i
UNJUK KERJA POMPA AIR ENERGI TERMAL
MENGGUNAKAN FLUIDA KERJA PETROLEUM ETER
DENGAN DEBIT FLUIDA KERJA 0,3 LITER/MENIT
TUGAS AKHIR
Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan
mencapai derajat Sarjana S-1
Program Studi Teknik Mesin
Oleh :
KRISTOFORUS ADE YULIANTO
NIM : 105214052
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA
YOGYAKARTA
PERFORMANCE OF THERMAL ENERGY WATER PUMP
USING PETROLEUM ETHER AS WORKING FLUIDS WITH
DEBITE 0,3 LITRE/MINUTE
FINAL PROJECT
Presented as partitial fulfilment of the requirement to obtain the Sarjana Teknik degree
in Mechanical Engineering
Presented by
KRISTOFORUS ADE YULIANTO
Student Number : 105214052
MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM
DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING
FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
SANATA DHARMA UNIVERSITY
x
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL……….……….. i
TITLE PAGE ………...…. ii
HALAMAN PENGESAHAN………...…… iii
DAFTAR DEWAN PENGUJI ………...……... iv
PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR………...…...….. v
LEMBAR PUBLIKASI ………...…. vi
INTISARI ... vii
KATA PENGANTAR ………..………...………...…..……... viii
DAFTAR ISI ……….………...…...………..…...……... x
DAFTAR GAMBAR ... xii
DAFTAR TABEL ………... xiv
BAB I PENDAHULUAN ………...………... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Perumusan Masalah ... 2
1.3 Tujuan dan Manfaat... 4
1.4 Batasan Masalah... 5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA... 6
2.1 Dasar Teori... 6
2.2 Persamaan Yang Digunakan... 8
2.3 Penelitian Terdahulu... 11
BAB III METODOLOGI PENELITIAN... 13
3.1 Skema Alat... 13
3.2 Variabel Yang Divariasikan... 16
3.4 Langkah Penelitian... 23
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN... 25
4.1 Hasil Penelitian... 25
4.2 Pembahasan………... 35
BAB V PENUTUP... 43
5.1 Kesimpulan 43 5.2 Saran... 44
DAFTAR PUSTAKA ... 45
xii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 3.1 Skema alat penelitian... 13
Gambar 3.2 Skema pemisah uap... 15
Gambar 3.3 Skema keadaan fluida kerja tidak mengalir... 17
Gambar 3.4 Skema keadaan debit fluida kerja 0,3 liter/menit... 17
Gambar 3.5 Keadaan kondensor terisi fluida kerja Petroleum Eter... 18
Gambar 3.6 Keadaan kondensor dan pemanas terisi fluida kerja Petroleum Eter... 18
Gambar 3.7 Variasi ketinggian pipa buang 2,35 meter... 19
Gambar 3.8 Variasi ketinggian pipa buang 1,35 meter... 19
Gambar 3.9 Variasi menggunakan 1 tabung tekan udara... 20
Gambar 3.10 Variasi menggunakan 2 tabung tekan udara... 21
Gambar 3.11 Posisi termologger dan manometer... 22
Gambar 4.1 Grafik perbandingan debit pada variasi 2 tabung tekan udara dan 1 tabung tekan udara, keadaan fluida kerja penuh di kondensor dan pemanas dan tinggi pipa buang 2,35 meter... 35
Gambar 4.2 Grafik perbandingan daya pompa pada variasi 2 tabung tekan udara dan 1 tabung tekan udara, keadaan fluida kerja penuh di kondensor dan pemanas dan tinggi pipa buang 2,35 meter... 36
Gambar 4.3 Grafik perbandingan efisiensi pada variasi 2 tabung tekan udara dan 1 tabung tekan udara, keadaan fluida kerja penuh di kondensor dan pemanas dan tinggi pipa buang 2,35 meter... 36
Gambar 4.5 Grafik perbandingan daya pompa pada variasi keadaan fluida penuh di kondensor dan evaporator dengan keadaan fluida hanya di kondensor menggunakan 1 tabung tekan udara, keadaan tinggi
head 2,35 m... 38
Gambar 4.6 Grafik perbandingan efisiensi pada variasi keadaan fluida penuh di kondensor dan evaporator dengan keadaan fluida hanya di kondensor menggunakan 1 tabung tekan udara, keadaan tinggi head 2,35 m... 39
Gambar 4.7 Grafik perbandingan debit pada variasi tinggi head 2,35 m dan 1,35 m dengan keadaan fluida hanya di kondensor menggunakan 1 tabung tekan udara... 40
Gambar 4.8 Grafik perbandingan daya pemanas pada variasi tinggi head 2,35 m dan 1,35 m dengan keadaan fluida penuh di kondensor dan evaporator menggunakan 1 tabung tekan udara... 41
Gambar 4.9 Grafik perbandingan efisiensi pada variasi tinggi head 2,35 m dan 1,35 m dengan keadaan fluida penuh di kondensor dan evaporator menggunakan 1 tabung tekan udara... 41
Gambar L.1 Alat penelitian pompa air energi termal... 46
Gambar L.2 Pemanas fluida kerja... 46
Gambar L.3 Tabung pemisah uap... 46
Gambar L.4 Kondensor... 47
Gambar L.5 Tabung penampung petroleum eter... 47
Gambar L.6 Tabung tekan air... 47
Gambar L.7 Tabung tekan udara... 47
Gambar L.8 Pompa benam... 48
Gambar L.9 Thermologger... 48
xiv
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1 Data penelitian dengan variasi fluida kerja penuh di pemanas dan kondensor, head pemompaan 2,35 meter
dengan menggunakan 2 tabung udara... 27 Tabel 4.2 Data penelitian dengan variasi fluida kerja penuh di
pemanas dan kondensor, head pemompaan 2,35 meter
dengan menggunakan 1 tabung udara... 27 Tabel 4.3 Data penelitian dengan variasi fluida kerja penuh di
kondensor pemanas terisi udara, head pemompaan
2,35 meter dengan menggunakan 1 tabung udara... 27 Tabel 4.4 Data penelitian dengan variasi fluida kerja penuh di
kondensor pemanas terisi udara, head pemompaan
2,35 meter dengan menggunakan 1 tabung udara... 28 Tabel 4.5 Data penelitian yang telah dihitung dengan variasi
fluida kerja penuh di pemanas dan kondensor, head pemompaan 2.35 meter dengan menggunakan 2 tabung
udara... 33 Tabel 4.6 Data penelitian yang telah dihitung dengan variasi
fluida kerja penuh di pemanas dan kondensor, head pemompaan 2,35 meter dengan menggunakan 1 tabung
udara... 34 Tabel 4.7 Data penelitian yang telah dihitung dengan variasi
fluida kerja penuh di kondensor pemanas terisi udara, head pemompaan 2,35 meter dengan menggunakan 1
tabung udara... 34 Tabel 4.8 Data penelitian yang telah dihitung dengan variasi
head pemompaan 1,35 meter dengan menggunakan 1 tabung udara... Tabel 4.9 Perbandingan pada variasi 2 tabung tekan udara dan 1 tabung tekan udara dengan keadaan head pemompaan 2,35 meter, keadaan fluida kerja penuh di kondensor dan pemanas...
35 Tabel 4.10 Perbandingan pada variasi keadaan fluida penuh di
kondensor dan pemanas dengan keadaan fluida hanya di kondensor menggunakan 1 tabung tekan udara, keadaan head pemompaan 2,35 m...
37 Tabel 4.11 Perbandingan pada variasi head pemompaan 2,35 m
dengan 1,35 meter, keadaan fluida penuh di kondensor dan pemanas menggunakan 1 tabung tekan udara...
vii
INTISARI
Air adalah salah satu kebutuhan pokok untuk kelangsungan hidup manusia. Untuk menyediakan air, selama ini masyarakat masih menggunakan pompa air dengan energi listrik atau bahan bakar fosil untuk mengalirkan dari sumbernya. Cara sederhana dengan tenaga manual juga dinilai tidak efektif tenaga dan waktu. Pompa termal adalah salah satu alternatif untuk menggantikan cara tersebut. Tujuan penelitian yang ingin dicapai adalah membuat model pompa air energi termal dengan delapan pipa pemanas paralel dan pemisah uap, meneliti debit, daya pompa dan juga efisiensi pompa maksimum yang dihasilkan pompa. Fluida kerja yang digunakan adalah petrolium eter. Parameter yang divariasikan adalah keadaan mula-mula fluida kerja (penuh di kondensor dan pemanas, penuh di kondensor dan pemanas terisi udara), ketinggian head (2,35 m dan 1,35 m) dan jumlah tabung tekan udara (2 tabung tekan udara dan 1 tabung tekan udara). Parameter yang diukur adalah temperatur minyak di bagian dasar, temperatur minyak di bagian tengah,temperatur pipa di bagian pipa saluran fluida kerja yang masuk ke pemanas, temperatur dibagian pipa keluanya uap fluida kerja dari pemanas, tekanan pada pemanas, tekanan pada tabung tekan air,tekanan pada tabung udara, waktu pemanasan, waktu pemompaan dan volume pemompaan.dari data yang diperoleh dari penelitian didapat hasil debit pemompaan maksimum 0,87 liter/menit, daya pemompaan sebesar 0,52 watt dan efisiensi pompa maksimum 0,032% didapat pada variasi kondisi fluida kerja penuh di pemanas dan kondensor dengan 2 tabung tekan udara pada ketinggian head 2,35 meter.
BAB I
PENDAHULUAN
1.1Latar Belakang
Pangan merupakan suatu kebutuhan pokok yang dibutuhkan manusia untuk kelangsungan kehidupannya. Air adalah salah satu bahan pangan yang selalu menjadi kebutuhan pokok untuk menjamin kelangsungan kehidupan manusia. Tetapi keberadaan air tidak selalu berada di tempat yang setrategis. Diperlukan alat atau perangkat untuk mengalirkan air dari sumbernya ke tempat yang diinginkan. Pompa air adalah salah satu alat untuk mengalirkan air dari sumber ke tempat yang diperlukan.
kebutuhan air dengan baik. Penggunaan energi fosil yang terus-menerus akan menjadi masalah krisis energi yang berdampak pada kebutuhan manusia lainya.
Salah satu cara untuk mengatasi masalah tersebut yaitu pemanfaatan energi termal. Energi termal adalah energi panas, energi panas bisa didapat dari berbagai cara antara lain adalah panas dari energi surya, kompor (listrik dan bahan bakar minyak), panas bumi dan lain-lain. Energi surya adalah salah satu alternatif untuk menjadi sumber energi pada pompa air. Untuk mendapatkan energi surya sangat mudah karena energi surya adalah energi bebas yang terdapat dialam baik di kota ataupun di daerah terpencil sekalipun.
1.2 Perumusan Masalah
pengembunan fluida kerja. Kecepatan penguapan dan pengembunan fluida kerja ditentukan oleh sifat-sifat dan jumlah massa fluida kerja yang digunakan serta beban (head) pemompaan. Permasalahan dalam penelitian ini dapat dirumuskan sebagai berikut:
1. Fluida kerja yang digunakan harus mempunyai sifat yang mudah menguap tetapi juga yang mudah untuk diembunkan kembali. Fluida kerja yang digunakan adalah petroleum eter yang mempunyai titik didih 40-60°C dan massa berat jenis 0,6 sampai 0,8 gram/cm3 tergantung pada komposisinya.
2. Jumlah massa fluida kerja mempengaruhi dalam sistem pemompaan. massa fluida lebih banyak dapat menghasilkan tekanan lebih besar tetapi membutuhkan waktu penguapan yang lama. Penelitian ini akan meneliti bagaimana pengaruh jumlah massa fluida kerja yang digunakan petroleum eter terhadap unjuk kerja pompa air dengan sistem termodinamik.
3. Beban head pemompaan mempengaruhi kecepatan penguapan fluida kerja sehingga berpengaruh pada unjuk kerja pompa yang dihasilkan. Penelitian ini akan meneliti pengaruh beban pemompaan pada unjuk kerja pompa air sistem termodinamik.
5. Penelitian ini akan meneliti pengaruh volume udara pada pemanas dan kondensor terhadap unjuk kerja pompa air sistem termodinamik.
1.3 Tujuan dan Manfaat
Tujuan yang ingin diperoleh dalam penelitian ini:
1. Membuat model pompa air energi termal dengan delapan pipa pemanas paralel dan pemisah uap.
2. Meneliti debit pemompaan maksimum. 3. Meneliti daya pemompaan maksimum. 4. Meneliti efisiensi pompa maksimum.
Manfaat yang diperoleh dari penelitian ini adalah:
1. Menambah kepustakaan tentang teknologi pompa air energi termal.
2. Hasil penelitian diharapkan dapat dikembangkan untuk membuat prototipe dan produk teknologi pompa air energi termal yang dapat diterima masyarakat dan meningkatkan kesejahteraan.
1.4 Batasan Masalah
Batasan masalah dari penelitian ini adalah :
1. Pada penelitian ini dibuat model pompa air energi termal dengan pemanasan ganda yang tersusun paralel dan menggunakan tabung pemisah uap.
2. Penggunaan petroleum eter sebagai fluida kerja. Berat jenis petroleum eter pada kondisi cair 0,64 gr/ml. Berat jenis digunakan dalam perhitungan mencari massa petroleum eter. Selanjutnya massa tersebut untuk menghitung daya pemanas.
3. Kalor laten petroleum eter yaitu 300 kJ/kg. Kalor laten fluida digunakan dalam perhitungan daya pemanas.
4. Tekanan udara sekitar dibutuhkan dalam perhitungan kompresi udara. Diasumsikan tekanan udara sekitar adalah 1 bar.
6
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Dasar Teori
Sumber energi surya dapat digunakan untuk pemanasan pompa air energi termal. Ada dua pengelompokan metode untuk pemanfaatan energi surya agar menghasilkan energi mekanik, yaitu: metode termodinamik dan metode konversi. Pada metode termodinamik, alat utama untuk pengumpulan energi termal surya adalah kolektor termal baik jenis pelat datar maupun fokus. Energi termal ini yang digunakan untuk menaikan temperatur dan tekanan fluida kerja. Fluida kerja dengan temperatur dan tekanan tinggi ini yang dimanfaatkan untuk menghasilkan energi mekanik baik langsung maupun tidak langsung (dengan fluida kerja kedua). Energi mekanik yang dihasilkan dimanfaatkan untuk menggunakan pompa air konvensional (dengan siklus Rankine, Brayton atau Stirling) maupun pompa air dengan disain khusus. Pada pompa air dengan desain khusus dapat dikelompokan berdasarkan media pendingin uap fluida kerjanya yaitu berpendingin udara atau air. Pada metode konversi langsung energi surya dikonversikan menjadi energi listrik dan energi listrik yang dihasilkan digunakan untuk menggerakan pompa. Pengkonversian energi surya ke listrik menggunakan photovoltaic, thermoelektrik.
adalah jenis pompa benam. Prinsip pompa benam selalu terletak dibawah pemukaan air. Kondensor digunakan untuk mempercepat pendinginan. Pendingan dilakukan dengan fluida air. Pada penelitian ini kondensor yang digunakan berbentuk pipa spiral dari stainless steel. Dalam penggerak pompa air terdapat penampung fluida kerja cair dan pemanas fluida kerja. Selain pemanasan dengan energi surya termal fluida kerja juga bisa dipanaskan menggunakan pemanasan minyak panas. Dalam penelitian ini, fluida kerja yang digunakan adalah fluida petroleum eter.
satu langkah hisap. Siklus pemompaan akan berlangsung terus selama masih ada persediaan energi panas yang cukup.
2.2 Persamaan yang Digunakan
Untuk mengetahui unjuk kerja pompa air energi thermal maka diperlukan persamaan yang dapat membantu mengetahui unjuk kerja sistem. Unjuk kerja pompa air energi termal diantaranya dinyatakan dengan daya pompa dan efisiensi pompa. Efisiensi pompa merupakan perbandingan antara daya pompa dengan daya pemanas tiap satuan waktu.
Daya pemompaan dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut (Soemitro, 1986) :
Ppompa
gQH(1)
dengan 𝑃𝑝𝑜𝑚𝑝𝑎adalah daya pemompaan, ρ adalah massa jenis air, g adalah percepatan gravitasi, Q adalah debit pemompaan, H adalah head pemompaan
Daya pemanas merupakan energi yang diperlukan untuk menguapkan fluida kerja tiap satuan waktu (Cengel, 2008). Daya pemanas dapat dihitung dengan persamaan berikut:
T hA
Ppemanas (2)
Untuk mencari persamaan h, dibutuhkan persamaan bilangan Nusselt (Nu).
Untuk mencari Nu harus diketahui nilai Ra terlebih dahulu. Berikut ini adalah persamaaan untuk menghitung bilangan Rayleigh (Ra):
Ra = 𝑔𝛽 𝑇𝑠−𝑇∞ 𝛿
Persamaan bilangan Nusselt pada konveksi luar pipa dapat dihitung dengan persamaan berikut:
Dengan Ra adalah bilangan Rayleigh, Pr adalah bilangan Prandtl
Persamaan bilangan Nusselt pada konveksi dalam pipa dapat dihitung dengan persamaan berikut:
Setelah semua bilangan diketahui persamaannya, maka selanjutnya adalah mencari nilai h dengan persamaan berikut:
ℎ= 𝑘
𝛿 Nu (6)
dengan adalah konduktifitas termal, 𝛿 adalah panjang karakteristik pipa dan Nu adalah bilangan Nusselt.
Efisiensi pompa merupakan perbandingan antara daya pompa dengan daya pemanas (Arismunandar, 1995). Efisiensi pompa dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut:
ɳ𝑝𝑜𝑚𝑝𝑎 = 𝑃𝑝𝑜𝑚𝑝𝑎
𝑃𝑝𝑒𝑚𝑎𝑛𝑎𝑠 × 100% (7)
Kompresi udara tekan merupakan besarnya tekanan yang terjadi akibat perubahan voluma udara pada massa udara retap dalam tabung udara tekan (Cengel, 2008). Untuk menghitung kompresi udara tekan menggunakan persamaan sebagai berikut:
𝑃2 =
𝑃1𝑉1
𝑉2 (8)
Dengan: P1 adalah tekanan udara awal, P2 adalah kompresi udara tekan, V1 adalah volume udara awal, dan V2 adalah volume udara akhir.
%
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Skema Alat
Bagian-bagian utama pada alat penelitian di Gambar 3.1 :
1. Pipa tembaga dengan diameter ½ inci dirangkai secara paralel dipasang miring 8,53° dan dipanaskan minyak. Foto alat penelitian ditunjukan pada bagian lampiran Gambar L.2
2. Bak penampung minyak dengan kapasitas 12 liter.
3. Tabung pemisah uap terbuat dari stainless steel dengan ukuran diameter 5 cm dan tinggi 25 cm. Foto alat penelitian ditunjukan pada bagian lampiran Gambar L.3.
4. Kondensor spiral dari stainless steel diameter ¾ inci dengan panjang 7 m. Foto alat penelitian ditunjukan pada bagian lampiran Gambar L.4. 5. Penampung fluida kerja cair dengan diameter 15 cm, tinggi 20 cm
terbuat dari stainless steel. Foto alat penelitian ditunjukan pada bagian lampiran Gambar L.5.
6. Tabung air tekan, dengan diameter 40 cm, tinggi 100 cm dan terbuat dari plat baja dengan tebal 1 mm. Foto alat penelitian ditunjukan pada bagian lampiran Gambar L.6.
7. Tabung tekan udara dari pipa PVC diameter 4 inci, tinggi 2 m. Foto alat penelitian ditunjukan pada bagian lampiran Gambar L.7.
8. Katup searah pada sisi tekan.
9. Pompa benam, terbuat dari PVC diameter 4 inci, panjang 2 m Foto alat penelitian ditunjukan pada bagian lampiran Gambar L.8.
Untuk meminimalisir cairan fluida kerja cair yang terbawa uap pada penelitian ini menggunakan tabung pemisah uap dengan skema sesuai Gambar 3.2.
Gambar 3.2 Skema pemisah uap
mengalami kenaikan dan menyebabkan kompresi. Pada saat udara terkompresi pompa benam bekerja, katup searah sisi tekan membuka karena mendapat tekanan dan air terpompa sampai tangki air out put. Pada saat proses pendinginan, kompor dimatikan dan suhu pemanasan menurun. Sehingga menyebabkan uap fluida kerja mengembun. Karena mengembun tekanan menurun dan air yang berada di tabung tekan udara menurun. Pada saat penurunan air di tabung tekan udara, katup searah sisi hisap di pompa benam bekerja dan terjadi proses penghisapan air dari sumur.
3.2 Variabel yang Divariasikan
Variasi yang dilakukan pada penelitian ini adalah sebagai berikut :
1. Variasi dengan 2 tabung tekan udara pada ketinggian air 127 cm dengan ketinggian pipa buang 2,35 m keadaan pemanas dan kondensor terisi penuh fluida kerja.
2. Variasi dengan 1 tabung tekan udara pada ketinggian air 127 cm dengan ketinggian pipa buang 2,35 m keadaan pemanas dan kondensor terisi penuh fluida kerja.
3. Variasi dengan 1 tabung tekan udara pada ketinggian air 127 cm dengan ketinggian pipa buang 2,35 m keadaan pipa pemanas hanya terisi udara dengan tekanan 1 atm.
Debit fluida kerja 0,3 liter/menit diperoleh dari perhitungan bukaan katup diantara tabung penampung fluida kerja menuju pemanas. Seperti pada Gambar 3.3 dan 3.4.
Gambar 3.3 Skema keadaan fluida kerja tidak mengalir
Gambar 3.4 Skema keadaan debit fluida kerja 0,3 liter/menit
pemanas hanya terisi udara dan kondensor terisi fluida kerja, katup tabung penampung dibuka saat pipa tembaga di pemanas sudah mencapai suhu 70°C. Simulasi variasi terlihat pada gambar dibawah (Gambar 3.5 dan Gambar 3.6).
Gambar 3.5 Keadaan kondensor terisi fluida kerja Petroleum Eter
Variasi ketinggian head pemompaan dilakukan dengan mengatur ketinggian pipa buang dari pompa benam. (Gambar 3.7 dan Gambar 3.8).
Gambar 3.7 Variasi ketinggian pipa buang 2,35 meter
Untuk variasi penggunaan 2 tabung tekan udara adalah dengan cara membuka semua katup pada tabung tekan udara. Untuk variasi 1tabung tekan udara caranya dengan menutup 2 sisi katup pada salah satu tabung tekan udara. Seperti pada gambar di bawah ini (Gambar 3.9 dan Gambar 3.10).
Gambar 3.10 Variasi menggunakan 2 tabung tekan udara
3.3 Parameter yang diukur
Parameter yang diukur dalam penelitian ini adalah :
1. Temperatur bagian dasar minyak pemanas (𝑇1) 2. Temperatur bagian tengah minyak pemanas (𝑇2)
3. Temperatur bagian pipa pemanas yang mengalir ke tabung pemisah (𝑇3)
4. Temperatur bagian pipa pemanas yang mengalir dari tabung penampung ke pemanas (𝑇4)
6. Tekanan pada bagian tabung air tekan (𝑃2) 7. Tekanan pada bagian tabung udara tekan (𝑃3) 8. Kenaikan air pada tabung udara tekan (h) 9. Volume pemompaan (v)
10.Waktu pemompaan (𝑡𝑝𝑜𝑚𝑝𝑎 ) 11.Waktu pemanasan (𝑡𝑝𝑒𝑚𝑎𝑛𝑎𝑠 ) 12.Waktu pendinginan (𝑡𝑝𝑒𝑛𝑑𝑖 𝑛𝑔𝑖𝑛𝑎𝑛)
Pada penelitian ini, pengukuran temperatur menggunakan thermologger dan untuk pengukuran waktu menggunakan stopwatch dan pengukuran volume menggunakan gelas ukur. . Foto alat ukur thermologger dan manometer ditunjukan pada bagian lampiran Gambar L.9 dan Gambar L.10.
3.4 Langkah Penelitian
Berikut ini adalah langkah-langkah yang dilakukan untuk pengambilan data penelitian :
1. Persiapan alat-alat dan pembuatan alat seperti pada Gambar 3.1. 2. Pengambilan data dimulai dengan kalibrasi debit fluida kerja.
3. Pada variasi debit fluida kerja mula-mula dilakukan variasi pengisian fluida kerja hingga penuh di pemanas dan kondensor menggunakan 2 tabung angin tekan.
4. Data yang dicatat adalah temperatur bagian dasar pada pemanas (𝑇1), temperatur bagian tengah pada pemanas (𝑇2), temperatur bagian pipa pemanas yang mengalir ke tabung pemisah (𝑇3), temperatur bagian pipa pemanas yang mengalir dari tabung penampung ke pemanas (𝑇4), tekanan pada bagian pemanas (𝑃1), tekanan pada bagian tabung air tekan (𝑃2), tekanan pada bagian tabung udara tekan (𝑃3), kenaikan air pada tabung udara tekan (h), volume pemompaan (v), waktu pemompaan (𝑡𝑝𝑜𝑚𝑝𝑎), waktu pemanasan (𝑡𝑝𝑒𝑚𝑎𝑛𝑎𝑠 ) dan waktu pendinginan (𝑡𝑝𝑒𝑛𝑑𝑖𝑛𝑔𝑖𝑛𝑎𝑛 ).
5. Langkah 2 diulangi dengan menggunakan variasi pengisian fluida kerja pada pemanas dan kondensor menggunakan 1 tabung udara tekan.
7. Langkah 2 diulangi dengan menggunakan variasi pengosongan fluida kerja pada pemanas dengan ketinggian pipa buang yang berbeda. 8. Data yang diperoleh dianalisa dengan menggunakan Persamaan (1)
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Hasil Penelitian
Berikut ini adalah data hasil penelitian yang didapat dengan memvariasikan tinggi head pemompaan 2,35 meter dan 1,35 meter , jumlah tabung udara tekan dengan 2 tabung dan 1 tabung, kondisi fluida kerja petroleum eter di kondensor, pemanas penuh dan kondisi fluida kerja petroleum eter hanya di kondensor (pemanas berisi udara). Adapun penjelasan mengenai penamaan kolom dan baris adalah sebagai berikut:
Baris
Awal : Kondisi saat proses pendinginan selesai dan fluida kerja belum masuk belum masuk ke pemanas. Bisa dikatakan awal siklus tekan atau akhir siklus hisap.
Kolom
𝑇1 : Temperatur minyak di bagian dasar. 𝑇2 : Temperatur minyak di bagian tengah.
𝑇3 : Temperatur di bagian pipa saluran petroleum eter yang masuk ke pemanas.
𝑇4 : Temperatur di bagian pipa uap keluar dari pemanas. 𝑉𝑢𝑑𝑎𝑟𝑎 1 : Volume udara tekan pada satu tabung.
𝑉𝑢𝑑𝑎𝑟𝑎 2 : Volume udara tekan pada dua tabung.
𝑃1 : Tekanan udara di pipa pemanas yang terbaca manometer. 𝑃2 : Tekanan udara tabung tekan air yang terbaca manometer. 𝑃3 : Tekanan tabung tekan udarayang terbaca manometer.
𝑇𝑝𝑎𝑛𝑎𝑠 : Lama waktu pemanasan fluida kerja cair. Dimulai dari waktu
siklus tekan hingga akhir siklus tekan.
𝑇𝑝𝑜𝑚𝑝𝑎 : Lama waktu pemompaan.diukur ketika air mulai keluar dari ujung
tertinggi pipa buang shingga air berhenti mengalir.
𝑇𝑑𝑖𝑛𝑔𝑖𝑛 : Lama waktu pendinginan. Dimulai dari awak siklus tekan hingga
fluida kembali ke volume awal.
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑎𝑖𝑟 : Volume air yang keluar dari pipa buang selama siklus
Tabel 4.1 Data penelitian dengan variasi fluida kerja penuh di pemanas dan kondensor, head pemompaan 2,35 meter dengan menggunakan 2 tabung udara. kondensor, head pemompaan 2,35 meter dengan menggunakan 1 tabung udara. menggunakan 1 tabung udara.
Tabel 4.4 Data penelitian dengan variasi fluida kerja penuh di kondensor pemanas terisi udara, head pemompaan 2,35 meter dengan menggunakan 1 tabung udara.
Kondisi
Setelah mendapatkan data, maka dapat dilakukan perhitungan untuk mengetahui unjuk kerja pompa air energi termal. Perhitungan dibawah ini menggunakan data pertama pada variasi satu (Tabel 4.1)
Perhitungan yang pertama adalah menghitung daya pompa. Pada perhitungan ini menggunakan Persamaan (1), variabel yang diketahui adalah:
Head = 2,35 m volair = 0,292 liter
𝜌 = 1000 kg/m3 tpompa = 20 detik
g = 9,81 m/det2
Perhitungan daya pompa adalah:
Perhitungan yang kedua adalah mengitung daya pemanas. Pada perhitungan daya pemanasan menggunakan Persamaan (2). Parameter yang didapat adalah:
T1=Tm1 = 112°C T3=Te1 = 59°C
T2=Tm2 =114°C T4=Te2 = 67°C
D = ½ inch g = 9,81 m/s2
L = 60 cm
Untuk menghitung daya pemanas sifat-sifat fluida yang digunakan adalah bilangan Nusselt, bilangan Prandtl, bilangan Rayleigh dan koefisien perpindahan kalor perhitungan. Perhitungan bilangan Rayleigh menggunakan Persamaan (3). Bilangan Nusselt konveksi luar pipa dapat menggunakan Persamaaan (4) dan untuk bilangan Nusselt konveksi dalam pipa dapat menggunakan Persamaan (5), Bilangan Prandtl adalah minyak 53,85 dan fluida kerja adalah 9,21 diketahui dari tabel (Cangel, 2008). Untuk menghitung koefisien perpindahan kalor menggunakan Persamaan (6). Setelah semua sifat-sifat fluida diketahui maka daya pemanas dapat dihitung.
Perhitungan bilangan Rayleigh luar pipa adalah:
Ra = 𝑔𝛽 𝑇𝑠−𝑇∞ 𝛿3
𝑣2 Pr
Ra = 9,8 0,0026 113 − 86,3 (0,0123)
Ra = 5288678,62
Dengan Ts adalah temperatur rata-rata minyak (𝑇1+𝑇2
2 ) dan 𝑇∞ adalah temperatur permukaan pipa yang didapat dari metode iterasi
Perhitungan bilangan Rayleigh dalam pipa adalah:
Ra = 𝑔𝛽 𝑇𝑠−𝑇∞ 𝛿3
𝑣2 Pr
Ra = 9,8 0,0026 86,36 − 63 (0,00123)
(6,7×10−6)2 × 9,21
Ra = 2465263511
Dengan Ts adalah temperatur rata-rata minyak (𝑇3+𝑇4
2 ) dan 𝑇∞ adalah temperatur permukaan pipa yang didapat dari metode iterasi
Perhitungan bilangan Nusselt konveksi luar pipa adalah:
Perhitungan bilangan Nusselt konveksi dalam pipa adalah:
Nu = 0,4 Ra1/5
Nu = (0,4) (2465263511
1 5)
Nu = 30,22
Perhitungan koefisien perpindahan kalor luar pipa adalah:
ℎ𝑜 = 𝑑𝑘 Nu
ℎ𝑜 =
0,12
0,012 31,33
ℎ𝑜 =315,83W/m2 °C
Perhitungan koefisien perpindahan kalor dalam pipa adalah:
ℎ𝑖 = 𝑘𝑑 Nu
ℎ𝑖 =
0,15
0,012 30,22
ℎ𝑖 =359,89 W/m2 °C
Setelah nilai sifat-sifat fluida diketahui maka dapat dilakukan perhitungan daya pemanas. Berikut ini adalah perhitungan daya pemanas:
Ppemanas = (359,8981)×(3,14×0,0127× 0,6 ×8) ×(26,6301)
Ppemanas = 1609,945 watt
Perhitungan selanjutnya adalah menghitung efisiensi pompa. Untuk menghitung efisiensi pompa menggunakan Persamaan (7). Berikut ini adalah perhitungan efisiensi pompa:
ɳ𝑝𝑜𝑚𝑝𝑎 = 𝑃𝑃𝑝𝑜𝑚𝑝𝑎
𝑝𝑒𝑚𝑎𝑛𝑎𝑠 × 100%
ɳ𝑝𝑜𝑚𝑝𝑎 = 0,52 watt.
1609,9 watt × 100% ɳ𝑝𝑜𝑚𝑝𝑎 = 0,02%
Untuk menghitung kompresi udara tekan menggunakan Persamaan (8). Variabel yang diketahui adalah:
P1 = 1 bar V2 = 7,9 liter
V1 = 11,8 liter
Berikut ini adalah perhitunganya:
𝑃2 = 𝑃1𝑉1
𝑉2
𝑃2 = 1 × 11,8
𝑃2 =1,4 bar
Perhitungan efisiensi termal dilakukan dengan menggunakan Persamaan (9) sebagai berikut: perhitungan dari semua variasi yang diteliti dan disajikan dalam bentuk tabel.
Tabel 4.5 Data penelitian yang telah dihitung dengan variasi fluida kerja penuh di pemanas dan kondensor, head pemompaan 2.35 meter dengan menggunakan 2 tabung udara.
Tabel 4.6 Data penelitian yang telah dihitung dengan variasi fluida kerja penuh di pemanas dan kondensor, head pemompaan 2,35 meter dengan menggunakan 1 tabung udara.
Tabel 4.7 Data penelitian yang telah dihitung dengan variasi fluida kerja penuh di kondensor pemanas terisi udara, head pemompaan 2,35 meter dengan menggunakan 1 tabung udara.
Tabel 4.8 Data penelitian yang telah dihitung dengan variasi fluida kerja penuh di kondensor, pemanas terisi udara, head pemompaan 1,35 meter dengan menggunakan 1 tabung udara
4.2 Pembahasan
Berikut ini adalah hasil penelitian yang dibandingkan dengan variasi lainya:
Tabel 4.9 Perbandingan pada variasi 2 tabung tekan udara dan 1 tabung tekan udara dengan keadaan head pemompaan 2,35 meter, keadaan fluida kerja penuh di kondensor dan pemanas.
Berikut ini adalah grafik hasil perbandingan debit, daya pompa dan efisiensi:
Gambar 4.1 Grafik perbandingan debit pada variasi 2 tabung tekan udara dan 1 tabung tekan udara, keadaan fluida kerja penuh di kondensor dan pemanas dan tinggi pipa buang 2,35 meter.
Gambar 4.2 Grafik perbandingan daya pompa pada variasi 2 tabung tekan udara dan 1 tabung tekan udara, keadaan fluida kerja penuh di kondensor dan pemanas dan tinggi pipa buang 2,35 meter.
Gambar 4.3 Grafik perbandingan efisiensi pada variasi 2 tabung tekan udara dan 1 tabung tekan udara, keadaan fluida kerja penuh di kondensor dan pemanas dan tinggi pipa buang 2,35 meter.
Hasil penelitian pada gambar 4.1 terlihat perbandingan debit, daya pompa dan efisiensi. Jadi debit pemompaan dengan 2 tabung lebih tinggi dibandingkan pemompaan dengan 1 tabung. Pemompaan dengan 2 tabung dapat menghasilkan debit yang lebih besar karena air yang dihasilkan tidak banyak tetapi keluar dengan waktu yang cepat. Pemompaan dengan 2 tabung mempunyai tenaga yang lebih besar untuk mengompres udara. Sehingga sekali air keluar debitnya besar, tetapi membutuhkan waktu yang lama untuk mengumpulkan uap untuk mengompres udara. Sedangkan pemompaan dengan 1 tabung udara menghasilkan debit yang rendah walaupun air yang keluar lebih banyak. Tetapi air yang keluar membutuhkan waktu yang lama. Hal ini disebabkan uap fluida kerja lebih mudah mengompres udara pada 1 tabung karena bebannya kecil. Karena bebannya kecil maka udara yang terkompres juga kecil sehingga debitnya kecil. Daya pemompaan dipengaruhi oleh debit, debit lebih besar maka daya pompa juga besar. Sehingga efisiensi yang dibutuhkan untuk daya pemompaan juga lebih besar.
Tabel 4.10 Perbandingan pada variasi keadaan fluida penuh di kondensor dan pemanas dengan keadaan fluida hanya di kondensor menggunakan 1 tabung tekan udara, keadaan head pemompaan 2,35 m.
Gambar 4.4 Grafik perbandingan debit pada variasi keadaan fluida penuh di kondensor dan evaporator dengan keadaan fluida hanya di kondensor menggunakan 1 tabung tekan udara, keadaan tinggi head 2,35 m
Gambar 4.5 Grafik perbandingan daya pompa pada variasi keadaan fluida penuh di kondensor dan evaporator dengan keadaan fluida hanya di kondensor menggunakan 1 tabung tekan udara, keadaan tinggi head 2,35 m
Fluida kerja penuh di kondensor dan pemanas
Fluida kerja hanya penuh di kondensor
Fluida kerja penuh di kondensor dan pemanas
Gambar 4.6 Grafik perbandingan efisiensi pada variasi keadaan fluida penuh di kondensor dan evaporator dengan keadaan fluida hanya di kondensor menggunakan 1 tabung tekan udara, keadaan tinggi head 2,35 m
Hasil penelitian pada Gambar 4.4, Gambar 4.5 dan Gambar 4.6 menunjukan bahwa debit, daya pompa dan efisiensi kerja pompa ini lebih tinggi penelitian yang menggunakan fluida kerja penuh di kondensor dan evaporator daripada penelitian yang menggunakan udara di evaporator dan fluida kerja hanya terisi dampai kondensor. Ada beberapa faktor yang mempengaruhi unjuk kerja pompa termal ini. Terlihat dari perbandingan grafik gambar 4.4 debit keadaan fluida kerja yang penuh di kondensor dan evaporator lebih baik daripada yang keadaan fluida kerja hanya di kondensor dan di pemanas terisi udara. Karena proses penguapan dengan udara ternyata hanya akan menghambat laju aliran uap. Uap fluida kerja tidak bisa bercampur dengan udara karena beda massa jenis. Waktu pemanasan uap fluida kerja yang menggunakan udara akan lebih lama sehingga hal ini mempengaruhi proses penguapan fluida kerja. Karena lama untuk
0
Fluida kerja penuh di kondensor dan pemanas
menguapkan fluida kerja, maka daya pemompan kecil disebabkan fluida kerja cepat mengembun.
Tabel 4.11 Perbandingan pada variasi head pemompaan 2,35 m dengan 1,35 meter, keadaan fluida penuh di kondensor dan pemanas menggunakan 1 tabung tekan udara.
Variasi
Gambar 4.7 Grafik perbandingan debit pada variasi tinggi head 2,35 m dan 1,35 m dengan keadaan fluida penuh di kondensor dan evaporator menggunakan 1 tabung tekan udara.
Gambar 4.8 Grafik perbandingan daya pemanas pada variasi tinggi head 2,35 m dan 1,35 m dengan keadaan fluida penuh di kondensor dan evaporator menggunakan 1 tabung tekan udara.
Gambar 4.9 Grafik perbandingan efisiensi pada variasi tinggi head 2,35 m dan 1,35 m dengan keadaan fluida penuh di kondensor dan evaporator menggunakan 1 tabung tekan udara.
BAB V
PENUTUP
5.1 Kesimpulan
1. Pompa air energi termal dengan delapan pipa pemanas tersusun paralel dan pemisah uap telah dibuat.
2. Debit pemompaan maksimum sebesar 0,87 liter/menit pada variasi pemompaan menggunakan 2 tabung tekan udara dengan fluida kerja penuh di kondensor dan evaporator dan head pemompaan 2,35 m.
3. Daya pemompaan maksimum yang dihasilkan dari empat variasi dengan hasil maksimum sebesar 0,33 watt dihasilkan pada variasi variasi pemompaan menggunakan 2 tabung tekan udara dengan fluida kerja penuh di kondensor dan evaporator dan head pemompaan 2,35 m.
5.2 Saran
1. Penelitian berikutnya sebaiknya menggunakan fluida kerja yang mempunyai titik didih lebih rendah agar mudah menguap, tetapi juga harus punya sifat yang mudah mengembun.
2. Diusulkan untuk meminimalisir terjadinya kebocoran, melakukan pengurangan sambungan yang tidak penting kegunaanya. Penyambungan lebih baik dilakukan dengan pengelasan daripada menggunakan double neple. Jika terpaksa menggunakan sambungan double neple sebaiknya dilapisi autosiller agar tidak bocor.
DAFTAR PUTAKA
Cengel, Y.A.; Bobs, M.A., 2008. Thermodinamics, an Engineering Apporoach,Sixth Edition, Mc Graw Hill
Mahkamov, K.; Orda, E.P., 2005. Solar Thermal Water Pumps: A Preliminary Sanjaya, G.A, S.T., 2012. Unjuk Kerja Pompa Air Energi Termal dengan Pemanas
Vertikal Menggunakan Dua Pipa Pemanas Paralel, Yogyakarta: Perpustakaan Universitas Sanata Dharma
Spindler, K.; Chandwalker, K.; Hahne, E., 1996. Small solar (thermal) waterpumping system, Solar Energy, Volume 57, Issue 1, July 1996, Pages 69-76
Sumathy, K.; Venkatesh, A.; Sriramulu, V., 1995. The importance of the condenser in a solar water pump, Energy Conversion and Management, Volume 36, Issue 12, December 1995, Pages 1167-1173
Sumathy, K., 1999. Experimental studies on a solar thermal water pump, Applied Thermal Engineering, Volume 19, Issue 5, May 1999, Pages 449-459
Wong, Y.W.; Sumathy, K., 2000. Performance of a solar water pump with npentane and ethyl ether as working fluids, Energy Conversion and Management, Volume 41, Issue 9, 1 June 2000, Pages 915-927
Wong, Y.W.; Sumathy, K., 2001a. Performance of a solar water pump with ethyl ether as working fluid, Renewable Energy, Volume 22, Issues 1-3, January-March 2001, Pages 389-394
LAMPIRAN
Gambar L.1 Alat penelitian pompa air energi termal
Gambar L.2 Pemanas fluida kerja Gambar L.3 Tabung pemisah uap
Gambar L.4 Kondensor
Gambar L.6 Tabung tekan air Gambar L.7 Tabung tekan udara
Gambar L.8 Pompa benam Gambar L.9 Thermologger
TABEL SIFAT-SIFAT FLUIDA (MINYAK)
