i
PENINGKATAN EFISIENSI DESTILASI AIR ENERGI SURYA
MENGGUNAKAN ENERGY RECOVERY DENGAN METODE
KAPILARITAS
TUGAS AKHIR
Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan Mencapai derajat Sarjana Teknik
Program Studi Teknik Mesin
Diajukan oleh: YOSEF SUPRIADI
NIM: 125214086
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA
YOGYAKARTA
2016
ii
INCREASING THE EFFICIENCY OF SOLAR WATER
DISTILLATION USING RECOVERY ENERGY WITH
CAPILARITY METHOD
FINAL PROJECT
Presented as partitial fulfillment of the requirement to obtain the Sarjana Teknik degree
in Mechanical Engineering
Presented by: YOSEF SUPRIADI
NIM: 125214086
MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM
DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING
FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
SANATA DHARMA UNIVERSITY
YOGYAKARTA
2016
iii
TUGAS AKHIR
PENINGKATAN EFISIENSI DESTILASI AIR ENERGI SURYA
MENGGUNAKAN ENERGY RECOVERY DENGAN METODE
KAPILARITAS
Disusun Oleh:
YOSEF SUPRIADI NIM: 125214086
Telah disetujui oleh:
Pembimbing,
iv
PENINGKATAN EFISIENSI DESTILASI AIR ENERGI SURYA
MENGGUNAKAN ENERGY RECOVERY DENGAN METODE
KAPILARITAS
Yang dipersiapkan dan disusun oleh: YOSEF SUPRIADI
NIM: 125214086
Telah dipertahankan di hadapan dewan penguji Pada tanggal
Dan dinyatakan telah lulus memenuhi syarat
Susunan Dewan Penguji
Nama lengkap Tanda Tangan
Ketua : RB Dwiseno Wihadi, ST, M.Si ____________
Sekretaris : Doddy Purwadianto, ST, MT _____________
Anggota : A. Prasetyadi, S.Si, M.Si _____________
Yogyakarta, 18 Febuari 2016 Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma
Yogyakarta Dekan
v
PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR
Dengan ini saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa Tugas Akhir dengan judul :
PENINGKATAN EFISIENSI DESTILASI AIR ENERGI SURYA MENGGUNAKAN ENERGY RECOVERY DENGAN METODE
KAPILARITAS
Yang dibuat untuk melengkapi persyaratan yang wajib ditempuh untuk menjadi Sarjana Teknik pada Program Strata-1, Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma. Sejauh yang saya ketahui bukan merupakan tiruan dari tugas ahir yang sudah dipublikasikan di Universitas Sanata Dharma maupun di Perguruan Tinggi manapun. Kecuali bagian informasinya dicantumkan dalam daftar pustaka, sebagaimana layaknya karya ilmiah.
Yogyakarta, 18 Febuari 2016 Penulis
vi
LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN
PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN
AKADEMIS
Yang bertanda tangan di bawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma Nama : Yosef Supriadi
Nomor Mahasiswa : 125214086
Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah dengan judul :
PENINGKATAN EFISIENSI DESTILASI AIR ENERGI SURYA MENGGUNAKAN ENERGY RECOVERY DENGAN METODE
KAPILARITAS
Beserta perangkat yang diperlukan (bila ada). Dengan demikian saya memberikan kepada perpustakaan Universitas Sanata Dharma hak untuk menyimpan, mengalihkan dalam bentuk media lain, mengelolanya dalam bentuk pangkalan data, mendistribusikan secara terbatas dan mempublikasikannya di internet atau media lain untuk kepentingan akademis tanpa perlu meminta izin dari saya maupun memberi royalti kepada saya selama masih mencantumkan nama saya sebagai penulis.
Demikian pernyataan ini yang saya buat dengan sebenarnya Dibuat di Yogyakarta
Pada tanggal : 18 Febuari 2016 Yang menyatakan
vii
INTISARI
Salah satu cara mendapatkan air bersih adalah dengan menggunakan alat destilasi energi surya. Permasalahan yang dihadapi alat destilasi energi surya saat ini adalah tingkat efisiensi yang dihasilkan masih rendah. energy recovery dengan metode kapilaritas adalah salah satu cara yang dapat dilakukan untuk meningkatkan efisiensi. Tujuan dari penelitian ini adalah membuat alat destilasi energi surya yang memanfaatkan energy recovery dengan metode kapilaritas, menganalisis pengaruh ketinggian air di bak destilator dan pengaruh penggunaan pendingin kaca maupun reflektor terhadap air yang dihasilkan setelah proses destilasi, menganalisis efisiensi destilasi air energi surya menggunakan energy recovery metode kapilaritas dan destilasi energi surya konvensional. Variasi yang diteliti adalah ketinggian air dalam bak 1 cm dan 0,5 cm sedangkan pada alat destilasi menggunakan energy recovery metode kapilaritas ditambahkan variasi pendingin kaca dan reflektor. Secara keseluruhan hasil yang didapatkan alat destilasi menggunakan energy recovery lebih baik dari pada alat destilasi konvensional. Hasil terbaik dari semua variasi yang diteliti adalah ketika ketinggian air dalam bak destilator 0,5 cm tidak menggunakan pendingin kaca dan tidak menggunakan reflektor, efisiensi teoritis sebesar 53,36 %, efisiensi aktual sebesar 52,19 % dan air yang dihasilkan sebesar 4,16 kg dengan energi surya yang datang sebesar 573,01 W/m2. Faktor utama yang mempengaruhi hasil tersebut adalah energi surya yang datang pada saat penelitian paling tinggi.
viii
ABSTRACT
A way for getting clean water is to distillate using solar energy. One of the problems on solar water distillation equipment today is it’s low efficiency. Energy recovery with the capillary method is one way that can be done to improve the efficiency. The purpose of this study is to make solar energy distillation equipment that utilizes energy recovery with capillary method, to analyze the effect of the water level in the distillation tub, influence of the use of glass cooling, reflectors effect to water distillation process results, and to analyze the efficiency of solar energy water distillation using energy recovery with the capillary method, and distillation of conventional solar energy. Variations investigated were the water level in the tub that were 1 cm and 0.5 cm, while the distillation equipment using energy recovery capillarity methods varied by adding glass cooler and reflectors. Overall the results obtained using the energy recovery distillation equipment is better than conventional distillation equipment. The best results of all the examined variations are when the water level in the distillation tub was 0.5 cm, using no cooling glass and no reflector. The theoretical efficiency is 53.36 %, the actual efficiency is 52.19 %, the water produced is 4.16 kg and solar energy received is 573.01 W/m2. The main factors that influence these results is solar energy that comes on when the highest research.
Keywords: water distillation, efficiency, solar energy, energy recovery, capillarity properties.
ix
KATA PENGANTAR
Puji Syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas rahmat dan berkat-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini dengan baik. Tugas akhir ini merupakan salah satu syarat untuk mencapai derajat Sarjana S-1 Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta.
Penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir dengan judul “Peningkatan efisiensi destilasi air energi surya menggunakan energy recovery dengan metode kapilaritas” ini karena adanya bantuan dan kerjasama dari berbagai pihak. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih atas segala bantuan berupa dorongan, dukungan baik dalam hal material, morial maupun spriritual antara lain kepada:
1. Sudi Mungkasi, S. Si., M. Math. Sc., Ph.D., selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma.
2. Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T., selaku Dosen Pembimbing Akademik dan Ketua Program Studi Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma.
3. A. Prasetyadi, S.Si, M.Si., selaku Dosen Pembimbing Tugas Akhir yang telah mendampingi dan memberikan bimbingan dalam menyelesaikan tugas akhir.
4. Ir. FA. Rusdi Sambada, M.T., yang telah membimbing dalam proses pembuatan alat serta saat penelitian tugas akhir ini.
x
5. Dr. Drs. Vet. Asan Damanik, M.Si., selaku dosen mata kuliah pra skripsi yang sudah memberikan pengetahuan dan masukan selama pembuatan Tugas Akhir.
6. Ag. Rony Windaryawan selaku Laboran yang telah membantu dan memberikan izin dalam penggunaan fasilitas yang diperlukan dalam penelitian ini.
7. Seluruh dosen pengajar Program Studi Teknik Mesin dan staff Fakulras Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta atas segala kerjasama, pelayanan dan bimbingan selama penulis menempuh kuliah dan proses penulisan tugas ahir.
8. Bapak Misdi dan Ibu Supriyati selaku orang tua penulis, Krismawati dan Kristiyanti selaku kakak dari penulis, yang selalu memberikan dukungan, mendoakan, memberi semangat, dan semua fasilitas yang penulis butuhkan selama menempuh kuliah sampai menyelesaikan tugas akhir ini.
9. Raphael Retta, Selaku tim yang membantu dalam perancangan, pembuatan, perbaikan alat dan pengambilan data.
10. Teman-teman seperjuangan, Daniel Hutahaean, Karel Giovanni, Rio Christy B, Andrew William M, B. Morgan Wijayanto, Sigit Jalu P, Laurensius Praba, dan semua teman Teknik Mesin Angkatan 2012 dan teman-teman penulis lainnya, terima kasih.
11. Keluarga kos Griya Kanna, Jakataru David E, Prima Nugroho, Charisca Ekaputra Budiono, Malvin Choco, Sylviana Hesti P, Lucia Effelin
xi
Cindya D, Bertha Nathania, Celly Brita, Blasius Filimon dan yang lainnya, terima kasih
12. Sahabat sekaligus keluarga, Almer Rayhan, Stepanus Wijaya N, Adela Dela Tiara, Aisah Gita M, Anindita D, Mbak Atma dan Om Efran yang telah memberi semangat untuk menyelesaikan tugas akhir.
13. Pihak – pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu yang telah memberikan dorongan dan bantuan dalam wujud apapun selama penyusunan tugas akhir ini.
Penulis menyadari bahwa masih banyak terdapat kekurangan dalam penyusunan tugas akhir ini karena keterbatasan pengetahuan yang belum diperoleh, oleh karena itu penulis mengharapkan adanya kritik dan saran dari semua pihak yang bersifat positif dan membangun dalam penyempurnaan laporan ini. Semoga karya tulis ini berguna bagi pembaca. Apabila terdapat kesalahan dalam penulisan naskah ini penulis mohon maaf. Terima Kasih.
Yogyakarta, 18 Febuari 2016 Penulis
xii
JUDUL ... i
TITLE ... ii
HALAMAN PERSETUJUAN... iii
HALAMAN PENGESAHAN ... iv
PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR ... v
LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI ... vi
INTISARI ... vi
ABSTRACT ... viii
KATA PENGANTAR ... ix
DAFTAR TABEL ... xiv
DAFTAR GAMBAR ... xvi
BAB I PENDAHULUAN ... 1 1.1. Latar Belakang ... 1 1.2. Rumusan Masalah ... 3 1.3. Tujuan ... 4 1.4. Manfaat ... 4 1.5. Batasan Masalah... 5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 6
2.1 Pengertian Destilasi ... 6
2.2 Landasan Teori ... 7
2.3 Penelitian yang Pernah Dilakukan ... 11
BAB III METODE PENELITIAN ... 14
3.1 Skema Alat Penelitian ... 14
3.2 Variabel yang Divariasikan ... 17
3.3 Parameter yang Diukur ... 17
3.4 Langkah Penelitian ... 18
xiii
3.7. Analisis Data ... 20
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 21
4.1 Data Penelitian ... 21 4.2 Hasil Penelitian ... 33 4.3 Pembahasan ... 37 BAB V PENUTUP ... 51 5.1 Kesimpulan ... 51 5.2 Saran ... 52 DAFTAR PUSTAKA ... 53 LAMPIRAN ... 54
xiv
DAFTAR TABEL
Tabel 1 Data pada variasi ketinggian air dalam bak destilator 0.5 cm, dan hanya menggunakan pendingin kaca pada hari pertama ... 23 Tabel 2 Data pada Ketinggian air dalam bak destilator 0,5 cm, tidak
menggunakan pendingin kaca dan tidak menggunakan reflektor pada hari kedua ... 24 Tabel 3 Data pada variasi ketinggian air dalam bak destilator 0.5 cm, hanya
menggunakan reflektor hari ketiga ... 25 Tabel 4 Data pada variasi ketinggian air dalam bak destilator 0.5 cm,
menggunakan reflektor dan menggunakan pendingin kaca pada hari keempat ... 26 Tabel 5 Data pada variasi ketinggian air dalam bak destilator 1 cm,
menggunakan reflektor dan menggunakan pendingin kaca pada hari keempat ... 27 Tabel 6 Data pada variasi ketinggian air dalam bak destilator 0.5 cm pada
hari pertama ... 28 Tabel 7 Data pada variasi ketinggian air dalam bak destilator 0.5 cm pada
hari kedua... 29 Tabel 8 Data pada variasi ketinggian air dalam bak destilator 0.5 cm pada
hari ketiga ... 30 Tabel 9 Data pada variasi ketinggian air dalam bak destilator 0.5 cm pada
xv
Tabel 10 Data pada variasi ketinggian air dalam bak destilator 1 cm pada hari kelima ... 32 Tabel L.1 Sifat Air dan Uap Jenuh ... 54
xvi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1. Prinsip kerja alat destilasi air energi surya menggunakan energy recovery. ... 8 Gambar 2. Panjang kapilaritas kain ... 10 Gambar 3a. Komponen alat destilasi energi surya menggunakan energy
recovery kondensor pasif ... 15 Gambar 3b. Komponen alat destilasi energi surya menggunakan energy
recovery kondensor pasif tampak samping ... 15 Gambar 4. Komponen alat destilasi energi surya konvensional standar ... 16 Gambar 5. Grafik rata-rata efisiensi teoritis rata-rata pada alat destilasi air
energi surya menggunakan energy recovery metode kapilaritas dengan alat destilasi konvensional . ... 38
Gambar 6. Grafik rata-rata efisiensi aktual pada alat destilasi air energi surya menggunakan energy recovery metode kapilaritas dengan alat destilasi konvensional. ... 41 Gambar 7. Grafik (hasil air yang terdestilasi) dari kelima variasi
selama 10 jam pengambilan data pada alat destilasi air energi surya menggunakan energy recovery metode kapilaritas. ... 44
Gambar 8. Grafik perbandingan antara (massa air yang terdestilasi) pada alat destilasi air energi surya menggunakan energy recovery metode kapilaritas dengan ( hasil air yang
xvii
terdestilasi) pada alat destilasi konvensional selama 10 jam
pengambilan data. ... 46
Gambar 9. Grafik perbandingan antara massa uap air destilasi ( ) dengan massa air yang terdestilasi ( pada alat destilasi air menggunakan energy recovery metode kapilaritas dari kelima variasi selama 10 jam pengambilan data. ... 48
Gambar 10. Letak , dan pada alat destilasi air menggunakan energy recovery metode kapilaritas. ... 49
Gambar L.1 Alat destilasi Konvensional ... 56
Gambar L.2 Alat destilasi menggunakan energy recovery metode kapilaritas 56 Gambar L.3 Alat destilasi bagian energy recovery dan kapilaritas kain ... 57
Gambar L.4 Air pendingin kaca ... 57
Gambar L.5 Penampung air terkontaminasi ... 58
Gambar L.6 Penunjuk ketingian air dalam bak ... 58
Gambar L.7 Penampung air hasil destilasi ... 59
Gambar L.8 Sensor yang digunakan ... 59
1
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Air merupakan salah satu sumber utama kehidupan bagi makluk hidup tidak terkecuali bagi manusa. Di Indonesia kebutuhan akan air bersih seperti untuk air minum semakin hari semakin dirasakan terbatas akan ketersediaannya baik itu masyarakat perkotaan maupun masyarakat di daerah-daerah terpencil. Ketersediaan air yang seringkali tidak mencukupi kebutuhan tersebut dikarenakan sumber air yang ada telah terkontaminasi oleh bahan tidak kesat mata seperti; bahan kimia, bakteri, kuman penyakit, tanah garam (air laut), dan bahan lain yang dapat membahayakan bila dikonsumsi secara langsung. Selain itu, air yang telah terkontaminasi dapat menimbulkan penyakit di dalam tubuh. Umumnya masyarakat akan membeli air minum untuk memenuhi kebutuhannya dan masyarakat daerah terpencil mereka menampung air hujan untuk dimanfaatkan sebagai air minum. Memenuhi kebutuhan akan air minum dengan cara membeli akan berdampak pada kesejahteraan masyarakat itu sendiri dan memanfaatkan air hujan sebagai air minum akan berdampak menimbulkan penyakit yang merugikan bagi kesehatan. Sehingga diperlukan tindakan untuk membersihkan air tersebut dari bahan kontaminan yang terkandung di dalamnya.
Untuk memisahkan dan menjernihkan air dari bahan kontaminan, terdapat beberapa cara yang dapat dilakukan sendiri oleh masyarakat salah
satunya dengan menggunakan destilasi tenaga surya. Saat ini potensi tenaga surya di Indonesia belum dimanfaatkan dengan baik, hal ini dikarenakan harga energi terbarukan masih terbilang kalah bersaing dibandingkan bahan bakar fosil akibat kurang dikuasainnya teknologi dan kebijakan harga energi.
Alat destilasi air pada umumnya berbentuk kotak dan terdiri dari dua komponen utama, yaitu bak air dan kaca penutup. Fungsi dari bak air itu sendiri adalah menyerap energi surya untuk menguapkan air sehingga air terpisah dari zat yang mengkontaminasi. Kaca penutup berfungsi sebagai tempat mengembunnya uap air sehingga diperoleh air bersih yang dapat langsung untuk dikonsumsi.
Permasalahan yang dihadapi alat destilasi energi surya saat ini adalah tingkat efisiensi yang dihasilkan masih rendah. Salah satu faktor penyebab rendahnya efisiensi tersebut adalah terjadinya kerugian kalor. Kerugian kalor terjadi akibat perbedaan temperatur. Temperatur dalam kotak destilator lebih tinggi dibandingkan temperatur lingkungan sekitar alat destilasi sehingga kalor mengalir keluar dari kotak destilator ke lingkungan sekitar. Terdapat dua jenis kerugian kalor yaitu kerugian kalor akibat kurang baiknya bahan isolasi atau kurang rapatnya kotak destilasor dan kerugian kalor akibat proses pengembunan uap air yang secara bersamaan melepaskan kalor ke lingkungan melalui kaca penutup. Salah satu cara meningkatkan efisiensi destilasi air tenaga surya adalah dengan memperkecil kerugian kalor pada saat pengembunan uap air dengan memanfaatkan panas yang dilepas pada
saat pengembunan untuk menguapkan pada tingkat berikutnya. Cara inilah yang disebut dengan energy recovery.
Energy recovery memerlukan komponen tambahan pada alat destilasi yaitu berupa kondensor pasif yang umumnya berbentuk kotak dan terletak di bagian belakang kotak destilator. Penggunaan kondensor pasif pada alat destilasi menyebabkan sebagian uap air hasil proses penguapan dalam kotak destilator akan mengalir ke dalam kondensor pasif dan akan terjadi pengembunan pada dinding pengembun kondensor pasif. Pada saat terjadi pengembunan terjadi pula pelepasan panas. Panas yang dilepaskan itulah yang digunakan kembali untuk menguapkan air pada metode kapilaritas.
Dalam hal ini penulis tertarik untuk membahas efisiensi dari alat destilasi dengan energy recovery menggunakan metode kapilaritas serta variabel-variabel lainnya yang mempengaruhi efisiensi, di antaranya jumlah massa air pada alat destilasi (jumlah massa air mempengaruhi temperatur air), jumlah masa air dalam kondensor pasif, perbandingan volume antara kotak destilator dengan kondensor pasif terhadap jumlah energi surya yang digunakan untuk proses penguapan.
1.2 Rumusan Masalah
Destilasi air tenaga surya merupakan salah satu cara untuk menjernihkan air yang mengandung zat kontaminan sehingga cara ini dapat digunakan untuk mengatasi masalah akan kekurangan air bersih. Dalam hal ini destilasi air tenaga surya masih bermasalah dengan rendahnya efisiensi yang
dihasilkan. Salah satu cara yang dapat digunakan untuk meningkatkan efisiensi adalah dengan energy recovery dengan metode kapilaritas. Dengan adanya hal tersebut, penulis tertarik untuk meneliti beberapa masalah yaitu 1. Mengetahui peningkatan efisiensi destilasi air tenaga surya dengan energy
recovery metode kapilaritas,
2. Mengetahui efisiensi mana yang lebih baik antara destilasi air tenaga surya dengan kondensor pasif dan energy recovery metode kapilaritas dengan alat destilasi air konvensional,
3. Mengetahui pengaruh variasi ketinggian air maupun variasi penggunaan pendingin kaca dan reflektor.
1.3 Tujuan
Tujuan yang diperoleh dari penelitian ini adalah
1. Membuat prototipe alat destilasi energi surya dengan menggunakan energy recovery dengan metode kapilaritas,
2. Menganalisis pengaruh ketinggian air di kotak destilator,
3. Menganalisis pengaruh penggunaan pendingin kaca maupun reflektor terhadap air yang dihasilkan setelah proses destilasi,
4. Menganalisis efisiensi destilasi air energi surya menggunakan energy recovery metode kapilaritas dan destilasi energi surya konvensional. 1.4 Manfaat
Manfaat yang diperoleh dari penelitian ini adalah
2. Hasil penelitian ini diharapkan mendapat dikembangkan untuk membuat prototipe dan produk teknologi alat destilasi air energi surya yang dapat diterima dengan baik oleh masyarakat,
3. Memudahkan masyarakat untuk memenuhi kebutuhan akan air bersih, 4. Meningkatkan kesehatan dan kesejahteraan masyarakat.
1.5 Batasan Masalah
Dalam penelitian yang akan dilakukan, penulis membatasi masalah-masalah yang akan dibahas yakni
1. Penulis membatasi penelitian khusus alat destilasi surya dengan memanfaatkan energy recovery dengan metode kapilaritas,
2. Ketinggian air di dalam bak destilasi divariasikan sebanyak 2 variasi yakni 1 cm dan 0,5 cm dan menggunakan variasi lain seperti penggunaan reflektor dan pendingin kaca,
3. Pada alat destilasi konvensional (tanpa menggunakan energy recovery metode kapilaritas) ketinggian air sama yakni 1 cm dan 0,5 cm tidak menggunakan reflektor maupun pendingin kaca,
4. Air yang masuk ke dalam kotak destilator tidak mengalami proses pemanasan terlebih dahulu,
5. Menambahkan satu variasi alat lagi berupa destilasi horizontal sederhana tanpa kondensor pasif dimana destilasi horizontal sederhana ini dijadikan sebagai pembanding, sehingga diperoleh hasil pemodelan yang lebih efektif untuk diterapkan pada penelitian selanjutnya.
6
6
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pengertian Destilasi
Destilasi air energi surya merupakan salah satu metode untuk memisahkan air dari bahan kontaminasi sehingga diharapkan mampu menghasilkan air yang jernih. Sedangkan kegunaan energy recovery sebagai pemanfaatan kembali dari sisa kalor pada kotak destilator yang dialirkan ke kondensor pasif sehingga dapat meningktkan jumlah efisiensi dari hasil pendestilasian air. Alat destilasi air dengan energi surya ini merupakan salah satu alternatif untuk memenuhi kebutuhan masyarakat terhadap air bersih terutama untuk daerah yang tidak terjangkau sumber energi listrik ataupun daerah terpencil.
Alat destilasi air pada umumnya berbentuk kotak dan terdiri dari dua komponen utama, yaitu bak air dan kaca penutup. Bak air digunakan untuk menyerap energi surya untuk menguapkan air sehingga air terpisah dari zat yang mengkontaminasi dan kaca penutup berguna sebagai tempat mengembunnya uap air sehingga diperoleh air bersih yang dapat langsung untuk dikonsumsi.
Unjuk kerja alat destilasi energi surya tergantung pada beberapa variabel di antaranya, jumlah massa air yang ada dalam bak atau jumlah massa air yang masuk dan radiasi surya yang diterima. Metode yang dilakukan adalah pemisahan bahan kimia berdasarkan perbedaan kecepatan atau kemudahan
menguap (volatilitas) bahan. Proses destilasi air meliputi dua proses yaitu evaporasi dan kondensasi. Air terkontaminasi yang masuk akan menguap karena mendapat kalor dari absorber, bagian yang mengalami penguapan hanya air sedangkan zat kontaminan yang terkandung di dalam air tertinggal di absorber. Uap akan bergerak ke dinding kaca, karena temperatur bagian luar kaca lebih rendah dari temperatur bagian dalam maka uap akan mengembun.
2.2 Landasan Teori
Komponen utama alat destilasi air energi surya menggunakan energy recovery terdiri atas kotak destilator, kondensor pasif dan bagian energy recovery. Bagian energy recovery terletak di dalam kondensor pasif. Prinsip kerja destilasi air energi surya menggunakan energy recovery (Gambar 1) adalah proses penguapan air yang terkontaminasi dan proses pengembunan uap air sehingga dihasilkan air bersih yang layak untuk dikonsumsi. Pada proses penguapan hanya air yang menguap sedangkan zat yang mengkontaminasinya tertinggal di bak air. Proses penguapan terjadi karena air di dalam bak air pada kotak destilator menerima energi surya melalui kaca penutup sedangkan proses pengembunan pada kotak destilator terjadi di kaca penutup karena temperatur kaca lebih rendah dari temperatur pengembunan uap air. Embun pada kaca penutup akan mengalir ke saluran air destilasi karena posisi kaca yang miring. Tidak semua uap air hasil penguapan air dari bak air di dalam kotak destilator mengembun di kaca penutup tetapi sebagian
uap air hasil penguapan air dari bak air di dalam kotak destilator mengalir masuk ke dalam kondensor pasif.
Gambar 1. Prinsip kerja alat destilasi air energi surya menggunakan energy recovery. (Gusti I Ketut Puja, 2014)
Mengalirnya sebagian uap air ke dalam kondensor pasif disebabkan adanya perbedaan tekanan parsial uap air antara kotak destilator dengan kondensor pasif mekanisme ini disebut purging. Perbandingan massa uap air yang masuk ke dalam kondensor pasif dengan massa uap air yang dihasilkan pada kotak destilator sebanding dengan perbandingan volume kondensor pasif dengan jumlah volume kondensor pasif dan kotak destilator atau
Uap air yang masuk ke dalam kondensor pasif akan mengembun karena melepaskan panas ke dinding kondensor pasif dan ke dinding pengembun pada bagian energy recovery. Energi panas yang diterima dinding pengembun pada bagian energy recovery digunakan untuk menguapkan air yang mengalir pada bahan porus (kain). Air yang mengalir pada kain berasal dari bak air terkontaminasi yang berada di bawah kemudian dipompakan ke atas menuju bak air. Mengalirnya air terkontaminasi dari atas ke bawah disebabkan adanya sifat kapilaritas kain. Laju aliran air pada kain dapat dihitung dengan persamaan
*
+ (
(2)
Dengan A adalah luas penampang kain arah tegak lurus aliran ( ),
ρ
adalah massa jenis air terkontaminasi (kg/ ), g adalah gravitasi (m/ ), k adalah permeabilitas kain ( ),η
adalah viskositas air terkontaminasi (N detik/ ), adalah panjang kapilaritas kain (m) dan L adalah panjang kain (m).Permeabilitas (k) pada prinsipnya hanya merupakan fungsi struktur keporusan media porus. Sebagai contoh katun dan fiber mempunyai permeabilitas yang berbeda karena mempunyai struktur keporusan yang berbeda. Panjang kapilaritas kain adalah kondisi kesetimbangan antara tekanan kapilaritas dengan tekanan hidrolis atau = seperti terlihat pada Gambar 2.
Gambar 2. Panjang kapilaritas kain (Gusti I Ketut Puja, 2014)
(3)
(4)
Dengan adalah tegangan permukaan, adalah sudut kontak zat cair dan R adalah radius kapilaritas efektif. Untuk mengetahui permeabilitas (k) dan panjang kapilaritas ( ) dari suatu bahan porus (kain) dapat dilakukan eksperimen dengan prinsip seperti pada Gambar 2.
Efisiensi alat destilasi energi surya didefinisikan sebagai perbandingan antara jumlah energi yang digunakan dalam proses penguapan air dengan jumlah radiasi surya yang datang selama waktu tertentu (Arismunandar, 1995):
Dengan adalah luas alat destilasi ( ), dt adalah lama waktu pemanasan (detik), G adalah energi surya yang datang (W/ ), adalah panas laten air (J/(kg) dan adalah massa uap air total (kg). Massa uap air ( ) dapat diperkirakan dengan persamaan matematis berikut (Arismunandar, 1995):
(
)
(6)
⁄ (7)
Dengan quap adalah bagian energi surya yang digunakan untuk proses
penguapan (W/ ), bagian energi surya yang digunakan untuk konveksi (W/m2), adalah adalah tekanan parsial uap air pada temperatur air (N/ ), adalah tekanan parsial uap air pada temperatur kaca penutup (N/ ), adalah temperatur air ( ) dan ) adalah temperatur kaca penutup ( )
2.3 Penelitian yang Pernah Dilakukan
Penelitian secara eksperimental destilasi air energi surya menggunakan energy recovery dapat meningkatkan efisiensi sebesar 94% jika dibandingkan destilasi air energi surya konvensional. Efisiensi yang dicapai sebesar 67% dengan hasil air destilasi sebanyak 4,86 L/m2.hari (Kalbasi, 2010). Analisis teoritis alat destilasi air energi surya menggunakan energy recovery tiga tingkat dengan metode difusi yang dihubungkan dengan pipa panas (heat pipe) memperkirakan hasil air destilasi sebanyak 21,8 kg/m2.hari dengan asumsi energi surya sebesar 22,4 MJ/m2.hari (Tanaka, 2004). Studi
parametrik pada destilasi air energi surya vertikal jenis difusi dengan variasi tingkat difusi memperkirakan dapat menghasilkan air destilasi antara 18 sampai 21,5 kg/m2.hari hasil air destilasi secara eksperimental sangat bergantung pada kualitas pembuatan alat. Pembuatan yang kurang baik dapat menyebabkan kerugian panas dan menurunkan produksi air destilasi sampai 50% dari perkiraan secara teoritis (Tanaka, 2005). Analisis transien berdasarkan kesetimbangan energi tiap komponen pada destilasi air energi surya menggunakan energy recovery metode bak satu tingkat memperkirakan dapat menghasilkan air destilasi sebanyak 10,7 kg/m2.hari (Hassan, 1995). Destilasi air energi surya menggunakan energy recovery dua tingkat metode bak air menghasilkan efisiensi 62% lebih tinggi jika dibandingkan destilasi air energi surya konvensional. Tingkat pertama memberikan kontribusi sebesar 22% sementara tingkat kedua 18% pada total air destilasi yang dihasilkan (Madhlopa, 2009). Penelitian secara teoritis dan eksperimental menggunakan kondensor pasif di bagian belakang menghasilkan kenaikan efisiensi sebesar 50% (Fath, 1993). Penelitian destilasi air energi surya dengan kondensor pasif menghasilkan efisiensi yang berbeda pada posisi kondensor yang berbeda. Posisi kondensor di bagian atas alat destilasi menghasilkan efisiensi 15,1% sementara pada posisi di bawah dihasilkan efisiensi 30,54%. (Ahmed, 2012). Penelitian destilasi energi surya dengan posisi kondensor di bagian bawah destilator dan posisi destilator miring menghasilkan kenaikan efisiensi yang cukup baik sehingga dapat menghasilkan air destilasi sebanyak 5,1 kg/(m2.hari). Posisi alat destilasi
yang miring menyebabkan terjadinya sirkulasi alami udara yang mendorong uap air ke kondensor di bagian bawah. Pada alat destilasi dengan posisi miring berpindahnya uap air disebabkan oleh beda tekanan destilastor dengan kondensor dan sirkulasi alami (Fath, 2004). Penelitian secara teoritis dan eksperimental menggunakan kondensor pasif di bagian belakang menghasilkan kenaikan efisiensi sebesar 48% sampai 70% jika kondensor mengalami pendinginan (El-Bahi, 1999). Penelitian eksperimental pada destilasi air energi surya vertikal di Aljasair menghasilkan air destilasi sebanyak 0,275 sampai 1,31 L/m2.hari dengan radiasi surya bervariasi antara 8,42 sampai 14,71 MJ/hari. Efisiensi yang dihasilkan bervariasi antara 7,85 sampai 21,19% (Boukar, 2005). Penelitian pada sebuah alat destilasi air energi surya vertikal jenis tak langsung di Aljasair dapat menghasilkan air destilasi antara 0,863 sampai 1,323 L/m2.hari dan efisiensi antara 47,69% sampai 57,85% dengan energi surya antara 19,15 sampai 26,08 MJ/m2.hari (Boukar, 2006). Penambahan kondensor pasif tanpa energy recovery dapat meningkatkan efisiensi dari 70% (tanpa kondensor pasif) menjadi 75% (dengan kondensor pasif). Kemiringan kaca yang digunakan 4o dan hasil air destilasi sebesar 7 L/m2.hari (El-Bahi, 1999). Penelitian secara eksperimental alat destilasi air energi surya vertikal tanpa energy recovery di Aljasair menghailkan air destilasi sebanyak 0,5 sampai 2,3 kg/m2.hari (Boukar, 2004).
14
14
BAB III
METODE PENELITIAN
3.1 Skema Alat Penelitian
Alat destilasi air tenaga surya yang dibuat berjumlah 2 alat, seperti yang ditunjukan pada gambar 3a, gambar 3b dan gambar 4. Terdapat bagian-bagian penting pada alat destilasi tenaga surya yaitu bak destilator, kondesnor pasif, dan idikator ketinggian air dalam bak destilator. Karena fungsi dari alat destilasi konvensional adalah sebagai pembanding, maka ukuran bak destilator dibuat sama. Bahan yang digunakan untuk membuat bak destilator adalah kayu dengan ketebalan 2 cm yang dilapisi dengan logam seng dengan ketebalan 0,03 cm, panjang (P) = 118 cm, lebar (L) = 78 dan tinggi (T) = 6 cm. kondensor pasif juga terbuat dari kayu dengan ketebalan 2 cm yang dilapisi dengan logam seng dengan ketebalan 0,03 cm, panjang (P) = 118 cm, lebar (L) = 9 cm, dan tinggi (T) = 100 cm. Untuk pengaturan ketinggian air di dalam kotak destilator digunakan tempat air minum ayam, dikarenakan tempat air minum ayam dapat konstan untuk mempertahankan ketinggian air dalam bak destilator dengan laju aliran air yang rendah.
Gambar 3a. Komponen alat destilasi energi surya menggunakan energy recovery kondensor pasif.
Gambar 3b. Komponen alat destilasi energi surya menggunakan energy recovery kondensor pasif tampak samping.
Terdapat komponen komponen utama alat destilasi air energi surya menggunakan energy recovery berkondensor pasif seperti terlihat pada Gambar 3a dan Gambar 3b yaitu (1) bak air, (2) saluran air hasil destilasi, (3) kaca penutup, (4) kotak destilator, (5) air terkontaminasi, (6) kondensor pasif, (7) bagian energy recovery, (8) bak air terkontaminasi, (9) dinding pengembun, (10) saluran uap dari destilator ke kondensor pasif, (11) bahan porus (kain), (12) saluran air hasil destilasi kondensor pasif, (13) saluran air yang tidak menguap, (14) rangka pendukung, (15) reflektor.
Gambar 4. Komponen alat destilasi energi surya konvensional standar Komponen utama yang terdapat pada alat destilasi air energi surya konvensional standar terlihat seperti pada gambar 4 yaitu (1) bak air, (2)
saluran air hasil destilasi,(3) kaca penutup, (4) kotak destilator, (5) air terkontaminasi, (6) sumber air terkontaminasi, (7) rangka pendukung
3.2 Variabel yang Divariasikan
Pada penelitian ini terdapat beberapa jenis variasi yang dilakukan sebagai berikut:
1. Jumlah massa air dalam bak destilator dengan metode kapilaritas dan dalam bak alat destilasi energi surya konvensional standar,
2. Variasi ketingian air dalam bak destilasi yakni 1 cm dan 0,5 cm,
3. Penggunaan reflektor pada alat destilasi menggunakan energy recovery metode kapilaritas,
4. Penggunaan pendingin kaca pada alat destilasi menggunakan energy recovery metode kapilaritas.
3.3 Parameter yang Diukur
Pada penelitian ini beberapa parameter yang diukur diantaranya sebagai berikut
1. Temperatur air di dalam bak (Tw) 2. Temperatur kaca pada bak (Tc)
3. Temperatur air yang masuk ke dalam bak 4. Temperatur kain pada kondensor pasif 5. Temperatur air pendingin kaca
7. Kelembapan udara sekitar (RH) 8. Energi Surya yang datang (G)
9. Debit air hasil destilasi pada destilator (md1)
10. Debit air hasil destilasi pada kondensor pasif dan bagian energy recovery (md2, md3)
11. Lama waktu pengambilan data (t)
3.4 Langkah Penelitian
Langkah penelitian yang akan dilakukan adalah sebagai berikut
1. Pada penelitian ini diawali dengan pembuatan alat seperti pada gambar 3a, gambar 3b dan gambar 4,
2. Kedua alat tersebut dijemur di bawah sinar matahari secara langsung, 3. Pengambilan data dilakukan dengan 2 (dua) cara, yaitu minggu pertama
pengambilan data dilakukan secara manual dan minggu kedua pengambilan data dilakukan dengan bantuan sensor,
4. Pada saat pengambilan data dengan cara manual, setiap 2 jam alat dicek dan dicatat data pertambahan debit hasil destilasi. Pencatatan debit hasil destilasi dilakukan selama 10 jam, mulai dari jam 07:00 sampai jam 17:00 untuk setiap variasinya. Setiap variasi membutuhkan waktu 1 hari untuk pengambilan data,
5. Data yang dicatat saat pengambilan data secara manual adalah debit air hasil destilasi dan intensitas cahaya matahari,
6. Pada saat pengambilan data dengan menggunakan sensor, data dicatat oleh sensor kurang lebih setiap 11 detik sekali selama 10 jam, dimulai dari jam 07:00 sampai jam 17:00 untuk setiap variasinya,
7. Data yang dicatat saat pengambilan data dengan menggunakan sensor adalah temperatur udara sekitar, temperatur air yang masuk ke dalam bak destilasi, temperatur air di dalam bak destilasi, tempetarur air pendingin kaca, temperatur kaca pada bak destilasi, kelembapan udara sekitar, debit air hasil destilasi dan lama waktu pencatatan data,
8. Sebelum melanjutkan pengambilan data pada hari berikutnya dengan variasi yang berbeda, kondisi alat destilasi harus diperiksa untuk memastikan kesiapan alat termasuk memastikan ketinggian air saat awal pengambilan data. Hal ini dilakukan agar meminimalisir masalah-masalah yang akan terjadi yang membuat terjadinya kegagalan saat pengambilan data..
3.6 Alat Pendukung Pengambilan Data 1. Pyranometer
Pyranometer merupakan alat yang digunakan untuk mengukur besarnya pengaruh radiasi cahaya matahari dengan satuan dan juga alat ini berfungsi untuk mengkalibrasi radiasi cahaya matahari yang diterima oleh solarmeter agar hasil data yang didapat oleh solarmeter sama dengan hasil data yang didapat piranometer.
Solarmeter merupakan alat yang digunakan untuk mengukur intensitas cahaya matahari yang datang.
3. Hygrometer
Hygrometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur kelembapan udara disekitar alat destilasi dan untuk mengkalibrasi data yang didapat oleh alat destilasi.
4. Dallas Semiconductor Temperature Sensor (TDS)
Dallas semiconductor temperature sensor (TDS) merupakan alat yang digunakan untuk mengukur temperatur pada alat destilasi.
5. Microcontroller Arduino
Microcontroller arduino merupakan aplikasi softwere yang digunakan untuk membantu dan memudahkan pembacaan data hasil penelitian destilasi energi surya.
6. E-Tape
E-Tape merupakan alat yang digunakan untuk membaca dan mengetahui ketinggian air hasil destilasi.
3.7 Analisis Data
Pengolahan dan analisis data diawali dengan melakukan perhitungan pada parameter-parameter yang diperlukan dengan menggunakan persamaan (1) sampai dengan (7). Analisis akan dilakukan dengan membuat grafik efesiensi alat destilasi.
21
21
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Data Penelitian
Berikut ini adalah data hasil penelitian dari alat destilasi air tenaga surya menggunakan energy recovery dengan metode kapilaritas yang divariasikan menjadi 5 variasi, yaitu
1. Ketinggian air dalam bak 1 cm, menggunakan pendingin kaca dan menggunakan reflektor.
2. Ketinggian air dalam bak destilator 0,5 cm, menggunakan pendingin kaca dan menggunakan Reflektor.
3. Ketinggian air dalam bak destilator 0.5 cm, hanya menggunakan pendingin kaca.
4. Ketinggian air dalam bak destilator 0,5 cm, hanya menggunakan reflektor. 5. Ketinggian air dalam bak destilator 0,5 cm, tidak menggunakan pendingin
kaca dan tidak menggunakan reflektor.
Secara lengkap data hasil dari penelitian tersebut dapat dilihat secara berurutan pada tabel 1 sampai dengan tabel 10 dengan
Tc = Temperatur kaca penutup alat destilasi energi surya.
Tw = Temperatur air di dalam bak dan di dalam kondensor pasif alat destilasi energi surya.
Pc = Tekanan parsial uap air pada temperatur kaca penutup alat destilasi energi surya.
Pw = Tekanan parsial uap air pada temperatur air di dalam bak dan di dalam kondensor pasif alat destilasi energi surya.
= Massa air hasil destilasi. Hfg = Panas laten air.
= Massa uap air total.
= Bagian energi surya yang digunakan untuk proses penguapan. = Bagian energi surya yang digunakan untuk konveksi.
G = Rata-rata energi surya yang ditangkap oleh alat destilasi air energi surya.
23
Tabel 1. Data pada variasi ketinggian air dalam bak destilator 0.5 cm, dan hanya menggunakan pendingin kaca pada hari pertama Menggunakan Energy Recovery Metode Kapilaritas 24 Oktober 2015
jam ke-
TC TW G Pc Pw hfg qkonv quap mg md η teoritis η aktual
(°C) (°C) (W/m2) (Pa) (Pa) (kJ/kg) (kW/m2) (kW/m2) (kg/jam.m2) (kg) (%) (%) 1 32.93 33.80 365.89 3213.8 3570.35 2421.11 0.0008 0.006 0.009 0.00 0.17 0.00 2 41.77 39.79 522.94 7805.6 6589.83 2406.74 0.0026 0.026 0.042 0.01 5.77 1.78 3 51.23 45.15 667.07 15074.0 10122.68 2393.80 0.0124 0.164 0.259 0.20 28.07 22.15 4 55.22 48.72 782.23 18861.9 12905.34 2385.15 0.0138 0.206 0.328 0.29 30.16 26.72 5 57.28 51.24 839.11 20999.1 15081.67 2379.02 0.0127 0.203 0.323 0.60 27.68 51.74 6 58.93 52.72 820.26 22787.6 16441.57 2375.41 0.0134 0.222 0.354 0.76 30.94 66.05 7 54.76 49.81 540.32 18406.7 13828.11 2382.49 0.0096 0.145 0.231 0.52 30.74 69.29 8 52.09 49.31 506.06 15848.6 13401.70 2383.71 0.0044 0.063 0.101 0.36 14.33 51.46 9 45.75 40.01 277.81 10568.3 6720.33 2406.21 0.0111 0.121 0.190 0.24 49.61 62.69 10 39.51 34.89 102.75 6430.4 4047.41 2418.50 0.0080 0.067 0.105 0.11 74.29 81.21 Rata-rata G 542.445 Hasil Destilasi dan Rata-rata Efisiensi 3.11 82.87 41.30
24
Tabel 2. Data pada Ketinggian air dalam bak destilator 0,5 cm, tidak menggunakan pendingin kaca dan tidak menggunakan reflektor pada hari kedua
jam ke-
Menggunakan Energy Recovery Metode Kapilaritas 25 Oktober 2015
TC TW G Pc Pw hfg qkonv quap mg md η teoritis η aktual
(°C) (°C) (W/m2) (Pa) (Pa) (kJ/kg) (kW/m2) (kW/m2) (kg/jam.m2) (kg) (%) (%) 1 31.23 37.60 381.07 2574.8 5376.10 2411.99 0.012 0.085857 0.13482 0.00 25.75 0.00 2 47.56 45.37 587.00 11960.2 10283.30 2393.27 0.003 0.039068 0.06183 0.00 7.61 0.17 3 59.12 50.70 751.30 22993.6 14603.40 2380.33 0.020 0.322544 0.51322 0.58 49.07 55.24 4 64.05 54.65 839.27 28807.4 18301.32 2370.69 0.024 0.430560 0.68788 0.82 58.64 69.53 5 64.73 55.12 777.17 29660.3 18770.58 2369.54 0.024 0.451103 0.72105 0.66 66.35 60.29 6 61.12 52.23 638.32 25269.3 15984.69 2376.60 0.022 0.367386 0.58549 0.33 65.79 37.45 7 63.37 56.82 747.40 27964.2 20511.82 2365.39 0.015 0.272562 0.43643 0.25 41.69 24.27 8 59.43 52.55 555.37 23335.6 16279.99 2375.83 0.015 0.255537 0.40737 0.69 52.60 89.21 9 53.09 44.10 314.05 16788.9 9365.52 2396.35 0.021 0.280153 0.44279 0.58 101.97 134.10 10 46.61 39.24 139.21 11218.7 6272.55 2408.06 0.015 0.168347 0.26478 0.25 138.23 131.57
25
Tabel 3. Data pada variasi ketinggian air dalam bak destilator 0.5 cm, hanya menggunakan reflektor hari ketiga
jam ke-
Menggunakan Energy Recovery Metode Kapilaritas 26 Oktober 2015
TC TW G Pc Pw hfg qkonv quap mg md η teoritis η aktual
(°C) (°C) (W/m2) (Pa) (Pa) (kJ/kg) (kW/m2) (kW/m2) (kg/jam.m2) (kg) (%) (%) 1 31.35 29.80 370.35 2617.3 2098.05 2430.64 0.002 0.009624 0.01500 0.00 2.97 0.00 2 47.50 43.15 569.99 11917.0 8715.63 2398.63 0.008 0.092993 0.14684 0.00 18.65 0.06 3 59.95 54.95 718.88 23930.2 18593.14 2369.98 0.010 0.175732 0.28084 0.27 27.94 27.35 4 65.65 60.13 823.43 30827.8 24128.58 2357.27 0.012 0.235689 0.37869 0.61 32.72 52.49 5 66.99 61.12 840.54 32591.2 25267.55 2354.84 0.013 0.264993 0.42621 0.55 36.04 46.71 6 65.82 61.41 738.81 31051.7 25608.78 2354.12 0.009 0.178692 0.28749 0.63 27.65 60.41 7 61.87 56.58 573.58 26151.8 20255.58 2365.99 0.011 0.199944 0.32007 0.59 39.85 73.10 8 58.19 54.08 467.38 21977.0 17735.45 2372.10 0.008 0.129836 0.20731 0.50 31.75 77.26 9 51.73 44.05 248.98 15519.5 9336.15 2396.45 0.017 0.220416 0.34836 0.38 101.19 111.35 10 47.23 39.93 178.93 11701.0 6674.46 2406.40 0.015 0.171272 0.26957 0.05 109.41 20.46
26
Tabel 4. Data pada variasi ketinggian air dalam bak destilator 0.5 cm, menggunakan reflektor dan menggunakan pendingin kaca pada hari keempat
jam ke-
Menggunakan Energy Recovery Metode Kapilaritas 28 Oktober 2015
TC TW G Pc Pw hfg qkonv quap mg md η teoritis η aktual
(°C) (°C) (W/m2) (Pa) (Pa) (kJ/kg) (kW/m2) (kW/m2) (kg/jam.m2) (kg) (%) (%) 1 31.68 30.27 355.16 2737.2 2250.36 2429.51 0.002 0.008765 0.01366 0.00 2.82 0.00 2 44.15 40.30 578.74 9404.2 6894.26 2405.51 0.006 0.068566 0.10796 0.01 13.54 1.52 3 52.18 48.74 694.76 15935.3 12921.82 2385.10 0.006 0.083800 0.13307 0.26 13.79 26.74 4 58.32 53.72 841.37 22114.9 17386.15 2372.98 0.009 0.150084 0.23955 0.51 20.39 43.09 5 57.51 54.10 755.70 21240.1 17753.02 2372.06 0.006 0.100121 0.15986 0.54 15.14 50.81 6 57.79 55.08 776.27 21539.1 18721.55 2369.66 0.004 0.075269 0.12030 0.46 11.08 42.63 7 55.54 53.80 637.19 19190.8 17463.57 2372.79 0.002 0.039397 0.06289 0.51 7.07 57.61 8 50.51 46.36 429.43 14433.2 11023.85 2390.88 0.007 0.099583 0.15775 0.43 26.51 72.37 9 43.73 36.45 194.76 9108.4 4786.81 2414.76 0.015 0.143639 0.22530 0.10 84.30 36.11 10 39.29 33.09 99.39 6299.4 3277.04 2422.80 0.012 0.092649 0.14484 0.08 106.56 55.83 Rata-rata G 536.277 Hasil Destilasi dan Rata-rata Efisiensi 2.89 18.34 38.84
27
Tabel 5. Data pada variasi ketinggian air dalam bak destilator 1 cm, menggunakan pendingin kaca dan menggunakan reflektor pada hari kelima
jam ke-
Menggunakan Energy Recovery Metode Kapilaritas 29 Oktober 2015
TC TW G Pc Pw hfg qkonv quap mg md η teoritis η aktual
(°C) (°C) (W/m2) (Pa) (Pa) (kJ/kg) (kW/m2) (kW/m2) (kg/jam.m2) (kg) (%) (%) 1 29.67 29.46 317.58 2057.7 1992.39 2431.46 0.000 0.000620 0.00097 0.00 0.22 0.00 2 38.53 38.90 536.58 5875.3 6082.94 2408.87 0.000 0.002545 0.00400 0.01 0.54 1.35 3 49.06 50.11 735.54 13185.0 14084.58 2381.77 0.001 0.016819 0.02675 0.26 2.61 25.59 4 55.61 54.30 838.35 19264.5 17957.08 2371.55 0.002 0.027166 0.04339 0.44 3.70 37.33 5 55.74 52.84 725.61 19397.6 16555.02 2375.11 0.005 0.076574 0.12211 0.56 12.06 55.46 6 55.00 51.54 733.56 18650.4 15353.16 2378.28 0.006 0.093574 0.14902 0.53 14.58 51.83 7 49.20 44.73 314.16 13306.3 9813.66 2394.83 0.008 0.103538 0.16375 0.45 37.67 104.21 8 44.44 40.28 191.15 9611.2 6882.29 2405.56 0.007 0.076572 0.12056 0.11 45.79 43.44 9 41.28 38.06 164.01 7496.9 5617.03 2410.90 0.005 0.047577 0.07474 0.02 33.16 8.87 10 38.62 34.61 82.30 5922.2 3924.76 2419.15 0.007 0.053114 0.08316 0.05 73.77 47.77
28
Tabel 6. Data pada variasi ketinggian air dalam bak destilator 0.5 cm pada hari pertama
jam ke-
Konvensional 24 Oktober 2015
TC TW G Pc Pw hfg qkonv quap mg md η teoritis η aktual
(°C) (°C) (W/m2) (Pa) (Pa) (kJ/kg) (kW/m2) (kW/m2) (kg/jam.m2) (kg) (%) (%) 1 34.78 30.56 365.89 3999.9 2344.70 2428.83 0.007 0.043516 0.06450 0.00 12.92 0.00 2 41.40 42.06 522.94 7568.9 7992.68 2401.26 0.001 0.006433 0.00964 0.03 1.34 4.55 3 48.92 56.01 667.07 13070.6 19664.47 2367.39 0.016 0.237933 0.36182 0.07 38.75 7.84 4 55.34 66.72 782.23 18990.7 32225.20 2341.01 0.031 0.593884 0.91327 0.20 82.49 18.49 5 58.58 68.81 839.11 22401.5 35047.44 2335.82 0.028 0.556960 0.85840 0.29 72.12 24.35 6 56.97 67.63 820.26 20670.4 33439.33 2338.76 0.029 0.565077 0.86981 0.19 74.85 15.95 7 53.77 66.40 540.32 17441.8 31802.68 2341.81 0.036 0.663700 1.02029 0.45 133.46 58.80 8 50.22 64.02 506.06 14177.0 28767.36 2347.69 0.040 0.681685 1.04531 0.20 146.35 28.18 9 43.13 57.22 277.81 8701.2 20927.59 2364.42 0.039 0.548603 0.83529 0.39 214.56 99.33 10 37.84 49.58 102.75 5502.1 13624.88 2383.07 0.029 0.327348 0.49451 0.19 346.14 133.22
29
jam ke-
Konvensional 25 Oktober 2015
TC TW G Pc Pw hfg qkonv quap mg md η teoritis η aktual
(°C) (°C) (W/m2) (Pa) (Pa) (kJ/kg) (kW/m2) (kW/m2) (kg/jam.m2) (kg) (%) (%) 1 35.05 29.01 381.07 4119.3 1858.80 2432.52 0.011 0.066592 0.09855 0.00 18.99 0.00 2 42.89 44.74 587.00 8539.4 9821.22 2394.81 0.002 0.027765 0.04174 0.00 5.14 0.01 3 51.34 61.86 751.30 15172.5 26145.79 2353.00 0.027 0.465494 0.71219 0.06 67.32 6.14 4 54.67 66.52 839.27 18315.0 31967.99 2341.50 0.033 0.619636 0.95268 0.26 80.22 21.70 5 53.94 64.18 777.17 17606.4 28964.75 2347.29 0.027 0.485169 0.74409 0.20 67.83 18.52 6 49.70 60.86 638.32 13732.4 24969.95 2355.47 0.029 0.482105 0.73683 0.27 82.06 30.10 7 54.58 67.85 747.40 18229.4 33729.58 2338.22 0.039 0.734268 1.13050 0.22 106.74 20.90 8 49.68 63.23 555.37 13713.9 27796.88 2349.63 0.039 0.650953 0.99736 0.31 127.35 39.57 9 45.61 57.75 314.05 10459.2 21492.04 2363.12 0.032 0.475376 0.72419 0.43 164.46 98.09 10 40.04 51.25 139.21 6737.4 15091.17 2378.99 0.028 0.336083 0.50858 0.27 262.30 136.96
30
Tabel 8. Data pada variasi ketinggian air dalam bak destilator 0.5 cm pada hari ketiga
jam ke-
Konvensional 26 Oktober 2015
TC TW G Pc Pw hfg qkonv quap mg md η teoritis η aktual
(°C) (°C) (W/m2) (Pa) (Pa) (kJ/kg) (kW/m2) (kW/m2) (kg/jam.m2) (kg) (%) (%) 1 34.55 33.04 370.35 3896.7 3259.15 2422.91 0.002 0.012004 0.01784 0.00 3.52 0.00 2 44.04 47.76 569.99 9325.2 12119.89 2387.49 0.006 0.077645 0.11708 0.00 14.80 0.19 3 52.23 65.10 718.88 15980.9 30133.95 2345.01 0.036 0.652377 1.00151 0.06 98.60 5.94 4 54.53 66.98 823.43 18181.0 32576.26 2340.36 0.035 0.665175 1.02319 0.27 87.77 22.90 5 55.14 72.22 840.54 18784.6 39890.45 2327.35 0.055 1.110039 1.71703 0.33 143.48 27.45 6 54.98 70.79 738.81 18629.5 37817.96 2330.91 0.049 0.976910 1.50880 0.40 143.66 38.51 7 52.40 68.15 573.58 16138.1 34137.98 2337.47 0.048 0.899226 1.38492 0.43 170.33 53.43 8 50.07 64.64 467.38 14049.3 29539.87 2346.16 0.043 0.738485 1.13315 0.41 171.67 61.41 9 43.66 57.53 248.98 9059.6 21261.88 2363.65 0.038 0.546290 0.83204 0.32 238.38 91.62 10 37.68 50.00 178.93 5415.8 13985.92 2382.05 0.031 0.351436 0.53113 0.14 213.39 56.73 Ratarata G 553.087 Hasil Destilasi dan Rata-rata Efisiensi 2.36 132.43 33.76
31
Tabel 9. Data pada variasi ketinggian air dalam bak destilator 0.5 cm pada hari keempat
jam ke-
Konvensional 28 Oktober 2015
TC TW G Pc Pw hfg qkonv quap mg md η teoritis η aktual
(°C) (°C) (W/m2) (Pa) (Pa) (kJ/kg) (kW/m2) (kW/m2) (kg/jam.m2) (kg) (%) (%) 1 36.08 34.20 355.16 4607.7 3743.52 2420.14 0.002 0.017690 0.02631 0.00 5.41 0.00 2 44.88 47.44 578.74 9922.1 11865.84 2388.26 0.004 0.047754 0.07198 0.01 8.96 0.63 3 49.59 56.91 694.76 13640.6 20608.11 2365.16 0.016 0.255518 0.38892 0.12 39.96 12.24 4 55.86 67.42 841.37 19517.6 33150.55 2339.29 0.032 0.617532 0.95034 0.19 79.74 16.26 5 57.42 71.75 755.70 21149.1 39196.16 2328.54 0.044 0.897981 1.38831 0.30 129.10 27.90 6 57.01 71.31 776.27 20712.3 38572.01 2329.61 0.044 0.885751 1.36877 0.37 123.97 33.09 7 56.15 70.00 637.19 19813.5 36693.72 2332.88 0.041 0.821782 1.26814 0.36 140.12 39.91 8 49.84 65.17 429.43 13852.5 30220.77 2344.84 0.046 0.795083 1.22068 0.48 201.16 79.88 9 40.30 55.53 194.76 6890.6 19183.57 2368.54 0.043 0.557867 0.84792 0.32 311.21 117.13 10 35.73 47.44 99.39 4438.5 11867.39 2388.26 0.029 0.294644 0.44414 0.17 322.10 122.56 Rata-rata G 536.27 Hasil Destilasi dan Rata-rata Efisiensi 2.32 117.62 34.18
32
Tabel 10. Data pada variasi ketinggian air dalam bak destilator 1 cm pada hari kelima
jam ke-
Konvensional 29 Oktober 2015
TC TW G Pc Pw hfg qkonv quap mg md η teoritis η aktual
(°C) (°C) (W/m2) (Pa) (Pa) (kJ/kg) (kW/m2) (kW/m2) (kg/jam.m2) (kg) (%) (%) 1 34.95 33.41 317.58 4077.0 3406.69 2422.04 0.002 0.012765 0.01897 0.00 4.37 0.00 2 41.06 45.85 536.58 7357.5 10641.88 2392.10 0.009 0.097700 0.14703 0.00 19.78 0.01 3 49.17 62.72 735.54 13285.2 27174.55 2350.89 0.038 0.639706 0.97961 0.08 94.49 7.93 4 49.25 66.03 838.35 13346.8 31330.39 2342.71 0.052 0.902288 1.38653 0.19 116.93 16.21 5 46.87 69.55 725.61 11415.8 36071.99 2333.99 0.078 1.380260 2.12895 0.35 206.67 33.57 6 46.60 72.12 733.56 11207.5 39738.51 2327.61 0.092 1.678917 2.59670 0.39 248.67 37.20 7 42.87 63.92 314.16 8526.7 28639.19 2347.94 0.068 1.060306 1.62572 0.51 366.70 114.59 8 39.79 56.19 191.15 6591.6 19850.76 2366.94 0.047 0.617325 0.93892 0.26 350.89 97.48 9 38.38 50.60 164.01 5790.5 14508.93 2380.59 0.031 0.358204 0.54169 0.14 237.30 59.85 10 34.96 46.02 82.30 4082.1 10770.11 2391.69 0.026 0.258127 0.38854 0.04 340.78 37.83 Rata-rata G 463.88 Hasil Destilasi dan Rata-rata Efisiensi 1.96 183.67 33.44
33
4.2 Hasil Penelitian
Berikut ini adalah contoh perhitungan data penelitian pada jam ke-5 hari pertama pada alat destilasi air energi surya.
1. Perhitungan hasil data alat destilasi energi surya menggunakan energy recovery metode kapilaritas dengan variasi ketinggian air dalam bak destilator 0,5 cm dan hanya menggunakan pendingin kaca (tabel 1). Menghitung pada destilator, diketahui:
Tc pada jam kelima = 57,28 oC = 330,28 K Tw pada jam kelima = 51,24 oC = 324,24 K Pc pada jam kelima = 20999,1 Pa
Pw pada jam kelima = 15081,67 Pa pada jam kelima = 0,60471 kg
pada jam kelima = 2379,02 kJ/kg
G pada jam kelima = 839,11 watt /m2 Ac pada alat destilasi = 0,9204 m2 Volume destilator = 1,932 m3 Volume kondensor pasif = 1,062 m3
Maka energi surya yang dipindahkan secara konveksi (pers. 7) :
[ ] ⁄ ( * + ⁄ ( 0,01275 kW/m2
Bagian energi surya yang digunakan untuk proses penguapan (pers.6) :
( )
( )
0,2031 ⁄
Massa uap air pada jam kelima pada kotak destilator dapat dihitung dengan persamaan:
0,307 ⁄
Massa uap air pada jam kelima pada kondensor pasif (pers. 1) :
=
= 0.01622 ⁄Massa uap air total pada jam kelima dapat dihitung pengan persamaan:
=
=
Menghitung efisiensi teoritis dan aktual alat destilasi energi surya menggunakan energy recovery metode kapilaritas (pers. 5) :
∫ ∫ 51,74 %
Dengan cara yang sama hasil penelitian destilasi air energi surya menggunakan energy recovery metode kapilaritas disajikan selengkapnya pada tabel 1 sampai tabel 5.
2. Perhitungan hasil data alat destilasi energi surya konvensional dengan variasi ketinggian air dalam bak destilator 0,5 cm (Tabel 6).
Diketahui:
Tc pada jam kelima = 58,58 oC = 331,58 K Tw pada jam kelima = 68,81 oC = 341,81 K Pc pada jam kelima = 22401,5 Pa
Pw pada jam kelima = 35047,44 Pa pada jam kelima = 0,29 kg
G pada jam kelima = 839,11 watt / Ac pada alat destilasi = 0,9204 m2
Maka energi surya yang dipindahkan secara konveksi (pers. 7) :
[ ] ⁄ ( * + ⁄ ( 0,028 ⁄
Bagian energi surya yang digunakan untuk proses penguapan (pers.6) :
( )
( )
0.5569 ⁄
Massa uap air pada jam kelima pada alat destilasi dapat dihitung dengan persamaan:
0,8584 ⁄
Menghitung efisiensi teoritis dan aktual alat destilasi energi surya konvensional (pers. 5) :
∫ ∫ 24,35 %
Dengan cara yang sama hasil penelitian destilasi air energi surya konvensional disajikan selengkapnya pada tabel 6 sampai tabel 10.
4.3 Pembahasan
Efisiensi teoritis adalah efisiensi yang didapatkan dari perbandingan antara jumlah energi yang digunakan dalam proses penguapan dibagi dengan luasan alat destilasi air energi surya dikalikan dengan radiasi surya yang datang selama waktu tertentu. Efisiensi aktual adalah efisiensi yang didapatkan dari perbandingan antara massa air hasil destilasi dalam proses penguapan dikalikan dengan panas laten air kemudian dibagi dengan luasan bak destilator dikalikan dengan jumlah radiasi surya yang datang selama waktu tertentu. Hasil dari efisiensi semua variasi dan efisiensi masing masing alat destilasi akan dilakukan pembahasan dari gambar 5 sampai dengan gambar 9.
Gambar 5. Grafik efisiensi teoritis rata-rata pada alat destilasi air energi surya menggunakan energy recovery metode kapilaritas dengan alat destilasi konvensional.
Pada alat destilasi energi surya menggunakan energy recovery metode kapilaritas dengan variasi ketinggian air dalam bak destilator 0,5 dan hanya menggunakan pendingin kaca menghasilkan efisiensi teoritis rata-rata sebesar 28,72 % dengan energi surya yang datang sebesar 542.44 watt/ . Pada alat destilasi konvensional dengan ketinggian air dalam bak destilator 0,5 menghasilkan efisiensi teoritis lebih tinggi dari pada alat destilasi energi surya menggunakan energy recovery yaitu sebesar 94,65 %. Pada variasi kedua, ketiga, keempat, dan kelimapun terjadi hal yang sama, dimana efisiensi teoritis rata-rata alat destilasi konvensional lebih tinggi dari pada alat destilasi energi surya menggunakan energy recovery. Faktor yang mempengaruhi tinggi rendahnya efisiensi teoritis adalah energi surya yang
0 100 200 300 400 500 600 700 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 ketinggian air 0,5 cm, menggunakan pendingin kaca ketinggian air 0,5 cm, tanpa pendingin kaca dan reflektor ketinggian air 0,5 cm, menggunakan reflektor ketinggian air 0,5 cm, menggunakan reflektor dan pendingin kaca ketinggian air 1 cm, menggunakan reflektor dan pendingin kaca G wat t/ m 2 η Teo ri tis (% )
datang pada saat pengambilan data dan massa uap air. Penyebab lebih rendahnya alat destilasi energi surya menggunakan energy recovery dikarenakan massa uap air yang bekerja terbagi ke dalam dua bagian, yaitu massa uap air pada bagian bak destilator dan sebagian uap air mengalir ke dalam kondensor pasif. Pada alat destilasi konvensional massa uap air hanya bekerja pada bak destilator sehingga massa uap air tinggi dan mengakibatkan efisiensi teoritis tinggi. Pada alat destilasi konvensional sedikit terjadi masalah dimana ketinggian air dalam bak destilasi seringkali berubah-ubah (tidak setabil). Hal ini jugalah yang mempengaruhi tingginya efisiensi teoritis pada alat destilasi konvensional dibandingkan dengan alat destilasi menggunakan energy recovery.
Pada grafik (Gambar 5) menunjukkan bahwa rata-rata efisiensi teoritis paling besar pada alat destilasi energi surya menggunakan energy recovery metode kapilaritas terjadi pada variasi kedua yaitu saat variasi ketinggian air dalam bak destilator 0.5 cm, tidak menggunakan pendingin kaca dan tidak menggunakan reflektor yaitu sebesar 53,36 % dengan energi surya yang datang sebesar 573,016 watt/ . Faktor utama yang mempengaruhi tingginya efisiensi teoritis tersebut adalah energi surya yang datang paling besar dari pada saat variasi lain dilakukan penelitian. Faktor lain adalah ketinggian air dalam bak destilator dimana dapat dilihat pada variasi kelima saat ketinggian air 1 cm, efisiensi teoritis yang dihasilkan sangatlah rendah yaitu sebesar 12,28 % dibandingkan dengan saat variasi pertama sampai keempat saat
ketinggian air 0,5 cm yaitu sebesar: variasi pertama 28,72 %, variasi kedua 53,36 %, variasi ketiga 34,74 %, variasi keempat 18,34 %.
Pada alat destilasi konvensional sebenarnya hanya memiliki dua variasi ketinggian air dalam bak yaitu 0,5 cm dan 1 cm, pada variasi pertama sampai keempat memiliki variasi ketinggian air dalam bak yang sama yaitu 0,5 cm dan pada variasi kelima ketinggian air dalam bak 1 cm. tujuan utama dilakukan penelitian alat destilasi konvensional adalah dijadikan pembanding. Sehingga ketinggian air dalam bak alat destilasi konvensional mengikuti ketinggian air dalam bak alat destilasi menggunakan energy recovery. Pada alat destilasi konvensional variasi pertama sampai keempat memiliki variasi ketinggian air yang sama yaitu 0.5 cm namun efisiensi teoritis yang dihasilkan berbeda-beda. Efisiensi teoritis terendah saat variasi kedua yaitu sebesar 92,05 % dengan energi surya yang datang sebesar 573,01 watt/ dan efisiensi teoritis tertinggi pada saat variasi ketiga yaitu sebesar 132,43 % dengan energi surya yang datang sebesar 553,088 watt/ . Efisiensi teoritis tertinggi pada saat variasi ketinggian air dalam bak 0,5 cm masih kalah tinggi dengan efisiensi teoritis saat ketinggian air dalam bak 1 cm yaitu sebesar 183,67% dengan energi surya yang datang sebesar 463,882 watt/ . Efisiensi mencapai lebih dari 100 % dikarenakan bak air destilator kering sehingga menyebabkan temperatur tinggi. Temperatur tinggi menyebabkan tekanan parsial uap air pada temperatur kaca dan tekanan parsial uap air pada temperatur air tinggi karena sifat dalam mencari tekanan parsial adalah kuadratik.
Perbedaan hasil efisiensi teoritis dengan variasi ketinggian air yang sama dan lebih tingginya efisiensi teoritis pada saat ketinggian air dalam bak 1 cm dari pada saat ketinggian air dalam bak 0,5 cm disebabkan oleh perbedaan energi surya yang datang saat pengambilan data. Faktor lain yang sangat mempengaruhi efisiensi teoritis alat destilasi konvensional adalah terjadinya ketidakstabilan ketinggian air dalam bak destilasi yaitu seringkali air di dalam bak destilasi mengalami kenaikan ataupun penurunan ketinggian dan harus di atur kebali agar ketinggian air sesuai dengan yang diinginkan. Hal inilah yang mempengaruhi besarnya efisiensi teoritis pada variasi kelima. Walaupun energi surya yang datang itu rendah, ketidakstabilan ketinggian air dalam bak destilasi itulah yang berpengaruh besar terjadinya efisiensi yang tinggi.
Gambar 6. Grafik efisiensi aktual rata-rata pada alat destilasi air energi surya menggunakan energy recovery metode kapilaritas dengan alat destilasi konvensional. 0 100 200 300 400 500 600 700 0 10 20 30 40 50 60 ketinggian air 0,5 cm, menggunakan pendingin kaca ketinggian air 0,5 cm, tanpa pendingin kaca dan reflektor ketinggian air 0,5 cm, menggunakan reflektor ketinggian air 0,5 cm, menggunakan reflektor dan pendingin kaca ketinggian air 1 cm, menggunakan reflektor dan pendingin kaca G w att/ m 2 η akt u al ( % )
