i
UNJUK KERJA POMPA AIR ENERGI TERMAL
MENGGUNAKAN FLUIDA KERJA PETROLEUM ETER
DENGAN LAJU MASSA FLUIDA KERJA 4,3 LITER/MENIT
TUGAS AKHIR
Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan
mencapai derajat Sarjana S-1
Program Studi Teknik Mesin
Oleh :
PERMANA PANJI
NIM : 105214081
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA
YOGYAKARTA
ii
PERFORMANCE OF THERMAL ENERGY WATER PUMP
WHICH USED PETROLEUM ETHER AS WORKING FLUIDS
WITH MASS FLOW RATE FLUIDS IS 4,3 LITER/MINUTE
FINAL PROJECT
Presented as partitial fulfilment of the requirement to obtain the Sarjana Teknik degree
in Mechanical Engineering
Presebted by
PERMANA PANJI
Student Number : 105214081
MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM
DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING
FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
SANATA DHARMA UNIVERSITY
YOGYAKARTA
vii
INTISARI
Masyarakat membutuhkan air untuk memenuhi kebutuhan sehari-hari. Selama ini masyarakat menggunakan pompa air dengan energi listrik atau bahan bakar fosil untuk mengalirkan air dari sumbernya. Tidak semua daerah terjangkau aliran listrik atau distribusi bahan bakar minyak. Penggunaan tenaga manual sebagai solusi tidak efisien dalam segi waktu. Salah satu alternatif yang dapat dilakukan adalah dengan menggunakan pompa air tenaga termal. Tujuan yang ingin dicapai peneliti adalah membuat model pompa air tenaga termal dengan pemanas berupa pipa tembaga dan pemisah uap, menyelidiki debit, daya pemompaan, efisiensi pompa, dan efisiensi termal maksimum yang dapat dihasilkan pompa. Fluida kerja yang digunakan adalah petroleum eter. Evaporator terdiri dari delapan pipa tembaga yang dipanasi dengan uap minyak sayur panas yang tersusun pararel dengan posisi horisontal. Kondensor berupa pipa spiral dari stainlees steel. Variabel yang divariasikan, jumlah tabung udara tekan, volume awal udara tekan (12 liter dan 9,5 liter), jumlah volume awal fluida kerja (2,51 liter dan 1,26 liter), dan tinggi head pemompaan (2,35 m dan 1,35 m). Variabel yang diukur temperatur minyak pemanas bagian bawah, temperatur minyak pemanas bagian atas, temperatur fluida kerja cair masuk evaporator, temperatur fluida kerja cair keluar evaporator, tekanan pada fluida kerja cair yang masuk ke pemanas, tekanan pada bagian tabung air tekan, tekanan pada bagian tabung udara tekan, kenaikan air pada tabung udara tekan, volume pemompaan, waktu pemompaan, waktu pemanasan, dan waktu pendinginan. Dari penelitian didapat hasil debit pemompaan maksimum tiap siklus sebesar 0,77 liter/menit, daya pemompaan maksimum sebesar 0,46 watt, efisiensi pemompaan maksimum sebesar 0,031% didapat pada variasi volume fluida kerja cair mula-mula sebesar 2,51 liter, menggunakan dua tabung udara tekan, volume udara tekan 12 liter dan ketinggian head pemompaan 2,5 m. Efisiensi termal maksimum sebesar 87,51 % didapat pada variasi volume fluida kerja cair mula-mula 2,51 liter, menggunakan satu tabung udara tekan, volume udara tekan 5,9 liter, dan ketinggian head pemompaan 2,35 m.
viii
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur senantiasa kepada Tuhan Yang Maha Esa karena rahmat yang diberikan dalam penyusunan Tugas Akhir ini sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini dengan baik.
Tugas Akhir ini merupakan sebagai salah satu syarat yang wajib untuk setiap mahasiswa Jurusan Teknik Mesin. Tugas Akhir ini dilaksanakan dalam rangka memenuhi syarat untuk mendapatkan gelar sarjana S-1 pada Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
Berkat bimbingan, dukungan dan nasihat dari berbagai pihak, akhirnya Tugas Akhir ini dapat terselesaikan dengan baik. Pada kesempatan ini dengan segenap kerendahan hati penulis menyampaikan rasa terimakasih yang sebesar-besarnya kepada :
1. Paulina Heruningsih Prima Rosa, S.Si, M.Sc. Selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
2. Ir. PK. Purwadi, S.T., M.T. selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
3. I Gusti Ketut Puja, S.T., M.T. selaku Dosen Pembimbing Akademik dan dosen pembimbing 1 tugas akhir.
4. A. Prasetyadi, M.Si. selaku Dosen Pembimbing 2 Tugas Akhir.
5. Ir. Franciscus Asisi Rusdi Sambada, M.T. selaku Dosen Pendamping yang telah membantu dalam menyelesaikan alat penelitian.
6. Narima dan Suyatmi selaku Bapak dan Ibu saya yang telah memberi dukungan baik material maupun spiritual hingga saat ini.
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
l.1 Latar Belakang. ... 1
1.2 Perumusan Masalah. ... 2
1.3 Tujuan Penelitian ... 4
1.4 Manfaat Penelitian. ... 5
1.5 Batasan Masalah, ... 5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA. ... 7
2.1 Dasar Teori. ... 7
2.2 Persamaan Yang Digunakan. ... 9
2.3 Penelitian Terdahulu. ... 12
BAB III METODOLOGI PENELITIAN……...………….………….. ... 14
xi
3.2 Variabel Yang Divariasikan ... 18
3.3 Variabel Yang Diukur……… ... 22
3.4 Langkah Penelitian... 24
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN... ... 25
4.1 Hasil Penelitian… ... 25
4.2 Pembahasan ... 34
BAB V PENUTUP ... 44
5.1 Kesimpulan ... 44
5.2 Saran ... 45
DAFTAR PUSTAKA ... 46
xii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 3.1 Skema Alat Penelitian ... 14
Gambar 3.2 Skema Pemisah Uap ...16
Gambar 3.3 Debit Aliran Fluida Kerja Cair ... 19
Gambar 3.4 Variasi volume fluida kerja cair mula-mula ... 20
Gambar 3.6 Variasi jumlah tabung udara tekan ... 21
Gambar 3.7 Posisi termokopel dan manometer... 23
Gambar 4.1 Grafik perbandingan debit air pemompaan pada variasi jumlah tabung udara tekan ... 35
Gambar 4.2 Grafik perbandingan daya pemompaan pada variasi jumlah tabung udara tekan ... 35
Gambar 4.3 Grafik perbandingan efisiensi pompa pada variasi jumlah tabung udara tekan ... 36
Gambar 4.4 Grafik perbandingan debit air pemompaan pada variasi volume fluida kerja cair mula mula...38
Gambar 4.5 Grafik perbandingan daya pemompaan pada variasi volume fluida kerja cair mula-mula ... 38
Gambar 4.6 Grafik perbandingan efisiensi pompa pada variasi volume fluida kerja cair mula-mula ... 39
Gambar 4.7 Grafik perbandingan debit air pemompaan pada variasi ketinggia head pemompaan ... 40
Gambar 4.8 Grafik perbandingan daya pemompaan pada variasi ketinggian head pemompaan ... 41
Gambar 4.9 Grafik perbandingan efisiensi pompa pada variasi ketinggian head pemompaan ... 41
Gambar L.1 Alat penelitian pompa air termal. ... 46
xiii
Gambar L.2 Pemanas fluida kerja cair ... 46
Gambar L.3 Tabung pemisah uap. ... 46
Gambar L.4 Kondensor... 47
Gambar L.5 Penampung fluida kerja. ... 47
Gambar L.6 Tabung air tekan. ... 47
Gambar L.7 Tabung udara tekan. ... 47
Gambar L.8 Manometer udara. ... 48
xiv
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1 Data penelitian pada variasi jumlah tabung udara mengunakan dua tabung udara tekan dan satu tabung udara tekan ... 26 Tabel 4.2 Data penelitian pada variasi jumlah massa fluida mula – mula pada pemanas dan kondensor ... 27 Tabel 4.3 Data penelitian pada variasi ketinggian head pemompaan
2,35 m dan 1,35 m ... 27 Tabel 4.4 Data perhitungan pada variasi jumlah tabung udara mengunakan
dua tabung udara tekan dan satu tabung udara tekan ... 33 Tabel 4.5 Data perhitungan pada variasi jumlah massa fluida mula–mula
pada pemanas dan kondensor ... 33 Tabel 4.6 Data perhitungan pada variasi ketinggian head pemompaan
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1Latar Belakang
Dalam kehidupan sehari-hari manusia harus memenuhi kebutuhannya untuk
dapat bertahan hidup. Pangan adalah salah satu kebutuhan pokok bagi manusia.
Kebutuhan akan pangan diwujudkan dalam kebutuhan akan makanan dan
minuman. Air adalah salah satu bahan yang selalu ada pada makanan dan minuman.
Kebutuhan akan air menjadi kebutuhan pokok untuk menjamin kelangsungan
kehidupan manusia. Pada kenyataannya ketersediaan air yang memenuhi syarat
untuk memenuhi kebutuhan manusia di atas sering menjadi masalah, sumber air
tidak selalu berada sesuai dengan tempat air tersebut diperlukan. Alat bantu yang
dipakai untuk mengalirkan air dari sumber air ke tempat yang diperlukan adalah
pompa air.
Pompa air pada umumnya digerakkan dengan energi listrik atau dengan
bahan bakar fosil. Penggunaan pompa air sangat membantu ketersediaan air pada
daerah yang memiliki jaringan listrik dan bahan bakar yang baik. Beberapa daerah,
terutama di Indonesia masih belum terjangkau aliran listrik dan sarana transportasi
yang memadai. Di daerah tertinggal seperti ini, pemanfaatan pompa dengan bahar
bakar fosil akan menyebabkan mahalnya harga penyediaan air. Hal ini akan
mempengaruhi kemampuan masyarakat dalam memenuhi kebutuhan yang lain.
sumber air dengan cara manual yaitu dengan menggunakan tenaga manusia.
Penggunaan tenaga manusia ini merupakan tindakan yang tidak efektif. Masyarakat
harus kehilangan waktu untuk melakukan kegiatan yang lebih produktif. Waktu dan
tenaga yang digunakan untuk mengambil air bisa digunakan untuk hal lain yang
lebih produktif.
Setiap daerah memiliki karakteristik alam yang berbeda antara satu dengan
lainnya. Pemanfaatan energi alam bisa menjadi salah satu alternatif solusi sumber
energi pompa air. Energi surya merupakan salah satu energi bebas yang terdapat di
alam dan sebagai Negara tropis Indonesia mempunyai banyak daerah dengan
potensi energi surya yang dihasilkan dari panas matahari yang cukup besar.
Pemanfaatan energi surya pada umunya berupa sel surya dan kolektor surya. Sel
surya masih tergolong teknologi tinggi dan mahal sehingga jarang digunakan di
daerah pada negara berkembang. Kolektor surya merupakan teknologi yang
sederhana dan murah. Pemanfaatan kolektor surya memiliki peluang untuk dapat
digunakan untuk memompa air pada daerah tertinggal.
1.2 Perumusan Masalah
Kerja pemompaan dihasilkan oleh proses penguapan dan pengembunan
fluida kerja. Saat terjadi proses penguapan, tekanan fluida kerja akan naik, kenaikan
tekanan ini digunakan untuk mengalirkan air dari pompa ke empat air tersebut
diperlukan. Saat terjadi proses pengembunan tekanan fluida kerja akan turun,
pompa air. Proses penguapan fluida kerja memerlukan energi panas dan proses
pengembunan memerlukan pendinginan. Energi panas diperoleh dari energi surya
dan pendinginan dilakukan oleh fluida pendingin seperti udara atau air. Unjuk kerja
pompa air ditentukan oleh kecepatan penguapan dan 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 mudah menguap
(mempunyai kapasitas panas dan titik didih yang tidak terlalu tinggi) tetapi juga
mudah untuk diembunkan kembali. Fluida yang mempunyai sifat seperti ini
diantaranya adalah dietil eter dan petroleum eter. Dietil eter dan petroleum eter
yang dijual dipasaran umumnya tidak memiliki spesifikasi yang jelas dan tidak
sama antara satu toko dan toko lainnya. Penelitian ini akan menjajagi
kemungkinan apakah petroleum eter yang ada di pasaran ( khususnya di
Yogyakarta ) dapat digunakan sebagai fluida kerja pada pemanfaatan Pompa
energi termal. Penggunaan fluida kerja dalam penelitian ini yaitu petroleum eter
yang mempunyai titik didih sebesar 40 - 60°C dengan berat jenis 0,6 gr/cm²,
atau tergantung pada komposisinya.
2. Jumlah massa fluida kerja yang lebih banyak dapat menghasilkan kenaikan
tekanan yang lebih besar tetapi dengan kecepatan penguapan yang lebih rendah
dibandingkan jumlah massa fluida kerja yang lebih sedikit. Demikian juga pada
proses pengembunan, jumlah massa fluida kerja yang lebih banyak dapat
pengembunan yang lebih lambat. Penelitian ini akan meneliti bagaimana
pengaruh jumlah massa fluida kerja yang digunakan ( petroleum eter ) terhadap
unjuk kerja pompa air energi termal dengan sistem termodinamik.
3. Beban ( head pemompaan ) juga akan berpengaruh terhadap kecepatan
penguapan dan pengembunan fluida kerja sehingga akan mempengaruhi unjuk
kerja pompa air yang dihasilkan. Penelitian ini akan meneliti bagaimana
pengaruh beban pemompaan terhadap unjuk kerja pompa air dengan sistem
termodinamik.
4. Volume udara tekan juga akan berpengaruh terhadap tekanan yang dihasilkan
oleh udara yang terkompresi dalam tabung udara tekan sehingga akan
mempengaruhi juga terhadap unjuk kerja pompa air energi termal dengan
sistem termodinamik.
5. Volume fluida kerja cair ( petroleum eter ) pada pemanas dan kondensor saat
pemanasan juga mempengaruhi terhadap unjuk kerja pompa air energi termal
dengan sistem termodinamik.
1.3 Tujuan Penelitian
Tujuan yang ingin dicapai dalam penelitian ini :
1. Membuat model pompa air tenaga termal dengan pemanas berupa pipa tembaga
yang disusun secara parallel dan dilengkapi dengan pemisah uap.
2. Meneliti debit maksimum pemompaan.
3. Meneliti daya maksimum pemompaan.
5. Meneliti efisiensi termal pada pemanas.
1.4Manfaat Penelitian
Manfaat yang diperoleh dari penelitian ini adalah :
1. Menambah kepustakaan tentang teknologi pompa air energi termal.
2. Mendapatkan data konfigurasi sistem pemompaan air dengan tenaga termal
yang bisa menjadi dasar untuk penelitian selanjutnya dalam pengembangan
sistem pompa air tenaga termal.
3. Hasil-hasil penelitian diharapkan dapat dikembangkan untuk membuat
prototipe dan produk teknologi pompa air energi termal yang efektif dan efisien
sehingga dapat diterima masyarakat dan meningkatkan kesejahteraan.
4. Mengurangi ketergantungan penggunaan minyak bumi dan energi listrik untuk
penggerak pompa air.
1.5 Batasan Masalah
Batasan dari penelitian yang dilakukan adalah :
1. Pada penelitian ini dibuat model pompa air energi termal dengan pemanas
berupa pipa-pipa tembaga yang disusun secara parallel dan menggunakan
pemisah uap; dimana fluida yang dipanasi berupa fluida eter (petroleum eter).
2. Pada penelitian ini, pemanfaatan panas dari surya di dekati dengan
menggunakan kompor pemanas sebagai sumber panas, yang selanjutnya
digunakan untuk memanasi pipa-pipa yang dialiri fluida kerja. Kompor
disebut juga daya pemanas (input). Daya pemanas (input) ini digunakan dalam
perhitungan mencari efisiensi termal pompa.
3. Pada penelitian ini, daya pemanas (output) yaitu daya yang dihasilkan dari
proses pemanasan dan digunakan dalam proses pemompaan, didekati dengan
menghitung perpindahan panas yang terjadi pada pipa pemanas yang dialiri
fluida kerja secara konveksi dan dipanasi dalam wadah berisi minyak sebagai
penghantar panas dari kompor pemanas.
4. Berat jenis eter pada kondisi cair 0,6 gr/cm³. Berat jenis eter digunakan dalam
perhitungan untuk mencari massa eter. Massa eter digunakan untuk perhitungan
daya pemanas.
5. Kalor laten penguapan petroleum eter 390 kJ/kg. Kalor laten penguapan eter
digunakan dalam perhitungan daya pemanas.
6. Tekanan udara tergantung pada ketinggian suatu tempat dari permukaan laut.
Dalam penelitian yang dilakukan tekanan udara sekitar dibutuhkan untuk
perhitungan kompresi udara. Tekanan udara sekitar diasumsikan 1 bar.
7. Debit aliran fluida kerja cair yang mengalir ke pemanas pada saat pemanasan
sebesar 4,3 liter/menit. Debit akan divariasikan dengan variasi jumlah massa
fluida kerja mula-mula, variasi jumlah tabung udara tekan, dan variasi head
7
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1Dasar Teori
Pompa air termal dapat memakai energi surya sebagai sumber panas.
Pemanfaatan energi surya untuk menghasilkan energi mekanik penggerak pompa
air dapat dikelompokkan menjadi dua yaitu metode termodinamik dan metode
konversi langsung. Pada metode termodinamik, energi termal surya dikumpulkan
dengan menggunakan kolektor termal baik jenis pelat datar maupun fokus. Energi
termal ini berfungsi untuk menaikkan temperatur dan tekanan fluida kerja. Fluida
kerja dengan temperatur dan tekanan tinggi ini dimanfaatkan secara langsung
maupun secara tidak langsung (dengan fluida kerja kedua) untuk menghasikan
energi mekanik. Energi mekanik yang dihasilkan digunakan untuk menggerakan
pompa air, baik dengan menggunakan pompa air konvesional (dengan siklus
rankine, brayton atau stirling) maupun pompa air dengan desain khusus. Pompa air
dengan desain khusus dapat dikelompokkan berdasarkan media pendingin uap
fluida kerjanya yaitu berpendingin udara atau air. Pada metode konversi langsung
energi surya dikonversikan menjadi energi listrik (dengan photovoltaic),
thrmolektrik atau thermionik), energi listrik yang dihasilkan digunakan motor
listrik untuk menggerakkan pompa air.
Pompa air energi termal pada umumnya memiliki beberapa komponen
utama yaitu penggerak pompa air, kondensor, dan pompa air. Pompa air yang
bawah permukaan air. Kondensor digunakan untuk mengefektifkan pendinginan,
agar pengembunan berjalan dengan baik. Pendinginan dilakukan dengan
menggunakan fluida air. Pada penelitian ini kondensor yang digunakan berbentuk
spiral (melingkar seperti pegas) yang terbuat dari stainlees steel. Dalam penggerak
pompa air terdapat penampung fluida kerja cair dan pemanas fluida kerja. Pemanas
fluida kerja memanfaatkan panas dari uap air panas. Pemanasan fluida kerja dapat
dilakukan dengan memanfaatkan sumber panas yang lain seperti energi surya
termal atau penggunaan minyak panas. Fluida kerja yang digunakan dalam
penelitian ini adalah fluida eter (petroleum eter).
Prinsip kerja pompa air ini adalah memanfaatkan panas yang didapat dari
panas uap air. Pada saat bagian pemanas fluida kerja telah terpanasi, katup
penampung fluida kerja cair dibuka. Fluida kerja masuk ke bagian pemanas dan
terpanasi kemudian menguap. Uap yang terbentuk mendorong air di tabung tekan
air yang terhubung ke tabung udara tekan. Terjadi proses kompresi di tabung udara
tekan selama uap fluida kerja terus terbentuk. Air dari pompa benam akan terpompa
selama ada kenaikan tekanan di tabung udara tekan. Pada saat fluida kerja yang
dipanasi telah habis, tekanan udara di tabung tekan turun. Katup penampung fluida
kerja cair ditutup agar fluida cair yang terbentuk tidak langsung masuk ke bagian
pemanas. Kondensor didinginkan dengan fluida pendingin air sehingga uap fluida
kerja mengembun. Pengembunan fluida kerja menyebabkan tekanan di bagian
penggerak pompa turun sehingga air dari tabung udara tekan masuk ke tabung tekan
air. Air di tabung udara tekan akan kembali ke posisi awal saat volume fluida kerja
tabung udara tekan menyebabkan air masuk ke pompa benam. Siklus dapat
dilakukan kembali selama ada sumber panas yang cukup untuk menguapkan fluida
kerja. Setiap satu langkah penguapan fluida kerja dan satu langkah pengembunan
fluida kerja disebut sebagai satu siklus pemompaan. Langkah penguapan fluida
kerja disebut juga langkah tekan pompa. Langkah pengembunan fluida kerja
disebut juga langkah hisap. Pompa benam dilengkapi dengan dua katup searah.
Katup searah terletak di sisi hisap dan sisi tekan. Fungsi katup adalah untuk
mengatur agar pada saat langkah tekan, air mengalir hanya melewati sisi tekan dan
pada saat langkah hisap, air yang terhisap hanya dari sisi hisap.
2.2Persamaan yang Digunakan
Untuk mengetahui unjuk kerja pompa air energi termal maka diperlukan
persamaan yang dapat membantu untuk menganalisa dan mengetahui unjuk kerja
system. Unjuk kerja poma air energi termal dinyatakan dengan daya pompa dan
efisiensi pompa. Efisiensi pompa merupakan perbandingan antara daya pompa
dengan daya pemanas tiap satuan waktu.
Daya pemompaan dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan sebagai
berikut :
H
Q
g
ρ
P
pompa
(1) dengan ρ adalah massa jenis air, g adalah percepatan gravitasi, Q adalahDalam perhitungan daya pemanas dilakukan menggunakan pendekatan
perpindahan kalor yang terjadi pada kompor pemanas menuju pipapipa pemanas
yang dialiri fluida kerja cair. Diasumsikan bahwa perpindahan kalor yang terjadi
yaitu secara konveksi, dari minyak pemanas menuju permukaan luar pipa
pemanas.Sedangkan perpindahan kalor secara konduksi diabaikan, karena kecil
pengaruhnya terhadap daya pemanas. Dalam perhitungan daya pemanas perlu
terlebih dahulu menentukan koefisien rata-rata perpindahan panas pada
permukaan pipa (h), melalui penentuan sifat-sifat fluida dan perhitungan nilai
bilangan Rayleigh (Ra) dan bilangan Nusselt (Nu). Persamaan yang digunakan
untuk mencari nilai bilangan Rayleigh pada perpidahan kalor secara konveksi
adalah sebagai berikut :
PrDengan g adalah kecepatan gravitasi, β adalah koefisien volume exspansi, TS adalah
temperature permukaan pipa, T∞ adalah temperature fluida, Pr adalah bilangan
prandtl, v adalah viskositas kinematic.
Persamaan yang digunakan untuk mencari nilai bilangan Nusselt pada
perpindahan kalor secara konveksi di luar pipa atau permukaan pipa yang tercelup
fluida adalah sebagai berikut :
Persamaan yang digunakan untuk mencari nilai koefisien rata-rata
perpindahan panas pada permukaan pipa (h) adalah sebagai berikut :
Νu
h (4)
Dengan
κ
adalahn konduktivitas termal, δ adalah diameter pipa.Daya pemanas merupakan energi yang diperlukan untuk menguapkan fluida
kerja tiap satuan waktu (Arismunandar, 1995). Persamaan yang digunakan adalah
sebagai berikut :
Ρpemanas hΑΔΤ (5)
dengan h adalah koefisien rata-rata perpindahan panas pada permukaan pipa, A
adalah luas permukaan, ΔT adalah selisih temperatur.
Efisiensi pompa merupakan perbandingan antara daya pompa dengan daya
pemnanas (Arismunandar, 1995). Efisiensi pompa dapat duhitung dengan
persamaan sebagai berikut :
% 100 pemanas Daya
pompa Daya
pompa
(6)
Kompresi udara tekan merpakan besarnya tekanan yang terjadi akibat
perubahan volume udara pada massa udara tetap dalam tabung udara tekan (Cengel,
dengann P₁ adalah tekanan udara awal, P₂ adalah kompresi udara tekan V₁ adalah
Volume udara awal, V₂ adalah volume udara akhir.
Efisiensi termal merupakan perbandingan antara daya pemanas output
dengan daya pemanas input. Efisiensi thermal dapat duhitung dengan persamaan
sebagai berikut :
dengan daya pemanas output adalah energi yang diperlukan untuk menguapkan
fluida kerja tiap satuan waktu, daya pemanas input adalah energi yang
2.3 Penelitian Terdahulu
Penelitian pompa air energi surya termal menunjukkan bahwa waktu yang
diperlukan untuk pengembunan uap fluida kerja dipengaruhi oleh debit dan
temperatur air pendingin yang masuk ke kondensor (Sumathy et. al., 1995).
Prototipe pompa air energi surya termal yang bekerja dengan siklus rankine diuji
dengan menggunakan fluida kerja Refrijeran 113 untuk mengetahui unjuk kerjanya
(Spindler et. al., 1996). Penelitian unjuk kerja pompa air energi surya termal dengan
menggunakan kolektor pelat datar seluas 1 m², pada variasi head 6, 8, dan 10 m
menunjukkan bahwa ukuran vesel uap fluida kerja berpengaruh pada unjuk kerja
pompa (Sumathy, 1999). Penelitian secara teoritis pompa air energi surya termal
bahwa efisiensi pompa dengan fluida kerja ethyl eter lebih tinggi 17% dibanding
n-pentane pada head 6 m (Wong, 2000).
Analisa termodinamika untuk mengetahui unjuk kerja pompa air energi
surya termal pada beberapa ketinggian head menunjukkan bahwa jumlah siklus tiap
satu hari tergantung waktu yang diperlukan untuk pemanasan fluida kerja dan
waktu yang diperlukan untuk pengembunan uap. Waktu pemanasan tergantung
pada jumlah fluida awal dalam sistem. Waktu pendinginan tergantung pada luasan
optimum koil pendingin (Wong, 2001a). Penelitian pompa air energi surya dengan
menggunakan kolektor pelat datar sederhana seluas 1 m² dengan fluida kerja ethyl
ether menghasilkan kapasitas pemompaan 700-1400 liter/hari tergantung
ketinggian head (6-10 m). Efisiensi sistem mencapai 0,34-0,42% (Wong, 2001b).
Penelitian pompa air energi surya termal dengan menggunakan metode matematis
menunjukkan unjuk kerja pompa ditentukan oleh fraksi uap dari siklus yang terjadi.
Naiknya temperatur maksimum pemanasan meningkatkan daya pemompaan,
sementara penurunan efisiensi disebabkan oleh kerugian panas karena proses
14
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
2.1Skema Alat
Pada penelitian ini pompa air energi termal memanfaatkan panas uap air
dimana panas inilah yang menjadi sumber panas. Fluida yang digunakan dalam
penelitian ini adalah eter (petroleum eter). Skema alat yang digunakan dalam
pelaksanaan penelitian ditunjukkan oleh gambar 3.1 dan foto alat penelitian
ditunjukkan pada lampiran gambar L1.
Bagian- bagian utama alat pada gambar 3.1 :
1. Pemanas yang terbuat dari pipa tembaga diameter ½ inci yang tersusun
horisontal dengan kemiringan tertentu, panjang 60 cm dan lebar 25 cm. Foto
pemanas ditunjukkan pada bagian lampiran gambar L.2.
2. Tabung pemisah uap dan cairan yang terbuat dari stainles steel dengan ukuran
tinggi 25 cm dan diameter 5 cm. Foto tabung pemisah uap ditunjukkan pada
bagian lampiran gambar L.3.
3. Kondensor yang terbuat dari pipa stainles steel yang dibentuk spiral dengan
ukuran panjang keseluruhan 7 cm dan diameter ¾ inci. Foto kondensor
ditunjukkan pada bagian lampiran gambar L.4.
4. Tabung penampung eter yang terbuat dari stailees steel dengan ukuran tinggi
20 cm dan diameter 15 cm. Foto tabung penampung eter ditunjukkan pada
bagian lampiran gambar L.5.
5. Tabung air tekan yang terbuat dari stainlees steel dengan ukuran tinggi 100 cm
dan diameter 40 cm. Foto tabung air tekan ditunjukkan pada bagian lampiran
gambar L.6.
6. Tabung udara tekan yang terbuat dari pipa PVC dengan ukuran tinggi 2 m dan
diameter 4 inci. Foto tabung udara tekan ditunjukkan pada bagian lampiran
gambar L.7.
7. Sumur yang berfungsi untuk penyuplai air terbuat dari pipa PVC dengan ukuran
tinggi 1 m dan diameter 4 inci.
8. Pompa benam yang terbuat dari pipa PVC dengan ukuran tinggi 2 m dan
9. Kran.
10.Katub searah pada sisi hisap.
11.Katub searah pada sisi tekan.
12.Manometer tekanan, Foto manometer tekanan ditunjukkan pada bagian
lampiran gambar L.8.
Pada penelitian ini digunakan tabung pemisah uap yang bertujuan untuk
memisahkan uap fluida kerja dengan fluida kerja cair yang terbawa bersama aliran
uap fluida kerja dengan skema sesuai dengan gambar 3.2.
Gambar 3.2 Skema pemisah uap Uap fluida kerja yang menuju kondensor.
Campuran uap fluida kerja dan fluida kerja cair dari pemanas.
Proses kerja alat penelitian dimualai dengan memanasi pemanas dengan
menggunakan panas uap minyak panas, posisi pemanas terendam oleh minyak.
Katub penghubung kondensor dan tabung air tekan dalam kondisi terbuka. Katup
penghubung penampung fluida kerja cair dan pemanas dibuka. Fluida kerja akan
memasuki pemanas dan terpanasi. Fluida kerja yang terpanasi akan menguap dan
uap fluida kerja akan mengalir ke pemisah uap. Uap fluida kerja yang menguap dan
mengalir ke pemisah uap tidak murni hanya uap saja tetapi ada fluida kerja cair
yang ikut terbawa aliran uap fluida kerja. Dalam pemisah uap, fluida kerja cair
terpisah dari uap fluida kerja. Fluida kerja cair kembali ke pemanas sedangkan uap
fluida kerja mengalir ke kondensor kemudian menuju tabung tabung air tekan. Air
dalam tabung air tekan terdorong oleh uap fluida kerja sehingga air keluar dari
tabung air tekan menuju ke tabung udara tekan dan menyebabkan tinggi air di
tabung udara tekan naik. Naiknya ketinggian air di tabung udara tekan
menyebabkan udara terkompresi. Udara yang terkompresi mendorong air di pompa
benam menyebabkan katup sisi tekan terbuka dan katup sisi hisap tertutup sehingga
air di pompa benam keluar melewati pipa buang. Pada saat fluida kerja cair yang
dipanasi sudah habis maka tidak ada lagi uap fluida kerja. Katup penghubung
pemanas dan penampung fluida cair ditutup. Proses pendinginan dilakukan dengan
menyiram kondensor dengan air. Uap fluida kerja yang ada dalam kondensor akan
mengembun. Pengembunan uap fluida kerja menyebabkan air dalam tabung air
tekan naik dan air di tabung udara tekan turun. Penurunan air di tabung udara tekan
menyebabkan udara tidak lagi terkompresi. Penurunan tekanan di tabung udara
pompa benam menyebabkan kevakuman sehingga katup sisi tekan tertutup dan
katup sisi hisap terbuka. Terbukanya katup sisi hisap menyebabkan air masuk ke
pompa benam. Pada saat volume fluida cair sudah kembali ke posisi yang
diinginkan, siklus bisa dimulai lagi dari awal.
2.2 Variabel yang divariasikan
Variasi yang dilakukan dalam penelitian ini adalah :
1. Digunakan debit aliran fluida kerja cair yang mengalir ke pemanas pada saat
pemanasan sebesar 4,3 liter/menit. Kondisi ini ditunjukkan oleh Gambar 3.3.
2. Pengkondisian jumlah massa fluida kerja cair mula-mula pada pemanas dan
kondensor divariasikan sebanyak 3 variasi yaitu kondisi awal pemanas terisi
udara dengan tekanan 1 atm dan kondensor terisi penuh oleh fluida kerja cair
dengan jumlah massa fluida kerja cair 1,26 liter, kondisi awal pemanas dan
kondensor terisi penuh oleh fluida kerja cair dengan jumlah massa fluida kerja
cair 2,51 liter, dan kondisi awal pemanas dan kondensor terisi oleh udara
dengan tekanan 1 atm. Kondisi ini ditunjukkan oleh Gambar 3.4.
3. Variasi head pemompaan divariasikan sebanyak 2 variasi ketinggian yaitu 2,35
m dan 1,35 m. Kondisi ini ditunjukkan oleh Gambar 3.5.
4. Variasi jumlah tabung udara tekan divariasikan sebanyak 2 variasi yaitu dengan
menggunakan 2 tabung udara tekan dengan volume udara tekan 12 liter dan 1
tabung udara tekan dengan volume udara tekan 5,9 liter. Kondisi ini ditunjukkan
Gambar 3.3 debit aliran fluida kerja cair
Debit aliran fluida kerja cair dilakukan dengan mengatur pembukaan besar-
kecilnya kran atau katub pada tabung penampung air. Awalnya untuk
mengetahuinya digunakan gelas ukur untuk menghitung berapa debit yang mengalir
per satuan waktu. Pada saat proses kerja alat berlangsung debit aliran fluida kerja
cair dilakukan pada saat posisi fluida kerja cair di kondensor dan pemanas habis
dan temperatur pada pipa masuk dan keluar fluida kerja cair ke pemanas (T3 dan
T4) pada posisi temperatur 60º C, pada saat inilah katub penghubung antara tabung
penampung fluida kerja cair dan pipa masuk fluida kerja cair ke pemanas dibuka
Gambar 3.4 Variasi volume fluida kerja cair mula-mula
Detil (a) adalah kondisi awal pemanas dan kondensor terisi udara dengan
tekanan 1 atm. Detil (b) adalah pemanas terisi udara dengan tekanan 1 atm dan
kondensor terisi penuh dengan fluida kerja cair dengan jumlah massa fluida 1,26
liter. Detil (c) adalah pemanas dan kondensor terisi penuh fluida kerja cair dengan
jumlah massa fluida kerja cair 2,51 liter.
Variasi head pemompaan dilakukan dengan mengatur ketinggian pipa
buang dari permukaan air sumur, dengan variasi ketinggian 2,35 m dan 1,35 m.
Variasi jumlah tabung udara dilakukan dengan mengatur kran atau katub
penghubung pada tabung udatra tekan pada bagian atas dan bawah. Jika yang akan
divariasikan hanya satu tabung maka katub penghubung salah satu tabung udara
tekan ditutup.
3.3Variabel yang diukur
Variabel yang diukur dalam penelitian ini sebagai berikut :
1. Temperatur minyak pemanas pada bagian bawah (T1).
2. Temperatur minyak pemanas pada bagian atas (T2).
3. Temperatur fluida kerja cair yang masuk ke pemanas (T3).
4. Temperatur uap fluida kerja yang keluar dari pemanas (T4).
5. Tekanan fluida kerja cair yang mengalir ke pemanas (P1).
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 (t ).
11.Waktu pemanasan (t ).
12.Waktu pendinginan (t ).
Pengukuran temperatur menggunakan termokopel dan untuk pengukuran
waktu menggunakan stopwatch. Pengukuran volume menggunakan gelas ukur dan
bagian lampiran gambar L.8 dan foto termologger pada bagian lampiran gambar
L.9.
3.4Langkah penelitian
Penelitian dilakukan dengan prosedur yang sama pada tiap variasinya
sehingga dapat diperoleh hasil yang dapat dibandingkan antar variasi. Berikut
adalah langkah-langkah dilakukan untuk pengambilan data penelitian :
1. Penelitian diawali dengan pembuatan dan penyiapan alat seperti pada Gambar
3.1.
2. Pengambilan data dilakukan dengan mevariasikan debit aliran fluida kerja cair
yang mengalir ke pemanas.
3. Pada debit aliran fluida kerja cair dilakukan variasi jumlah fluida kerja
mula-mula atau pengkondisian awal pada kondensor dan pemanas.
4. Dilakukan juga variasi head pemompaan dan variasi jumlah tabung udara tekan.
5. Data yang dicatat adalah temperatur minyak pemanas pada bagian bawah (T1),
temperatur minyak pada bagian atas (T2), temperatur fluida kerja cair yang
masuk ke pemanas (T3), temperatur uap fluida kerja yang keluar dari pemanas
(T4), tekanan fluida kerja cair yang mengalir ke pemanas (P1), tekanan pada
bagian tabung air tekan (P2), tekanan pada bagian tabung udara tekan (P3),
kenaikan air pada tabung udara tekan (h), waktu pemompaan (t ), waktu
pemanasan (t ), waktu pendinginan (t ).
6. Langkah 3 dan 4 diulangi dengan variasi debit aliran fluida kerja cair yang
mengalir ke pemanas dengan memperkecil debit aliran fluida kerja cair yang
mengalir ke pemanas.
7. Data yang diperoleh dianalisa dengan menggunakan persamaan (1) sampai
25
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
Berikut adalah data hasil penelitian yang didapat dengan memvariasikan
volume fluida kerja mula-mula, debit aliran fluida kerja, head pemompaan, dan
jumlah tabung udara tekan yang digunakan. Adapun penjelasan mengenai
penamaan kolom dan baris adalah sebagai berikut :
Baris
Awal : Kondisi dimana proses pendinginan selesai dan fluida kerja belum masuk
ke pemanas. Dapat juga dikatakan awal siklus tekan atau akhir siklus hisap.
Akhir : Kondisi dimana proses pemompaan selesai. Ditandai dengan turunnya
ketinggian air di tabung udara tekan. Dapat dikatakan sebagai sebagai akhir siklus
tekan.
ΔVsumur : Jumlah volume yang masuk atau dihisap oleh pompa benam dari sumur
saat terjadinya proses pengembunan, ditandai dengan turunnya air di tabung air
pada sumur. Atau bisa disebut juga jumlah volume air yang dipompa keluar oleh
pompa pada saat proses pemompaan.
Kolom
T1 : Temperatur minyak pemanas pada bagian bawah.
T2 : Temperatur minyak pemanas pada bagian atas.
T3 : Temperatur fluida kerja cair yang masuk ke pemanas.
T4 : Temperatur uap fluida kerja yang keluar dari pemanas.
Vudara : Volume udara pad tabung udara tekan.
P1 : Tekanan fluida kerja cair padayang mengalir ke pemanas.
P2 : Tekanan pada bagian tabung air tekan.
P3 : Tekanan pada bagian tabung udara tekan.
tpanas : Lama waktu pemanasan fluida kerja cair. Dimulai dari awal siklus tekan
hingga akhir siklus tekan.
tpompa : Lama waktu pemompaan. Diukur ketika air mulai keluar dari ujung
tertinggi pipa buang hingga air berhenti mengalir.
tdingin : Lama waktu pendinginan. Dimulai dari akhir siklus tekan hingga volume
fluida cair kembali ke volume awal.
Vsumur : Volume air pada sumur dengan dua tabung
Tabel 4.1 Data penelitian pada variasi jumlah tabung udara mengunakan dua tabung udara tekan dan satu tabung udara tekan
2 Tabung Udara Tekan , volume udara tekan sebesar 12 liter
Catatan * Debit aliran fluida kerja 4,3 liter / menit, kondisi awal pemanas dan
Catatan * debit aliran fluida kerja 4,3 liter / menit , kondisi awal pemanas terisi udara dengan tekanan 1 atm dan kondensor terisi penuh fluida kerja cair
Pemanas dan kondensor terisi penuh fluida kerja cair, jumlah massa fluida mula-mula 2,51 liter
Kondisi T1
Pemanas terisi udara dan kondensor terisi penuh fluida kerja cair jumlah massa fluida mula-mula 1,26 liter
head pemompaan 2,35 m
Kondisi T1
head pemompaan 1,35 m
dengan jumlah massa fluida mula-mula 1,26liter, satu tabung udara tekan volume udara tekan 5,9 liter.
Dari data yang telah didapat, maka dapat dilakukan perhitungan untuk
mengaetahui unjuk kerja pompa air energi termal sesuai dengan variasi yang telah
dilakukan. Berikut adalah perhitungan dengan menggunakan data pertama pada
variasi debit aliran fluida kerja 4,3 liter/menit, kondisi awal pemanas dan kondensor
terisi penuh fluida kerja cair dengan jumlah massa fluida mula-mula 2,51 liter, dua
tabung udara tekan, volume udara tekan 12 liter, dan head pemompaan 3,65 m
(Tabel 4.1).
Perhitungan yang pertama kali dilakukan adalah menghitung daya pompa.
Persamaan yang digunakan adalah persamaan (1). Variabel yang diketahui adalah:
Head = 3,65 m
Vsumur/air = 0,8 liter
ρ
air = 1000 kg/m³t
pompa = 62 detikg = 9,81 m/det²
Perhitungan daya pemompaan adalah
Η Q g ρ
Ppompa
pompa
P = 1000 kg/m³. 9,81 m/det² . , . ¯³ m³/det . 3,65 m
pompa
Perhitungan daya pemanas dilakukan setelah menentukan sifat-sifat fluida
yang digunakan dalam pehitungan mencari nilai bilangan Rayleigh (Ra), Nusselt
(Nu) dan koefisien perpindahan kalor (h). Persamaan yang digunakan adalah
persamaan (2) untuk mencari nilai Ra, persamaan (3) untuk mencari nilai Nu pada
konveksi luar pipa pemanas atau permukaan pipa, persamaan (4) untuk mencari
nilai koefisien rata-rata perpindahan kalor konveksi (h). Dengan variabel yang
diketahui adalah :
Untuk menghitung koefisien volume ekspansi ( ) maka perlu menghitung
dahulu temperatur permukaan pipa (Ts) dan temperatur film (Τf ), dilakukan
menggunakan persamaan sebagai berikut :
027
Dengan variabel yang sudah diketahui, sehingga dapat menentukan sifat –
sifat fluida perpindahan kalor konveksi di luar pipa atau permukaan pipa
menggunakan tabel sifat fluida (Cengel, 2008) ditunjukkan pada bagian lampiran
tabel L.1 dan tabel L.2, maka sifat-sifat fluida yang didapat adalah adalah sebagai
berikut :
V = 3,48 x 10-06 m2/s
Pr = 52,27
κ
= 0,13 W/m.oCPerhitungan nilai Rayleigh (Ra) dilakukan dengan menggunakan persamaan
(2) sebagai berikut :
Perhitungan nilai Nusselt (Nu) dilakukan dengan menggunakan persamaan
Perhitungan koefisien rata-rata perpindahan panas secara konveksi (h)
dilakukan dengan menggunakan persamaan (4) sebagai berikut :
Perhitungan daya pemanas dilakukan dengan menggunakan persamaan (5).
Variabel yang diketahui adalah sebagai berikut :
h permukaan pipa = 323,17 W/m². °C
A permukaan pipa = 0,19 m²
T minyak = 114 °C
Perhitungan daya pemanas adalah :
Perhitungan efisiensi pompa dilakukan dengan menggunakan persamaan
(6) sebagai berikut :
%
Perhitungan kompresi udara dalam tabung udara tekan dilakukan dengan
menggunakan persamaan (7) sebagai berikut :
2
Perhitungan efisiensi termal dilakukan dengan menggunakan persamaan (8)
termal
= 81,81 %
Dengan cara yang sama seluruh data penelitian tiap variasi dihitung dengan
persamaan (1) sampai persamaan (8). Berikut adalah hasil perhitungan dari seluruh
data penelitian yang disajikan dalam bentuk tabel.
Tabel 4.4 Data perhitungan pada variasi jumlah tabung udara mengunakan dua tabung udara tekan dan satu tabung udara tekan
Tabel 4.6 Data perhitungan pada variasi ketinggian head pemompaan 2,35 m dan 1,35 m.
Catatan * debit aliran fluida kerja 4,3 liter / menit , kondisi awal pemanas terisi udara dengan tekanan 1 atm dan kondensor terisi penuh fluida kerja cair dengan jumlah massa fluida mula-mula 1,26 liter, satu tabung udara tekan volume udara tekan 5,9 liter.
Pembahasan disini dilakukan dengan melakukan perbandingan data-data
yang sudah diperoleh dari penelitan dan perhitungan yang sudah dilakukan.
Perbandingan data dilakukan dengan membandingkan antar variasi yaitu variasi
jumlah tabung udara tekan, volume fluida kerja cair mula-mula, dan variasi
ketinggian head pemompaan untuk mengaetahui debit, daya, efisiensi yang terbaik
diantara variasi-variasi yang dilakukan.
Pembahasan untuk variasi jumlah tabung udara tekan antara 2 tabung udara
tekan dengan volume udara tekan 12liter dan 1 tabung udara tekan dengan volume
Gambar 4.1 Grafik perbandingan debit air pemompaan pada variasi jumlah tabung udara tekan.
Gambar 4.3 Grafik perbandingan efisiensi pompa pada variasi jumlah tabung udara tekan
Pada grafik variasi jumlah tabung udara tekan terlihat bahwa pemompaan
menggunakan dua tabung udara tekan diperoleh debit, daya, dan efisiensi
pemompaan yang lebih baik daripada menggunakan satu tabung udara tekan, yaitu
dengan debit sebesar 0,77 liter /menit, daya pemompaan sebesar 0,46 watt, efisiensi
pompa sebesar 0,031 %. Pada pemompaan menggunakan dua tabung udara tekan,
beban yang dikompresikan besar karena volume udara yang dikompresikan dua
kalinya volume udara pada satu tabung udara tekan, sehingga uap yang dibutuhkan
untuk megkompresikan udara pada tabung udara tekan juga besar. Maka uap dari
hasil penguapan fluida kerja cair akan terus berkumpul semakin banyak hingga
mampu mendorong air dan mengkompresikan udara pada tabung udara tekan. Saat
pengkompresian dan pompa melakukan pemompaan karena tenaga dari uap yang
dihasilkan besar maka debit yang dihasilkan untuk satu kali pemompaan pada
2 Tabung udara 1 Tabung udara
pompa yang menggunakan dua tabung udara tekan sebesar dua kalinya debit yang
dihasilkan oleh pemompaan yang menggunakan satu tabung udara tekan. Karena
semakin besar tenaga yang dihasilkan semakin besar juga daya yang diperlukan
karena daya dipengaruhi oleh debit air pemompaan, semakin besar debit air yang
dipompa maka semakin besar juga daya yang dibutuhkan untuk pemompaan.
Pemompaan dengan menggunakan satu tabung udara tekan memang tenaga
uap yang dibutuhkan lebih kecil untuk mendorong air untuk mengkompresikan
udara pada tabung udara tekan karena beban yang dikompresikan kecil, tetapi saat
pemompaan tidak efektif karena waktu yang dibutuhkan untuk menguapkan fluida
kerja cair cukup lama karena menggunakan debit aliran fluida kerja cair yang besar.
Setelah memompa pada pemompaan menggunakan satu tabung udara tekan akan
menunggu hingga uap berkumpul lagi dan melakukan pemompaan lagi tetapi
selang waktu untuk menunggu uap berkumpul lagi cukup lama, oleh karena itu
pemompaan menggunakan satu tabung udara tekan tidak efektif.
Pembahasan untuk variasi jumlah massa fluida kerja cair mula-mula pada
pemanas dan kondensor antara kondisi awal pemanas dan kondensor terisi penuh
fluida kerja cair dengan jumlah massa fluida mula-mula 2,51 liter dan kondisi awal
pemanas terisi udara dengan tekanan 1 atm dan kondensor terisi penuh fluida kerja
cair dengan jumlah massa fluida mula-mula 1,26 liter, dan keduanya sama-sama
pada kondisi debit aliran fluida kerja 4,3 liter/menit, menggunakan satu tabung
Gambar 4.4 Grafik perbandingan debit air pemompaan pada variasi volume fluida kerja cair mula-mula.
Gambar 4.5 Grafik perbandingan daya pemompaan pada variasi volume fluida kerja cair mula-mula.
kondisi aw al pemanas dan kondensor terisi penuh
fluida kerja_1 Tabung
kondisi aw al pemanas terisi udara dan kondensor terisi
volume fluida kerja cair mula-mula
0,13
kondisi aw al pemanas dan kondensor terisi penuh
Gambar 4.6 Grafik perbandingan efisiensi pompa pada variasi volume fluida kerja cair mula-mula.
Pada grafik variasi volume fluida kerja mula-mula terlihat bahwa pada
kondisi awal pemanas dan kondensor terisi penuh oleh fluida kerja cair diperoleh
debit, daya dan efisiensi pemompaan yang lebih baik daripada saat kondisi hanya
kondensor saja yang terisi oleh fluida kerja cair dan pemanas terisi udara. Hasil
yang paling baik yaitu dengan debit pemompaan sebesar 0,22 liter/menit, daya
pemompaan sebesar 0,13 watt, dan efisiensi pompa sebesar 0,008 %. Volume fluida
kerja cair yang semakin besar dengan pemanasan yang optimal maka akan
menghasilkan uap yang semakin besar juga untuk mendorong air yang akan
mengkompresi udara pada tabung udara tekan, sehingga debit yang dihasilkan juga
lebih besar dan daya pemompaan juga lebih besar. Pada volume fluida kerja cair
yang sedikit akan menghasilkan uap yang sedikit juga sehingga akan diperlukan
waktu yang lama untuk mengumpulkan uap yang mampu mendorong air untuk
mengkompresikan udara pada tabung udara tekan makan debit pemompaan yang
dihasilkan dan daya pemompaannya jelek.
Di sini udara juga sangat berpengaruh dalam proses pemompaan. Udara
mengganggu sirkulasi atau jalannya uap ke tabung udara tekan ,sehingga uap belum
sampai ditujuannya sudah mengembun karena terhambat oleh udara. Di sini udara
menambah beban uap dalam melakukan proses penekanan. Proses pemanasan
sangat berpengaruh, pemanasan fluida kerja cair yang jelek atau tidak optimal akan
memperlambat proses penguapan fluida kerja cair. Volume fluida kerja cair
semakin besar menggunakan pemanasan yang jelek atau tdak optimal menyebabkan
debit yang dihasilkan kecil dengan waktu pemanasan yang lama sehingga efisiensi
yang dihasilkan juga kecil.
Pembahasan untuk variasi ketinggian head pemompaan antara ketinggian
head pada 2,35 m dari permukaan air sumur dan ketinggian head pada 1,35 m dari
permukaan air sumur, dan keduanya sama-sama pada kondisi debit aliran fluida
kerja 4,284 liter/menit, menggunakan satu tabung udara tekan, volume udara tekan
5,9 liter, volume fluida kerja cair mula-mula 1,26 liter.
Gambar 4.7 Grafik perbandingan debit air pemompaan pada variasi ketinggian head pemompaan
Tinggi head 2,35 m Tinngi head 1,35 m
Gambar 4.8 Grafik perbandingan daya pemompaan pada variasi ketinggian head pemompaan.
Gambar 4.9 Grafik perbandingan efisiensi pompa pada variasi ketinggian head pemompaan.
Pada grafik variasi ketinggian head pemompaan terlihat bahwa pemompaan
menggunakan ketinggian head pompa 2,35 m diperoleh debit, daya, dan efisiensi
pemompaan yang lebih baik dari pemompaan yang menggunakan ketinggian head
pompa 1,35 m. Hasil yang paling baik yaitu dengan debit pemompaan sebesar 0,17
liter/menit, daya pemompaan sebesar 0,1 watt, dan efisiensi pompa sebesar
0,10
Tinggi head 2,35 m Tinngi head 1,35 m
D
Tinggi head 2,35 m Tinggi head 1,35 m
0,0074%. Semakin tinggi head semakin besar juga beban yang diterima oleh
pompa. Beban ini sangat berpengaruh pada buka tutup katub searah pada sisi tekan,
semakin besar beban maka katub akan menutup semakin kuat sehingga saat
pemompaan diperlukan juga tenaga uap yang besar sehingga kuat untuk membuka
katub searah pada sisi tekan. Disini jika uap belum kuat untuk membuka katub
searah pada sisi tekan,uap ini akan menunggu uap selanjutnya dan berkumpul
semakin banyak sehingga tenaga yang dihasilkan dari uap semakin besar dan
mampu membuka katub searah pada sisi tekan lalu memopa air keluar. Karena
tenaga yang besar yang dihasilkan oleh uap tadi, maka pompa memompa air dengan
tenaga yang kuat sehingga debit yang dihasilkan oleh pompa bagus.
Berbeda dengan tinggi head yang semakin rendah maka beban yang
diterima oleh pompa khususnya pada katub searah sisi tekan juga semakin ringan.
Tenaga uap yang diperlukan untuk membuka katub searah pada sisi tekanpun lebih
kecil dalam proses pemompaannya, tetapi karena debit aliran fluida kerja yang
dugunakan besar maka proses penguapan fluida kerja cair juga memerlukan waktu
yang cukup lama. Oleh karena itu debit yang dihasilkan pompa dengan
menggunakan ketinggian head yang semakin rendah dan menjadi tidak efektif serta
efisiensi pompa juga tidak bagus. Disamping itu rugi-rugi daya yang ditimbulkan
juga cukup besar karena pemompaan menggunakan head yang rendah akan
melakukan pemompaan lebih cepat dibanding menggunakan head yang lebih tinggi
karena tenaga uap yang diperlukan untuk memompa kecil tetapi rugi-rugi daya
karena gesekan dan sebagainya besar maka debit yang dihasilkan lebih sedikit dan
43
BAB V
PENUTUP
5.1Kesimpulan
1. Telah dibuat pompa air tenaga termal dengan pemanas berupa pipa tembaga
yang disusun secara parallel dan dilengkapi dengan pemisah uap.
2. Debit pemompaan maksimum sebesar 0,77 liter/menit tiap siklus pada variasi
debit aliran fluida kerja 4,3 liter/menit, kondisi awal pemanas dan kondensor
terisi penuh fluida kerja cair dengan jumlah massa fluida mula-mula 2,51 liter,
dua tabung udara tekan, volume udara tekan 12 liter dan head pemompaan 2,35
m.
3. Daya pemompaan maksimum sebesar 0,46 watt pada variasi variasi debit aliran
fluida kerja 4,3 liter/menit, kondisi awal pemanas dan kondensor terisi penuh
fluida kerja cair dengan jumlah massa fluida mula-mula 2,51 liter, dua tabung
udara tekan, volume udara tekan 12 liter dan head pemompaan 2,35 m.
4. Efisiensi pemompaan maksimum sebesar 0,031 % pada variasi variasi debit
aliran fluida kerja 4,3 liter /menit, kondisi awal pemanas dan kondensor terisi
penuh fluida kerja cair dengan jumlah massa fluida mula-mula 2,51 liter, dua
tabung udara tekan, volume udara tekan 12 liter dan head pemompaan 2,35 m.
5. Efisiensi termal maksimum sebesar 87,51 % pada variasi debit aliran fluida kerja
4,3 liter /menit, kondisi awal pemanas dan kondensor terisi penuh fluida kerja
cair dengan jumlah massa fluida mula-mula 2,51 liter, satu tabung udara tekan,
5.2 Saran
1. Diusulkan untuk penelitian selanjutnya dapat dilakukan penambahan panjang
pada pipa pemanas untuk meningkatkan dan memaksimalkan penguapan fluida
kerja cair.
2. Diusulkan untuk penelitian selanjutnya dapat dilakukan penggantian fluida
kerja cair yang digunakan dalam proses pemompaan dengan titik didit yang
lebih rendah dari petroleum eter, untuk meminimalkan waktu penguapan dan
memaksimalkan pemompaan sehingga debit, daya, dan efisiensi yang lebih
bagus.
3. Diusulkan untuk penelitian selanjutnya dapat dilakukan penggantian kontruksi
dan bahan pipa kondensor menjadi lebih pendek dan mempunyai sifat
penghantar uap yang bagus agar dapat menjaga hasil uap fluida kerja cair
sampai pada tabung udara tekan serta bagus dalam proses pendinginan.
4. Diusulkan untuk penelitian selanjutnya pada proses pemompaan usahakan
untuk meminimalisir adanya udara dalam sistem karena setelah penelitian udara
45
DAFTAR PUSTAKA
Arismunandar, Wiranto, 1995. Teknologi Rekayasa Surya. Jakarta : Pradnya Paramita.
Cengel, Y.A.; Bobs, M.A., 2008. Thermodynamics, An Engineering Approach, Sixth Edition, Mc Graw Hill.
Mahkamov, K.; Orda, E.P., 2005. Solar Thermal Water Pumps: A Preliminary.
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
Wong, Y.W.; Sumathy, K., 2001b. Thermodynamic analysis and optimization
of a solar thermal water pump, Applied Thermal Engineering, Volume
46
LAMPIRAN
Gambar L.1 Alat penelitian pompa air termal
Gambar L.4 Kondensor Gambar L.5 Penampung fluida kerja
` Gambar L.8 Manometer udara
Tabel L.1 Tabel sifat fluida minyak pemanas (Cengel, 2008)
