Simulasi Evaporator Sebagai Desalinasi Air Laut Sistem Vakum Dengan Software Ansys Fluent

(1)

SIMULASI EVAPORATOR SEBAGAI

DESALINASI AIR LAUT SISTEM VAKUM

DENGAN SOFTWARE ANSYS FLUENT

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi

Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

Peter Sumarwan

NIM 110401034

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

i

KATA PENGANTAR

Puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa karena atas rahmat dan karunia-Nyalah penulis dapat menyelesaikan skripsi ini yang berjudul

“SIMULASI EVAPORATOR SEBAGAI DESALINASI AIR LAUT SISTEM VAKUM DENGAN SOFTWARE ANSYS FLUENT”.

Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan Pendidikan Strata-1 (S1) pada Departemen Teknik Mesin Sub bidang Konversi Energi, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.

Dalam menyelesaikan skripsi ini tidak sedikit kesulitan yang dihadapi oleh penulis, namun berkat dorongan, semangat, doa, dan bantuan baik materiil, moril, maupun spirituil dari berbagai pihak, serta kerjasama tim yang baik akhirnya kesulitan itu dapat teratasi. Untuk itu, dengan penuh ketulusan hati penulis mengucapkan terimakasih yang tak terhingga kepada:

1. Bapak Dr.Eng Himsar Ambarita, S.T,M.T. selaku Dosen pembimbing yang dengan penuh kesabaran telah memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis.

2. Dosen pembanding I Bapak Ir.Mulfi Hazwi, M.Sc dan Dosen pembanding II Bapak Ir.A.Halim Nasution, M.Sc yang telah memberikan masukan dan saran dalam penyelesaian skripsi ini. pernah putus-putusnya memberikan dukungan, doa serta kasih sayangnya yang tak terhingga kepada penulis.

(11)

ii

7. Rekan-rekan khususnya Frenky Nababan, Richie Wijaya, Alexander Jos, Darman Sucitra, Novendy Leonard dan seluruh rekan mahasiswa angkatan 2011 serta semua rekan mahasiswa Teknik Mesin yang telah mendukung dan memberi semangat kepada penulis.

8. Hendry Wijaya selaku orang tua dari Richie Wijaya atas bantuan dan dukungan baik moril, ide-ide dan masukan-masukan sehingga penelitian ini dapat berjalan dengan baik.

Penulis menyakini bahwa tulisan ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu, penulis akan sangat berterimakasih dan dengan senang hati menerima saran, usul, dan kritik yang membangun demi tercapainya tulisan yang lebih baik. Akhir kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat memberi manfaat kepada pembaca, Terima kasih.

Medan,25 Januari 2016

(12)

iii

ABSTRAK

Sistem desalinasi vakum merupakan sebuah inovasi baru yang menggunakan tingkat pemanasan dengan temperatur rendah yang telah dikembangkan. Sistem ini memanfaatkan gaya gravitasi untuk mendapatkan kevakuman pada sistem, sehingga air dapat dievaporasikan dengan suhu yang rendah akibat titik didih yang rendah. Keunikan sistem ini adalah dengan gaya gravitasi natural digunakan untuk membentuk kondisi vakum, dan hubungannya dalam desain sistem tunggal dimana evaporasi dan kondensasi terjadi pada tempat yang sesuai tanpa adanya energi yang masuk secara ekternal selain panas tingkat rendah. Penelitian ini menggunakan metode simulasi dengan perangkat lunak

Ansys Fluent yang didesain dengan Solidworks yang bertujuan untuk

menganalisis temperatur dan laju aliran massa penguapan di dalam evaporator. Simulasi ini menggunakan parameter temperatur dan tekanan sebagai masukan (input) yang kemudian diolah oleh perangkat lunak ini sehingga menghasilkan keluaran (output) berupa temperatur dan laju aliran massa penguapan di dalam evaporator.

Hasil dari simulasi ini diperoleh temperatur maksimal fluida sebesar 325 K di permukaan pemanas dan temperatur minimal sebesar 323 K di fluida sekitarnya. Pada perbandingan hasil simulasi dan hasil pengujian, ditemukan ralat masing-masing untuk enam hari penggujian sebesar 9.20%, 7,80%, 11.39%, 4.30%, 10.04% dan 5.55%. Ralat ini terjadi terjadi karena beberapa faktor, seperti : perbedaan data input simulasi, temperatur lingkungan dan letak termokopel pada tempat pengujian.

(13)

iv

ABSTRACT

Desalination Vacuum System is a new innovative concept which uses low grade heat was developed. This system utilizes natural forces of gravity to create vacuum condition in system, which would allow the water to be evaporated at lower temperature as impact lower boiling point. The uniqueness of tare he system is using natural gravity forces to create vacuum condition, and its corporation in a single system design where evaporation and condensation take place in appropriate locations without any external energy input other than low grade heat. This research is using simulations method by Ansys Fluent software, and the design by using Solidworks softwa re which is to analyze temperature and mass flow rate in evaporator. This simulation is using temperature and pressure parameter as input and analyzed by this software hence the output is temperature and mass flow rate in evaporator.

The results of this simulation is to obtain maximum fluid temperature 325 K at heater surface and minimum temperature 323 K at around the fluid. For the comparison of simulation and experiment results there is an error for six days of experiment that is 9.20%, 7.80%, 11.39%, 4.30%, 10.04%, and 5.55%. This error is caused by some factors such as : difference in data input at simulations, ambient temperature and location of thermocouple where experiment take place.

(14)

v

2.2.2 Solar Desalinasi Humidifikasi-Dehumidifikasi ... 9

2.2.3 Solar Chimney ... 10

2.2.4 Solar Multi Stage Flash Desalination ... 11

2.2.5 Solar Multi Effect Distillation ... 12

2.2.6 Desalinasi Kompresi Uap ... 13

2.2.7 Freeze Desalination ... 14

2.2.8 Desalinasi Adsorpsi ... 16

2.2.9 Desalinasi Osmosis Terbalik Tenaga Surya ... 17

2.2.10 Elektrodialisis Tenaga Surya ... 18

2.2.11 Distilasi Membran Tenaga Surya ... 20

2.2.12 Forward Osmosis (FO) ... 21

(15)

vi

2.3 Pemodelan Matematik Sistem ... 23

2.3.1 Analisis pada Evaporator ... 23

2.4 Evaporative Cooling ... 25

2.5 Computational Fluid Dynamics (CFD) ... 27

2.5.1 Penggunaan CFD ... 27

3.4.2 Eksperimen dan Penggumpulan Data ... 34

3.4.3 Simulasi secara CFD ... 34

4.4 Grafik Perbandingan Hasil Pengujian dan Hasil Simulasi ... 40

4.4.1 Perbandingan Temperatur pada Channel 111 ... 41

4.5 Analisa Laju Perhitungan Laju Penguapan ... 53

4.5.1 Perbandingan Perhitungan Laju Penguapan Hasil Eksperimen dengan Hasil Simulasi ... 55

(16)

vii

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 58

5.1 Kesimpulan... 58

5.2 Saran ... 59

DAFTAR PUSTAKA ... xiv

(17)

viii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1 Klasifikasi Sistem Desalinasi Surya ... 2

Gambar 2.1 Desalinasi Sistem Vakum Natural ... 8

Gambar 2.2 Solar Still Sederhana ... 9

Gambar 2.3 Sistem Desalinasi Surya Humidifikasi – Dehumidifikasi ... 10

Gambar 2.4 Instalasi Sistem Desalinasi Solar Chimney pada Air Laut ... 11

Gambar 2.5 Sistem Desalinasi Solar Multi Stage Flash ... 12

Gambar 2.6 Solar Multi Effect Distillation ... 13

Gambar 2.7 Sistem Desalinasi Kompresi Uap Mekanik ... 14

Gambar 2.8 Desalinasi Beku menggunakan Auto Reversed Vapor Compression Heat Pump ... 16

Gambar 2.9 Sistem Desalinasi Adsorpsi ... 17

Gambar 2.10 Unit Desalinasi Reverse Osmosis Bertenaga Siklus Rankine Organik Surya ... 18

Gambar 2.11 Prinsip Kerja Unit Elektrodialisis ... 19

Gambar 2.12 Tipe Proses Distilasi Membran ... 20

Gambar 2.13 Unit Distilasi Membran Tenaga Surya ... 21

Gambar 2.14 Unit Forward Osmosis ... 22

Gambar 2.15 Sistim Desalinasi Vakum Natural Tenaga Surya ... 22

Gambar 2.16 Diagram Aliran Massa pada Evaporator ... 23

Gambar 2.17 Mekanisme Evaporative Cooling ... 27

Gambar 3.1 Model Solidworks 3D Evaporator (Tertutup) ... 30

Gambar 3.2 Model Solidworks 3D Evaporator (Terbuka) ... 31

Gambar 3.3 Komputer ... 32

Gambar 3.4 Software Solidworks 2010... 32

Gambar 3.5 Software Ansys 15.0 ... 32

Gambar 3.6 Diagram Alir Penelitian ... 33

Gambar 3.7 Skema Pengujian Desalinasi ... 35

Gambar 4.1 Model 3D Geometry Evaporator pada Ansys 15.0... 36

Gambar 4.2 Model 3D Mesh Evaporator pada Ansys 15.0 ... 37

(18)

ix

Gambar 4.4 Hasil Analisa Kontur Fasa cair (ISO) ... 38

Gambar 4.5 Hasil Analisa Kontur Temperatur ... 39

Gambar 4.6 Hasil Analisa Kontur Temperatur (Potongan) ... 39

Gambar 4.7 Grafik Temperatur Simulasi Evaporator pada titik 111 ... 40

Gambar 4.9 Grafik Perbandingan Temperatur pada Channel 111 ... 42

(19)

x

DAFTAR TABEL

(20)

xi

DAFTAR NOTASI

.

V Laju Aliran Volume (m3/s)

C Konsentrasi (g/kg)

Cp Panas Jenis (J/kg K)

T Temperatur (K)

Q Laju Perpindahan Panas (Watt)

A Luas Permukaan (m2)

f(C) Faktor Koreksi (W/m2oC)

P Tekanan (Pa)

hfg Panas Laten Penguapan Air Laut (J/kg)

h Koefisien Perpindahan Panas Konveksi (W/m2 K)

Nu Bilangan Nusselt (tanpa dimensi)

RaL Bilangan Rayleigh (tanpa dimensi)

l Panjang Karakteristik (m)

p Perimeter (m)

r Radius / Jari-Jari (m)

ls Tinggi Dinding Evaporator (m)

Pr Bilangan Prandtl (tanpa dimensi)

Cc Kapasitas Panas Air Laut Masuk Evaporator (kg m2/s2)

(21)

xii

Cr Perbandingan Kapasitas Panas Air Laut dan Konsentrat Garam (tanpa dimensi)

.

m _{Laju Aliran Massa (kg/m}3

)

NTU Number of Transfer Unit (tanpa dimensi)

UA Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh (W/m2K)

D Diameter (m)

k Konduktivitas Thermal (W/mK)

ReD Bilangan Reynold

Huruf Yunani

μ Viskositas Dinamik Fluida (N s/m2)

ε Efektivitas untuk Alat Penukar Kalor (tanpa dimensi)

θ Sudut Kemiringan (o)

α1 Koefiisen Empirik Faktor Koreksi (=0.0054, tanpa dimensi)

βT Koefisien Ekspansi Thermal Volumetrik (=5*10-4 /oC)

βC Koefisien Ekspansi Larutan (=8*10-3/%)

ρ Massa Jenis (kg/m3)

αm Koefisien Empirik Laju Penguapan (=10

-7

- 10-6kg/m2.Pa.s.K0,5)

Subskrip

s Seawater dalam Evaporator, Surface

i Inlet

w Withdrawal (Konsentrat Garam Keluar Evaporator)

(22)

xiii

in Masuk

loss Kehilangan Panas

f Fresh Water (Air Bersih)

0 Kondisi Awal (Sebelumnya)

bottom Bagian Bawah (Alas Evaporator)

A Ambien (Lingkungan)

side Bagian Sisi (Dinding Evaporator)

ins,o Dari Pusat Evaporator ke Luar Permukaan Insulasi

top Bagian Atas (Kerucut Evaporator)

min Minimum

max Maksimum

o Outlet