UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2019

KAJIAN ALAT DESALINASI AIR LAUT TENAGA SURYA SISTEM AKTIF KEMIRINGAN GANDA DENGAN PENAMBAHAN KOLEKTOR SURYA

TESIS

OEH

WINFRONTSTEIN NAIBAHO 167015004

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

2019

DAFTAR ISI

Halaman

KATA PENGANTAR ... i

ABSTRAK ... iii

DAFTAR ISI ... iv

BAB 1 Pendahuluan ... 1

1.1. Latar Belakang ... 1

1.2. Identifikasi Masalah ... 2

1.3 Pembatasan Masalah ... 7

1.4 Perumusan Masalah ... 8

1.5. Tujuan Penelitian ... 8

1.5.1. Tujuan Umum ... 5

1.5.2. Tujuan Khusus ... 5

1.6. Road Map Penelitian ... 9

1.7. Manfaat Penelitian ... 9

BAB 2 Tinjauan Pustaka ... 10

2.1. Matahari ... 10

2.2. Perpindahan Panas ... 10

2.2.1. Perpindahan Panas Konduksi...……… 10

2.2.2. Perpindahan Panas Radiasi ... 10

2.2.3 Perpindahan Panas Konveksi ...………... 11

2.3. Desalinasi …...………... 11

2.4 Kolektor Surya Plat Datar ... 17

2.5 Air Laut ... 18

2.6 Energi Matahari... 20

2.7 Termodinamika Pada Lingkungan Evaporator ...………... 24

2.7.1 Energi Yang Diterima Langsung Evaporator ... 26

2.7.2 Energi Yang Berada dalam Evaporator ... 29

2.7.3 Evaluasi hasil Desalinasi ...………... 35

BAB 3 Metoda Penelitian ………... 37

3.1. Tempat dan Waktu ………... 37

3.1.1. Tempat ………... 37

3.1.2. Waktu ………... 47

3.2. Diagram Alir Penelitian ...………... 38

3.3 Metode Penelitian ... 39

3.4 Variabel Bebas ... 39

3.5 Variabel Terikat ... 39

3.6 Variabel Terkontrol ... 40

3.7 Prosedur Pengujian ... 40

3.8 Skema dan Susunan Alat Pengujian ... 41

3.9 Alat dan Bahan Yang Digunakan ... 42

BAB 4 Analisa Data ………... 54

4.1. Hasil Pengujian ………... 54

1. Kajian Data Temperatur ...……… 54

2. Kajian Data Intensitas Matahari………... 63

3. Kajian Data Kecepatan Angin ………... 64

4. Kajian Data Perhitungan Perpindahan Panas ... 65

5. Kajian Data Energi ... 81

6. Kajian Efisiensi Energi ... 83

7. Kajian Data Exergi ... 85

8. Kajian Data Efisiensi Exergi ... 87

9. Kajian Data Jumlah air Yang dihasilkan dan perhitungan ... 89

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ………... 94

DAFTAR PUSTAKA ………... 96

Abstrak

Air bersih memegang peranan dan bertanggung jawab atas kehidupan.

Kebutuhan akan air bersih terus meningkat karena penggunaannya di berbagai bidang kehidupan,seperti bidang pertanian, industri, dan populasi. Untuk mencegah terjadinya kekurangan air, sangat penting untuk menunjukkan kesenjangan antara permintaan dan pasokan air minum dengan mengembangkan teknologi pemurnian air.

Tenaga surya/ energi matahari (sumber energi terbarukan) dalam bentuk penyulingan adalah salah satu teknologi yang paling menjanjikan, sederhana, dan ekonomis untuk pemurnian garam dan air payau . Dalam tesis ini, secara eksperimental dan teoritis dibahas mengkaji salah satu teknologi penyulingan air laut / desalinasi sistem aktif kemiringan ganda dengan penambahan kolektor surya pada evaporator . Seperti kajian Kinerja sistem; kajian energi kajian exergi dan kajian jumlah air bersih yang dihasilkan Dalam pekerjaan ini, desalinasi kemiringan ganda aktif dengan luas wilayah cekungan seluas 1.932 m2 dengan permukaan kaca 1 m2 dengan dua potong dengan ketebalan kaca 3 mm dan sudut kemiringan kaca 15o. Permukaan air dari dasar 20 mm dan dengan area pengumpul surya seluas 1m2 selebar 500mm2 diuji selama 8 hari pada Agustus 2018 mulai pukul 8: 00-18: 00.Nilai eksergi dari perhitungan nilai eksergi tertinggi pada hari pertama pengujian pukul 12.00 adalah 225.238 kWh, nilai eksergi tertinggi pada pengujian hari kedua pukul 17.00 WIB adalah 52.332 kWh, nilai eksergi tertinggi pada 13.00 WIB adalah 13.680 kWh, nilai eksergi tertinggi pada pengujian hari keempat pukul 11.00 WIB pada 6.734 kWh, nilai eksergi tertinggi pada pengujian hari kelima pukul 12.00 WIB pada 22.218 kWh, nilai eksergi tertinggi pada pengujian hari keenam pukul 15.00 WIB pada 8.728 kWh , nilai eksergi tertinggi pada pengujian hari ketujuh pada pukul 17.00 WIB sebesar 8,33 kWh, dan nilai eksergi tertinggi pada pengujian hari kedelapan pada pukul 15.00 WIB sebesar 6,712 kWh.

Abstract

Clean water plays a role and is responsible for life. The need for clean water continues to increase due to its use in various fields of life, such as agriculture, industry and population. To avoid water shortages, it is very important to determine the demand and supply of drinking water by developing air purification technology.

Solar energy / solar energy (renewable energy sources) in the form of discussion is one of the most promising, simple, and economical technologies for the purification of salt and brackish water. In this thesis, an experimental and validated experiment examines one of the technologies for marine air discussion / desalination of a double slope active system by agreeing on the solar collector on the evaporator. Such as system performance appraisal; Energy review of the exergy review and review of the amount of clean water produced in this work, active double slope desalination with a wide basin area of 1,932 m2 with a glass surface of 1 m2 with two pieces with a glass thickness of 3 mm and a glass tilt angle of 15o. Surface air from a base of 20 mm and with a 1m2 wide solar collecting area 500mm2 wide allocation for 8 days in August 2018 starting at 8: 00-18: 00. The exergy value from the calculation of the exergy value on the first day at 12.00 is 225,238 kWh, the exergy value The highest test on the second day at 17.00 WIB is 52.332 kWh, the highest exergy value at 13.00 WIB is 13,680 kWh, the highest exergy value on the testing day at 11.00 WIB at 6,734 kWh, the high exergy value at the test today at 12.00 WIB at 22,218 kWh, the value the highest exergy on the sixth day test at 15.00 WIB at 8,728 kWh, the highest exergy value on the seventh day testing at 17.00 WIB at 8.33 kWh, and the exergy value on the eighth day testing at 15.00 WIB at 6,712 kWh.

BAB 1 PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Di bumi air adalah sumber daya alam yang sangat penting bagi kehidupan. Air dapat diperoleh dar dalam tanah, mata air, sungai, danau dan air laut. Bumi memiliki panas yang berasal dari matahari. Air yang berada di darat maupun di laut pasti menguap oleh karena panas matahari. Penguapan tersebut berkumpul menjadi awan, setelah awan mengalami kondensasi dan pendinginan akan membentuk titik-titik air dan terjadi hujan. Air hujan jatuh ke bumi sebagian meresap kedalam tanah menjadi air tanah dan mata air, sebagian mengalir melalui saluran yang disebut air sungai, sebagian lagi terkumpul dalam danau/rawa dan sebagian lagi kembali ke laut.

Bagi manusia, air adalah salah satu kebutuhan utama. Hal ini dikarenakan manusia tidak hanya membutuhkan air untuk kebutuhan tubuh (minum) disisi lain juga manusia membutuhkan air untuk mencuci, memasak, mandi, dan lainnya.

Namun manusia sering dihadapkan pada situasi yang sulit dimana sumber air tawar sangat terbatas dan di lain pihak terjadi peningkatan kebutuhan. Ilmuwan pertama berasal dari Swedia yang mengembangkan tenaga surya untuk memasok air murni ke penambangan nitrat komunitas di Chili, yang sangat populer pada tahun 1972 dan beroperasi untuk lebih dari 40 tahun. Penurunan relasi untuk konvektif dan koefisien perpindahan panas evaporatif untuk sistem udara-air yang berguna [1]. Membahas tentang penyerapan radiasi energi matahari di destilasi matahari [2]. Membuat ulasan Distilasi matahari pasif sistem oleh [3]. Meninjau pekerjaan yang dilakukan pada

stills matahari pasif dan aktif sampai 1992 [4]. Membuat model matematis baru untuk mempelajari kinerja kemiringan destilasi matahari pasif dengan kemiringan ganda dengan efek panas sebagai pertimbangan kapasitas penutup kondensasi dan isolasi bawah [5]. Melakukan percobaan untuk analisis kinerja dan termal pemodelan lereng tunggal destilasi surya pasif untuk kecenderungan yang berbeda penutup kondensasi [6]. Mengembangkan model matematika pada sistem distilasi air matahari [7]. Analisis energi dan eksergi pada lereng tunggal dan ganda destilasi matahari pasif berdasarkan data eksperimen tahunan untuk air kedalaman 0,01, 0,02 dan 0,03 m[8]. Eksperimental destilasi surya lereng tunggal aktif terintegrasi dengan kolektor plat datar di bawah mode operasi thermosyphon dan menemukan bahwa peningkatan maksimum hasil hingga 33%[9]. [10] Berkembang tipe cekungan produktif-efek berganda destilasi surya umum masih dikenal sebagai solar aktif. Mempelajari kinerja tipe cekungan destilasi surya terintegrasi dengan kolektor plat datar[11]. Melakukan eksperimen di luar ruangan untuk mempelajari efek air kedalaman pada panas internal dan transfer massa untuk distilasi surya aktif sistem[12]. Mempelajari perbandingan evaluasi kinerja sistem penyulingan matahari aktif dan mencoba mengevaluasi hasil teoritis dari matahari aktif yang masih terintegrasi dengan FPC, kolektor berkonsentrasi, kolektor tabung dievakuasi dengan dan tanpa panas pipa [13]. Meneliti hubungan antara energi dan eksergi,eksergi dan lingkungan, energi dan pembangunan berkelanjutan dan pembuatan kebijakan energi dan exergi secara rinci [14]. Di bidang penyulingan matahari banyak ilmuwan telah melaporkan bahwa sistem penyulingan matahari pasif adalah proses lambat untuk pemurnian air garam / payau. Banyak pilihan seperti penggunaan penutup kondensasi plastik, solar masih

terintegrasi dengan konsentrator parabola, kolektor tabung dievakuasi (ETC) dan plat datar kolektor (FPC) telah dicoba oleh berbagai ilmuwan untuk meningkatkan hasil harian. Keluar dari opsi ini kolektor plat datar populer karena itu biaya perawatan yang rendah dan desain yang sederhana. Menganalisis solar hybrid destilasi sistem (dengan air sebagai fluida kerja) di bawah sirkulasi alami dengan memasukkan penukar panas untuk mengembangkan hubungan empiris untuk koefisien perpindahan panas internal [15]. Menggunakan kolektor secara signifikan meningkatkan suhu operasi sistem yang magang meningkatkan efisiensi keseluruhan sistem; juga, efisiensi berkurang dengan bertambahnya kedalaman air. Mempelajari kinerja lereng surya tunggal terintegrasi dengan kipas vakum dengan memasukkan aluminium oksida (Al2O3) - nanofluid berbasis air[16]. Menganalisis eksperimental kinerja (energi panas, exergi, produktivitas) dari cekungan tunggal lereng destilasi surya tunggal menggunakan nanofluida yang berbeda[17]. Mempelajari efek nanofluida pada kinerja dari double slope solar still (DSSS) [18,19]. Mereka menemukan itu Nanofluid berbasis air Al2O3- memberikan produktivitas pasif yang lebih baik DSSS. Mempelajari efek nanofluida dan vakum pada kinerja destilasi surya konvensional dan bergelombang tipe sumbu destilasi surya [20]. Secara eksperimental mempelajari efek grafit dan serpihan mikro oksida tembaga (partikel nano) pada kinerja destilasi surya dengan laju aliran pendinginan yang berbeda di atas penutup kaca yang keras [21]. Mereka menemukan bahwa penggunaan tembaga oksida dan grafit serpihan mikro dalam kombinasi dengan aliran air memberikan peningkatan 47,80% dan 57,60% dalam produktivitas tenaga surya. Menyelidiki kinerja N kolektor pelat datar termal fotovoltaik terintegrasi dengan ganda slope solar

still (N-PVT-FPC-DSSS) yang beroperasi dengan / tanpa heliks penukar panas melingkar dengan menggabungkan berbagai air nanofluids[22]. Kinerja sistem hybrid yang beroperasi tanpa penukar panas ditemukan lebih baik dengan tembaga oksida (CuO) - nanofluida berbasis air. Eksperimental pengaruh tembaga (Cu) dan timah oksida (SiO2) berbasis air nanofluida pada mode perpindahan panas evaporatif di surya masih terintegrasi dengan dua seri kolektor pelat datar yang terhubung dan panas penukar; dan juga memvalidasi hasil dengan mengembangkan termal pemodelan. Mereka mendanai bahwa penggunaan penukar panas tidak signifikan pada suhu lebih rendah dari 50 C; dan yang sesuai hasil ditemukan sekitar dua kali lebih tinggi (daripada yang masih surya tanpa penukar panas) ketika suhu saluran masuk adalah 70 C. Selain itu, mereka menemukan bahwa Cu / air memberikan peningkatan yang signifikan dalam tingkat penguapan pada suhu rendah; sedangkan, SiO2 / air memberikan peningkatan yang disempurnakan pada suhu tinggi[23].

Desalinasi vakum menggunakan solar kolektor 3m² dapat memanaskan evaporator dengan menggunakan sistem transfer fluida [24]. Simulasi energi matahari diletakkan didalam evaporator,teknologi desalinasi vacum sacara alami dengan mengembangkan teknologi ramah lingkungan tujuannya untuk mengeksplorasi karakteristik vakum desalinasi dengan menggunakan energi surya secara langsung dan dapat menghasilkan air bersih[25]. Konveksi campuran merupakan mode pemanasan air yang paling memungkinkan dalam tabung kolektor surya[26]. Satu dimensi analisis perpindahan panas sementara untuk menguji efisiensi kolektor surya penyerap langsung dengan NP perak[27]; Selain itu, mereka menganalisis efek fraksi volume, bahan NP, tinggi kolektor, fluks matahari, dan radiasi matahari waktu. Secara

eksperimental menyelidiki kinerja mengkonsentrasikan kolektor PVT menggunakan Cu9S5 (larutan oleylamine) nanopartikel dalam filter spektral untuk memanen suhu sedang panas. Mereka menemukan bahwa efisiensi PV sel-Si itu sendiri dapat ditingkatkan menggunakan nanofluid Cu9S5 sebagai filter optik dalam kolektor;

sistem kolektor PVT yang diusulkan memberi 17: 9% lebih tinggi secara keseluruhan efisiensi termal dibandingkan dengan sistem tanpa beroperasi filter optik[28].

Mempelajari kinerja kolektor surya berbasis saluran mikro menggunakan CuO, Al2O3, TiO2, dan Nanofluida berbasis air SiO2. Mereka mengamati perpindahan panas itu Koefisien lebih tinggi untuk semua nanofluida kecuali SiO2 berbasis air nanofluida; juga, peningkatan linear dalam suhu keluaran dengan nanofluida mengikuti urutan sebagai CuO> TiO2> Al2O3> SiO2- nanofluida berbasis air.Mereka juga melaporkan generasi entropi berkurang termasuk NP; dan banyak penurunan telah ditemukan dengan nanofluida berbasis CuO-air[29]. Secara numerik menganalisis kinerja rasio konsentrasi tinggi (CR-118, pelek sudut 80) palung parabola kolektor surya dengan memasukkan nanofluid Cu-Therminol VP-1.

Mengamati peningkatan sekitar 12,5% dalam efisiensi termal sistem peningkatan fraksi volume dari 0 hingga 6%; juga tingkat generasi entropi berkurang di penerima pada peningkatan fraksi volume NP untuk beberapa rentang angka Reynolds[30].

Destilasi matahari adalah metode desalinasi termal. Destilasi adalah salah satu dari banyak proses yang tersedia untuk memurnikan air, dan sinar matahari adalah salah satu dari beberapa bentuk energi panas yang dapat digunakan untuk mendukung pada proses itu. Cahaya matahari memiliki keunggulan biaya bahan bakar nol tetapi membutuhkan lebih banyak ruang untuk pengumpulannya. Ini adalah

alternatif praktis yang bagus, yang menawarkan kehidupan ke daerah-daerah di mana kurang air bersih sehingga menghambat pembangunan [31]. Desalinasi menggunakan energi matahari cocok untuk produksi air minum dari payau dan air laut. Fabrikasi dan pengujian destilasi surya lereng ganda dengan eksternal dan internal parabola dan reflektor parabola dan juga optimasi sudut kemiringan reflektor datar eksternal untuk kondisi iklim Mesir. Reflektor datar eksternal miring pada (30 °, 45 °, 60 ° dan 75 °) pada bidang horizontal. Kedalaman air di dalam bak 1 cm. Sudut kemiringan optimal adalah 60 ° dengan produktivitas harian maksimum 9,89 lit / m2[32].

Sistem distilasi berbasis surya yang memproduksi suling air dan air panas secara bersamaan. Sistem dimodelkan dan dianalisis secara teoritis dan efek dari laju aliran massa air inlet juga sebagai tingkat radiasi matahari pada kinerja sistem diselidiki.

Suhu air panas maksimum dan rata-rata diperoleh 60 dan 40 ° C masing-masing cocok untuk konsumsi domestic [33]. Model teoritis untuk dilengkapi dengan liner dengan kondensor berpendingin udara, bukan sistem distilasi konvensional dengan gelas. Juga, hasilnya diselidiki secara eksperimental untuk membandingkan dengan hasil teoritis. Hasil menunjukkan bahwa kinerja sistem yang dimodifikasi lebih baik daripada yang konvensional [34]. Sebagai produksi potensi sistem penyulingan matahari pasif rendah, ada beberapa penelitian dalam literatur mempelajari kelayakan meningkatkan aktif sistem penyulingan surya. Untuk meningkatkan kinerja still solar umum dua solusi dapat dipertimbangkan; satu, menggunakan sistem bantu, suhu di dalam baskom akan meningkat, mis. metode "Pipa panas thermosyphon dua fase"

digunakan untuk meningkatkan kinerja kolektor surya [35]. Cara lain adalah menggunakan pemanas untuk preheating suhu inlet dari garis cekungan. Proses

pemanasan awal dapat dilakukan melalui Evacuated Tube Collector (ETC) dan Flat Plate Kolektor (FPC) yang keduanya memiliki kelebihan dan kekurangan sendiri.

Tidak hanya desain FPC yang sederhana, tetapi juga pengoperasian dan biaya perawatan metode ini lebih rendah. Namun, FPC tidak bisa untuk mengikuti iradiasi matahari menghasilkan efisiensi yang lebih rendah. Sebagai tambahan, kehilangan panas melalui konveksi adalah kerugian lain untuk FPC. Di sisi lain Sebaliknya, sistem ETC tidak memiliki dua kelemahan FPC seperti ETC adalah silindris serta adanya ruang hampa di celah antara dua silinder. ETC memiliki banyak aplikasi menggunakan energi matahari. Secara eksperimental menginvestigasi kompor surya, terintegrasi dengan ETC. Efek menggunakan berbagai refrigeran dalam ETC dianalisis dan terungkap bahwa selain kondisi lingkungan, jenis refrigeran memiliki pengaruh besar pada kinerja kompor surya [36]. Prosedur untuk merancang dan mengoptimalkan kolektor surya plat datar berdasarkan analisis eksergi [37]. Hadir konsep baru dari desalinasi aktif getaran matahari dengan efisiensi harian rata-rata sekitar 60% [38]. Mengembangkan ekspresi untuk sesaat efisiensi eksergi dari matahari pasif masih mengembangkan persamaan karakteristik untuk matahari pasif lereng ganda [39]. Melakukan ulasan literatur yang komprehensif tentang analisis exergy berbagai sistem energi surya [40]. Mempresentasikan desain, fabrikasi, biaya, produksi air analisis surya tubular lama dan baru [41].. Hubungan antara fluks produksi air dan perbedaan suhu di dalam diam juga diperagakan [42].

Menurut perkembangan peneliti diatas dapat kita lihat manusia dapat menemukan cara lain untuk memproduksi air bersih. Negara negara berkembang

termasuk Indonesia setiap orang memerlukan air bersih 30 sampai dengan 60 liter/harinya.

Krisis air bersih sudah melanda diberbagai belahan dunia, tidak terkecuali di Indonesia. Indonesia merupakan negara kepulauan terbesar di dunia. Indonesia memiliki luas wilayah 5.193.252 km² dua per tiga luas wilayahnya merupakan lautan, yaitu sekitar 3.288.683 km². Sehingga Indonesia juga memiliki julukan sebagai benua maritim. Ironinya di tengah kepungan air laut itu ternyata masih ada beberapa tempat yang mengalami kekurangan air, terutama mengenai ketersedian air bersih.

Akibatnya, di tempat seperti itu air menjadi barang eksklusif. Masyarakatnya harus membeli untuk mendapatkan air bersih. Tidak semua daerah di wilayah Negara Kesatuan Republik Indonesia (NKRI) memiliki sumber air bersih. Ada di beberapa wilayah di Indonesia dimana masyarakatnya kesulitan untuk mendapatkan distribusi air bersih. Salah satunya adalah masyarakat yang tinggal di kota Bagan Siapi Api Kabupaten Rokan Hilir. Kadis Cipta Karya dan Tata Ruang, Suwandi,S.Sos kepada GoRiau.com, Jumat (13/2/2015) mengungkapkan, hampir 95% ketersediaan air bersih tidak ada di daerah itu.

Mendapatkan air bersih di suatu daerah yang sulit, membuat masyarakat daerah tersebut berharap turunnya hujan. Dengan keterbatasan masyarakat didaerah yang krisis air bersih mereka sampai memanfaatkan air hujan untuk di gunakan sebagai air minum dan mandi. Bagi masyarakat yang mempunyai penghasilan menengah keatas, mereka mendapatkan air bersih dengan cara membeli. Untuk ukuran 500 liter, dengan harga sekitar 700.000,- sampai Rp 1.000.000. dan ada juga masyarakat yang kehidupannya mewah mendapatkan air bersih dari sumur bor, yang

di buatnya di rumah. Biaya untuk pembuatan (membangun) sumur bor ini biayanya cukup mahal sampai antara Rp 30.000.000,- dan Rp 50.000.000. Bagi masyarakat yang tidak mampu cukup berharap kepada turunnya hujan. Atau dengan membeli air isi ulang yang harganya satu gallon Rp 6000.- (Kompasiana.com). Di samping menggunakan air hujan dan air isi ulang, masyarakat yang tidak mampu juga menggunakan air sumur (perigi) yang di gali di dalam atau di luar rumah. Untuk itu, diperlukan suatu alternatif pemenuhan kebutuhan air bersih dan air minum yang berkualitas dan tidak membahayakan masyarakat. Mengingat melimpahnya sumber daya air yang berasal dari laut, maka perlu dikaji tentang kemungkinan dimanfaatkannya air laut sebagai bahan baku pemenuhan kebutuhan air bersih bagi masyarakat. Proses pengolahan air asin menjadi air tawar disebut proses desalinasi.

Sumber energi terbarukan yaitu energi matahari. Penyulingan matahari adalah satu-satunya proses yang dapat digunakan untuk mengubah air yang tersedia menjadi air minum di daerah tersebut. Hal ini membutuhkan panas sebagai masukan energi. Di dalam sistem tenaga surya, air diuapkan menggunakan energi matahari dan uap air yang dipisahkan dikondensasi kembali sebagai air murni.

Penyulingan matahari adalah metode desalinasi termal dimana energi matahari digunakan untuk menyaring air tawar dari air garam. Desalinasi adalah salah satu dari banyak proses yang tersedia untuk pemurnian air, dan sinar matahari adalah salah satu dari beberapa bentuk energi panas yang dapat digunakan untuk memberi kekuatan pada proses tersebut. Sinar matahari memiliki keuntungan dari biaya bahan bakar nol namun membutuhkan lebih banyak ruang untuk koleksinya. Penyulingan matahari adalah teknologi yang paling sederhana, hemat biaya, dan ramah lingkungan

untuk pemurnian air Ditinjau dari segi perkembangan proses destilasi maka menurut peneliti dari India, percobaan tentang kinerja alat destilasi pasif dan aktif dengan memanfaatkan sinar matahari sebagai sumber energy.Dengan melakukan penelitian tentang system desalinasi yaitu menghasilkan air bersih / air tawar dari air laut dapat membantu masyarakat yang mengalami kesulitan mendapatkan air bersih ataupun yang mengalami kekurangan air bersih. Judul dari penelitian ini adalah Kajian Alat Desalinasi Air Laut Tenaga Surya Sistem Aktif Kemiringan Ganda Dengan Penambahan Kolektor Surya .

1.2 Identifikasi Masalah

Berdasarkan latar belakang masalah yang telah diuraikan, diidentifikasi masalah-masalah sebagai berikut:

1) Apakah penyulingan air laut menjadi air tawar saja yang dapat memproduksi air bersih?

2) Bagaimana cara manusia mendapatkan air bersih tanpa mengeluarkan biaya yang besar?

3) Energi apa saja yang dapat dikelola untuk mendapatkan air bersih?

4) Teknologi manakah yang dapat menghasilkan air bersih yang banyak setiap harinya untuk memenuhi kebutuhan air bersih manusia?

1.3 Pembatasan Masalah

Berdasarkan hasil identifikasi masalah di atas, maka penelitian ini dibatasi pada:

1. Alat, bahan, temperature, tekanan dan waktu produksi air bersih merupakan variable yang akan di amati.

2. Pengujian dilakukan di kampus Universitas Sumatera Utara yang beradad dikota medan yang terletak pada posisi 4°LU - 98°BT dengan ketinggian 2,5 – 37,5 meter di atas permukaan air laut.

3. Energy yang digunakan berasal dari energy matahari.

4. Air yang di destilasi berasal dari laut belawan kota medan.

1.4 Perumusan Masalah

Topik penelitian ini adalah desalinasi dengan menggunakan energi matahari untuk menghasilkan air bersih, sehingga perlu dirumuskan sebagai berikut:

1. Selama percobaan dilakukan, berapa besar energy dan exergy yang dihasilkan system untuk dapat menaikkan temperature air laut agar menghasilkan air bersih.?

2. Berapa besar efisiensi keseluruhan dari sistem desalinasi selama percobaan?

3. Berapa banyak air desalinasi yang dihasilkan selama pengujian ? 1.5 Tujuan Penelitian

1.5.1 Tujuan umum

Mengkaji alat desalinasi yang berorientasi pada pemanfaatan energi terbarukan dan berkelanjutan serta ramah lingkungan yang dapat digunakan untuk menghasilkan air bersih yaitu energy matahari.

1.5.2 Tujuan khusus

Tujuan khusus penelitian ini adalah:

a. Mengetahui jumlah air yang dihasilkan perhari

b. Mengetahui besarnya energy dan nilai exergy yang digunakan untuk menguapkan air

c. Menghitung efisiensi energi dan exergy . 1.6 Manfaat Penelitian

Manfaat dari penelitian ini adalah:

1. Dari sisi energi

Untuk mengurangi penggunaan energi listrik dan bahan bakar fosil yang tidak dapat diperbaharui.

2. Dari sisi lingkungan

Untuk mengurangi pemanasan global dengan menggunakan energi ramah lingkungan.

3. Dari sisi ekonomi

Sebagai peluang bisnis yang dapat digunakan dalam jangka panjang 4. Dari sisi teknologi

Untuk pengembangan teknologi berpotensi mengurangi polusi udara di Indonesia.

5. Dari sisi akademis

Untuk memberikan sumbangan data dan referensi yang diperlukan untuk penelitian selanjutnya.

BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Energi Matahari

Energi matahari adalah pancaran cahaya dan panas yang diterima dari matahari dan dimanfaatkan di bumi menggunakan teknologi seperti, pemanasan matahari, photovoltaic (PV) dan fotosintesis. Belakangan ini banyak penelitian yang berkaitan dengan desalinasi maupun diluar desalinasi dengan memanfaatkan energy matahari.

Energi dari matahari biasanya dimanfaatkan di bumi menggunakan perangkat aktif seperti sel PV . Hal ini diakui bahwa perkembangannya terjangkau , tak habis dan bersih, teknologi energi surya akan memiliki manfaat yang besar dan ini akan menghemat energi negara melalui ketergantungan pada sumber daya impor yang tak habis-habisnya dan sebagian besar meningkat dan bekerlanjutan, mengurangi polusi menurunkan angka mitigasi yang disebut pemanasan global dan dapat mengontrol jumlah harga bahan bakar fosil.

Spektrum matahari di atmosfer luar dan di permukaan bumi ditampilkan dan dibandingkan dengan radiasi benda hitam data yang sesuai pada berbagai panjang gelombang dalam hal kontribusi persen yang mungkin dapat mengontrol harga bahan

bakar fosil diberikan dalam gambar dan table.

14

Gambar 2.1.Gambar spectrum matahari

Agar lebih jelas dan dapat melihat besaran dari gerafik diatas maka kita dapat melihat pada table dibawah ini..

Tabel 2.1 karakteristik gelombang sinar matahari

Energy rasio setiap panjang gelombang range (warna range) di spectrum Panjang gelombang (nm) jumlah surya spectrum % Spectral rentang

0 e 310 0.019 UV jauh

310 e 325 0.21 UV jauh

325 e 350 1.0 UV jauh

350 e 400 3.8 UV

400 e760 43.9 Terlihat

760 e 52,3 Untuk infra merah

UV, ultra violet

Jika dilihat pada table diatas maka kita dapat mengetahui sejauh mana energi matahari yang tersedia di bumi. Pernyataan itu menjelaskan bahwa jumlah energi yang mencapai permukaan bumi setiap jam lebih besar dari jumlah energi yang digunakan oleh penduduk bumi selama satu tahun. Ini berarti bahwa kelangkaan energy yang sering kita teriakkan adalah hanya ilusi. Jika sumber energy ini bisa dimanfaatkan dan disimpan, manusia tidak akan perlu khawatir tentang kekurangan

15

sumber energy atau bertempur untuk mendapatkan sumber energy. Ada berbagai perkiraan dari jumlah radiasi matahari yang diterima oleh bumi.Satu dokumen menunjukkan bahwa bumi menerima 174.000 terawatts (TW) dari radiasi matahari yang masuk di bagian atas atmosfer. Sekitar 30% adalah dipantulkan kembali ke angkasa sedangkan sisanya diserap oleh awan, lautan, dan daratan [20].

Setiap detik, matahari mengubah sekitar 650.000.000 ton energy menjadi helium.Diperkirakan bahwa energi matahari telah digunakan sekitar 50% dari sumber energy.Reaksi termonuklir ini menghasilkan panas dan radiasi elektromagnetik.Panas yang digunakan untuk mempertahankan reaksi termonuklir radiasi elektromagnetik dalam bentuk foton (sebagian besar 45% cahaya tampak, 52% cahaya inframerah, dan sebagian kecil dari radiasi UV. Maka energy yang dilihat sebagian besar 45% cahaya tampak, 52% cahaya inframerah, dan sebagian kecil dari radiasi UV keluar ke angkasa ke segala arah. Sebuah flowchart dibawah terlihat distribusi energy dari radiasi matahari diberikan dalam skema menunjukkan bahwa lebih dari setengah dari radiasi matahari berada di kawasan inframerah atau inframerah jauh.

Hal ini membebankan suatu kondisi di mana manusia harus mampu memanfaatkan komponen energi panas dari radiasi matahari untuk penggunaan secara efektif, dan karenanya kita harus menggunakan kolektor surya yang tepat[20].

Hampir semua sumber energi terbarukan, seperti, tenaga air, laut, angin, panas bumi, dan matahari, merupakan sumber C-netral.Sumber-sumber ini telah berbeda potensial untuk memasok listrik diproyeksikan sekitar 15 TW. Di antaranya, surya, angin, panas bumi, dan gelombang laut memiliki potensi teoritis untuk memberikan lebih

16

dari sekitar 15 TW, dan di antara ini hanya dua sumber yang setuju untuk mengekstraksi kemampuan semacam ini yaitu surya dan angin. Dari keduanya, hanya surya memiliki potensi teknis untuk aman melebihi 15 TW. Urutan perkiraan besarnya beberapa sumber energi terbarukan diberikan dalam table, di antara sumber energi terbarukan, tenaga air dan bahan bakar solar memasok listrik paling diikuti oleh angin dan panas bumi .

Table 2.2 Urutan perkiraan besarnya beberapa sumber energi terbarukan Sumber

Energi

Dunia Potensial

Teoritis (TW)

Potensial yang diekstrak (TWBahan Kimia)

Potensi Teknis

(TWBahan Kimia)

2001 Supply (TWBahan Kimia)

PLTA 12 TWm 3.5 1.2 0.23

Pasang surut air laut

2.4 TW_m 0.60 0.037 5 x 10^-5

Angin 1000 TW_m 250 14 5 x 10^-3

Panas Bumi 44 TWt 2.8 1.9 5 x 10^-3

Listrik Tenaga Surya

89.000 TWp 58.000 7500 15 x 10^-5

Bahan Bakar Solar

89.000 TWp 61.000 2500 0.19

Panas Matahari

89.000 TW_P 19.000 5600 6 X 10^-4

Subskrip menunjukkan kimia, listrik, mekanik, fotonik, dan termal. Direproduksi dari draft versi kerja, 2006 20 April Solar FAQ.

17

Dari 89.300 TW berapa banyak daya yang dapat diekstrak menjadi bentuk energy yang dapat dimanfaatkan seperti listrik, bahan bakar, dan panas, Konversi tenaga surya untuk listrik tergantung pada teknologi dan juga tergantung pada perangkat yang kita gunakan.

2.2 Perpindahan Panas

Perpindahan panas (heat transfer) ialah ilmu tetang perpindahan panas yang terjadi karena adanya perbedaan suhu di antara benda atau material. Ilmu perpindahan panas tidak hanya mencoba menjelaskan bagaimana energi panas itu berpindah dari suatu benda ke benda lain, tetapi juga menjelaskan laju perpindahan yang terjadi pada kondisi-kondisi tertentu (Holman, 1983).

2.2.1 Perpindahan Panas Konduksi

Perpindahan panas konduksi adalah perpindahan energi panas melalui sebuah media seperti air, udara, tembaga dan lainnya. Di dalam benda – benda padat maka perpindahan yang terjadi dari temperatur tinggi ke rendah.

2.2.2 Perpindahan Panas Radiasi

Perpindahan panas radiasi adalah perpindahan energi yang terjadi melalui bahan antara kalor juga dapat berpindah melalui daerah-daerah hampa.

18

2.2.3 Perpindahan Panas Konveksi

Perpindahan panas Konveksi adalah bentuk perpindahan energi diantara permukaan benda padat dan fluida sekitar yang bergerak dan melibatkan pengaruh kombinasi konduksi dan pergerakan fluida. Aliran fluida yang lebih cepat, maka perpindahan panas konveksinya akan menjadi lebih tinggi.

2.3 Desalinasi

Desalinasi pada prinsipnya ialah teknik untuk menghasilkan air bersih dengan cara penyulingan air kotor dalam pengujian ini menggunakan air laut . Air laut akan menguap karena diberi kalor. Proses desalinasi membutuhkan jumlah energi panas matahari untuk proses pemuaian, semakin tinggi energi panas yang diberikan maka air akan semakin cepat memuai atau terjadi evaporasi, air yang terevaporasi menghasilkan uap air bersih dan garam yang terkandung pada air tidak terepavorasi dan membentuk kristal garam pada dasar ruang evaporasi. Berikut dapat dilihat proses desalinasi sederhana pada gambar 2.1 dengan memanfaatkan matahari sebagai sumber energi utama.

Gambar 2.2 . Sistematis desalinasi pasif sederhana dengan lereng ganda [4]

Sunlight

Fresh Water Vapor

Sea Water

39

Dengan menggunakan lereng ganda maka proses desalinasi akan lebih efektif karena sinar matahari yang dipancarkan dapat diterima baik dari arah timur maupun dari arah barat. Daerah tempat terjadi pemuaianpun jelas lebih luas yang mengakibatkan air dapat lebih cepat mencapai titik jenuh dan memuai menjadi uap dikarenakan ketebalan air yang tipis yang memungkinkan cepat terjadinya konduksi antara partikel-partikel air.

Ada beberapa klasifikasi dari proses desalinasi yang menggunakan sinar matahari sebagai sumber energi. Klasifikasi tersebut berinduk dari proses desalinasi air laut dan membelah menjadi beberapa metode penelitian yang bertujuan untuk meningkatkan efisiensi dari setiap metode yang ada.

Gambar 2.3 Klasifikasi proses desalinasi [4]

Dilihat dari gambar klasifikasi di atas maka kita dapat mengetahui berbagai cara dan metode dalam melakukan percobaan tentang proses desalinasi air laut. Salah satu dari klasifikasi dari gambar diatas yang kami gunakan ialah

solar still double slope dengan active system, atau sering disebut dengan

desalinasi sederhana.

Pada passive system perencanaan alat dibuat menggunakan double slope tanpa menggunakan pompa untuk mensirkulasikan air yang ada pada tabung evaporator, sedangkan pada active system perencanaan alat dirancang menggunakan pompa untuk mensirkulasikan kedalam kolektor surya kemudian mengabutkan kembali ke evaporator .

Produksi air tawar harus diukur setiap jam selama keseluruhan eksperimen untuk mengetahui wujud perangkat multi-efek secara akurat, terutama yang memiliki kedalaman air yang tinggi. Namun, tidak ada penelitian tentang efek dari matahari aktif yang melaporkan produksi air tawar per jam selama periode 24 jam .

Gambar 2.4. Desalinasi active system pada single slope

2.3.1 Doubel Slope

Pada penelitian ini evaporator yang direncanakan adalah model double slope. Ada beberapa penelitian tentang desalinasi yang sering dijadikan topik

pembahasan seperti kemiringan tunggal cekungan tunggal, lereng ganda dan piramida berbentuk piramid diam telah diteliti secara eksperimental dan teoritis.

Energi matahari bisa dimanfaatkan untuk mendapatkan air bersih dari air laut melalui penggunaan tenaga surya.Sistem semacam itu menangkap air evapo- rated (atau suling) dengan mengembunkannya ke permukaan miring yang

dingin.Solar pasif konvensional sederhana masih terdiri dari penutup kaca, dan saluran pengumpul air tawar dan penutup kaca bisa single, double slope dan piramida.Air laut di basin yang dicat hitam dipanaskan oleh tenaga surya yang dipancarkan kemudian diserap oleh basin . Dalam sistem ini, wadah air payau dan air laut dapat dianggap sebagai evaporator, dan penutup kaca sebagai kondensor.Desalinasi matahari adalah metode ekonomis dan ramah lingkungan dari pada semua metode desalinasi konvensional lainnya. Ada beberapa jenis stills surya, jenis yang paling sederhana adalah satu-satunya baskom. Namun, hasil cekungan tunggal masih rendah dan berada pada kisaran 1.5 sampai 3 liter [14,15,16].

Gambar 2.5. Destilasi active doubel slope [3]

Menyelidiki pengaruh kemiringan tutup kondensasi.Dalam pekerjaan ini, sudut kaca ditentukan secara eksperimental pada 5L sehingga tetes air bisa bergerak di bawahnya dan tergelincir ke bawah, namun sudut 8L dianggap dan memastikan semua tetes dikumpulkan.Umpan air laut di setiap tahap diberi masuk dari atas penampang melalui tabung. Tabung dibangun dalam bentuk sifon untuk mencegah kebocoran uap air .

2.4 Kolektor Surya Plat Datar (Flat-Plate Collectors)

Kolektor Surya Pelat Datar merupakan sebuah media yang digunakan untuk memanaskan fluida kerja yang mengalir dengan mengkonversikan energi radiasi matahari menjadi panas. Fluida yang dipanaskan berupa cairan minyak , oli, dan udara kolektor surya plat datar mempunyai temperatur keluaran dibawah 95°C. dalam aplikasinya kolektor plat datar digunakan untuk memanaskan udara dan air (Goswami, 1999). Penggunaan kolektor surya plat datar lebih mudah dan

sederhana Komponen-komponen sebuah kolektor surya pelat datar terdiri dari permukaan “hitam” dalam penelitian ini adalah pelat ACP (Aluminium Composit Panel ) sebagai penyerap energi radiasi matahari yang kemudian dipindahkan ke fluida. Penutup tembus cahaya (kaca) berfungsi mengurangi efek radiasi dan konveksi yang hilang ke atmosfir. Pipa-pipa aliran fluida berfungsi mengalirkan fluida yang akan dipanaskandalam penelitian ini digunakan pipa tembaga. Skema kolektor surya pelat datar ditunjukkan pada gambar. Performansi kolektor dinyatakan dengan keseimbangan energi yang menggambarkan distribusi energi matahari yang datang terhadap energi yang bermanfaat dan beberapa energi yang hilang ( Philip Kristanto, 2001 ).

Prinsip kerja pada kolektor surya dengan menggunakan pelat datar, yaitu bahwa air yang masuk kedalam kolektor melalui pipa distribusi yang akan mendapatkan panas yang baik melalui radiasi langsung matahari maupun konveksi. Hal ini di sebabkan energi radiasi matahari didalam kolektor yang dibatasi kaca bening tembus cahaya. Terjadinya perpindahan panas terhadap pipa – pipa distribusi maka suhu air di dalam pipa tersebut akan secara langsung bertambah, hal tersebut mengakibatkan adanya perbedaan masa jenis. Air yang bersuhu tinggi memiliki massa jenis yang lebih kecil, sehingga cenderung akan mengalir kearah yang lebih tinggi. Sebaliknya air yang bersuhu rendah memiliki massa jenis lebih besar dan cenderung akan bergerak kebawah, sehingga terjadi konveksi secara alami (Marbun, 2009).

2.5 Air Laut

Air laut adalah sejenis cairan dengan komponen kompleks, mengandung lebih dari 80 unsur kimia yang diketahui sebagian besar ada dalam bentuk ion dan

setiap unsur tersebut ada kemungkinan mempengaruhi laju proses desalinasi.

Selama proses konsentrasi dan kristalisasi air laut, ion diendapkan sebagai garam, di antaranya isi 11 komponen melebihi 1 ppm (lihat Tabel dibawah ini).

Komponen ini dianggap sebagai elemen utama air laut, menyumbang 99,58% dari total salinitas..

Tabel 2.2 . Unsur utama air laut [4]

Elements Bentuk (Exstensi) Kadar (ppm)

Cl ^19,000

Na 10,500

Mg 13500

S ¯ 885

Ca 400

K 380

Br 65

Sr 8.0

B B(OH 4.0

Si Si(OH 3.0

F F 1.3

Dari table dibawah ini juga dapat dilihat unsur-unsur gas yang terkandung pada air laut.

Table 2.3 Unsur gas yang terkandung pada air laut

Gas Ar

Kadar

(ppm) 102.5 12.82 8.05 0.479

Air laut tidak hanya memiliki unsur gas yang terkandung didalamnya tetapi ada sifat kimia yang mempengaruhi karakteristik sifat air. Untuk sifat kimia dari air lau dapat dilihat pada table berikut:

Table 2.4 sifat kimia pada air laut

Nilai PH Clorin Salinitas Total kadar

garam

7.5-8.4 19.38 34.85 35.07

Air laut memeiliki sifat fisik umum yang berbeda dengan air tawar sifat fisik air laut dapat dilihat pada table berikut ini.

Table 2.5 sifat fisik air laut Density

(kg/ )

Cp (kj/kg °C)

Panas penguapan

(kj/kg)

Titik beku (°C)

Titik didih (°C)

Tekanan uap (pa)

Tekanan osmotic

(pa)

Visicosita s dynamic

( kg/m s) 1023.4 3.90 2436.3 -1.91 100.56 0.9812 -0.084T 0.96

x

Laut menurut sejarahnya terbentuk 4,4 milyar tahun yang lalu, dimana awalnya bersifat sangat asam dengan air yang mendidih (dengan suhu sekitar 100°C) karena panasnya Bumi pada saat itu. Asamnya air laut terjadi karena saat itu atmosfer Bumi dipenuhi oleh karbon dioksida.Secara perlahan-lahan, jumlah karbon dioksida yang ada diatmosfer mulai berkurang akibat terlarut dalam air laut dan bereaksi dengan ion karbonat membentuk kalsium karbonat. Sinar Matahari yang masuk menyinari Bumi dan mengakibatkan terjadinya proses penguapan sehingga volume air laut di Bumi juga mengalami pengurangan dan bagian-bagian di Bumi yang awalnya terendam air mulai kering. Proses pelapukan batuan terus berlanjut akibat hujan yang terjadi dan terbawa ke lautan, menyebabkan air laut semakin asin.

2.6 Thermodinamika Pada Lingkungan Evaporator Desalinasi

Membahas tentang perubahan energy, salah satunya perpindahan panas dari temperatur yang tinggi ke temperatur yang lebih rendah seperti yang dituliskan pada asas Black merupakan bagian dari termodinamika. Sinar matahari yang diterima oleh air mengakibatkan suhu pada air naik karena sinar yang datang mengandung energy panas dan air mengalami konveksi keseluruhan pada

permukaannya dan permukaan air meneruskan energy panas konduksi keseluruhan dari air. Besarnya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu air dari 1 gr massa bahan sebesar 1˚C dapat diketahui dengan persamaan dibawah ini.

Q = M.Cp.Δt (1.1)

Dimana M adalah massa zat yang digunakan pada percobaan yaitu massa air laut yang mengandung garam, dan tentu berbeda massa airnya dengan massa air yang tidak mengandung garam. Untuk Cp adalah panas jenis air laut yang digunakan dapat dilihat pada table propertis air laut ,dan untuk Δt adalah ialah temperature sebelum dan sesudah percobaan. Kalor uap adalah proses penguapan yang terjadi karena perubahan wujud dari bentuk cair menjadi gas. Untuk mengubah fase air menjadi gas tentunya memerlukan jumlah kalor yang berbeda- beda sesuai dengan jenis zat tersebut.Untuk menguapkan 1 kg zat cair menjadi uap atau gas pada titik didihnya disebut dengan kalor uap (U).Dari penjelasan diatas maka dapat dirumuskan menjadi.

Q = M . U (1.2)

Perpindahan panas konveksi adalah perpindahan panas yang terjadi dari permukaan media padat atau fluida yang diam menuju fluida yang mengalir (bergerak) atau sebaliknya dimana diantara keduanya memiliki perbedaan temperature. Dalam percobaan yang dilakukan permukaan air yang terkena sinar matahai akan mengalami proses konveksi, besarnya preoses terjadinya konveksi tergantung kepada luas permukaan yang terkonveksi (A), beda suhu antara permukaan benda dengan fluida dan koefisien konveksi (h) yang tergantung pada viscositas fluida.

= h .A . ( - ) (1.3)

Proses konveksi ini terjadi pada saat sinar matahari sampai pada permukaan air, maka terjadi perpindahan panas yang dibawa oleh sinar merambat pada permukaan air dengan Ts adalah temperature permukaan dan temperature lingkungan.

Gambar 2.6 Skema Radiasi Matahari pada Proses Desalinasi 2.6.1 Energi yang diterima langsung evaporator

Panas yang dipancarkan matahari langsung diterima oleh kaca penutup evaporator selanjutnya akan terradiasi kedalam evaporator dan terserap oleh air.

Jumlah panas yang diterima tidaklah sama besarnya dari sisi timur dan sisi barat.

Maka untuk mendapatakan nilai panas yang diterima kaca dari setiap sisi dapat digunakan persamaan dibawah ini[21],[22],[23].

1. Sisi Timur

+ ( ( )

= ( ) (1.5)

( ) ( ) = ( (1.6)

= 2. Sisi Barat

+ ( ( )

= ( ) (1.7)

( ) ( ) = ( (1.8)

=

Pada persamaan (1.6) dan (1.8) nilai dan dapat dicari dengan persamaan berikut.

= [⁽

) (

) ], = [⁽

) (

) ]

Dengan mensubtitusikan persamaan diatas, maka didapatkan persamaan berikut.

( ) ( ) = ( ) (1.9)

( ) ( ) = ( ) (1.10)

Untuk mendapatkan nilai dan dapat dicari pada persamaan dibawah ini.

= [

((

)) (

) ] (1.11)

=[

((

)) (

) ] (1.12)

Dengan mensubtitusikan persamaan (1.9) dan (1.5) maka didapatkan persamaan untuk mencari nilai

+ ( ( )

= ( ) (1.13)

= ^{* (}

) +

* ( ) + (1.14) Dan dengan mensubtitusikan persamaan (1.10) dan (1.6) maka didapatkan persamaan untuk mencari nilai .

+ ( ( )

= ( ) (1.15)

= ^{* (}

) +

* ( ) + (1.16) Untuk menyelesaikan persamaan (1.14) dan (1.16) dapat dilihat pada lampiran, dan persamaan yang digunakan untuk mencari nilai dan dapat digunakan persamaan dibawah ini.

= * + ^(1.17)

Dan

= * + (1.18)

Dimana didalam mencari nilai (A, B, dan H) dapat digunakan persamaan berikut.

A =C₁U₂+C₂ (1.19)

= U₂+ (1.20)

B =( ) ( ) (1.21)

=( ) ( ) (1.22)

= ^(1.23)

= (1.24)

= (1.25)

= (1.26)

H= (1.27)

= ( ) (1.28)

= ( ) (1.29)

Persamaan diatas digunakan untuk mencari jumlah dan besar energy yang di terima di luar evaporator, selebihnya energy akan masuk dan diserap air Karena terjadi proses konveksi,konduksi dan radiasi maka dapat dihitung sebagai berikut.

2.6.2 Energy yang berada didalam evaporator

Pentingnya mengetahui berapa besar energy yang berada didalam ruang evaporator dikarenakan jumlah air yang dihasilkan sangatlah bergantung dengan energy yang diterima air, untuk itu maka diperlukan pengetahuan didalam menghitung energy yang berda didalam ruang evaporator,maka harus mencari koefisien-koefisien perpindahan panas yang terjadi.

1. Koefien perpindahan panas sisi atas

Dikarenakan ketebalan kaca yang ditetapkan tidak terlalu tebal yaitu 3 mm, maka dapat dianggap proses konveksi dan radiasi yang terjadi pada evaporator sama, maka dapat dihitung pada persamaan berikut.

= + (1.30)

Dimana:

= ( - ) (1.31)

= ( - ) (1.32)

Besarnya yang didapat akan bervariasi jika besar kecepatan udara lingkungan tidak setabil maka diasumsikan kecepatan udara rata-rata pada lingkungan dan ditetapkan sebagai berikut.

=[[ ]

[ ] ] (1.33)

Pada permukaan kaca besar koefisien perpindahan panas terjadi dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut.

= (

( ) ) (1.34)

= - 6 (1.35)

Dengan mensubtitusikan terhadap maka didapatkan persamaan dalam mencari di bawah ini.

= ( - ) (1.36)

= + (1.37)

2. Koefisien perpindahan panas pada sisi bawah

Panas yang ada pada ruang evaporator pastinya tidak steady, tetap dan continue pasti ada terjadi perpindahan panas melalui alas, dinding, semua itu karna ada perbedaan tinggi temperature antara lingkungan dan ruang evaporator, baik itu terjadi secara konveksi, radiasi dan konduksi, besarnya koefisien kehilangan panas yang terbuang pada evaporator dapat dihitung melalui persamaan.

=

(

) (1.38)

Dimana:

=

(

)

(1.39)

Nilai dan dapat diproleh dengan persamaan (1.5) dengan mensubtitusikan (v =0) dikarenakan tidak ada kecepatan angin dibagian bawah.

Untuk menghitung koefisien kehilangan panas total ( ) dapat digunakan persamaan berikut.

= x ( ) (1.40)

Setelah mendapatkan koefisien-koefisien perpindahan panas pada sisi atas dan bawah maka, perlu menghitung perpindahan panas yang terjadi diruang evaporator.

3. Perpindahan panas yang terjadi didalam evaporator

Perpindahan panas yang terjadadi didalam evaporator sering disebut dengan perpindahan panas internal, yang terutama terdiri dari radiasi, konveksi hingga terjadi penguapan air pada kaca penutup evaporator, maka perlu dihitung secara matematik besar energy yang berkerja pada ruang evaporator.

a. Koefisien perpindahan panas radiasi

Sebelumnya telah diketahui perinsip dari perpindahan panas radiasi akan berlangsung jika antara dua buah benda memiliki beda temperature. Maka didalam evaporator terjadinya radiasi antara kaca penutup dengan air dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut.

= ( - ) (1.41)

Persamaan matematik untuk perpindahan panas radiasi ini juga di subtitusikan dengan persamaan Stefan Boltz man’s yaitu

= x x * ( ) + (1.42) Maka setelah mengeleminasi maka didapat persamaan berikut.

= ^{* ( ) +}

Juga = * ( ) + (1.43) Dimana daya efektif dari air kepermukaan kaca yaitu emisivitas efektif dapat dihitung dengan persamaan berikut.

=[ ]

(1.44)

Dimana nilai konstanta akan menjadi ( = 0.96), ( = 0.88).

b. Koefisien perpindahan panas konveksi

Perpindahan panas konveksi didalam evaporator terjadi pada udara yang lembab didalamnya karena beda temperature permukaan air dan kaca penutup.

Untuk persamaan matematiknya dapat dilihat dibawah ini.

= ( - ) (1.45)

Untuk koefisisen kehilangan panas konveksi pada udara didalam evaporator dapat dihitung dengan persamaan berikut.

= = C[ ] (1.46)

Pr = (1.47)

Gr =

(1.48) Dari persamaan (1.13) dapat digunakan dalam menghitung sifat fisik dari kelembaban udara pada evaporator, dan juga dapat dilihat pada table

[2.7].Perbedaaan suhu efekektif (∆T) yang terjadai dapat dihitung melalui persamaan berikut.

∆T = - + ^{( )}

(1.49)

Pada persamaan (1.21) dapat dilihat bahwa besar masih tergantung dengan dua nilai konstanta (C) dan (n). Ada beberapa metode yang dipakai dalam mencari besar darinilai konstanta (C) dan (n) ini, tentunya nilai ini sudah dipakai oleh peneliti-peneliti sebelumnya untuk mencari rentang nilai Grashoff. Untuk rata-rata x 0.25 m; Dunkle [20] telah menggambil nilai C = 0.075 dan n = 1/3, untuk Gr 4.39 dan persamaan yang digunakan sebagi berikut.

= 0.884 *( ) ^{( )}

+

(1.50) Dimana dan ialah tekanan uap pada permukaan air, maka dapat dicari dengan persamaan berikut,

* (

)+ (1.50a)

= exp [ (

)] (1.50b)

Tabel 2.7 sifat fisik udara lembab sebagai fungsi dari temperature uap

Sifat Fisik Simbol Satuan Persamaan

Kapasitas panas Cp J/Kg/°K Cp =999.2+0.1434 +1.101x – 6.758x Konduktivitas K W/m°c K=0.0244+0.7673x

Viskositas N.s/m² =1.718x +4.62 x

Kerapatan ρ Kg/m³ ρ=353.44/(

Faktor ekspansi β K-1 β=1/( +273.15)

c. Koefisien penguapan didalam evaporator

Disaat penelitian dilakukan banyak tejadi kehilangan panas pada saat penguapan di evaporator. Hilangnya panas dapat mempengaruhi tinggih

rendahnya kecepatan proses penguapan air yang berkaitan dengan efisiensi kerja alat dan hasil yang didapatkan. Nilai koefisien penguapan merupakan nilai yang sangat mempengaruhi tinggi rendahnya hasil dari penelitian oleh sebab itu nilai ini harus diketahui, dengan persamaan ini kita dapat mencarinya.

= x ( ) (1.51)

= 16.273x x x( ) (1.52) Dimana untuk menghitung koefisien perpindahan panas pada ruang evaporator dapat dihitung dengan persamaan berikut.

= 16.273x x x^{( )}

( ) (1.53)

Untuk koefisien perpindahan panas total yang diperoleh dari ketiga koefisien perpindahan panas diatas maka diproleh sebagai berikut.

= x x (1.54)

Dan = x x (1.55)

2.6.3 Energi termal dan efisiensi exergi dari sistem aktif ( ) ( ) ....(6)

̇

[ ]

...(7)

[

] ̇

[ ]

...(8)

2.6.4 Evaluasi hasil dari desalinasi

Air tawar yang dihasilkan disaat proses penelitian sangat diharapkan sebab ini termasuk didalam tujuan penelitian yang dilakukan. Persamaan dibawah ini dapat digunakan untuk menghitung jumlah air tawar yang dihasilkan.

= (1.56)

= ( )

(1.57)

Dimana nilai (L) ialah panas laten dari udara lembab di evaporator (J/kg).

L = 3.1615x x [1- (7.6166x x )] (1.58) Dimana nilai (K) dan (L) diproleh dari table propertis of water.

Ada beberapa persamaan yang sering digunakan didalam penelitian baik secara teoritis maupun eksperimental.Adapun persamaan ini dapat digunakan sebagai perbandingan untuk mendapatkan hasil yang lebih akurat.

= C[ ] (1.59)

= = C[ ] [ ] (1.60)

= C[ ] (1.61)

= 16.273x x x( ) (1.61a)

= 16.273x x x [ ] ( ) (1.62)

= (1.62a)

= 16.273x x x [ ] ( ) (1.62b) R = 16.273x x x ( ) (1.63) Jika dalam keadaan steady makam nilai (R) dianggap konstan.

= R x C[ ] (1.64)

= C[ ] (1.65) Jika dilihat logaritma kedua persamaan(1.41) diatas, dan membandingkan dengan persamaan garis lurus berikut.

y = mx + Co (1.66)

dan didapatkan persamaan sebagai berikut,

y = ln (( ),Co = ln C,x = ln(Ra) (1.67)

Dengan menggunakan regresi linier dalam menganalisis pada koefisisen persamaan (4.1) maka dapat diselesaikan dengan mengikuti persamaan dibawah ini.

m =

(1.68)

= ⁽ )

(1.69)

Dimana (N) adalah jumlah pengamatan experimental untuk kondisi steady, dan menjadi N+1 untuk kondisi steady pada percobaan ini.

BAB 3

METODE PENELITIAN

3.1. Tempat dan Waktu 3.1.1 Tempat

Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Sustainable and Renewable Energy Program Studi Magister Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas

Sumatera Utara, dengan posisi lintang 3,43^o Lintang Utara (φ=3,43) dan 98,44^o Bujur Timur (L_loc = 98,44), 37,5 meter diatas permukaan laut (Altitude A

=0.0375) dan dengan waktu meridian (7x(7+GMT))7X5 = 105° (Lst = 105^o) [Standar meridian].

3.1.2 Waktu

Waktu pelaksanaan penelitian ini dilakukan dalam waktu selama 8 hari pengujian. Penelitian ini dimulai dengan kajian awal, pembuatan alat, dan uji kinerja. Rincian dari penelitian ini seperti pada tabel.

Tabel Jadwal Penelitian

No. Uraian Bulan Ke-

1 2 3 4 5 6 1. Kajian literature

2. Penyusunan proposal penelitian 3. Seminar proposal penelitian 4. Rekayasa peralatan penelitian

5 Pengujian Experimental 6. Analisa data dan penyusunan

laporan penelitian 7. Seminar hasil penelitian 8. Sidang akhir