commit to user
PENGARUH LAJU ALIRAN VOLUMETRIK AIR LAUT
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 :
SEPTIAN NUGRAHA NIM. I0406051
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
commit to user
PENGARUH LAJU ALIRAN VOLUMETRIK AIR LAUT
TERHADAP UNJUK KERJA
UNIT DESALINASI BERBASIS
POMPA KALOR DENGAN MENGGUNAKAN PROSES
HUMIDIFIKASI DAN DEHUMIDIFIKASI
Disusun oleh : Septian Nugraha
NIM. I0406051
Dosen Pembimbing I Dosen Pembimbing II
Tri Istanto, ST., MT Wibawa Endra J., ST., MT NIP. 197308202000121001 NIP. 197009112000031001 Telah dipertahankan di hadapan Tim Dosen Penguji pada hari Jumat tanggal 17 Desember 2010
1. Eko Prasetyo B., ST.,MT ………
NIP. 197109261999031002
2. Muhammad Nizam., ST.,MT., Ph D. ... NIP.197007201999031001
3. Rendhy Adhi Rachmanto., ST, MT ………... NIP. 197101192000031001
Mengetahui:
Ketua Jurusan Teknik Mesin Koordinator Tugas Akhir
Dody Ariawan, ST, MT Wahyu Purwo Raharjo, ST., MT NIP . 197308041999031001 NIP. 197202292000121001
commit to user
PERSEMBAHAN
Kepada mereka yang telah berjasa dalam kehidupanku, kepada mereka aku persembahkan hasil keringat dan kerja kerasku ini yaitu sebuah skripsi yang akan menjadi karya terbesarku selama menempuh jenjang pendidikan S-1 . Mereka adalah :
1. Allah SWT dan Nabi Besar Muhammad SAW.
2. Bapak Koesmartanto dan Ibu Djudjuk Andarwati tercinta, karena beliaulah penulis terlahir di dunia dengan segala kelebihan dan kekurangannya, terima kasih atas segala kasih sayang yang engkau curahkan dan doa yang selalu engkau panjatkan serta restu yang selalu engkau berikan untukku.
3. Adik - Adikku tersayang ( Okky Dwi Cahya Kusuma dan Noval Putranto ) kalian adalah adik – adik yang aku banggakan.
4. My love, Dina Permatasari. You are my “ everything “.
5. Semua orang yang dekat dan kenal dengan penulis (mereka yang pernah bersama memberi pengalaman yang berarti dalam kehidupan penulis).
commit to user
MOTTO
“ …Sesungguhnya Allah tidak akan mengubah keadaan sesuatu kaum
sehingga mereka mengubah keadaan yang ada pada diri mereka
sendiri…”
(Ar- Ra’d)
“ Karena sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan.
Sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan “
(Al – Insyirah : 5 – 6)
“ Enjoy your life because life is only a one time “
(Septian N.)
“Jadi orang itu tidak perlu banyak tahu, yang penting banyak ngerti.”
(Wibawa E.J.)
“ Don't worry about a thing,
'Cause everything gonna be all right. “
(Bob Marley)
“ Kenanglah sahabat kita untuk slamanya “
(Bondan Prakoso)
“Tidak penting berapa kali kita gagal, yang paling penting berapa kali
kita bangkit dari kegagalan”
(Abraham Lincoln)
“ Kebersamaan merupakan ikatan keluarga yang tak tergoyahkan “
(Solidarity M Forever)
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 Dody Ariawan, ST., MT., selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin UNS Surakarta.
2. Bapak Tri Istanto, ST., MT, selaku Pembimbing I atas bimbingan dan ilmu yang bermanfaat hingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. 3. Bapak Wibawa Endra Juwana, ST. MT., selaku Pembimbing II yang
telah turut serta memberikan bimbingan yang berharga bagi penulis. 4. Bapak Wibowo, ST., MT, dan bapak Tri Istanto, ST., MT, selaku
Pembimbing Akademis yang telah menggantikan sebagai orang tua penulis dalam menyelesaikan studi di Universitas Sebelas Maret ini. 5. Bapak Wahyu Purwo Raharjo, ST., MT., selaku koordinator Tugas
Akhir
6. Seluruh Dosen serta Staff di Jurusan Teknik Mesin UNS, yang telah turut serta mendidik penulis hingga menyelesaikan studi S1.
7. Kedua orang tuaku tercinta (Koesmartanto dan Djudjuk Andarwati) 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. 8. Adik - adikku yang sangat aku sayangi (Okky Dwi Cahya K dan Noval
Putranto) terima kasih atas doa dan dukungannya. 9. My love, Dina Permatasari. Thanks for “everything”.
commit to user
ix
10. Rekan Seperjuangan Tomi (Gito), Edy (Ged), Adin (Sinyo) yang telah bersama sama mengerjakan penelitian ini dalam suka maupun duka, terima kasih yang tak terkira atas bantuan, semangat, canda tawa dari kalian semua.
11. Rekan rekan Teknik Mesin semua, khususnya angkatan 2006 terima kasih atas kebersamaan selama ini.
12. 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,26 November 2010
commit to user
x
DAFTAR ISI
Halaman
Abstrak ... vi
KATA PENGANTAR ... viii
Daftar Isi ... x
Daftar Tabel ... xii
Daftar Gambar ... xiii
Daftar Persamaan ... xv
Daftar Notasi ... xvi
Daftar Lampiran ... xvii
BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Masalah ... 1
1.2. Perumusan Masalah ... 2
1.3. Batasan Masalah ... 3
1.4. Tujuan dan Manfaat Penelitian ... 4
1.5. Sistematika Penulisan ... 4
BAB II LANDASAN TEORI 2.1. Tinjauan Pustaka ... 5
2.2. Dasar Teori ... 6
2.2.1. Desalinasi (Desalination) ... 6
2.2.2. Teknologi desalinasi ... 6
2.2.3. Pompa kalor ( heat pump ) ... 15
2.2.4. Siklus Kompresi Uap Standar ... 17
2.2.5. Siklus Kompresi Uap Aktual ... 19
2.2.6. Psikrometrik ... 21
2.2.6.1. Proses-proses yang terjadi pada udara dalam diagram psikrometrik ... 23
2.2.6.1.1. Pemanasan (heating) ... 23
2.2.6.1.2. Pendinginan (cooling) ... 23
2.2.6.1.3. Humidifikasi ... 24
2.2.6.1.4. Dehumidifikasi ... 27
BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1. Lokasi Penelitian ... 30 3.2. Bahan Penelitian ... 30 3.3. Alat Penelitian ... 30 3.4. Peralatan Pendukung ... 44 3.5. Prosedur Penelitian ... 47 3.4.1. Tahap Persiapan ... 48 3.4.2. Tahap Pengujian ... 48 3.6. Analisis Data ... 49
3.7. Diagram Alir Penelitian ... 50
BAB IV DATA DAN ANALISIS 4.1. Data Penelitian ... 51
4.1.1. Data temperatur dan tekanan pada sistem ... 52
4.1.2. Data volume air tawar yang dihasilkan untuk seluruh laju aliran volumetrik air laut ... 53
commit to user
xi
4.1.3. Proses yang terjadi pada unit desalinasi berbasis pompa kalor menggunakan proses humidifikasi dan
dehumidifikasi ... 53
4.1.4.Menghitung COP˺.1 ˺ ... 55
4.1.5. Perhitungan volume air tawar yang dihasilkan ... 57
4.1.6. Perhitungan penambahan massa uap total setelah melewati humidifier ... 60
4.2. Analisis Data ... 61
4.2.1. Pengaruh laju aliran volumetrik air laut terhadap produksi air tawar yang dihasilkan ... 61
4.2.2. Pengaruh laju aliran volumetrik air laut terhadap ư Ɗ . 63 BAB V PENUTUP 5.1. Kesimpulan ... 65
5.2. Saran ... 65
DAFTAR PUSTAKA ... 66
commit to user
xii
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 3.1. Hasil pengujian kadar garam air laut yang digunakan ... 30
Tabel 3.2. Spesifikasi pompa Moswell Model 125C ... 38
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. Volume air tawar yang dihasilkan untuk seluruh variasi laju aliran volumetrik... 53
Tabel 4.4. Data proses humidifikasi dan dehumidifikasi pada menit ke-20 variasi laju aliran volumetrik 100 l/jam ... 54
Tabel 4.5. COPaktual untuk variasi laju aliran volumetrik air laut 100 l/jam ... 56
Tabel 4.6. COPaktualuntuk seluruh variasi laju aliran volumetrik air laut ... 57
Tabel 4.7. Volume air tawar hasil perhitungan untuk variasi laju aliran volumetrik 100 l/jam ... 59
Tabel 4.8. Volume air tawar hasil perhitungan untuk seluruh laju aliran volumetri air laut ... 59
Tabel 4.9. Penambanhan massa uap total setelah melewati humidifier untuk seluruh laju aliran volumetrik air laut ... 61
Tabel 4.10. Pengurangan massa uap total setelah melewati dehumidifier untuk seluruh variasi laju aliran volumetrik air laut ... 61
commit to user
xiii
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1. Multi-stage flash distillation ... 8
Gambar 2.2. Penyulingan multi-efek ... 10
Gambar 2.3. Penyulingan dengan tekanan uap ... 11
Gambar 2.4. Desalinasi dengan osmosis balik ... 12
Gambar 2.5. Desalinasi dengan penguapan efek tunggal ... 13
Gambar 2.6. Desalinasi dengan humidifikasi dan dehumidifikasi ... 13
Gambar 2.7. Sistem desalinasi dengan humidifikasi dan dehumidifikasi berbasis pompa kalor ... 14
Gambar 2.8. Humidifier ... 15
Gambar 2.9. Kemungkinan kombinasi dari sistem RE untuk diaplikasikan ke sistem desalinasi ... 16
Gambar 2.10. Siklus dasar pompa kalor ... 16
Gambar 2.11. Komponen pompa kalor pada proses pemanasan ... 17
Gambar 2.12. Komponen pompa kalor pada proses pendinginan ... 17
Gambar 2.13. Siklus kompresi uap standar ... 18
Gambar 2.14. Siklus kompresi uap aktual dan standar ... 20
Gambar 2.15. Diagram psikrometrik ... 21
Gambar 2.16. Proses pemanasan udara dalam diagram psikrometrik ... 23
Gambar 2.17. Proses pendinginan udara dalam diagram psikrometrik ... 23
Gambar 2.18. Proses humidifikasi ... 24
Gambar 2.19. Proses humidifikasi dalam diagram psikrometrik ... 24
Gambar 2.20. Proses heating and humidification dalam diagram psikrometrik . 25 Gambar 2.21. Proses cooling and humidification dalam diagram psikrometrik . 25 Gambar 2.22. Proses dehumidifikasi ... 27
Gambar 2.23. Proses dehumidifikasi dalam diagram psikrometrik ... 27
Gambar2.24. Proses heating and dehumidification dalam diagram psikrometrik ... 28
Gambar2.25. Proses cooling and dehumidification dalam diagram 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 ... 34
Gambar 3.7. Receiver ... 34
Gambar 3.8. Katup ekspansi ... 35
Gambar 3.9. Evaporator ... 35
Gambar 3.10. Motor listrik 3 HP ... 35
Gambar 3.11. Pressure gauge ... 36
Gambar 3.12. Humidifier ... 36
commit to user
xiv
Gambar 3.14. Sprinkler ... 37
Gambar 3.15. Fan aksial ... 37
Gambar 3.16. Pompa sentrifugal ... 38
Gambar 3.17. Thermokopel tipe T ... 38
Gambar 3.18. Pemasangan termokopel tipe T pada pipa ... 39
Gambar 3.19. Display Termokopel ... 39
Gambar 3.20. Flowmeter refrigerant ... 40
Gambar 3.21. Thermostat ... 40
Gambar 3.22. Thermostat kompresor ... 40
Gambar 3.23. Relay atau kontaktor ... 41
Gambar 3.24. Thermometer ... 41
Gambar 3.25. Power supply swithcing ciruit ... 41
Gambar 3.26. Timbangan digital ... 42
Gambar 3.27. Stopwatch ... 42
Gambar 3.28. Gelas ukur ... 42
Gambar 3.29. Pemanas air elektrik ... 43
Gambar 3.30. Bak penampung air laut ... 43
Gambar 3.31. Bak penampung air tawar (fresh water tank) ... 43
Gambar 3.32. Katup bola (ball valve) ... 44
Gambar 3.33. Rotameter ... 44
Gambar 3.32. Alat Pendukung Dalam Sistem Desalinasi ... 45
Gambar 4.1. Data temperatur udara pada menit ke 20 variasi laju aliran volumetrik air laut 100 l/jam ... 51
Gambar.4.2. Data temperatu dan tekanan sistem pompa kalor pada menit ke 20 variasi laju aliran volumetrik air laut 100 l/jam ... 52
Gambar 4.3. Proses humidifikasi dan dehumidifikasi pada menit ke-20 variasi laju aliran volumetrik air laut 100 l/jam ... 54
Gambar 4.4. Diagram p-h siklus aktual ... 55
Gambar 4.5 Grafik akumulasi produksi air tawar terhadap waktu dengan variasi laju aliran volumetrik air laut ... 62
Gambar 4.6. Grafik penambahan massa uap air total terhadap waktu dengan variasi laju aliran volumetrik air laut ... 63
Gambar 4.7 Grafik COP HP aktual terhadap waktu dengan variasi laju aliran volumetrik air laut ... 64
commit to user
xv
DAFTAR PERSAMAAN
Halaman
Persamaan (2.1)COP ideal Heat Pump ... 18
Persamaan (2.2) COP aktual Heat Pump ... 20
Persamaan (2.3) Laju aliran massa refrigeran aktual ... 20
Persamaan (2.4) Kapasitas panas yang dilepas ... 20
Persamaan (2.5) Kenaikan entalpi udara spesifik ... 26
Persamaan (2.6) Kenaikan entalpi udara total ... 26
Persamaan (2.7) Penambahan kadar uap air (moisture content) ... 26
Persamaan (2.8) Penambahan massa uap air total (moisture content) ... 26
Persamaan (2.9) Jumlah kalor yang dilepas selama proses ... 26
Persamaan (2.10) laju aliran massa uap air ... 26
Persamaan (2.11) entalpi spesifik dari uap air ... 26
Persamaan (2.12) Penurunan entalpi udara ... 29
Persamaan (2.13) Penurunan kadar uap air (moisture content) ... 29
Persamaan (2.14) Jumlah kalor yang dilepas udara selama proses ... 29
Persamaan (2.15) Laju aliran massa udara ... 29
commit to user
xvi
DAFTAR NOTASI
A = luas penampang saluran (m2)
COPaktual = koefisien prestasi aktual
COPHP = koefisien prestasi ideal
ℎF = entalpi spesifik dari uap air (kJ/kg)
ℎ = entalpi refrigeran keluar evaporator (kJ/kg)
ℎ = entalpi udara masuk humidifier (kJ/kg)
ℎ = entalpi udara keluar humidifier (kJ/kg)
h2 = entalpi gas refrigeran pada tekanan keluar kompresor (kJ/kg)
ℎ = entalpi refrigeran masuk kondensor (kJ/kg)
h3 = entalpi refrigeran pada tekanan keluar kondensor (kJ/kg)
ℎ = entalpi udara keluar dehumidifier (kJ/kg)
= laju aliran massa udara (kg/s)
ƦƼ = laju aliran massa refrigeran (kg/s)
F = 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)
= rasio kelembaban udara keluar humidifier (kg uap air/kg udara kering)
ΔH = kenaikan entalpi udara total (kJ/kg)
Δh = kenaikan entalpi udara spesifik (kJ/kg)
Δw = penambahan kadar uap air (kg uap air/kg udara kering)
ΔW = penambahan massa uap air total (kg/s)
= densitas refrigeran
(kg/m3)
= massa jenis udara
(kg/m3)
= periode
commit to user
xvii
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman LAMPIRAN 1. DATA VARIASI LAJU ALIRAN VOLUMETRIK AIR
LAUT 100 L/JAM ... 68 Tabel 1. Data sistem heat pump... 68 Tabel 2. Perhitungan COP hp aktual ... 68 Tabel 3. Data pencatatan produksi air aktual dan temperatur udara di
dalam duct ... 69 Tabel 4. Volume air tawar hasil perhitungan ... 69 Gambar 1. Proses humidifikasi dan dehumidifikasi yang terjadi pada
variasi laju aliran volumetrik 100 l/jam ... 70 Tabel 5. Penambahan massa uap total ... 70 LAMPIRAN 2. DATA VARIASI LAJU ALIRAN VOLUMETRIK AIR
LAUT 150 L/JAM ... 71 Tabel 6. Data sistem heat pump ... 71 Tabel 7. Perhitungan COP hp aktual ... 71 Tabel 8. Data pencatatan produksi air aktual dan temperatur udara di
dalam duct ... 72 Tabel 9. Volume air tawar hasil perhitungan ... 72 Gambar 2. Proses humidifikasi dan dehumidifikasi yang terjadi pada
variasi laju aliran volumetrik 150 l/jam ... 73 Tabel 10. Penambahan massa uap total ... 73 LAMPIRAN 3. DATA VARIASI LAJU ALIRAN VOLUMETRIK AIR
LAUT 200 L/JAM ... 74 Tabel 11. Data sistem heat pump ... 74 Tabel 12. Perhitungan COP hp aktual ... 74 Tabel 13. Data pencatatan produksi air aktual dan temperatur udara di
dalam duct ... 75 Tabel 14. Volume air tawar hasil perhitungan ... 75 Gambar 3. Proses humidifikasi dan dehumidifikasi yang terjadi pada
variasi laju aliran volumetrik 200 l/jam ... 76 Tabel 15. Penambahan massa uap total ... 76 LAMPIRAN 4. DATA VARIASI LAJU ALIRAN VOLUMETRIK AIR LAUT 250 L/JAM ... 77
Tabel 16. Data sistem heat pump ... 77 Tabel 17. Perhitungan COP hp aktual ... 77 Tabel 18. Data pencatatan produksi air aktual dan temperatur udara di
dalam duct ... 78 Tabel 19. Volume air tawar hasil perhitungan ... 78 Gambar 3. Proses humidifikasi dan dehumidifikasi yang terjadi pada
variasi laju aliran volumetrik 250 l/jam ... 79 Tabel 20. Penambahan massa uap total ... 79
commit to user
vi
Pengaruh Laju Aliran Volumetrik Air Laut Terhadap Unjuk Kerja Unit Desalinasi Berbasis Pompa Kalor Dengan Menggunakan Proses
Humidifikasi dan Dehumidifikasi
Septian Nugraha
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret
Surakarta, Indonesia E-mail: yant_bullet@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. Pada unit ini evaporator dari pompa kalor digunakan untuk proses dehumidifikasi yang akan menghasilkan air tawar dari udara yang telah ditambah kelembabannya dalam humidifier dengan semburan air laut melalui sprinkler. Pada penelitian ini menguji pengaruh laju aliran volumetrik air laut terhadap unjuk kerja unit desalinasi berbasis pompa kalor dengan menggunakan proses humidifikasi dan dehumidifikasi. Pada penelitian ini laju aliran volumetrik air laut divariasikan sebesar 100 l/jam, 150 l/jam, 200 l/jam, dan 250 l/jam, temperatur air laut dikondisikan pada temperatur konstan sebesar 45oC, dan temperatur lingkungan dijaga konstan. Kompresor dioperasikan pada putaran konstan sebesar 1.200 rpm, temperatur udara dijaga sebesar 28°C, dan air laut dalam sistem ini disirkulasi ulang. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa volume produksi air tawar meningkat seiring dengan peningkatan laju aliran volumetrik air laut yang diumpankan pada unit desalinasi ini.
commit to user
vii
The Effect of Volumetric Flow Rate of Sea Water on The Performance of Desalination Unit Based on Heat Pump With Using Humidification and
Dehumidification Processes
Septian Nugraha
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret
Surakarta, Indonesia E-mail: yant_bullet@yahoo.com
Abstract
Desalination unit based on heat pump by using humidification and dehumidification processes is one of the applications of the heat pump systems, with addition of a humidifier, sprinkler and evaporator (dehumidifier) that integrated in a duct. In this unit, an evaporator of heat pump is used for dehumidification process which produce fresh water from the humidifier with the spray of sea water through the sprinkler. The examined the effect of volumetric flow rate of sea water on the performance of desalination unit based on heat pump operated by using humidification and dehumidification processes. The volumetric flow rate of sea water is varied at 100 l/h, 150 l/h, 200 l/h and 250 l/h, sea water temperature is conditioned at a constant temperature of 45oC, and ambient temperature is maintained at 24 oC . Compressor has operated at a constant rotation of 1,200 RPM, the air temperature is maintained at 28 oC, and sea water in this system is recirculated. The result showed that the volume of fresh water production is increased with increasing the volumetric flow rate of sea water inlet into the system of this desalination unit.
commit to user
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Masalah
Laju konsumsi air bersih di dunia meningkat dua kali lipat setiap 20 tahun, melebihi dua kali laju pertumbuhan manusia. Beberapa pihak memperhitungkan bahwa pada tahun 2025, permintaan air bersih akan melebihi persediaan hingga mencapai 56%. Kekurangan air bersih dapat berpengaruh terhadap banyak hal, di antaranya dapat mengurangi pembangunan ekonomi dan menurunkan standar hidup manusia. Hal ini menunjukkan bahwa dunia membutuhkan suatu cara untuk meningkatkan persediaan air bersih. Salah satu sumber yang berpotensi dijadikan sumber air bersih adalah air laut.
Di sisi lain, perkembangan sains dan teknologi saat ini berkembang dengan pesat. Salah satu teknologi pemenuhan kebutuhan air tawar adalah dengan teknologi desalinasi. Desalinasi adalah proses pemisahan yang digunakan untuk mengurangi kandungan garam terlarut dari air garam hingga level tertentu sehingga air dapat digunakan. Proses penyulingan air laut menjadi air tawar ini telah menjadi salah satu alternatif untuk penyediaan air tawar, dikarenakan jumlah air laut di muka bumi yang melimpah. Desalinasi juga merupakan salah satu teknologi yang diperlukan untuk pembangkit tenaga (power plant) di tepi laut untuk memenuhi kebutuhan air tawar umpan (feed water) boiler atau proses lain. Salah satu contoh perkembangan teknologi desalinasi untuk saat ini adalah dengan menggunakan sistem refrigerasi.
Teknologi refrigerasi sangat erat hubungannya dengan kehidupan modern, bukan hanya pada sisi peningkatan kualitas dan kenyamanan hidup, namun juga menyentuh hal-hal esensial penunjang kehidupan manusia. Aplikasi sistem refrigerasi saat ini meliputi bidang yang sangat luas, mulai dari keperluan rumah tangga, pertanian, sampai ke industri gas, petrokimia, perminyakan, dan sebagainya. Berbagai jenis mesin refrigerasi yang bekerja berdasarkan berbagai proses dan siklus dapat ditemui dalam kehidupan sehari-hari. Mesin refrigerasi yang paling banyak digunakan saat ini adalah mesin refrigerasi siklus kompresi uap. Mesin refrigerasi yang bekerja sebagai pendingin biasanya disebut sebagai
commit to user
refrigerator sedangkan pada saat bekerja sebagai pemanas disebut sebagai pompa
kalor (heat pump).
Unit desalinasi berbasis pompa kalor dengan menggunakan proses humidifikasi dan dehumidifikasi merupakan salah satu aplikasi dari sistem pompa kalor, dengan penambahan humidifier, sprinkler dan kolektor surya yang menyatu di dalam suatu duct bersama dengan evaporator (dehumidifier). Pada unit ini evaporator digunakan untuk proses dehumidifikasi yang akan menghasilkan air tawar dari udara yang telah ditambah kelembabannya dalam humidifier dengan semburan air laut yang telah dipanaskan sebelumnya melalui sprinkler. Beberapa faktor yang mempengaruhi produksi air bersih pada desalinasi dengan menggunakan proses humidifikasi dan dehumidifikasi berbasis pompa kalor adalah laju aliran air laut yang diumpankan, temperatur air laut yang diumpankan, dan temperatur udara. Pengaruh peningkatan laju aliran volumetrik air laut yang diumpankan memberikan hasil yang signifikan seiring dengan peningkatan produktivitas air tawar yang dihasilkan (Yuan Guofeng, 2005; Gao P, 2008).
Perencanaan unit desalinasi yang baik sangat membantu untuk mengoptimalkan unjuk kerja dari unit desalinasi tersebut. Untuk itu diperlukan suatu penelitian untuk mempelajari unjuk kerja unit desalinasi tersebut. Penelitian ini menguji pengaruh laju aliran volumetrik air laut terhadap unjuk kerja unit desalinasi berbasis pompa kalor dengan menggunakan proses humidifikasi dan dehumidifikasi.
1.2 Perumusan Masalah
Bagaimanakah pengaruh laju aliran volumetrik air laut 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. Refrigeran yang digunakan dalam pengujian ini adalah HFC-134a.
2. Laju aliran volumetrik air laut divariasikan sebesar 100 ltr/jam, 150 ltr/jam, 200 ltr/jam, dan 250 ltr/jam.
commit to user
3. Pengujian menggunakan unit desalinasi berbasis pompa kalor dengan menggunakan proses humidifikasi dan dehumidifikasi, yang terdiri dari: · Motor 3 phase
· Kompresor torak (reciprocating compressor) · Kondensor
· Receiver
· Katup ekspansi (Thermal Expansion Valve) · Evaporator
· Humidifier
· Flowmeter/rotameter refrigeran · Flowmeter/rotameter air laut · Tangki air laut
· Tangki air bersih · Pompa sentrifugal · Sprinkler
· Fan aksial · Lampu halogen
· Penerus daya motor listrik · Pemanas air
· Thermocontroler
4. Humidifier yang digunakan terbuat dari aluminium dengan dimensi 37 cm x 30 x 30 cm yang disusun secara sejajar sebanyak 60 buah dengan jarak antar plat 5 mm dan sudut elevasi 450 tiap gelombangnya.
5. Kondensor yang digunakan berjumlah 2 buah memiliki dimensi 58 cm x 3 cm x 36 cm.
6. Evaporator yang digunakan berjumlah 2 buah dan disusun secara paralel 7. Humidifier, evaporator dan fan aksial berada di dalam suatu saluran (duct) 8. Dinding ruang pemanas udara dari bahan aluminium yang dicat hitam. 9. Dimensi pemanas udara : panjang 90 cm, lebar 51 cm dan tinggi 51 cm. 10. Parameter yang dibuat konstan adalah putaran kompresor sebesar 1300 rpm,
temperatur air laut sebesar 45 º C.
11. Air laut dalam sistem ini disirkulasi ulang. 12. Penelitian dilakukan pada temperatur kamar.
commit to user
1.4 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 laju aliran volumetrik air laut terhadap unjuk kerja unit desalinasi berbasis pompa kalor dengan menggunakan proses humidifikasi dan dehumidifikasi.
Hasil penelitian yang diperoleh 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 khususnya di Indonesia.
1.5 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 unit desalinasi berbasis pompa kalor dengan menggunakan proses humidifikasi dan dehumidifikasi , teori desalinasi, teknologi 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.
commit to user
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Tinjauan Pustaka
Yuan Guofeng et al (2005) melakukan penelitian tentang sebuah unit desalinasi yang juga dapat berfungsi sebagai unit pengkondisian udara. Pada penelitian ini mengggunakan proses humidifikasi dan dehumidifikasi serta memanfaatkan sistem pompa kalor. Dari penelitian didapatkan hasil bahwa produksi air tawar meningkat seiring dengan meningkatnya laju aliran massa dan temperatur air laut yang diumpankan, dan volume air laut dalam tangki akan berpengaruh pada awal proses.
Gao P, dkk (2008) melakukan penelitian mengenai sebuah unit desalinasi yang digabungkan dengan unit pengkondisian udara. Penelitian ini menggunakan kerja pompa kalor dengan memanfaatkan panas dari kondensor untuk memanaskan udara, dan suhu permukaan evaporator yang rendah untuk menghasilkan air tawar, serta pre-condenser untuk pemanasan awal air laut sekaligus pendingin udara. Dari penelitian tersebut diperoleh hasil bahwa laju aliran massa air laut dan suhu air laut memiliki efek yang signifikan terhadap air tawar yang dihasilkan. Jika laju aliran massa air laut tinggi dan suhunya tinggi maka jumlah air tawar yang dihasilkan menjadi lebih banyak.
Yamali C. dan Solmus I. (2008) melakukan studi eksperimental mengenai sistem desalinasi menggunakan proses humidifikasi dan dehumidifikasi dengan bantuan kolektor surya (solar collector). Unit ini terdiri dari pemanas udara surya plat datar dua laluan dengan cover 2 kaca (double-pass flat plate solar air heater
with two glass covers), humidifier, tangki penyimpanan air dan dehumidifying exchanger. Dari penelitian tersebut diperoleh hasil bahwa peningkatan temperatur
udara yang masuk ke humidifier dapat meningkatkan produksi air tawar dari sistem tersebut.
Amer E. H et al (2009) meneliti secara eksperimen dan secara teoritis unit desalinasi menggunakan 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.
commit to user
2.2 Dasar Teori 2.2.1 Desalinasi
Desalinasi adalah proses pemisahan yang digunakan untuk mengurangi kandungan garam terlarut dari air garam hingga level tertentu sehingga air dapat digunakan. Proses desalinasi melibatkan tiga aliran cairan, yaitu umpan berupa air garam (misalnya air laut), produk bersalinitas rendah, dan konsentrat bersalinitas tinggi. Produk proses desalinasi umumnya merupakan air dengan kandungan garam terlarut kurang dari 500 mg/l, yang dapat digunakan untuk keperluan domestik, industri, dan pertanian. Hasil sampingan dari proses desalinasi adalah
brine. Brine adalah larutan garam berkonsentrasi tinggi (lebih dari 35.000 mg/l
garam terlarut).
Beberapa teknologi desalinasi air laut telah dikembangkan selama beberapa dekade terakhir untuk menambah pasokan air tawar di daerah kering di dunia. Karena kendala biaya pada proses desalinasi yang tinggi, banyak negara tidak mampu membeli teknologi tersebut sebagai sumber air tawar. Namun, peningkatan penggunaan teknologi desalinasi air laut telah menunjukkan bahwa desalinasi air laut adalah sumber air yang layak dan bebas dari variasi curah hujan.
2.2.2 Teknologi desalinasi
Hingga saat ini telah dikembangkan berbagai macam teknologi desalinasi yang berbasis pada distilasi termal (thermal distillation), pemisahan dengan menggunakan osmosis balik (reverse osmosis), pembekuan (freezing), elektrodialisis (electrodyalisis), dan lain-lain. Saat ini teknologi yang banyak digunakan pada proses desalinasi adalah desalinasi yang berbasis pada multi stage
flash (MSF), dan reverse osmosis (RO). Pada tahun 1999 sekitar 78% air tawar
hasil proses desalinasi dihasilkan melalui desalinasi menggunakan multi stage
flash, 10% dihasilkan melalui reverse osmosis. Namun saat ini desalinasi
menggunakan reverse osmosis mulai mengalami peningkatan dalam penggunaannya. Ini karena desalinasi menggunakan reverse osmosis memerlukan biaya yang lebih rendah dan menggunakan teknologi yang lebih sederhana. Beberapa teknologi desalinasi yang telah dikembangkan saat ini adalah:
commit to user a. Multi-stage flash distillation:
Proses desalinasi menggunakan multi stage flash (MSF) berdasarkan pada prinsip penguapan cepat (flash evaporation). Pada proses desalinasi menggunakan MSF, air laut diuapkan dengan cara menurunkan tekanan dan di sisi lain menaikkan temperatur dari air laut tersebut. Sistem ini terdiri dari beberapa ruang (flash chamber) yang disebut tingkat (stage), penukar kalor (heat exchanger) yang berfungsi sebagai pemanas awal air laut dan juga berfungsi untuk mengembunkan uap air laut, pemanas (heater) yang berfungsi untuk memanaskan air laut setelah melewati penukar kalor. Air laut yang bertemperatur rendah dipompakan melewati penukar kalor untuk mendapatkan pemanasan awal. Setelah melewati penukar kalor, air laut yang telah mengalami pemanasan awal tadi lalu menuju pemanas untuk mendapatkan panas lanjut agar mencapai temperatur kerja yang diinginkan (90 – 120)°C. Orifices dan baffles yang dipasang diantara tingkat berguna untuk menurunkan tekanan sehingga air laut tetap dapat mencapai titik didihnya pada tingkat berikutnya.
Gambar 2.1. Multi-stage flash distillation
Uap air kemudian mengalami pendinginan dan pengembunan oleh penukar kalor yang didalamnya dilewati air laut yang bersuhu rendah. Air laut yang belum menguap kemudian diteruskan menuju tingkat berikutnya diikuti dengan penurunan tekanan sehingga air laut tersebut dapat kembali mendidih tanpa mengalami pemanasan kembali. Dan proses ini terus berulang hingga tingkat yang terakhir. Energi yang digunakan untuk memanaskan air laut pada sistem ini adalah uap panas yang berasal dari sebuah pembangkit daya.
commit to user b. Multiple-effect distillation
Penyulingan multi-efek (MED) adalah metode desalinasi tertua dan sangat efisien secara termodinamika. Pada proses ini air laut yang diumpankan dapat menguap beberapa kali tanpa ada penambahan panas lagi setelah efek pertama. Air laut memasuki efek pertama dan menguap sebagai akibat dari kenaikan suhu yang mencapai titik didihnya. Kenaikan suhu ini terjadi setelah air laut mengalami kontak dengan uap panas yang ada dalam pipa penukar kalor pada efek pertama. Uap panas ini akan disalurkan ke dalam pipa-pipa uap. Pipa uap panas ini selanjutnya akan menuju ke bagian bawah dan akan mengalami kontak kembali dengan air laut sisa dari efek pertama yang akan menguapkan kembali air laut tersebut. Uap ini akan masuk ke dalam pipa penyalur panas menyatu dengan uap panas hasil efek pertama. Begitu seterusnya sampai air laut telah dingin sehingga tidak menguap kembali dan akan digunakan untuk mengkondensasikan uap air yang ada pada pipa uap tadi. Hasil kondensasi uap air inilah yang akan menjadi produk (air tawar) dalam sistem ini.
Gambar 2.2. Penyulingan multi-efek
Beberapa unit MED yang telah dibuat, beroperasi dengan suhu air laut dalam efek pertama sekitar 70°C, hal ini dapat mengurangi pembentukan kerak dari air laut, tetapi dibutuhkan daerah transfer panas tambahan dalam bentuk tabung. Konsumsi daya dari unit MED lebih rendah dari unit MSF, dan rasio kerja MED lebih tinggi dari MSF. Oleh karena itu MED lebih efisien daripada MSF dari segi termodinamika dan perpindahan panas.
commit to user
c. Penyulingan dengan tekanan uap (vapor compression distillation)
Dalam proses VCD, panas untuk menguapkan air laut berasal dari kompresi uap. Pemanas air elektrik digunakan untuk pemanasan awal pada ruang penguapan (boiling chamber). Uap air hasil pemanasan akan dikompresi dalam kompresor sehingga temperatur uap air tersebut naik. Uap bertekanan ini disalurkan melalui pipa penukar panas yang melalui tangki air laut dalam ruang penguapan dan tangki air laut yang akan digunakan sebagai umpan untuk ruang penguapan. Air laut dalam ruang penguapan akan menyerap kalor laten uap air dari dalam pipa melalui permukaan pipa sehingga air laut dalam ruang penguapan akan terus menguap. Akibat pelepasan kalor laten tersebut uap air dalam pipa penukar kalor akan mulai mengembun dan akan diembunkan lebih lanjut ketika pipa penukar kalor ini melewati tangki air laut yang akan digunakan sebagai umpan untuk ruang penguapan sehingga terbentuk air tawar.
Gambar 2.3. Penyulingan dengan tekanan uap
VCD dengan temperatur rendah cukup sederhana, handal, dan efisien karena hanya membutuhkan daya kompresor. Kompresor berkapasitas tinggi memungkinkan operasi pada temperatur rendah di bawah 70°C, sehingga mengurangi potensi pembentukan kerak dan korosi. Proses VCD umumnya digunakan untuk unit desalinasi skala kecil. VCD biasanya dibangun sampai dengan kisaran 3.000 m3/hari. VCD sering digunakan untuk resort, industri, dan lokasi pengeboran di mana air tawar tidak tersedia.
commit to user d. Penguapan efek tunggal (Single effect evaporation)
Unit desalinasi dengan penguapan efek tunggal terdiri dari beberapa komponen utama yaitu evaporator, kondensor, sprinkler, evaporator, ruang penguapan dan pipa-pipa penyalur air. Air laut masuk ke dalam kondensor lalu dialirkan melalui pipa dan disemburkan ke ruang penguapan melalui sprinkler. Di dalam ruang penguapan air laut akan kontak langsung dengan evaporator sehingga air laut akan menguap. Uap air akan dialirkan melalui pipa menuju kondensor sehingga uap air akan mengembun menjadi air tawar. Pada proses pengembunan saat melewati kondensor, uap air melepaskan kalor laten yang akan digunakan sebagai pemanas awal dari air laut umpan yang berada di dalam pipa-pipa kondensor. Sisa air laut dalam ruang penguapan akan dikeluarkan dari sistem melalui brine rejector.
Gambar 2.4. Desalinasi dengan penguapan efek tunggal
Sistem ini jarang digunakan dalam dunia industri karena jumlah dari air tawar yang dihasilkan tidak sebanding dengan jumlah uap yang digunakan untuk mengoperasikan sistem.
commit to user e. Osmosis balik (Reverse Osmosis)
Proses osmosis balik dilakukan dengan cara pemberian tekanan eksternal yang lebih tinggi dari tekanan osmosis air laut ke air laut sebelum melewati suatu membran semipermeabel sehingga aliran dapat dibalik. Molekul air dari air laut akan mengalir melewati membran dan meninggalkan larutan dengan konsentrasi garam yang masih tinggi di belakang membran. Energi utama yang diperlukan dalam proses ini adalah tekanan eksternal yang akan diberikan kepada air laut. Sebuah unit desalinasi dengan sistem osmosis balik umumnya terdiri dari empat komponen utama yaitu komponen untuk perlakuan awal air umpan (feed water
pre-treatment), pompa bertekanan tinggi, membran pemisahan, dan perlakuan
akhir air hasil pemisahan.
Gambar 2.5. 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.
commit to user f. Humidifikasi dan dehumidifikasi (HD)
Proses HD didasarkan pada fakta bahwa uap air dapat bercampur dengan udara akibat adanya perbedaan konsentrasi. Jumlah uap air yang dapat dibawa oleh udara semakin meningkat seiring dengan meningkatnya temperatur udara. 1 kg udara kering dapat membawa 0,5 kg uap air ketika temperaturnya meningkat dari 30 °C sampai 80 °C.
Gambar 2.6. Desalinasi dengan humidifikasi dan dehumidifikasi
Pada sistem ini air laut umpan dialirkan menuju kondensor untuk pemanasan awal. Setelah itu air laut kembali dipanaskan oleh suatu elemen pemanas sebelum disemburkan dalam ruang humidifikasi. Di dalam ruang humidifikasi uap air mengalami kontak langsung dengan udara kering sehingga terjadi perpindahan massa. Udara kering yang telah bercampur dengan uap (udara basah /humid air) ini akan dikondensasikan oleh kondensor. Saat terkondensasi kalor laten dilepaskan oleh udara basah ke permukaan kondensor. Kalor laten inilah yang digunakan untuk pemanasan awal air laut umpan dalam kondensor.
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
commit to user
perkembangannya desalinasi dengan humidifikasi dan dehumidifikasi dikombinasikan dengan siklus kompresi uap pada pompa kalor.
Gambar 2.7. Sistem desalinasi dengan humidifikasi dan dehumidifikasi berbasis pompa kalor.
Gambar 2.8. Humidifier
Sistem desalinasi dengan humidifikasi dan dehumidifikasi berbasis pompa kalor ditunjukkan gambar 2.7. Sistem ini terdiri dari 3 bagian utama yaitu kolektor surya, unit humidifikasi dan dehumidifikasi, dan unit pompa kalor. Dalam sistem ini, udara dipanaskan melalui kolektor surya kemudian dilembabkan di humidifier
commit to user
dengan dorongan blower. Udara lembab ini didinginkan ketika melewati
pre-condenser dan evaporatif kondensor, sehingga udara mengembun menjadi air
tawar. Air laut bertemperatur rendah masuk ke dalam pre-condenser untuk pendinginan awal udara lembab sekaligus pemanasan awal air laut, setelah itu disemburkan melalui sprinkler ke humidifier untuk menambah kelembaban udara kering dari kolektor surya. Pada malam hari atau kondisi cahaya matahari tidak memadahi sistem ini dapat diatur agar udara panas dari kondensor pompa kalor langsung mengalir ke humidifier tanpa melalui kolektor surya. Beberapa kelebihan dari sistem ini antara lain biaya pemeliharaan dan operasinya relatif kecil dan sistem ini dapat dibuat sesuai dengan kebutuhan air tawar yang ingin dihasilkan.
Selain beberapa teknologi di atas, ada beberapa teknologi desalinasi yang memanfaatkan energi terbarukan (renewable energy/RE) sebagai sumber tenaga dalam proses desalinasi. 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 yang dihasilkan memiliki bentuk yang berbeda-beda seperti energi panas, listrik atau daya poros. Gambar 2.9 menunjukkan kemungkinan kombinasi dari sistem RE untuk diaplikasikan ke sistem desalinasi.
Gambar 2.9. Kemungkinan kombinasi dari sistem RE untuk diaplikasikan ke sistem Desalinasi.
commit to user 2.2.3. 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 lebih dingin ke lokasi yang lebih panas.
Gambar 2.10. 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, kompresor, kondensor, dan katup ekspansi.
commit to user
Gambar 2.11. Komponen pompa kalor pada proses pemanasan
commit to user
2.2.4. Siklus Kompresi Uap Standar
Pada siklus kompresi uap standar ini, refrigeran mengalami empat proses ideal, sesuai dengan gambar 2.13 di bawah ini :
Gambar 2.13. Siklus kompresi uap standar (a) Diagram alir proses, (b) Diagram temperatur-entropi
(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
KATUP EKSPANSI 3 2 s 1 2 1 4 4 3 KOMPRESOR EVAPORATOR KONDENSOR T Qin Qout (a) (b)
commit to user
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 13), mengalir melalui alat ekspansi. Refrigeran mengalami ekspansi pada entalpi 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 = ZʙǴmDEmSǴŌ^
ʙǴƅƼ =
ƅŌEP.( )
ƅŌEP.( ) (2.1)
dimana:
Qkondensor = kalor yang dilepas oleh kondensor (kW)
Wkomp = daya kompresor (kW)
= laju aliran massa refrigeran (kg/s)
ℎʛ = entalpi gas refrigeran pada tekanan evaporator (kJ/kg)
ℎ5 = entalpi gas refrigeran pada tekanan kondensor (kJ/kg)
= entalpi cairan refrigeran pada tekanan kondensor (kJ/kg)
ref
commit to user
2.2.5. Siklus Kompresi Uap Aktual
Pada kenyataannya siklus kompresi uap mengalami penyimpangan dari kompresi uap standar, sebagaimana yang ditunjukkan pada gambar 2.14. 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 meninggalkan
kondensor sebelum memasuki alat ekspansi.
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 2.14. Siklus kompresi uap aktual dan standar (Training Manual, 2004) 3’ 3’ 4 3 2 Panas lanjut Penurunan tekanan Penurunan tekanan bawah dingin h 1 P Siklus aktual Siklus standar 4’ 2’ 1’
commit to user
Berikut ini adalah persamaan yang digunakan untuk menghitung unjuk kerja sistem pompa kalor aktual :
· COP aktual COPHP = ^ZʙǴmD ʙǴƅƼ = ƅŌEP.( ) ƅŌEP.( ) (2.2) dimana:
ℎʛ = entalpi refrigeran keluar evaporator (kJ/kg)
ℎ5 = entalpi refrigeran masuk kondensor (kJ/kg)
= entalpi refrigeran keluar kondensor (kJ/kg) · Laju aliran massa aktual
ƅŌEP= . Z (kg/s) (2.3)
dimana:
= densitas refrigeran (kg/m3) Z = debit aliran refrigeran (m3
/s)
· Kapasitas panas yang dilepas ( ō )
ō = s). (ℎ5 − ℎ ) (kW) (2.4)
dimana:
s)= laju aliran massa refrigeran (kg/s)
h2a = entalpi refrigeran masuk kondensor (kJ/kg)
commit to user 2.2.6. Proses Humidifikasi dan Dehumidifikasi 2.2.6.1.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 ini bisa terjadi dengan syarat gas tidak melarut dalam cairan.
Gambar 2.15. Proses humidifikasi
Pada proses humidifikasi akan terjadi : · Kenaikan entalpi udara spesifik :
Δh = 5 ʛ (kJ/Kg) (2.5)
· Kenaikan entalpi udara total :
ΔH = 5 ʛ (kW) (2.6)
· Penambahan kadar uap air (moisture content) :
Δw = n5 nʛ (kg uap air/kg udara kering) (2.7)
· Penambahan kadar uap total (moisture content) :
ΔW = n5 nʛ (kg/s) (2.8)
· Jumlah kalor yang dilepas selama proses :
ʛ 5 ∆ bb (kW) (2.9)
b = ΔW (kg/s) (2.10)
b = b b (kJ/kg) (2.11)
dimana:
Δh = kenaikan entalpi udara spesifik (kJ/kg) 5 = entalpi udara keluar humidifier (kJ/kg)
commit to user
ʛ = entalpi udara masuk humidifier (kJ/kg)
ΔH = kenaikan entalpi udara total (kJ/kg) = laju aliran massa udara (kg/s) Δw = penambahan kadar uap air (kg uap air/kg udara kering) n5 = rasio kelembaban udara keluar humidifier
(kg uap air/kg udara kering)
nʛ = rasio kelembaban udara masuk humidifier
(kg uap air/kg udara kering)
ΔW = penambahan kadar uap total (kg/s)
ʛ 5 = jumlah kalor yang dilepas selama proses (kW)
b = laju aliran massa uap air (kg/s)
b = entalpi spesifik dari uap air (kJ/kg)
commit to user 2.2.6.2.Dehumidifikasi
Dehumidifikasi adalah proses perpindahan / pengembunan uap cairan dari campuran (uap air dan gas) karena proses pendinginan maupun kontak antara cairan (yang temperaturnya lebih rendah) dengan campurannya.
Gambar 2.17. Proses dehumidifikasi
Pada proses dehumidifikasi akan terjadi beberapa proses sebagai berikut : · Penurunan entalpi udara :
Δh = 5 (kJ/Kg) (2.12)
· Penurunan kadar uap air (moisture content) :
Δw = n n5 (kg uap air/kg udara kering) (2.13) · Jumlah kalor yang dilepas udara selama proses :
5 ∆ bb (kW) (2.14)
Dengan b :.b :s pada temperatur yang bersangkutan, sedangkan laju aliran massa udara ( dapat dihitung dengan persamaan:
(kg/s) (2.15)
Massa jenis udara dihitung pada tekanan dan temperatur setempat,
1,2 ʛ ʛ 5 55 : (kg/ (2.16)
dimana :
= entalpi udara keluar dehumidifier (kJ/kg) 5 = temperatur udara masuk humidifier (kJ/kg)
commit to user n = rasio kelembaban udara keluar humidifier
(kg uap air/kg udara kering)
n5 = rasio kelembaban udara masuk humidifier
(kg uap air/kg udara kering)
5 = jumlah kalor yang dilepas udara selama proses (kW)
= massa jenis udara (kg/m3)
= kecepatan udara (m/s)
A = luas penampang saluran (m2)
®ʛ = tekanan statik absolut di dalam saluran (N/ 5
tekanan ini selalu lebih kecil dari tekanan udara di luar saluran
t = temperatur udara di luar saluran º C
Gambar 2.18. Diagram psikrometrik pada proses dehumidifikasi
· Laju air yang dihasilkan selama proses
b ( n - nō) dt (2.17)
dimana:
b = laju air yang dihasilkan selama proses (kg/jam)
= laju aliran massa udara (kg/s)
nō = rasio kelembaban udara sebelum melewati evaporator (kg/kg)
n = rasio kelembaban udara setelah melewati evaporator (kg/kg)
commit to user 2.2.7. 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 air.
Gambar 2.19. 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.
commit to user
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 tekanan parsial jenuh uap air pada temperatur bola kering tertentu
· 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 dengan perbandingan kelembaban x, pada temperatur tº C, didefinisikan sebagai sejumlah energi kalor yang diperlukan untuk memanaskan 1 kg udara kering dan x kg air ( dalam fasa cair) dari 0º C sampai tº C dan menguapkannya menjadi uap air ( fasa gas).
· Volume Spesifik
Volume campuran udara dan uap air, biasanya dalam satuan meter kubik udara kering atau campuran per kilogram udara kering.
commit to user 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
1. Refrigeran yang digunakan dalam penelitian ini adalah Refrigeran HFC 134-a (Klea).
Gambar 3.1. Refrigeran HFC 134-a 2. Air laut
Tabel 3.1. Hasil pengujian kadar garam air laut yang digunakan
No Parameter Satuan Hasil Analisis Ketidakpastian Metode
1 Kadar NaCl ppm 31342 0,0007 SNI 06-6989. 19-2004
3.3 Alat Penelitian
Sistem desalinasi air laut berbasis pompa kalor terdiri atas: · Kompresor torak 2 silinder (reciprocating compressor). · Evaporator.
· Kondensor.
· Katup ekspansi (Thermal Expansion Valve). · Receiver dryer.
commit to user
· Pressure gauge (suction maupun discharge). · Motor listrik 3 phase, 3 HP.
· Tangki penampungan air laut. · Rotameter air laut
· Rotameter refrigerant · Pompa sentrifugal · Relay atau contactor · Termokopel
· Power supply switching · Fan aksial
· Humidifier · Sprinkler
Gambar 3.2. Skema unit desalinasi berbasis pompa kalor dengan menggunakan proses humidifikasi dan dehumidifikasi
commit to user Keterangan gambar:
1. Ruang pemanas udara 11. Fan aksial
2. Fan aksial 12. Bak penampung air laut
3. Humidifier 13. Sprinkler
4. Evaporator 14. Bak penampung air tawar
5. Evaporator 15. Bak penampung air tawar
6. Kompresor 7. Kondensor 8. Katup ekspansi 9. Fan aksial
10. Pompa sentrifugal
Gambar 3.3. Skema unit desalinasi berbasis pompa kalor dengan menggunakan proses humidifikasi dan dehumidifikasi
commit to user
Gambar 3.4. Unit desalinasi berbasis pompa kalor dengan menggunakan proses humidifikasi dan dehumidifikasi
Spesifikasi komponen a. Pompa Kalor
· 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.
commit to user · 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 · Receiver
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 dan kotoran yang ada di dalam refrigeran.
commit to user · Katup ekspansi
Katup ekspansi ini akan mengatur jumlah aliran refrigeran yang diuapkan di
evaporator dan memastikan bahwa refrigeran dalam bentuk superheated yang
keluar evaporator.
Gambar 3.8. Katup ekspansi · 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.
Gambar 3.9. Evaporator · Motor listrik 3 HP
Motor listrik 3 HP ini digunakan untuk menggerakkan kompresor.
commit to user · Pressure gauge
Pressure gauge ini untuk mengetahui tekanan pada kompresor, kondensor,
dan evaporator.
Gambar 3.12. Pressure gauge
b. Alat humidifikasi dan dehumidifikasi · 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 3.13. Humidifier · Dehumidifier
Dehumidifier berfungsi sebagai tempat terjadinya proses pengembunan. Dehumidifier pada penelitian ini adalah evaporator pada pompa kalor yang
commit to user Gambar 3.14. Dehumidifier · Sprinkler
Sprinkler ini 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 4 buah yang dipasang di atas humidifier, disusun membentuk persegi dengan jarak antar sprinkler 16,5 cm.
Gambar 3.15. Sprinkler · Fan aksial
Fan ini digunakan untuk mengalirkan udara dalam unit desalinasi. Pada
penelitian ini digunakan fan tipe aksial.
commit to user c. 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. Pompa yang digunakan berjumlah 2 buah yang disusun secara seri.
Gambar 3.17. 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”
d. 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 ketelitian sampai + 0,03 0C dengan sensitifitas ~43 mV/0C dan diameter 0,1 mm.
commit to user
Gambar 3.19. Pemasangan termokopel tipe T pada pipa
e. Display Termokopel/thermocouple reader
Alat ini digunakan untuk menunjukkan temperatur yang diukur oleh sensor termokopel.
Gambar 3.20. Display Termokopel
f. 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 o
commit to user
· Accuracy : + 2%
· Repeatability : + 0,25% full scale · Mounting : vertical
Gambar 3.21. Flowmeter
g. Thermostat
Thermostat ini digunakan untuk mengatur temperatur air laut yang masuk ke humidifier/temperatur feed water dan menjaganya dalam kondisi konstan.
Gambar 3.22. Thermostat
h. Thermostat kompresor
Thermostat ini digunakan untuk menjaga temperatur coil evaporator dengan memutus dan menyambung arus pada kopling kompresor.
commit to user i. Relay atau kontaktor
Relay atau kontaktor ini dihubungkan ke thermocouple reader untuk memutus arus pada pemanas air elektrik
Gambar 3.24. Relay atau kontaktor
j. Termometer
Termometer yang digunakan dalam penelitian ini adalah termometer digital untuk mengukur temperatur ruangan.
Gambar 3.25. Termometer digital
k. Power Supply Switching Circuit
Digunakan sebagai penyuplai arus listrik ke seluruh sistem dimana input tegangan 220 V – 240 V, output tegangan dan arus yang dihasilkan 12 – 13,8V, 40A DC. Pada penelitian ini Switching Circuit yang digunakan berjumlah 2 buah dengan output arus 40A DC dan 22A DC.
commit to user l. Timbangan digital (digital scale)
Timbangan digital ini digunakan untuk menimbang massa air tawar (fresh
water) yang telah dihasilkan.
Gambar 3.27. Timbangan digital. m. Stopwatch
Stopwatch digunakan untuk mencatat selang waktu yang diperlukan dalam produksi air tawar
Gambar 3.28. Stopwatch n. Gelas Ukur
Gelas ukur digunakan untuk menampung jumlah air tawar (fresh water) yang dihasilkan oleh sistem pada selang waktu tertentu.
commit to user o. Pemanas air elektrik (Electric Water Heater)
Pemanas ini digunakan untuk memanaskan air laut dalam bak penampung. Pemanas yang digunakan berjumlah 3 buah.
Gambar 3.30. Pemanas air elektrik (Electric Water Heater)
p. Bak penampung air laut
Digunakan untuk menampung air laut.
Gambar 3.31. Bak penampung air laut
q. Bak penampung air tawar (fresh water)
Digunakan untuk menampung air tawar (fresh water) yang telah dihasilkan.
