating) air laut terhadap unjuk kerja unit desalinasi berbasis pompa kalor dengan menggunakan proses humidifikasi dan dehumidifikasi. Pada penelitian ini temperatur air laut divariasikan sebesar 28°C, 30°C, 45°C, dan 60°C, temperatur udara dalam duct dikondisikan pada temperatur konstan sebesar 30oC, dan temperatur lingkungan dijaga konstan pada 28oC. Kompresor dioperasikan pada putaran konstan sebesar 1.200 rpm, laju aliran volumetrik air laut dijaga sebesar 300 l/jam, dan air laut dalam sistem ini disirkulasi ulang. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa volume produksi air tawar meningkat seiring dengan peningkatan temperatur air laut (feed water) yang masuk ke humidifier pada unit desalinasi ini.

(17)

commit to user

vi

The Effect of Preheating Feed Water Temperature on The Performance of

Desalination Unit Based on Heat Pump With Using Humidification and

Dehumidification Processes

Tomi Andriyanto

Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret

Surakarta, Indonesia E-mail: tomi_a08@yahoo.com

Abstract

Desalination unit based on heat pump with humidification and dehumidification processes is one of the applications of heat pump system, with addition of a humidifier, sprinkler and evaporator (as dehumidifier) that integrated in a duct. The air has humidified in the humidifier with the spray of seawater through the sprinkler and then it has cooled in the evaporator to produce fresh water. The addition of electric water heater has used to vary the seawater temperature to the humidifier on this system. In this research has examined the effect of preheating seawater temperature on the performance of desalination unit based on heat pump system with using humidification and dehumidification processes. In this research the seawater/feed water temperature hasvaried at 28oC, 30oC, 45oC and 60oC, air temperature has conditioned at a constant temperature of 30oC, and ambient temperature has kept constant at 28oC. Compressor has operated at a constant rotation of 1,200 rpm, the seawater volumetric flow rate has kept at 300 l/h, and seawater in this system has recirculated. The result of this research showed that the volume of fresh water production increase with increasing the inlet of the seawater/feed water temperature to the humidifier on this desalination unit.

(18)

commit to user

BAB I

PENDAHULUAN

1.1

Latar Belakang

Bumi mengandung kandungan air sebesar 1,4 x 10

9

km

3

atau sekitar lebih dari 70% dari

luas bumi ini, dimana jumlah kandungan air lautnya sebesar 97,5% dari kandungan air yang ada

di bumi (Gleick,P.H, 1996). Berarti sekitar 2,5% merupakan air tawar (fresh water) yang

digunakan oleh semua makhluk hidup yang ada di bumi ini khususnya bagi umat manusia. Nilai

tersebut relatif konstan dari awal dimulainya kehidupan di bumi ini. Tetapi di lain pihak,

pertumbuhan populasi manusia di seluruh dunia ini meningkat sangat pesat dari periode 200-an

tahun yang lalu. Diprediksikan di tahun 2020 populasi manusia di dunia ini mencapai 7,5 milyar

orang (World Population Data Sheet, 2002). Saat ini saja, hampir 40% dari populasi manusia di

dunia ini mengalami kesulitan dalam mendapatkan air tawar (fresh water). Hal ini dikarenakan

oleh beberapa faktor diantaranya: perubahan gaya hidup manusia (life-style), peningkatan

aktivitas ekonomi manusia, polusi terhadap sumber air bersih, dan juga karena pertumbuhan

populasi manusia itu sendiri. Penggunaan air yang tidak sehat di negara – negara berkembang

menyebabkan sekitar 80 – 90% berbagai penyakit dan 30% di antaranya sampai meninggal

dunia.

Proses desalinasi air laut merupakan salah satu pilihan yang tepat yang juga sebagai

solusi untuk menghasilkan air tawar dalam mengatasi krisis air saat ini. Salah satu proses

desalinasi air laut yang digunakan adalah berdasar pada sistem pompa kalor (heat pump) dengan

menggunakan proses humidifikasi dan dehumidifikasi. Desalinasi air laut dengan pompa kalor

ini dapat pula digabungkan dengan pemanfaatan energi matahari sebagai sumber panas alami.

Dengan adanya penggunaan pompa kalor membuat sistem desalinasi mudah dipasang atau

diaplikasikan dan sederhana. Sementara pemanfaatan energi matahari membuat sistem desalinasi

ini ramah lingkungan, hemat biaya serta dapat mengurangi efek rumah kaca yang saat ini

menjadi isu global yang sering diperdebatkan oleh berbagai kalangan. Prinsip dari proses

humidifikasi dan dehumidifikasi ini berdasarkan pada fakta bahwa udara dapat dicampur dengan

uap air. Kandungan uap air yang dibawa udara meningkat bersamaan dengan meningkatnya

(19)

commit to user

kcal ketika temperatur meningkat dari 30

0

C – 80

0

C.. Dalam proses humidifikasi dan

dehumidifikasi, udara mengalami peningkatan kelembaban (humidifikasi) saat mengalami

kontak dengan air laut yang panas sehingga terjadi perpindahan massa dan panas antara udara

kering dengan air laut. Udara lembab (humid air) didinginkan yang menghasilkan air tawar

(fresh water). Kalor laten dari kondensor dapat digunakan kembali untuk membantu

meningkatkan temperatur udara yang kemudian dibantu oleh kolektor surya (solar collector)

Untuk meningkatkan produksi air tawar dalam sistem desalinasi air laut dengan proses

humidifikasi dan dehumidifikasi berdasar pada sistem pompa kalor sangat dipengaruhi oleh

beberapa faktor diantaranya : laju aliran massa air laut yang masuk ke dalam humidifier,

temperatur preheating air laut yang masuk ke humidifier, temperatur udara di dalam sistem,

intensitas radiasi matahari, dan laju aliran massa udara di dalam sistem.

Dalam proses desalinasi air laut dengan proses humidifikasi dan dehumidifikasi berdasar

pada sistem pompa kalor sebagian kalangan masih meragukan unjuk kerja sistem ini dan

produktivitas air yang dihasilkan dari proses desalinasi air laut ini. Oleh karena itu, penelitian ini

akan menguji pengaruh temperatur preheating feed water (air laut) terhadap unjuk kerja unit

desalinasi berbasis pompa kalor dengan menggunakan proses humidifikasi dan dehumidifikasi.

1.2

Perumusan Masalah

Bagaimanakah pengaruh temperatur preheating feed water terhadap unjuk kerja unit

desalinasi berbasis pompa kalor dengan menggunakan proses humidifikasi dan dehumidifikasi.

1.3

Batasan Masalah

Pada penelitian ini masalah dibatasi sebagai berikut :

1.

Temperatur preheating feed water (air laut) divariasi sebesar

28

0

C (tanpa pemanas air),

30

0

C, 45

0

C, dan 60

0

C.

2.

Evaporator yang digunakan adalah evaporator tipe window 2 PK berjumlah 2 buah yang

disusun secara paralel.

3.

Kondensor yang digunakan berjumlah 2 buah dan memiliki dimensi 58 cm x 1,5 cm x 36

cm yang disusun secara seri.

(20)

commit to user

5.

Parameter yang dibuat konstan adalah tekanan pengisian refrigeran

,

putaran fan, laju

aliran massa air laut (feed water), putaran kompresor, dan temperatur udara dalam duct.

6.

Temperatur udara dalam saluran (duct) sesuai panas yang dibuang kondensor dan dibantu

pemanas udara.

7.

Air laut dalam sistem ini disirkulasi ulang.

8.

Humidifier yang digunakan terbuat dari aluminium dengan dimensi 30 cm x 37 cm x 35

cm yang disusun secara sejajar sebanyak 72 buah dengan jarak antar plat 5 mm dan sudut

elevasi 45

0

tiap gelombangnya.

9.

Kompresor yang digunakan adalah kompresor torak (reciprocating compressor) 2

silinder.

10. Pompa yang digunakan adalah tipe sentrifugal yang berjumlah 1 buah.

11. Pemanas air yang digunakan berjumlah 6 buah.

12. Struktur alat terdiri dari :

•

Evaporator

•

Kondensor

•

Humidifier

•

Kompresor torak (reciprocating compressor)

•

Motor 3 phase

•

Expansion Valve

•

Receiver dryer

•

Fan aksial

•

Pemanas air listrik (electric water heater)

•

Pemanas udara (air heater)

•

Sprinkler berjumlah 5 buah

•

Tangki air laut

•

Tangki air tawar

•

Rotameter air laut

•

Flowmeter refrigeran

(21)

commit to user

1.5

Tujuan dan Manfaat

Penelitian ini bertujuan untuk:

1.

Mengetahui pemanfaatan teknologi dari proses desalinasi yang berbasis pompa kalor

dengan menggunakan humidifikasi dan dehumidifikasi.

2.

Mengetahui pengaruh temperatur preheating feed water (air laut) terhadap unjuk kerja

unit desalinasi berbasis pompa kalor dan produktivitas air tawar.

Hasil penelitian yang didapat diharapkan dapat memberikan manfaat sebagai berikut:

1.

Mampu memberikan pengetahuan baru tentang proses desalinasi yang berbasis pompa

kalor.

2.

Dapat diterapkan dalam kehidupan sehari – hari sebagai alat alternatif untuk

menghasilkan air tawar dari air laut

3.

Mampu mengatasi kekurangan air tawar yang terjadi di beberapa daerah di dunia ini

khususnya bagi bangsa Indonesia.

1.6

Sistematika Penulisan

Sistematika penulisan Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut:

BAB I : Pendahuluan, menjelaskan tentang latar belakang masalah, perumusan masalah,

batasan masalah, tujuan dan manfaat penelitian, serta sistematika penulisan.

BAB II : Dasar Teori, berisi tinjauan pustaka yang berkaitan dengan pengujian alat desalinasi

berbasis pompa kalor dengan menggunakan proses humidifikasi dan dehumidifikasi,

metode desalinasi, pompa kalor, dan proses desalinasi dengan humidifier dan

dehumidifier.

BAB III : Metodologi penelitian, menjelaskan peralatan yang digunakan, tempat dan

pelaksanaan penelitian, langkah-langkah percobaan dan pengambilan data.

BAB IV : Data dan analisa, menjelaskan data hasil pengujian, perhitungan data hasil pengujian

serta analisa hasil dari perhitungan.

BAB V : Penutup, berisi tentang kesimpulan dan saran.

(22)

commit to user

6 BAB II

LANDASAN TEORI

2.1. Tinjauan Pustaka

Dai Y.J dan Zhang H.F (2000) melakukan penelitian mengenai solar

desalination dengan humidifier dan dehumidifier. Humidifier yang digunakan

memiliki panjang 0,6 m dan keseluruhan unit memiliki dimensi 1 m x 1 m x 1,5

m. Sirkulasi udara dalam sistem dilakukan secara paksa (forced) oleh sebuah fan

yang dihubungkan ke pengukur putaran (rotation meter) untuk mengetahui

kecepatan putar fan. Dari hasil penelitian ini dapat disimpulkan bahwa semakin

tinggi kecepatan putar fan maka laju aliran udara juga semakin besar. Temperatur

air laut yang masuk semakin tinggi maka efisiensi termal dan produktivitas air

tawar juga semakin tinggi. Efisiensi termal pada sistem ini sekitar 0,85.

Yuan Guofeng, dkk (2005) melakukan penelitian mengenai sebuah unit

desalinasi dan pengkondisian udara (air conditioning) yang menyatu. Dari alat

yang digunakan terdiri dari 2 kondensor, 2 blower, humidifier, cross valve,

evaporator, kompresor, sprayer, dan penukar kalor (heat exchanger). Penelitian

yang dilakukan mengenai pengaruh laju aliran air laut dan temperatur air laut

yang masuk ke sistem. Dari penelitian ini dapat disimpulkan bahwa semakin

tinggi laju aliran air laut yang masuk ke sistem maka produksi air tawar juga

semakin tinggi sampai mencapai titik puncak dan kemudian berangsur konstan.

Semakin tinggi temperatur air laut yang masuk ke sistem juga meningkatkan

produksi air tawar dan temperatur ini memiliki pengaruh yang besar terhadap

produksi air tawar. Ketika digunakan sebagai pengkondisian udara, sistem ini

mampu mencapai temperatur yang keluar evaporator dapat diatur dari 100C

sampai 280C di musim panas.

Orfi J, dkk (2007) melakukan penelitian mengenai sistem desalinasi

menggunakan humidifikasi dan dehumidifikasi udara dengan memanfaatkan

energi surya. Dalam penelitian yang dilakukan, sistem terdiri dari 2 solar collector

dimana solar collector pertama digunakan untuk memanaskan air (solar water

collector) dan solar collector kedua digunakan untuk memanaskan udara (solar

(23)

commit to user

7

menggunakan pemanas air elektrik di samping solar water collector dan

evaporator yang digunakan dipasang secara horizontal. Untuk meningkatkan

produktivitas digunakan kalor laten dari kondensor untuk pemanasan awal

(preheat) air laut yang akan masuk ke sistem. Dari penelitian ini disimpulkan

bahwa peningkatan efisiensi secara keseluruhan dari sistem tergantung pada

efisiensi setiap bagian/komponen (solar water and air heater, evaporator, dan

condenser).

Gao Penghui, dkk (2008) meneliti tentang unjuk kerja unit desalinasi

berbasis pompa kalor dengan humidifikasi dan dehumidifikasi. Pada sistem ini,

udara dipanaskan melalui kolektor surya (solar collector) dan kemudian

dilembabkan (humid) di honeycomb (alveolate humidifier) melalui blower. Udara

lembab kemudian didinginkan ketika melewati pre-kondensor (pre-condensor)

dan dilanjutkan didinginkan melalui evaporator (evaporative condenser) dan air

tawar akan didapat. Dari hasil penelitiannya dapat disimpulkan bahwa laju aliran

massa air laut dan temperatur air laut yang masuk ke sistem mempunyai pengaruh

yang besar dalam memproduksi air tawar.

Amer E.H, dkk (2009) meneliti secara teoritis dan eksperimen unit

desalinasi dengan humidifikasi dan dehumidifikasi. Sistem ini didasarkan pada

siklus terbuka untuk air dan siklus tertutup untuk aliran udara. Hasil penelitian

menunjukkan bahwa produktivitas dari sistem meningkat seiring dengan kenaikan

temperatur air laut yang masuk ke humidifier.

2.2. Dasar Teori

2.2.1. Desalinasi (Desalination)

Desalinasi adalah proses menghilangkan kadar garam berlebih sampai pada

level tertentu untuk mendapatkan air yang dapat dikonsumsi oleh makhluk hidup

melalui suatu metode. Hasil sampingan dari proses desalinasi adalah brine. Brine

adalah larutan garam dengan konsentrasi yang tinggi (lebih dari 35.000 mg/l

garam terlarut). Proses desalinasi air laut dapat dilakukan melalui 2 metode yaitu

(24)

commit to user

8

2.2.1.1. Metode Pemisahan Termal

Metode pemisahan termal yaitu dengan penguapan (evaporation) yang

diikuti dengan pengembunan (condensation). Pada proses penguapan terdiri atas

Multistage Flash Desalination (MSF), Multiple Effect Evaporation (MEE), Single

Effect Vapour Compression (SEE), Humidification – Dehumidification (HDH),

dan Solar still.

Pada Single Effect Vapour Compression (SEE) termasuk diantaranya :

Mechanical Vapour Compression (MVC), Thermal Vapour Compression (TVC),

Absorption Vapour Compression (ABVC), Adsorption Vapour Compression

(ADVC), dan Chemical Vapour Compression (CVC).

a. Multistage Flash Desalination

Multistage flash desalination merupakan proses desalinasi air laut dimana

air laut dipanaskan sampai mencapai titik didih kemudian didinginkan dengan

media air laut itu sendiri. Stage terdiri dari penukar kalor (heat exchanger) dan

penampung kondensat. Prinsip kerja dari Multistage Flash Desalination, air laut

dipompa melalui penukar kalor di setiap tingkat (stage) sampai ke pemanas

(heater). Pemanas menaikkan temperatur mendekati temperatur maksimumnya

dan dialirkan kembali ke dalam tingkat yang memiliki temperatur dan tekanan

yang lebih rendah melalui katup (valve). Air laut yang masuk kembali ke tingkat

ini disebut brine. Temperatur brine diatas temperatur didihnya pada tekanan di

dalam tingkat dan sebagian fraksi dari brine akan mendidih (flash) menjadi uap.

Uap memiliki temperatur lebih panas daripada air laut di penukar kalor yang akan

mengembun di pipa-pipa penukar kalor.

(25)

commit to user

9

b. Multiple Effect Evaporation

Multiple Effect Evaporation merupakan peralatan yang dirancang dengan

tujuan meningkatkan efisiensi energi dari proses evaporasi yang berlangsung

dengan menggunakan energi panas dari uap (steam) untuk menguapkan air.

Prinsip dasar dari proses ini adalah menggunakan panas yang dilepaskan dari

proses kondensasi pada satu efek untuk memberikan panas bagi efek lainnya.

Gambar 2.2 Multiple Effect Evaporation

c. Single Effect Vapour Compression

Single Effect Vapour Compression memiliki komponen utama yaitu

evaporator dan kondensor. Prinsip kerjanya air laut dipanaskan (preheat) melalui

pipa-pipa kondensor oleh uap panas (steam) dari hasil pengembunan di evaporator

yang kemudian dialirkan menuju evaporator. Di evaporator air laut hasil preheat

disemprotkan dari atas yang waktu bersamaan uap panas mengalir di evaporator

sehingga terjadi proses pengembunan dan terbentuk air tawar dan brine yang di

(26)

commit to user

10

Gambar 2.3 Single effect vapour compression

d. Humidification – Dehumdification (HDH)

Proses desalinasi dengan humidifikasi-dehumidikasi terdapat perbedaan

dengan proses yang lain, dimana pada proses humidifikasi-dehumidifikasi air laut

dipanaskan pada temperatur dibawah temperatur titik didih dan terdapat

perbedaan konsentrasi antara uap air dengan udara. Prinsip kerja proses HDH

adalah pemanasan awal air laut (preheat) dari pemanfaatan kalor laten kondensor

di samping sumber panas yang lain kemudian dialirkan menuju humidifier. Di

humidifier air laut yang panas disemprotkan menjadi kabut yang bersamaan

dialirkan udara sehingga terjadi proses humidifikasi dan sebagian uap air

tercampur dengan udara. Udara lembab (humid air ) didinginkan dengan media air

laut itu sendiri sehingga menghasilkan air hasil pengembunan.

(27)

commit to user

11

Sistem ini sangat cocok diaplikasikan ketika kebutuhan air tawar terpusat

pada satu daerah. Beberapa keuntungan dari sistem ini antara lain fleksibilitasnya

dalam kapasitas air tawar yang dibutuhkan, instalasinya yang mudah dan

sederhana serta dapat dikombinasikan dengan energi panas tingkat rendah (low

grade thermal energy) seperti energi surya dan geothermal. Dalam

perkembangannya desalinasi dengan humidifikasi dan dehumidifikasi

dikombinasikan dengan siklus kompresi uap pada pompa kalor.

Gambar 2.5 Sistem desalinasi dengan humidifikasi dan dehumidifikasi berbasis pompa kalor.

(28)

commit to user

12

Sistem desalinasi dengan humidifikasi dan dehumidifikasi berbasis pompa

kalor ditunjukkan gambar 2.5. Proses desalinasi air laut dengan menggunakan

proses humidifikasi dan dehumidifikasi berbasis pompa kalor adalah proses

pengurangan kandungan garam untuk menghasilkan air tawar yang

dikombinasikan dengan pemanfaatan sistem pompa kalor. Teknologi ini dapat

digunakan untuk multi fungsi yaitu untuk proses desalinasi dan sebagai

pengkondisian udara. Komponen utama terdiri atas sistem pompa kalor

(kondensor, evaporator, katup ekspansi, kompresor, motor, dan receiver / dryer),

humifidifier, dan pemanas udara.

Prinsip kerja sistem ini adalah pemanasan awal air laut oleh pemanas untuk

mempercepat proses pemanasan. Kalor laten dari kondensor digunakan untuk

memanaskan udara yang dibantu pemanas udara. Air laut yang panas dialirkan ke

humidifier dan disemprotkan di dalam humidifier melalui sprinkler, dimana saat

bersamaan mengalir udara melewati humidifier dari kondensor. Udara mengalami

peningkatan kelembaban (humidifikasi) akibat kontak dengan air laut yang panas.

Sehingga terjadi perpindahan panas dan massa antara udara dengan air laut. Air

laut yang keluar dari humidifier disebut brine yang dialirkan kembali ke

penampungan air laut untuk dipanaskan kembali. Sebagian uap air yang tercampur

dengan udara terbawa menuju evaporator untuk proses pengembunan. Di dalam

evaporator yang merupakan bagian dari pompa kalor mengalir refrigeran dengan

suhu yang rendah. Air hasil pengembunan jatuh ke bawah yang ditampung oleh

wadah dan dialirkan keluar.

Keuntungan dari pemanfaatan teknologi di atas adalah desain yang

sederhana, mampu dikombinasikan dengan energi terbaharukan (matahari, panas

bumi), memiliki efisiensi yang tinggi, dan dapat digunakan sebagai pengkondisian

udara / multi fungsi. Sedangkan kerugiannya adalah tidak cocok untuk aplikasi

industri / skala besar.

e. Solar Still

Proses desalinasi ini dengan memanfaatkan matahari untuk menguapkan air

laut yang kemudian dilakukan pengembunan. Solar still merupakan proses

(29)

commit to user

13

rendah, biaya awal yang tinggi, rentan terhadap cuaca ekstrim, resiko

pembentukan alga dan endapan debu di permukaan hitam, dan dibutuhkan

perawatan khusus untuk menghindari pembentukan alga dan endapan debu.

Keuntungan dari solar still adalah struktur alat yang sangat sederhana dan mudah

diaplikasikan.

Gambar 2.7 Solar still

2.2.1.2. Metode Pemisahan Membran

Pada metode pemisahan membran terdiri 2 proses yaitu : osmosis balik

(reverse osmosis) dan electrodialysis. Proses osmosis balik adalah sebuah proses

pemaksaan sebuah molekul dari konsentrasi tinggi ke molekul yang

konsentrasinya rendah melalui sebuah membran semipermeabel dengan

menggunakan tekanan yang melebihi tekanan osmotik sehingga menghasilkan air

yang kaya kandungan garamnya dan air yang sedikit kandungan kadar garamnya.

Membran semipermeabel ini hanya bisa dilalui oleh molekul-molekul zat pelarut

dan tidak bisa dilalui oleh zat terlarut.

Gambar 2.8 Proses osmosis balik

Sebuah unit desalinasi dengan sistem osmosis balik umumnya terdiri dari

(30)

commit to user

14

water pre-treatment), pompa bertekanan tinggi, membran pemisahan, dan

[image:30.612.133.510.138.505.2]

perlakuan akhir air hasil pemisahan.

Gambar 2.9 Desalinasi dengan osmosis balik

Perlakuan awal diperlukan untuk menghilangkan zat-zat yang tidak

diinginkan dalam air laut yang dapat menjadi pengotor membran. Perlakuan awal

air laut meliputi klorinasi, koagulasi, penambahan asam, multi-media filtrasi dan

deklorinasinya. Jenis perlakuan awal yang digunakan sebagian besar tergantung

pada karakteristik air umpan, jenis dan konfigurasi membran dan kualitas air

tawar yang dihasilkan. Membran yang digunakan harus mampu menahan tekanan

dari air laut yang melewatinya. Umumnya sejumlah kecil garam masih bisa

melewati membran dan bercampur dengan air tawar hasil produksi. Dua jenis

konfigurasi membran yang paling sukses secara komersial adalah spiral wound

dan serat halus berongga atau hollow fine fiber (HFF). HFF terbuat dari selulosa

triasetat dan poliamida.

Proses electrodialysis pada dasarnya proses dialisis dibawah pengaruh

medan listrik. Cara kerja dari proses ini, listrik dengan tegangan tinggi dialirkan

melalui 2 lapisan (layer) logam yang menyokong selaput membran

semipermeabel sehingga partikel-partikel zat terlarut dalam sistem koloid berupa

ion-ion akan bergerak menuju elektroda yang bermuatan berlawanan. Karena

adanya pengaruh medan listrik akan mempercepat proses pemurnian sistem

(31)

commit to user

15

Gambar 2.10 Proses elektrodialisis

Dalam pembangkit (plant), proses desalinasi dapat dikombinasikan dengan

pemanfaatan energi terbaharukan (renewable energy/RE) sebagai sumber tenaga

dalam proses desalinasi melalui berbagai cara. Energi terbarukan dan desalinasi

adalah dua teknologi yang berbeda, yang dapat dikombinasikan dalam berbagai

cara. Energi terbarukan hasil dari sistem RE dapat diaplikasikan dalam sistem

desalinasi.Energi ini bermacam – macam bentuknya seperti: energi termal, listrik,

dan angin. Gambar 2.11. berikut menunjukkan jenis energi terbaharukan yang

dapat dikombinasikan dengan proses desalinasi

(32)

commit to user

16

2.2.2. Pompa kalor (heat pump)

Pompa kalor adalah mesin yang memindahkan panas dari satu lokasi (atau

sumber) ke lokasi lainnya menggunakan kerja mekanis. Pompa kalor bisa

disamakan dengan mesin kalor yang beroperasi dengan cara terbalik. Mesin kalor

membuat energi mengalir dari lokasi yang lebih panas ke lokasi yang lebih dingin,

menghasilkan fraksi dari proses tersebut sebagai kerja. Kebalikannya, pompa

kalor membutuhkan kerja untuk memindahkan energi termal dari lokasi yang

[image:32.612.133.515.164.456.2]

lebih dingin ke lokasi yang lebih panas.

Gambar 2.12 Siklus dasar pompa kalor

Pompa kalor memindahkan panas melalui suatu zat yang bersirkulasi yang

disebut dengan refrigeran, yang melewati sebuah siklus penguapan (evaporation)

dan pengembunan (condensation). Sebuah kompresor yang memompa refrigeran

berada diantara dua koil penukar kalor yaitu kondensor dan evaporator. Pada

evaporator, refrigeran diuapkan pada tekanan rendah dan menyerap panas dari

lingkungan. Refrigeran kemudian dikompresikan mengalir menuju kondensor,

dimana refrigeran akan diembunkan pada tekanan tinggi. Pada umumnya pompa

kalor bekerja berdasarkan siklus kompresi uap yang terdiri dari : evaporator,

(33)

commit to user

17

[image:33.612.176.457.77.484.2]

Gambar 2.13 Komponen pompa kalor pada proses pemanasan

Gambar 2.14 Komponen pompa kalor pada proses pendinginan

2.2.3. Siklus Kompresi Uap Standar

Pada siklus kompresi uap standar ini, refrigeran mengalami empat proses

(34)

commit to user

18

[image:34.612.135.508.75.471.2]

Gambar 2.15 Siklus kompresi uap standar (a) Diagram alir proses, (b) Diagram tekanan-entalpi

(Training Manual, 2004)

• Proses 1-2: refrigeran meninggalkan evaporator dalam wujud uap jenuh

dengan temperatur dan tekanan rendah, kemudian oleh kompresor uap tersebut

dinaikkan tekanannya menjadi uap dengan tekanan yang lebih tinggi (tekanan

kondensor). Kompresi ini diperlukan untuk menaikkan temperatur refrigeran,

sehingga temperatur refrigeran di dalam kondensor lebih tinggi daripada

temperatur lingkungannya. Dengan demikian perpindahan panas dapat terjadi

dari refrigeran ke lingkungan. Proses kompresi ini berlangsung secara

isentropik (adiabatik dan reversibel).

• Proses 2-3: setelah mengalami proses kompresi, refrigeran berada dalam fasa

panas lanjut dengan tekanan dan temperatur tinggi. Untuk mengubah wujudnya

menjadi cair, kalor harus dilepaskan ke lingkungan. Hal ini dilakukan pada

penukar kalor yang disebut kondensor. Refrigeran mengalir melalui kondensor

dan pada sisi lain dialirkan fluida pendingin (udara atau air) dengan temperatur

lebih rendah daripada temperatur refrigeran. Oleh karena itu kalor akan

berpindah dari refrigeran ke fluida pendingin dan sebagai akibatnya refrigeran

mengalami penurunan temperatur dari kondisi uap panas lanjut menuju kondisi

uap jenuh, selanjutnya mengembun menjadi wujud cair jenuh. Proses ini

berlangsung secara reversibel pada tekanan konstan.

• Proses 3-4: refrigeran, dalam wujud cair jenuh (tingkat keadaan 3, gambar 4),

(35)

commit to user

19

konstan dan berlangsung secara tak-reversibel. Selanjutnya refrigeran keluar

dari katup ekspansi berwujud campuran uap-cair pada tekanan dan temperatur

sama dengan tekanan serta temperatur evaporator.

• Proses 4-1: refrigeran, dalam fasa campuran uap-cair, mengalir melalui sebuah

penukar kalor yang disebut evaporator. Pada tekanan evaporator, titik didih

refrigeran haruslah lebih rendah daripada temperatur lingkungan (media kerja

atau media yang didinginkan), sehingga dapat terjadi perpindahan panas dari

media kerja ke dalam refrigeran. Kemudian refrigeran yang masih berwujud

cair menguap di dalam evaporator dan selanjutnya refrigeran meninggalkan

evaporator dalam fasa uap jenuh. Proses penguapan tersebut berlangsung

secara reversibel pada tekanan konstan.

Berikut ini adalah persamaan yang digunakan untuk menghitung unjuk

kerja sistem pompa kalor standar :

COPHP =

.

. (2.1)

dimana:

Qkond = kalor yang dilepas oleh kondensor (kW)

Wkomp = daya kompresor (kW)

h1 = entalpi refrigeran yang keluar evaporator (kJ/kg)

h2 = entalpi refrigeran yang masuk kondensor (kJ/kg)

h3 = entalpi refrigeran yang keluar kondensor (kJ/kg)

2.2.4. Siklus Kompresi Uap Aktual

Pada kenyataannya siklus kompresi uap mengalami penyimpangan dari

kompresi uap standar, sebagaimana yang ditunjukkan pada gambar 2.16.

Perbedaan penting siklus kompresi uap aktual dari siklus standar, adalah:

a. Terjadi penurunan tekanan di sepanjang pipa kondensor dan evaporator.

b. Adanya proses pembawah dingin (sub-cooling) cairan yang

(36)

commit to user

20

c. Pemanasan lanjut uap yang meninggalkan evaporator sebelum memasuki

kompresor.

d. Terjadi kenaikan entropi pada saat proses kompresi (kompresi tak

isentropik)

e. Proses ekspansi berlangsung non-adiabatik.

Walaupun siklus aktual tidak sama dengan siklus standar, tetapi proses ideal

dalam siklus standar sangat bermanfaat dan diperlukan untuk mempermudah

analisis siklus secara teoritik.

Gambar 2.16 Siklus kompresi uap aktual dan standar (Training Manual, 2004)

Berikut ini adalah persamaan yang digunakan untuk menghitung unjuk kerja

sistem pompa kalor aktual :

• COP aktual

COPHP = .. (2.2)

dimana:

= entalpi refrigeran keluar evaporator (kJ/kg)

= entalpi refrigeran masuk kondensor (kJ/kg)

h3 = entalpi refrigeran keluar kondensor (kJ/kg)

• Laju aliran massa aktual

(37)

commit to user

21

densitas refrigeran (kg/m3)

= debit aliran refrigeran (m3/s)

laju massa refrigeran kg/s

• Kapasitas pemanasan (Qkond)

. (kW) (2.4) dimana:

= laju aliran massa refrigeran (kg/s)

= entalpi refrigeran masuk kondensor (kJ/kg)

= entalpi refrigeran keluar kondensor (kJ/kg)

= kapasitas pemanasan (kW)

• Beban Pendinginan (Qevap)

_. _kW (2.5)

Dimana:

= laju aliran massa refrigeran (kg/s)

= entalpi refrigeran keluar evaporator (kJ/kg)

= entalpi refrigeran masuk evaporator (kJ/kg)

= Beban pendinginan (kW)

2.2.5. Psikrometrik

Psikrometrik adalah studi tentang sifat - sifat campuran udara dan uap air

yang mempunyai arti penting dalam dunia pengkondisian udara, karena udara

atmosfir tidak kering sempurna tetapi merupakan campuran antara udara dan uap

(38)

commit to user

22

[image:38.612.133.505.87.473.2]

Gambar 2.17 Diagram psikrometrik

Istilah-istilah dalam diagram psikrometrik :

• Temperatur Bola Kering (Dry Bulb Temperature)

Temperatur tersebut dapat dibaca pada termometer dengan sensor kering dan

terbuka. Namun penunjukkannya tidaklah tepat karena adanya pengaruh radiasi

panas, kecuali jika sensornya memperoleh ventilasi yang cukup baik.

• Temperatur Bola Basah (Wet Bulb Temperature)

Wet Bulb Temperature adalah temperatur yang ditunjukkan oleh termometer

yang ”Bulb” nya dibungkus kain atau kapas basah yang digunakan untuk

menghilangkan radiasi panas dan adanya aliran udara yang melaluinya

sekurang-kurangnya 5 m/s.

• Temperatur Titik Embun (Dew Point Temperature)

Temperatur dimana uap air mulai mengembun ketika campuran udara-air

didinginkan, untuk mengkondensasi uap air maka campuran uap air dan udara

harus didinginkan dahulu mencapai titik embun (dew point).

• Kelembaban Relatif (Relative Humidity)

Rasio antara tekanan parsial aktual uap air yang ada dalam udara terhadap

(39)

commit to user

23

• Rasio Kelembaban (Humidity Ratio)

Didefinisikan sebagai massa air yang terkandung dalam setiap kg udara kering,

atau dapat juga disebut dengan specific humidity.

• Entalpi

Didefinisikan sebagai energi kalor yang dimiliki oleh suatu zat pada temperatur

tertentu.

• Volume Spesifik

Volume campuran udara dan uap air, biasanya dalam satuan meter kubik udara

kering atau campuran per kilogram udara kering.

2.2.5.1Proses-proses yang terjadi pada udara dalam diagram psikrometrik

2.2.5.1.1 Pemanasan (heating)

Proses pemanasan udara terjadi apabila terjadi penambahan kalor sensibel

yang akan mengakibatkan kenaikan temperatur bola kering udara tanpa perubahan

[image:39.612.132.511.199.535.2]

rasio kelembaban.

Gambar 2.18. Proses pemanasan udara dalam diagram psikrometrik

2.2.5.1.2 Pendinginan (cooling)

Proses pendinginan udara terjadi apabila terjadi pengurangan kalor

sensibel yang akan mengakibatkan penurunan temperatur bola kering udara tanpa

(40)

commit to user

24

Gambar 2.19. Proses pendinginan udara dalam diagram psikrometrik

2.2.5.1.3 Humidifikasi

Humidifikasi adalah proses perpindahan/penguapan cairan ke dalam

campuran (gas) dan uap cairan karena adanya kontak antara cairan yang

temperaturnya lebih tinggi dengan campurannya. Proses humidifikasi terjadi

apabila terjadi penambahan kadar uap air ke udara tanpa disertai perubahan

temperatur bola kering.

Gambar 2.20 Proses humidifikasi

(41)

commit to user

25

Pada kenyataannya proses humidifikasi selalu disertai dengan penambahan

atau pengurangan temperatur bola kering. Proses humidifikasi dengan disertai

penambahan temperatur bola kering udara dinamakan heating and humidification,

dimana pada proses ini udara dengan temperatur yang lebih rendah mengalami

kontak dengan cairan yang memiliki temperatur lebih tinggi.

Gambar 2.22. Proses heating and humidification dalam diagram psikrometrik

Proses humidifikasi dengan disertai pengurangan temperatur bola kering

udara dinamakan cooling and humidification, dimana pada proses ini udara

dengan temperatur yang lebih tinggi mengalami kontak dengan cairan yang

memiliki temperatur lebih rendah. Pada proses ini temperatur bola kering air harus

lebih rendah dari temperatur bola kering udara tetapi harus lebih tinggi dari

temperatur titik embun udara (dewpoint temperature) untuk mencegah terjadinya

pengembunan.

(42)

commit to user

26

Pada proses humidifikasi akan terjadi :

• Kenaikan entalpi udara spesifik :

∆h = (kJ/kg) (2.6)

• Kenaikan entalpi udara total :

∆H = (kW) (2.7)

• Penambahan kadar uap air (moisture content) :

∆w = (kg uap air/kg udara kering) (2.8)

• Penambahan kadar uap total (moisture content) :

∆W = (kg/s) (2.9)

• Jumlah kalor yang dilepas selama proses :

∆ (kW) (2.10) = ∆W (kg/s) (2.11)

= (kJ/kg) (2.12)

dimana:

∆h = kenaikan entalpi udara spesifik (kJ/kg)

h2 = entalpi udara keluar humidifier (kJ/kg)

= entalpi udara masuk humidifier (kJ/kg) ∆H = kenaikan entalpi udara total (kW)

∆w = penambahan kadar uap air (kg uap air/kg udara kering) = rasio kelembaban udara keluar humidifier (kg/kg) = rasio kelembaban udara masuk humidifier (kg/kg) ∆W = penambahan kadar uap total (kg/s)

= jumlah kalor yang dilepas selama proses (kW)

= laju aliran massa uap air (kg/s)

= entalpi spesifik dari uap air (kJ/kg)

2.2.5.1.4 Dehumidifikasi

Dehumidifikasi adalah proses perpindahan / pengembunan uap cairan dari

campuran (uap air dan gas) karena proses pendinginan maupun kontak antara

(43)

commit to user

27

dehumidifikasi terjadi apabila terjadi pengurangan kadar uap air dalam udara

tanpa disertai perubahan temperatur bola kering.

Gambar 2.24 Proses dehumidifikasi

Gambar 2.25 Proses dehumidifikasi pada digram psikrometrik

Pada kenyataannya proses dehumidifikasi selalu disertai dengan

penambahan atau pengurangan temperatur bola kering. Proses humidifikasi

dengan disertai penambahan temperatur bola kering udara dinamakan heating and

dehumidification. Proses ini menggunakan suatu bahan higroskopik yang

menyerap uap air dari udara. Apabila proses tersebut diberi penyekat kalor maka

entalpinya akan konstan dan sebagai akibat dari penurunan kelembaban maka

(44)

commit to user

28

Gambar 2.26 Proses heating and dehumidification dalam diagram psikrometrik

Proses dehumidifikasi dengan disertai pengurangan temperatur bola kering

udara dinamakan cooling and dehumidification. Proses ini terjadi apabila udara

lembab didinginkan dibawah temperatur titik embunnya ketika udara lembab

tersebut mengalami kontak dengan suatu permukaan dingin yang memiliki

temperatur dibawah temperatur titik embun udara. Pada proses ini sebagian dari

uap air dalam udara mengembun, akibatnya baik temperatur udara maupun rasio

[image:44.612.134.507.197.549.2]

kelembabannya menurun.

Gambar 2.27 Proses cooling and dehumidification dalam diagram psikrometrik

Pada proses dehumidifikasi akan terjadi beberapa proses sebagai berikut :

• Penurunan entalpi udara :

∆h = (kJ/kg) (2.13)

• Penurunan kadar uap air (moisture content) :

∆w = (kg uap air/kg udara kering) (2.14)

(45)

commit to user

29

∆ (W) (2.15)

Dengan _. pada temperatur yang bersangkutan, sedangkan

laju aliran massa udara ( dapat dihitung dengan persamaan :

(kg/s) (2.16)

dimana :

= entalpi udara keluar dehumidifier (kJ/kg)

= entalpi udara masuk dehumidifier (kJ/kg)

= rasio kelembaban udara keluar dehumidifier (kg/kg)

= rasio kelembaban udara masuk dehumidifier (kg/kg)

= jumlah kalor yang dilepas udara selama proses (W)

= massa jenis udara (kg/m3)

V = kecepatan udara (m/s)

A = luas penampang saluran (m2)

• Perhitungan massa air tawar yang dihasilkan selama proses desalinasi

( - ) dt (2.17)

dimana:

= massa air tawar yang dihasilkan selama proses (kg)

(46)

commit to user

30

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1. Tempat Penelitian

Penelitian dilakukan di Laboratorium Perpindahan Panas dan

Termodinamika, Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas

Maret.

3.2. Bahan Penelitian

a. Refrigeran yang digunakan dalam penelitian ini adalah refrigeran HFC 134-a

(Klea).

Gambar 3.1 Refrigeran HFC 134-a

b. Air laut

Tabel 3.1 Hasil pengujian kadar garam air laut

No Parameter Satuan Hasil

Analisis Ketidakpastian Metode

1 Kadar NaCl ppm 31.342 0,0007 SNI 06-6989. 19-2004

3.3. Alat Penelitian

Sistem desalinasi air laut berbasis pompa kalor terdiri atas: Kompresor torak (reciprocating compressor) Evaporator

Kondensor

Katup ekspansi (Thermal Expansion Valve) Receiver / dryer

Pressure gauge (suction maupun discharge) Motor listrik 3 phase, 3 HP

(47)

commit to user

31

Fan

Rotameter air Flowmeter refrigeran Penampung air tawar Power Supply Switching Pompa sentrifugal Thermostat

Relay atau kontaktor Pemanas udara Termokopel Sprinkler

Gambar 3.2 Skema unit desalinasi berbasis pompa kalor dengan menggunakan humidifikasi dan dehumidifikasi

Keterangan gambar :

1. Pemanas udara 5. Kompresor 9. Penampung air laut

2. Fan aksial 6. Kondensor 10. Penampung air tawar

3. Humidifier 7. Katup ekspansi 11. Sprinkler

4. Evaporator/Dehumidifier 8.Pompa sentrifugal 12. Bak air laut

Aliran Refrigeran

Aliran Air laut

(48)

commit to user

32

Gambar 3.3 Gambar 3D unit desalinasi berbasis pompa kalor dengan menggunakan proses humidifikasi dan dehumidifikasi

(49)

commit to user

33

Spesifikasi komponen :

a. Kompresor

Kompresor berfungsi mengalirkan uap panas lanjut refrigeran serta

menaikkan tekanan refrigeran dari tekanan evaporasi ke tekanan kondensasi.

Kompresor yang dipakai dalam penelitian ini adalah merk Nippon Denso tipe

torak 2 silinder.

Gambar 3.5 Kompresor

b. Kondensor

Kondensor digunakan untuk mendinginkan dan menyerap panas dari gas

refrigeran yang telah ditekan oleh kompresor hingga bertemperatur dan

bertekanan tinggi, sehingga mengubah gas menjadi cair kembali. Kondensor pada

penelitian ini adalah kondensor AC mobil dengan dimensi panjang 58 cm, lebar

36 cm dan tebal 1,5 cm.

Gambar 3.6 Kondensor

c. Receiver / dryer

Receiver adalah komponen yang digunakan untuk menyimpan atau

menampung sementara cairan refrigeran untuk kemudian mensuplainya sesuai

dengan beban pendinginan. Dryer dan filter di dalam receiver akan menyerap air

(50)

commit to user

34

Gambar 3.7 Receiver / dryer

d. Katup ekspansi / Expansion Valve

Katup ekspansi akan mengatur jumlah aliran refrigeran yang diuapkan di

evaporator dan memastikan bahwa refrigeran dalam bentuk uap panas lanjut

(superheated) yang keluar evaporator.

Gambar 3.8 Katup ekspansi

e. Evaporator

Fungsi dari sebuah evaporator adalah untuk menyediakan sebuah luasan

permukaan yang besar untuk mengijinkan udara hangat mengalir melaluinya

melepaskan energi panasnya ke refrigeran yang berada di dalam evaporator dan

mendinginkan udara. Evaporator yang digunakan pada penelitian ini adalah tipe

window 2 PK berjumlah 2 buah yang di pasang secara paralel.

(51)

commit to user

35

f. Humidifier

Humidifier berfungsi sebagai tempat terjadinya proses humidifikasi antara

air laut dengan udara. Humidifier yang digunakan terbuat dari aluminium dengan

dimensi panjang 30 cm, lebar 37 cm, tinggi 35 cm yang disusun secara sejajar

sebanyak 72 buah dengan jarak antar plat 5 mm dan sudut elevasi 450 tiap

gelombangnya.

Gambar 3.10 Humidifier

g. Dehumidifier

Dehumidifier berfungsi sebagai tempat terjadinya proses pengembunan.

Dehumidifier pada penelitian ini adalah evaporator pada pompa kalor yang

berjumlah 2 buah.

Gambar 3.11 Dehumidifier

h. Sprinkler

Sprinkler digunakan untuk menyemburkan air laut berbentuk kabut di atas

humidifier sehingga luas permukaan kontak antara air laut dan udara panas

menjadi lebih besar. Sprinkler pada penelitian ini berjumlah 5 buah yang dipasang

di atas humidifier, disusun membentuk persegi dengan jarak antar sprinkler16,5

(52)

commit to user

36

Gambar 3.12 Sprinkler

i. Motor listrik 3 HP

Motor listrik 3 HP ini digunakan untuk menggerakkan kompresor.

Gambar 3.13 Motor listrik 3 HP

j. Pressure gauge

Pressure gauge ini untuk mengetahui tekanan pada kompresor, kondensor,

dan evaporator.

Gambar 3.14 Pressure gauge

k. Fan

Fan ini digunakan untuk mengalirkan udara dalam unit desalinasi. Pada

(53)

commit to user

37

Gambar 3.15 Fan axial

l. Pompa sentrifugal

Pompa sentrifugal digunakan untuk memompa air laut dari bak penampung

air laut menuju ke sprinkler melalui selang penghubung. Pompa ini sekaligus

memberikan tekanan penyemprotan dari sprinkler.

Gambar 3.16 Pompa sentrifugal

Tabel 3.2 Spesifikasi pompa MOSWELL Model 125C

Voltase / Frekuensi 220V / 50Hz

Output 100W

Total Head 31 m

Max. Capacity 34 L/m

Max. Suction Head 9 m

Size 1” x 1”

m. Rotameter air

Rotameter digunakan untuk mengukur debit dari aliran air laut. Rotameter

diletakkan antara pompa air laut dengan sprinkler sehingga debit air laut yang

(54)

commit to user

38

[image:54.612.130.507.70.522.2]

Gambar 3.17 Rotameter air laut

n. Flowmeter refrigeran

Flowmeter digunakan untuk mengukur debit dari aliran refrigeran.

Flowmeter diletakkan di antara receiver dan katup ekspansi dengan tujuan agar

refrigeran yang mengalir adalah dalam fase cair jenuh. Data yang diperoleh harus

dikalibrasi dengan Flowmeter Calibration Data, yang tercantum dalam lampiran.

Flowmeter yang digunakan adalah Variable Area Glass Flowmeter Dwyer

tipe VA20440 dengan spesifikasi:

• Service : Compatible gases or liquid

• Flowtube : Borosilicate glass

• Floats : Stainless steeel

• End fittings : Anodized Alumunium

• O-rings : Fluoroelastomer

• Connections : Two 1/8 ” female NPT

• Temperature limits : 121 oC

• Accuracy : + 2%

• Repeatability : + 0,25% full scale

• Mounting : vertical

•

Gambar 3.18 Flowmeter refrigeran

o. Pemanas udara

Pemanas udara digunakan untuk menjaga temperatur udara dalam saluran

(55)

commit to user

39

Gambar 3.19 Pemanas udara

p. Termokopel

Termokopel ini digunakan untuk mengukur temperatur refrigeran di dalam

sistem refrigerasi. Termokopel yang digunakan dalam penelitian ini adalah

termokopel tipe T dengan paduan dari copper dan constantan dengan range

temperatur pengukurannya -200 0C sampai 350 0C. Termokopel ini memiliki

[image:55.612.131.507.203.601.2]

ketelitian sampai